Displeje mobilů: jak fungují a čím se liší

Displeje mobilů: jak fungují a čím se liší

Ačkoli se projekt týká hlavně displejů mobilních telefonů, musíme na ně jít od začátku – od technologií, které se začaly objevovat v televizorech a počítačových monitorech.

Sklo nebo tekuté krystaly

U každého zobrazovacího zařízení bývá hned vedle jeho rozměrů uvedena trojice písmen, která označuje technologii zobrazování. Která tři písmena že to jsou? Přece CRT, LCD, popř. TFT. Zkratka CRT pochází stejně jako všechny ostatní z angličtiny (Cathode-Ray Tube)
a označuje klasický zobrazovač se skleněnou obrazovkou v televizi či monitoru. Obraz je zde vytvářen letícími elektrony. Ty vystřelují ze zadní katody směrem dopředu k anodě a jejich zachytáváním na stínítku se vytváří obraz.

Druhá zkratka LCD pochází z anglických slov Liquid Crystal Display. Označuje ploché displeje, ve kterých je obraz tvořen průnikem polarizovaného světla tenkou vrstvou tekutých krystalů uvnitř displeje, a to pomocí elektromagnetického natáčení krystalů ve vrstvě. Zde jsme ale už u mobilních telefonů, které používají právě displeje typu LCD.

Tančící krystaly

Ačkoli byly tekuté krystaly jako materiál objeveny australským botanikem Rheinitzerem již
v roce 1888, na jejich elektromagnetické vlastnosti přišli vědci až v roce 1963. Praktické využití v oblasti zobrazovací techniky pak přišlo v roce 1968. Pro zavedení technologie tekutých krystalů do praxe hovořilo hned několik pádných argumentů.

Prvním z nich byl fakt, že LCD displeje lze oproti CRT zobrazovačům vyrobit velice tenké
a lehké. Zatímco u klasických elektronkových obrazovek, kde se elektromagneticky směruje proud elektronů na dráze mezi zadní katodou a stínítkem, je třeba dodržet jistou hloubku,
u displejů LCD se vše odehrává mezi dvěma mřížkami v tenké vrstvě tekutých krystalů. Tato výhoda předurčila LCD zejména pro použití v malých zařízeních jako jsou mobilní telefony, kapesní počítače a notebooky. Další výhodnou vlastností LCD je výrazně nižší energetická náročnost ve srovnání s CRT obrazovkami.

Prvním na světě, kdo představil výrobek s LCD displejem, byl Sharp v roce 1973. Jednalo se o kalkulačku EL-8025. Po Sharpu následovaly další firmy jako Seiko, Hitachi nebo Sony.

Jak funguje LCD

Při pokusu o pochopení principu displejů typu LCD musíme poněkud hlouběji zavzpomínat na školní fyziku. Světlo je ve své podstatě tvořeno proudem fotonů, které kmitají všemi možnými směry. Pokud však paprsku světla postavíme do cesty skleněnou destičku s velmi jemnými drážkami, fotony se poněkud ukázní a projdou jen ty, které kmitají správným směrem. Paprsek je tzv. polarizován. Nyní takto upravený paprsek necháme dopadnout na destičku s drážkami, které jsou vůči původním otočeny o devadesát stupňů Chvilka napětí
a hádáte správně: na druhou stranu se neprotlačil ani jeden foton, celá naše konstrukce je černě neprůhledná.

Zkusme nyní mezi obě tyto skleněné destičky vložit speciální látku nazvanou tekuté krystaly. Tato látka se vyznačuje zvláštní vlastností: v klidovém stavu jsou v ní jednotlivé krystalky uspořádány do spirály, která natáčí směr kmitání fotonů v probíhajícím paprsku. Než paprsek všechny krystalky překoná, je polarizován souhlasně s drážkami na druhé skleněné destičce
a bez problému jí prochází. Díky tomu je nyní naše testovací konstrukce průhledná. Tekuté krystaly lze však usměrnit, vystavíme-li je účinkům elektromagnetického pole. V takovém případě se srovnají do řady jako vojáci, paprsek nijak nenatočí a neprojde žádné světlo.

Jak se tohle všechno dá využít při výrobě displeje? Základní princip byl popsán: máme dvě destičky, mezi nimi dvě elektrody a úplně uprostřed tekuté krystaly. V klidovém stavu jsou krystalky ve spirále a displej je průhledný. Přivedeme-li však do příslušných elektrod proud, odpovídající pixel se vlivem vyrovnání krystalků ztmaví. Pro zajímavost: chování světla při průchodu tekutými krystaly bylo popsáno v roce 1889, první demonstrace displeje typu LCD musela počkat až do roku 1963.

