Часть первая, мифологическая
Парадоксально, но факт – если спросить не чуждого ИТ-тематике пользователя, хотел бы он заменить свой нынешний ЖК-монитор на аналогичный с LED-подсветкой, в 90% случаев мы услышим: «Конечно, да!». Но если предложить сформулировать, чем же конкретно данная технология, по его мнению, лучше традиционной CCFL, то он либо затруднится с ответом, либо приведет один из многочисленных мифов, которыми она уже успела обрасти.
Между тем в самой технологии LED backlight ничего сверхсложного для понимания нет. Поэтому давайте постараемся развеять ореол таинственности, сопровождающий выход на рынок массовых дисплеев на светодиодной подсветке (пока под влиянием «сусанинских» порывов маркетинговых отделов мы не заблудились окончательно), и займемся своеобразным развенчиванием мифов – или же их подтверждением, если они действительно имеют под собой хоть какую-то реальную почву.
Миф 1: «LED-дисплеи по определению лучше, чем ЖК»
Вот что получается, когда путаница возникает уже на уровне фундаментальных понятий. А виной этому – попытки некоторых вендоров выделить свои устройства в «особый» класс, называя их «LED-дисплеями», что и неверно по сути, и довольно безграмотно с точки зрения технической терминологии.
LED displays, или светодиодные дисплеи – это самостоятельный узкоспециализированный класс устройств визуализации, не имеющий никакого отношения к настольным компьютерным мониторам. Таковыми являются, скажем, информационные и рекламные дисплеи, устанавливаемые на улицах крупных городов (общеизвестный пример – большой экран на Майдане Незалежности в Киеве). В этих дисплеях пиксел изображения действительно формируется с помощью светодиодов (одного либо нескольких), поэтому они и называются LED-мониторами, характеризуясь обычно довольно низким разрешением, но высокой яркостью.
Однако рассматриваемые сегодня нами устройства, являющиеся компьютерными ЖК-дисплеями со светодиодной подсветкой, не имеют с ними ничего общего. Формирование пиксела в последних по-прежнему осуществляется с помощью матрицы, в ячейках которой жидкие кристаллы под управлением сигнального напряжения поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света на требуемый угол, тем самым регулируя степень его пропускания.
Что же изменилось в конструкции ЖК-монитора с приходом светодиодов? Поменялся источник света, пропусканием которого управляет ЖК-матрица. В традиционных ЖК-дисплеях используются Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL) – люминесцентные лампы с холодным катодом. Они не слишком отличаются от привычных всем трубчатых ламп «дневного света», разве что гораздо миниатюрнее. Для их поджига и дальнейшего устойчивого свечения требуется источник высокого напряжения, так называемый инвертор, который индустрия также научилась делать малогабаритным и довольно дешевым. Но современные сверхъяркие светодиоды позволяют достичь той же светимости при еще меньших энергетических затратах и без применения высокого напряжения. Поэтому как только использование этих систем подсветки стало экономически оправданным, их появление в компьютерных дисплеях было абсолютно закономерным.
Таким образом, возвращаясь к озвученному мифу, настоящие LED-дисплеи нельзя считать хуже либо лучше ЖК хотя бы потому, что это совершенно разные классы устройств. Мы же сегодня рассматриваем именно компьютерные ЖК-монторы – как с традиционной CCFL, так и с новомодной светодиодной подсветкой, и гипотетические преимущества последней нам еще предстоит доказать. Следовательно, данный миф развенчан.
Миф 2: «LED-подсветка везде одинакова, как и CCFL»
Вообще, это утверждение неверно уже даже по отношению к CCFL-подсветке, так как используемые разновидности люминесцентных ламп серьезно влияют на ключевые характеристики всего устройства. Например, применение CCF-ламп с усовершенствованным люминофором позволило выпустить на рынок ЖК-дисплеи с расширенным цветовым охватом.
Когда же речь заходит о подсветке светодиодной, все усложняется. И прежде всего потому, что существует несколько ее базовых типов, значительно разнящихся по характеристикам.