Dalším problémem, který je třeba u mobilního telefonu vyřešit, je podsvětlení displeje. Aby byla průhlednost či neprůhlednost pixelů dobře viditelná, musí být displej ze spodní strany nějak osvětlen. Řada levných LCD displejů nabízí jednoduché a finančně nenáročné řešení – na zadní stranu je umístěna reflexní fólie, která odráží okolní světlo. K tomu je ale nutno přidat i vlastní podsvětlení, což bohužel silně zvyšuje energetickou náročnost. Barevné displeje vyžadují vlastní podsvětlení v každém případě, což spolu s trojnásobným počtem potřebných pixelů nemá příliš příznivý vliv na výdrž telefonu. Zde je také třeba hledat důvod, proč je barevný displej špatně čitelný, pokud osvětlení zhasne.

Aktivní nebo pasivní

Mezi LCD displeji existují dvě různé technologie, jak vytvořit na displeji žádaný obrazec. Starší z nich pracuje na principu mřížky, kde každý zobrazovací bod displeje (pixel) je
v matici udán vodorovnou a svislou souřadnicí. Aktivace příslušného obrazového bodu
v mřížce se provede tak, že se aktivuje vodič v příslušném řádku a sloupci matice. Tím se krystaly v oblasti daného pixelu vlivem magnetického pole natočí a bod se zobrazí. Displeje
s tímto způsobem zobrazování se označují jako pasivní (CSTN).

Oproti tomu aktivní displeje využívají pro každý z obrazových bodů samostatnou vrstvu tranzistorů, které zajišťují aktivaci pixelu. Odtud plyne také jejich označení TFT (Thin Film Transistor). Rozdíl mezi aktivní a pasivní technologií je patrný z následujících nákresů.

Princip pasivního displeje

Princip aktivního displeje

Výhoda aktivních displejů spočívá zejména v rychlejší obnovovací frekvenci, která je užitečná při zobrazování rychlých animací nebo videoklipů. Další výhodou je větší zobrazovací úhel. Na aktivní displej se lze dívat i poněkud šikmo a obraz je stále čitelný. Aktivní displeje mají navíc i ostřejší a čistší obraz. Nevýhodou aktivních displejů jsou vyšší výrobní náklady, které se pochopitelně promítnou do ceny takto vybavených zařízení. První aktivní displej byl představen v roce 1980 firmou Seiko-Epson.

Zde je třeba zdůraznit, že rozhodně nelze ztotožňovat pojem LCD displej a TFT displej. Pojem LCD totiž zahrnuje jak pasivní (CSTN), tak aktivní (TFT) displeje.

Parametry displeje

Starší a jednodušší displeje na své ploše, která může být podsvícena, zobrazí pouze jednu barvu. Obrazové body jsou tedy buď zapnuty nebo vypnuty. Takovým displejům se říká jednobarevné nebo cizím slovem monochromatické. Pokročilejší monochromatické displeje dokážou zobrazit navíc i různé odstíny jedné barvy.

V současnosti se již v nových modelech mobilních telefonů téměř vždy používají barevné displeje. Důležitým parametrem je pak počet barev, které displej dokáže zobrazit. Počet barev se odvíjí od počtu bitů, pomocí kterých je nastavení barvy pro každý z pixelů displeje vyjádřeno. Počtu bitů se říká barevná hloubka nebo někdy také bitová hloubka. Nejjednodušší barevné displeje zvládnou zobrazit 256 barev, což odpovídá barevné hloubce osmi bitů. Další stupeň je pak displej s 4 096 barvami, což je barevná hloubka dvanáct bitů. Následuje hloubka šestnáct bitů, jež dovoluje zobrazit 65 536 barev, a současným vrcholem – pokud jde
o displeje mobilů – je hloubka 18 bitů, což je až 262 144 barev. Pouze jediný mobil (Panasonic VS3) používá bitovou hloubku 24 bitů, což odpovídá 16 777 216 barvám.

Dalšími ze směrodatných parametrů displeje jsou velikost a rozlišení. Velikost displeje se udává v milimetrech a je to velikost plochy, kterou je možné využít k zobrazování. Rozlišení displeje je potom počet obrazových bodů v řádcích a sloupcích displeje. Čím je počet pixelů
v řádcích a sloupcích pro danou velikost displeje větší, tím je obraz na displeji kompaktnější
a jsou méně vidět jednotlivé pixely displeje.

Na následujících obrázcích je pro srovnání displej Sharpu TM100 s rozlišením 240 × 320 bodů při rozměrech 34 × 45 mm a displej Siemensu ST60, kde je při velikosti jen o málo menší (29 × 38 mm) a má rozlišení 120 × 160 bodů, tedy poloviční počet pixelů na řádku i ve sloupci.

Srovnání rozlišení: Sharp TM100 …

… a Siemens ST60

Důležitým parametrem je také kontrast, což je poměr mezi nejsvětlejším a nejtmavším bodem obrazu. Od úrovně kontrastu se také odvíjí čitelnost displeje, tedy čím je kontrast vyšší, tím je displej čitelnější např. při slabším podsvětlení (nebo naopak při silném přímém světle).

Budiž světlo

Další možné rozdělení displejů se odvíjí od různých způsobů osvětlení obrazovky. Prvním typem jsou transmisivní neboli propustné displeje. Ty potřebují ke své činnosti doplňkový zdroj světla, kterým mohou být např. světelné diody LED umístěné za displejem (backlight). Propustné displeje pracují velice dobře na běžném a slabém osvětlení, kde jsou dobře zřetelné a jasné. Horší je to s jejich čitelností při silném osvětlení, např. venku na slunci. Nevýhodou je také to, že podsvětlení displeje odebírá značné dávky energie z napájecího zdroje.

Druhým typem jsou reflexní displeje. Jsou vybaveny speciální vrstvou, která odráží okolní světlo. Přístroje, které jsou vybaveny tímto typem displeje, mají výhodu na velmi silném světle, tedy zejména venku na slunci nebo ve zvlášť dobře osvětlených místnostech.
V běžných světelných podmínkách však nejsou tak jasné jako podsvícené displeje. Jejich velká výhoda spočívá zejména v úspoře energie napájecího zdroje, protože využívají energii světla zvěnčí.

Častá je hybridní forma LCD displejů, která slučuje vlastnosti obou výše zmíněných typů. Takové displeje se nazývají transreflexní a mají jak reflexní vrstvu, tak i zadní podsvícení, jehož světlo vrstvy displeje částečně propouštějí.

Nastupují displeje OLED

Velmi perspektivní je mladší technologie OLED (Organic Light Emitting Diode). Displeje, které jsou na ní založeny, tvoří mřížka miniaturních LED diod. Pochopitelně se nejedná
o běžné LED, které prosvětlují klávesnici mobilů nebo blikají
u antény; ty by asi nebyly příliš vhodné. Diody musí být vyrobeny speciální technologií a vyznačují se především tím, že u nich nesvítí plynná náplň, ale pevná látka.

Obrovskou výhodou displejů OLED je nízká spotřeba energie, protože nepotřebují podsvětlení, diody dostatečně září samy o sobě. Vítanou vlastností jsou také kvalitní a jasné barvy a také vysoká rychlost zobrazení. Displeje OLED jsou v porovnání
s běžnými typy LCD také velmi tenké a jejich výroba by se měla postupně zlevňovat.

Hlavní displej OLED u nás nenajdete u žádného mobilního telefonu, pouze některé modely od Samsungu mají vnější displej tohoto typu. V roce 2000 uvedla Motorola barevný OLED displej v mobilním telefonu Timeport P8767, ten byl však určen jen pro sítě CDMA. Až na letošním CeBITu byly u značek Asus, LG a Samsung vidět první modely, které se snad dočkají prodeje i v Evropě. Superbarevným displejem OLED se na svém stánku chlubila
i Toshiba a Kodak, který stál v osmdesátých letech 20. století na počátku vývoje technologie OLED, uvedl digitální fotoaparát s tímto displejem.

Jeden bod (pixel) barevného displeje OLED se skládá ze tří mikropixelů předepsaných barev.

Diody svítí samy
o sobě, displej nepotřebuje podsvětlení.

Kromě „běžných“ displejů OLED jsou plánovány
i pokročilejší varianty. Typ FOLED (Flexible OLED) se liší umístěním aktivní vrstvy na pružnou podložku, displej pak bude ohebný
a bude možné srolovat jej do ruličky. Displeje,
u kterých se podařilo vyrobit elektrody z průhledného materiálu, nesou označení TOLED (Transparent OLED). Průhlednost displeje může skýtat řadu výhod. Lze například umístit tři barevné pixely nad sebe, čímž se při zachování barevnosti dosáhne vyššího rozlišení na stejné ploše.