White и RGB LED. Два радикально отличающихся друг от друга подхода к реализации LED-подсветки заключаются прежде всего в цвете используемых светодиодов. Самая дешевая и несложная в реализации, а также простая для понимания технология заключается в элементарной замене CCF-ламп и блоков их управления/питания на аналогичные по размеру и форме линейки белых светодиодов со своей «обвязкой». В результате производителям ЖК-панелей чаще всего больше не приходится вообще ничего предпринимать, кроме первичной калибровки ЖК-матрицы для ее адекватной работы со спектром излучения используемых белых светодиодов, который заметно отличается от CCFL.
Проблема же, препятствовавшая внедрению белой светодиодной подсветки ранее, состоит в необходимости тщательного отбора кристаллов в линейке по их вольт-амперной характеристике, а также яркости и оттенку свечения. К примеру, для 22-дюймового дисплея количество диодов в каждой из двух линеек может достигать сотни, и для получения равномерного света их все следует выбирать с очень небольшими допусками. В остальном же мониторы с панелями на белой светодиодной подсветке практически не отличаются от своих CCFL-собратьев – кроме нескольких особенностей, которые мы обсудим чуть позже.
Вторым, более сложным, но гораздо более перспективным типом подсветки является применение цветных светодиодов, комбинация свечения которых позволяет получить белый свет. Чаще всего используются RGB-триады, хотя это и не догма. Преимущество такой подсветки перед CCFL в том, что если лампа, грубо говоря, всегда светит единственным оттенком белого света и его нельзя изменить никак, кроме замены самой лампы, то с помощью RGB-триад светодиодов можно получать любой необходимый оттенок, просто варьируя яркость красной, зеленой либо синей составляющих. И если в случае CCFL такой важный параметр ЖК-дисплея, как цветовая температура точки белого, изменяется лишь смещением цветовой характеристики пропускания ЖК-матрицы (что, по сути, приводит к сужению ее динамического диапазона), то RGB LED позволяют эффективно использовать все возможные положения ЖК-кристаллов в ячейке, изменяя оттенок самой подсветки. А это значит, что, переключаясь, скажем, из режима 6500К в 9300К либо 5400К, для формирования цвета пиксела по-прежнему можно использовать всю доступную разрядность матрицы. Поэтому позитивными следствиями применения RGB LED-подсветки в дисплеях стали как широкий цветовой охват, так и высокая точность цветопередачи – характеристики, очень ценимые в профессиональной среде.
К сожалению, реализовать подсветку цветными светодиодами гораздо сложнее. Во-первых, нужно точно подобрать несколько десятков триад RGB-диодов; во-вторых, научиться управлять ими таким образом, чтобы при изменении яркости экрана цветовая температура точки белого оставалась прежней (это непросто, так как характеристика яркости светодиода от потребляемого тока нелинейна и в значительной степени определяется типом, т.е. «цветом» светодиода). Наконец, чтобы независимо от температурного режима, времени эксплуатации устройства, степени дрейфа яркости светодиодов и других факторов, осложняющих разработку, точно «попадать» в нужный оттенок белого при изменении цветовой температуры, необходимо введение оптоэлектрической обратной связи – т. е. в блок подсветки устанавливается колорометрический фотодатчик, что дополнительно усложняет и удорожает всю конструкцию.
Торцевая и тыльная подсветка. Вне зависимости от того, какая из двух вышеописанных технологий применяется, конструкция блока подсветки может радикально отличаться.
В большинстве ЖК-дисплеев на базе CCFL и во многих светодиодных (обычно на белых LED) с малым размером диагонали до 26–30 дюймов используется торцевая подсветка. Источники света располагаются в торцах панели (чаще всего над матрицей и под ней), и их излучение направляется в световод, представляющий собой толстый лист прозрачного полимера, особым образом перфорированного. В точках перфорации лучи света преломляются и поступают на светорассеиватели, поляризатор и ЖК-матрицу.
Преимущество такого подхода заключается в малой толщине панели и дисплея в сборе; сложность – в достижении равномерности подсветки, которая зависит не только от равномерности ламп, но и от оптических характеристик световода и свойств его перфорации. Кроме того, такой подсветкой нельзя динамически управлять на зонном уровне – ее можно только включать либо выключать для всего экрана целиком.
Торцевая подсветка на белых светодиодах позволяет создавать очень тонкие панели, а отсутствие высоковольтного блока питания и управления, необходимого для CCFL, – тонкие мониторы. Поэтому для всех дисплеев с толщиной корпуса меньше либо около 20 мм можно с уверенностью предполагать применение торцевой LED-подсветки на белых светодиодах.
Тыльная подсветка предполагает использование не линеек, а групп светодиодов либо отдельных модулей, размещенных в определенном порядке позади ЖК-матрицы по всей площади экрана. Основной выигрыш, который достигается в этом случае, – возможность зонного управления яркостью подсветки, что особенно востребовано, к примеру, в телевизорах. Технология local dimming, используемая рядом производителей, позволяет получать великолепные показатели динамического контраста даже для сцен, в которых в кадре одновременно присутствуют и очень яркие объекты, и темные области. Однако для RGB LED получение хорошей диффузии цветовых компонентов требует светорассеивателей значительной толщины, в результате толщина и ЖК-панели и монитора оказывается значительной.
Первый ЖК-дисплей со светодиодной подсветкой (а это был NEC серии SpectraView Reference (itc.ua/22311)) использовал единственную линейку RGB-светодиодов и сложную систему световодов, рассеивателей и отражателей для распределения ее свечения по площади экрана. Однако сегодня индустрия далека от однообразия в разновидностях применяемой LED-подсветки: в дорогих профессиональных дисплеях это чаще всего тыльная RGB, в тонких и дешевых потребительских, в том числе экранах ноутбуков – торцевая на белых LED, а в телевизорах и больших дисплеях иногда все еще используется тыльная на белых светодиодах. Есть и уже упомянутые экзотические подвиды. В любом случае, без знания того, какой тип подсветки применен в конкретном мониторе, нельзя заранее судить о его преимуществах либо недостатках по сравнению с CCFL, так как они будут существенно отличаться. Таким образом, и этот миф развенчан.
Миф 3: «LED-подсвет-ка – это широкий цветовой охват и улучшенная цветопередача»
Если вы внимательно ознакомились с предыдущим разделом, то уже понимаете, где здесь кроется причина заблуждения. Изначально LED-подсветка появилась именно в профессиональных дисплеях, где из-за большей гибкости была востребована ее RGB-разновидность. Именно она позволяет получить широчайший цветовой охват, превышающий таковой для стандарта NTSC, а также достичь точного отображения отдельных оттенков благодаря установке баланса белого (т. е. цветовой температуры точки белого) с помощью изменения оттенка подсветки, а не сужением рабочего диапазона разрядности ЖК-матрицы. К сожалению, подобные решения слишком дороги для их повсеместного внедрения, и хотя есть примеры массовых дисплеев на RGB LED (ViewSonic VLED221wm), индустрия потребительских мониторов пока что пошла по пути применения торцевой белой светодиодной подсветки.
Спектр излучения белых светодиодов не столь широк, как у триад RGB LED, и потому цветовой охват панелей на белых LED довольно узок. В этом плане его можно сравнить с традиционными CCFL – он может лишь соответствовать либо слегка перекрывать цветовой охват пространства sRGB. Что же касается точности цветопередачи, то, как в случае с CCFL, она будет зависеть не столько от свойств подсветки, сколько от типа и характеристик ЖК-матрицы и качества ее калибровки – для TN этот параметр заведомо хуже, чем для *VA- и IPS-разновидностей.
Таким образом, говоря о цветовом охвате и цветопередаче монитора со светодиодной подсветкой, нужно всегда уточнять, какие типы LED-подсветки и ЖК-матрицы в нем используются. А значит, и этот миф развенчан.
Миф 4: «LED-подсветка дает большую контрастность»
Перво-наперво давайте уточним, что речь в данном случае идет только о динамической контрастности – так как статическая контрастность ЖК-матрицы представляет собой отношение коэффициентов пропускания при полностью открытой и полностью закрытой ячейках и потому никак не зависит от источника света – будь он хоть CCFL, хоть LED, хоть лампой накаливания или светом из окна.