Jak je to s barvou?

Černobílé displeje dnes patří minulosti a kdo nemá barvu, ten jako by nebyl. Jak ale udělat
z černobílého displeje barevný? Je to jednoduché, stačí vhodně namíchat barevné světlo – na vrchol jednotlivých bodů umístit barevné filtry (u LCD) či vyrobit diody OLED v různých barvách.

Většinou se používají tři barvy: červená (Red), zelená (Green) a modrá (Blue), takzvané schéma RGB. Barevné body mohou být uspořádány do řad, případně do trojúhelníků
a vhodným nastavováním odstínů jednotlivých bodů získáme prakticky jakoukoli barvu. Schválně se podívejte zblízka nebo lupou na televizní obrazovku, snadno tam rozeznáte body všech tří základních barev.

Barevné mikropixely mohou být uspořádány do trojúhelníku, do řady,

případně u některých displejů OLED také navrstveny na sebe.

Je libo dotykový displej?

Jisté je, že dotykové displeje jsou velice výhodnou volbou všude tam, kde by samostatné ovládací zařízení, jako je klávesnice nebo joystick, bylo jen na obtíž. Vezměme v úvahu např. různé automaty na vyhledávání dopravních spojení nebo třeba interaktivní informační pulty. Zvláště výhodné je pak použití dotykových displejů u přenosných zařízení, jako jsou kapesní počítače, protože tam je zvláštní klávesnice vždy problémem.

Dá se říci, že mobilní telefony se svou konstrukcí i výbavou začínají stále více blížit kapesním počítačům. A tak se dnes mnohem častěji u mobilních telefonů setkáváme i s dotykovými displeji, na které jsme bývali zvyklí spíše u PDA. Podívejme se tedy blíže, na jaké dotykové displeje můžeme narazit a jak takové displeje pracují.

Rezistivní displeje

Prvním z konstrukčních řešení dotykových displejů je tzv. rezistivní technologie. Tuto technologii používají například smartphony firmy SonyEricsson. Systém je tvořen pružnou membránou, která je na povrchu displeje. Membrána je zevnitř pokryta velmi tenkou průhlednou kovovou vrstvou. Pod membránou je také vodivá průhledná vrstva, která je ale pevná. Mezi vrstvami je pak velmi tenká vzduchová mezera s rastrem izolačních podpěr, které vodivé vrstvy izolují od sebe. Obě vrstvy jsou připojeny k řídicímu
a vyhodnocovacímu modulu. Při dotyku se horní vrstva prohne
a v daném místě se vodivě spojí s vrstvou spodní. Mezi vrstvami pak začne procházet elektrický proud a kontroler pak vypočítá na základě velikosti jednotlivých proudů polohu bodu dotyku. Princip technologie je znázorněn na tomto obrázku.

Výhodou tohoto řešení displeje je především to, že k dotyku lze použít prakticky cokoli. Může to být špička prstu a třeba i v rukavici, tužka nebo jakýkoli jiný předmět. Jde tu
v podstatě jen o vyvinutý tlak na horní vodivou vrstvu. Rezistivní dotykové displeje jsou velice odolné a používají se proto mj. i v průmyslových aplikacích.

Kapacitní dotykové displeje

Funkce těchto displejů je založena na vodivosti lidského těla. Povrch kapacitního dotykového displeje je pokryt vodivou vrstvou. Při dotyku displeje prstem ruky vznikne mezi okraji displeje a vodivou rukou kapacita, přes kterou se uzavírá se elektrický obvod. Kontroler pak analýzou vzniklých kapacit přesně určí polohu prstu.

Výhodnou vlastností tohoto systému je vysoká mechanická odolnost a také malá velmi nízká náchylnost na poruchy funkce vlivem ušpinění (mastnota prach apod.). Velikou nevýhodou
a omezením je to, že dotyk displeje funguje jen v případě, že se obrazovky dotýkáme elektricky vodivým předmětem. S rukou v kožené rukavici nebo s tyčinkou z plastu u tohoto typu displeje nepochodíme.