Динамическая контрастность – величина неоднозначная и очень зависит как от алгоритма работы соответствующего блока управления подсветкой, так и от характера воспроизводимого контента. Однако применительно к LED-подсветке появляется еще и третий фактор – использование тыльной подсветки с зонным управлением, известным также как local dimming.
В случае, если в кадре воспроизводимого видеоролика одновременно присутствуют и очень светлые, и очень темные области, традиционный алгоритм динамической контрастности ничем не сможет нам помочь, и реальная контрастность изображения будет равна статическому показателю. А вот технология local dimming позволяет выборочно гасить подсветку в темных областях и, наоборот, увеличивать в светлых – тем самым в пределах одного кадра будет достигнут значительный перепад яркостей, а следовательно, и высокий контраст.
Несложно понять, что для корректной работы local dimming требуется специальный блок, допускающий индивидуальное управление отдельными светодиодами и их группами, а также логика, формирующая управляющее воздействие исходя из изображения на экране. Соответственно, это довольно дорогое удовольствие, и потому встречается только там, где действительно востребовано – в ЖК ТВ премиум-класса.
А что же обычная торцевая подсветка на white LED, ведь для мониторов на ее базе тоже заявляют «немыслимые» величины динамической контрастности, порядка 5 000 000:1. Здесь все проще. Светодиоды, в отличие от CCF-ламп, можно полностью выключить и включить практически мгновенно, причем им почти не требуется время на стабилизацию (гасить же полностью CCFL никто не рискует, так как задержка при их включении может оказаться непозволительно большой). Методика измерения динамической контрастности подразумевает измерение соотношения яркостей белого и черного цветов – но если при отображении черного поля подсветку вовсе выключить, то делением на ноль можно получить бесконечно большую цифру для данного показателя. Другое дело, что без local dimming при просмотре, скажем, кинофильма мы все же крайне редко будем иметь удовольствие наблюдать глубокий черный цвет. Но это, как обычно, уже детали.
Таким образом, если трансформировать подзаголовок в такой вид: «LED-подсветка дает большую динамическую контрастность», с ним можно согласиться. Но, как мы уже неоднократно писали, для пользователя ПК гораздо важнее контрастность статическая, а здесь светодиоды подсветки нам ничем не могут помочь. Соответственно, и этот миф развенчан, пусть и с некоторыми оговорками.
Миф 5: «LED-подсветка обеспечивает высокую равномерность»
Откуда берется неравномерность ЖК-панели? Как известно, ничего идеального не бывает, и потому факторов здесь множество – от неравномерности излучения источника света (перепадов яркости по длине CCF-лампы либо линейки светодиодов; разницы в яркости и цветности в наборе RGB-триад) до неравномерности световода, рассеивателей, поляризатора, одного из слоев ЖК-матрицы, девиации светопропускания ее ЖК-ячеек либо светофильтров. Словом, подсветка здесь – далеко не единственный аспект данной проблемы.
Решение ее, однако, есть. Оно заключается не в устранении, а в компенсации яркостной и цветовой неравномерности ЖК-панели путем ее зонной калибровки на заводе и введении поправочных коэффициентов для матрицы ЖК-ячеек по всей площади экрана. Оборудование, необходимое для этой операции, довольно дорогостоящее, временные затраты также очень значительны – ведь калибровать надо каждый монитор. Поэтому такие компании, как NEC и EIZO, могут себе это позволить только для профессиональных дисплеев высшей ценовой категории.
Но странно другое. Кажется, почему бы производителям ПО для калибровки и профилирования не предложить пользователю, вооруженному аппаратным калибратором, выполнить данную процедуру самостоятельно – пусть даже она потребует значительных усилий? Ответ, видимо, кроется в том, что далеко не каждый дисплей допускает введение поправочных коэффициентов на уровне отдельных зон по площади матрицы. И хотя теоретически их можно было бы также задавать со стороны видеокарты, автору подобные решения неизвестны.
Как видим, проблема равномерности ЖК-панели не так проста, как кажется на первый взгляд, и одной подсветкой она отнюдь не исчерпывается.
Вместе с тем отметим, что наши измерения равномерности подсветки на белом поле действительно показывают довольно высокие результаты – впрочем, сравнимые с таковыми для качественых мониторов на CCFL. Снимки же белого и особенно черного полей доказывают, что полностью решить проблему равномерности применением светодиодной подсветки все же не удается. А значит, снова приходится констатировать, что очередной миф развенчан.
Миф 6. «В отличие от CCFL, LED-подсветка не мерцает, и потому легче для глаз»
Для начала отметим, что многие пользователи даже не подозревают о мерцании их ЖК-мониторов, полагая, что в отличие от ЭЛТ, здесь оно полностью отсутствует. Увы, вынуждены их разочаровать – большинство ЖК-дисплеев и в самом деле мерцают; другое дело, что частота этого мерцания слишком велика, чтобы замечать его невооруженным глазом. Но все же убедиться в этом несложно.
Возьмите карандаш (ручку или любой другой узкий вытянутый предмет) и поднесите к экрану монитора, на котором отображается белая заливка. Держа его за один из концов, пошатайте из стороны в сторону с частотой несколько раз в секунду и амплитудой, достаточной для того, чтобы его размытое изображение напоминало веер. Если яркость вашего ЖК-дисплея ниже среднего значения (обычно именно в таком положении она комфортна для глаз), то вы заметите, что вместо гладкого визуального следа карандаш оставляет за собой… дискретный, состоящий из череды относительно четких «образов». Зато на максимальной яркости на фоне экрана он будет двигаться так же гладко, как и на фоне любого другого источника непрерывного света – скажем, окна либо лампы накаливания.
Стробоскопический эффект, который наблюдается при снижении яркости подсветки ЖК-экрана, говорит о том, что она зажигается и гаснет с определенной частотой, достаточно высокой, чтобы видеть это глазами. Такой способ регулировки яркости называется широтно-импульсной модуляцией и применяется в технике для управления интенсивностью какого-либо процесса, если в дальнейшем подразумевается его интегрирование. В данном случае интегратором выступают наши глаза, не способные распознать мерцание с частотой более 100 Гц. Однако далеко не все то, что незаметно глазу, проходит для него бесследно. Влияние на зрение перепадов яркости с частотой порядка 200–400 Гц пока никто по-настоящему не исследовал, и совсем не исключено, что именно в этом кроется причина жалоб многих пользователей на головную боль и усталость глаз.
Реального решения этой проблемы со стороны пользователя не существует, так как работа с современным ЖК-монитором на максимальном уровне яркости (когда ШИМ не применяется и подсветка не мерцает) в условиях типичного офисного либо домашнего освещения может сгубить ваши глаза гораздо быстрее, чем гипотетический вред от ШИМ. Вариант же установки перед «включенным на всю яркость» ЖК-монитором нейтрального фильтра высокой плотности либо поляризационного с регулировкой угла поляризации мы всерьез не рассматриваем как явно избыточный для типовых применений ПК. Хотя в голову сразу приходят некогда популярные «защитные экраны» для ЭЛТ-мониторов, сгинувшие втуне вместе с последними. Может, стоит возродить сей бизнес?..
Производители до недавнего времени также не имели возможности решить эту проблему, так как непрерывно управлять яркостью свечения CCF-лампы можно лишь в небольших пределах. Совсем иное дело – светодиоды. В отличие от ламп, диапазон изменения яркости их свечения довольно широк – в зависимости от потребляемого тока, а значит, варьируя им, теоретически можно управлять яркостью подсветки и без ШИМ.
На практике же оказалось, что такой способ значительно затратнее в реализации, и при этом не предоставляет никакого выигрыша, кроме отсутствия и так не заметного большинству потребителей мерцания. А вот технологические проблемы, которые он привносит, решить не так-то просто.
В результате подавляющее большинство LED-мониторов, подобно их CCFL-предкам, все так же регулируют яркость подсветки с помощью ШИМ, и потому точно так же мерцают. Не верите? Снизьте яркость и помашите карандашом перед таким экраном. Этого с большой вероятностью будет достаточно, чтобы констатировать: еще один миф развенчан.