Speciálním případem kapacitního displeje je pak tzv. projekční kapacitní displej. Využívá principu kapacitního displeje, ale s tím rozdílem, že vyzařuje elektrické pole do blízkého okolí. Pokud takový displej umístíme např. za nevodivou tenkou vrstvu skla nebo plexiskla, bude tento systém fungovat a bude přitom vysoce mechanicky odolný.

Dotykové displeje s infračerveným zářením

Jistě zajímavým řešením je využití infračerveného záření. Princip je v jádru jednoduchý, ale v mnoha různých využitích se skrývá jeho genialita. Systém je tvořen hustou sítí infračervených paprsků, která se vsunutím jakéhokoli předmětu na určitém místě přeruší. Veliká výhoda je v tom, že takový systém lze zhotovit jako rám, který pak lze nasadit na jakýkoli monitor. Pokud takto vybavíme třeba nějaký stařičký CRT monitor, rázem se z něj stane moderní dotyková obrazovka. Jediný telefon s tímto typem displeje je švédský hybrid jménem Neonode N1m (na obrázku).

Další výhodou těchto displejů je to, že pro aktivaci některého bodu displeje není nutné dotýkat se přímo podkladu.

Displej s povrchovou akustickou vlnou

Nejvíce sofistikovanou metodou řešení dotykových displejů je technologie využití povrchové akustické vlny. Pro tyto displeje se používá označení SAW (z anglického Surface Acoustic Wave). Princip je takový, že v rozích pevné průhledné vrstvy nad displejem jsou umístěny vysílače a přijímače signálu. Ten se šíří napříč po ploše displeje. Vložením předmětu do vlnového pole se šíření vln změní a řídicí jednotka tak podle vyslaných a přijatých signálů vyhodnotí polohu vložené překážky. Označení „akustická vlna“ může být poněkud matoucí, protože vysílané vlnění má kmitočet 5 MHz.

Problematická je na této technologii vysoká citlivost na znečištění, protože i malá nečistota dokáže pohltit akustické vlnění a na displeji tak vznikají hluchá místa.

Každý má své

Těžko rozhodovat, která z technologií je ta nejlepší. Jsou tak různorodé, že by takové posuzování snad ani nemělo smysl. Každá ze zmíněných technologií je vhodná pro jiné využití. Některé jsou vhodné do drsných podmínek průmyslové výroby a používají se proto na ovládání a programování výrobních robotů, jiné jsou oproti tomu méně robustní, ale o to více přesné v určování polohy.

Moderní technologie

V poslední době se stále více prosazují nové technologie, které dělají z pasivních displejů vážné konkurenty displejům aktivním. Důvodem takových snah je především vyšší cena aktivního displeje. Jedná se o technologie s označením DSTN a FSTN. Technologie DSTN (Double-layer Super-Twisted Nematic) využívá dvou vrstev s tekutými krystaly, které jsou odděleny tenkým sklem. Elektricky ovládané jsou pak krystaly pouze v horní vrstvě, spodní vrstva polarizuje světlo. Technologie FSTN (Filmcompensated Super-Twisted Nematic) využívá zpožďování světla před vstupem do vrstvy krystalů pomocí speciální zpomalující tenké vrstvy.

Stále více se v oblasti LCD displejů prosazují moderní technologie, které ještě více napomohou jejich rozšíření a postupnému vytlačení obrazovek CRT. Masovému rozšíření LCD zobrazovačů však stále ještě poněkud brání jejich vysoká cena.

Z moderních technologií v oblasti zobrazování stojí dále za zmínku např. plasmové displeje PLP, které ale nejsou ještě v oblasti mobilních telefonů aktuální. Dále to mohou být vakuové zobrazovače typu VFD, které se hodí zejména pro velkoplošné zobrazování, nebo 3D zobrazovače. Ty jsou na následujících obrázcích. Využívají techniku oddělování obrazových světelných paprsků pro pravé a levé oko za pomoci sledování polohy hlavy senzory nad displejem.

Displeje s trojrozměrným obrazem

Dnes se již mezi novými modely mobilních telefonů téměř neobjevují displeje s 256 barvami a dokonce už ani se čtyřmi tisíci barvami. Současné mobily mívají běžně pětašedesát tisíc barev a špička zobrazí 262 144 možných barev. Vývoj ovšem směřuje dál, k 16 mil. barev,
i více. V oblasti displejů pro mobilní telefony lze také očekávat vývoj zejména pokud jde
o rozlišení displejů a úsporu energie potřebné k jejich napájení. Také se očekává nástup dotykových displejů.

Zdroj: https://www.mobilmania.cz.