Миф 7. «LED-подсветка экономичнее CCFL»
Признаем сразу – это не миф, а совершенно справедливое утверждение и одно из неотъемлемых преимуществ светодиодов. Чтобы доказать это, стоит лишь взглянуть на характеристику количества люменов на 1 Вт для различных искусственных источников света и убедиться, что именно у светодиодов она максимальна. Впрочем, эффективность самих светодиодов – еще не все; нужно бы учитывать также КПД их блока питания и целый ряд других факторов, пусть и вторичных.
Предпочитая проверять теорию практикой, мы провели измерения энергопотребления тестируемых дисплеев с помощью ваттметра WattsUp Pro. Результаты сведены в таблицу технических характеристик и достаточно интересны: у профессиональных дисплеев на RGB LED потребление все еще довольно высоко, однако для устройств на светодиодной торцевой белой подсветке оно действительно ниже (почти вдвое!) по сравнению с дисплеями аналогичной диагонали на CCFL. Следовательно, наконец-то мы «размочили» сухой счет – данный миф подтвержден.
Миф 8. «Мониторы с LED-подсветкой экологичнее CCFL»
Общеизвестно, что наибольший ущерб экологии наносится ИТ-индустрией на двух этапах жизни продукта – при его производстве и утилизации. В первом случае для улучшения ситуации многое уже сделано – нынче «зеленые» инициативы в моде на корпоративном уровне, и без соответствия техпроцесса определенным экостандартам сейчас, что называется, никуда.
А вот с утилизацией совсем не так хорошо, как хотелось бы – и особенно в наших реалиях. К примеру, все знают, что люминесцентные лампы «дневного света» содержат ртуть, пары которой ядовиты; но при этом наверняка также все не раз видели, как после выхода из строя их просто выбрасывают, нередко уже разбитыми, прямо в контейнеры с бытовым мусором. Потом это все сжигается, и в итоге парами ртути дышит уже вся страна…
На таком фоне утилизация ЖК-мониторов пока не представляет заметной проблемы, хотя CCF-лампы их подсветки тоже содержат ртуть. С другой стороны, применение светодиодов эту угрозу снимает в принципе, так как используемые при их производстве и в их конструкции материалы не несут опасности для окружающей среды. Вкупе с пониженным энергопотреблением это все же вносит определенный вклад в борьбу за экологию – пусть небольшой, но лучше, чем ничего. Таким образом, и данный миф подтвержден.
Миф 9. «LED-подсветка дороже CCFL»
Еще несколько лет назад подобное утверждение казалось бесспорно истинным. Действительно, системы RGB LED для профессионального применения требуют серьезных затрат R&D-подразделений на свою разработку, а между тем продаются такие мониторы в единичном количестве. Неудивительно, что их стоимость пока что и в самом деле высока, и пользователи часто предпочитают им качественные дисплеи с IPS-матрицами и подсветкой на CCFL с расширенным спектром – они гораздо доступнее.
Однако что касается белых светодиодов, то скорость их проникновения в сегмент позволяет делать предположение о весьма агрессивной ценовой политике их изготовителей. Телевизоры и ЖК-дисплеи – очень лакомый кусок, практически бездонный рынок; и на его отвоевание у производителей CCFL «светодиодниками» могут быть брошены солидные инвестиции. Не исключено, что низкие цены на потребительские ЖК-дисплеи как раз и являются следствием ценовой войны, которую сейчас ведут эти два лагеря. И прогресс LED налицо, так как реальных козырей у сторонников CCFL уже почти не осталось.
Таким образом, данный миф нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть, ведь о стоимости торцевой белой LED-подсветки для производителей ЖК-панелей мы с вами можем лишь догадываться. Однако очевидно, что она вряд ли значительно превышает CCFL-системы.
А вот более высокие розничные цены на потребительские мониторы со светодиодной подсветкой объяснить как раз несложно – банальный маркетинг. Пока технология молодая, привлекает к себе ажиотажное внимание, а пользователи еще не осведомлены обо всех ее тонкостях, грешно было бы на этом немножко не нажиться, правда?
Что ж, думается, этим небольшим ликбезом мы внесли свою посильную лепту в данный процесс, пусть и в несколько другом ключе. Смеем надеяться, что сей трактат послужит во благо именно пользователям, то есть вам, уважаемые читатели.
Светодиодная подсветка: мифы и реальность
