Ликбез по мобильному железу: дисплеи

Ликбез по мобильному железу: дисплеи

Дисплей – это основное устройство ввода/вывода информации в современном смартфоне или планшете, проще говоря, основной посредник между человеком и железкой в его руках. Сегодня я расскажу о дисплеях: каких типов они бывают, что такое PPI, от чего зависит энергопотребление и других вещах.

На выставке MacWorld 9 января 2007 года был представлен оригинальный iPhone. Тогда никто не мог предположить, какую революцию на рынке мобильных телефонов произведет это устройство. В iPhone были заложены идеи, которые стали трендовыми на следующие несколько лет. Основная идея заключалась в том, чтобы совместить в дисплее мобильного телефона устройства ввода и вывода информации, плюс сделать дисплей не только сенсорным, но и удобным в эксплуатации. Конечно, сенсорные дисплеи появились задолго до выхода iPhone, но именно благодаря последнему сегодня подавляющее большинство смартфонов, планшетов и простых телефонов не имеют физической клавиатуры.

Типы сенсорных панелей

Дисплей современного смартфона представляет из себя “сендвич”, состоящий из самого дисплея и сенсорной панели. Существует около дюжины разновидностей сенсорных панелей. При этом в подавляющем большинстве мобильных устройств применяются лишь две разновидности: резистивный сенсорный экран и проекционно-емкостный сенсорный экран. В середине нулевых почти все смартфоны с сенсорным дисплеем имели резистивную панель. Принцип работы резистивной панели довольно прост (рисунок 1). Поверх стеклянной панели (1) наклеены резистивный (2) и проводящий (4) слои, которые разделены между собой слоем микроизоляторов (3), резистиный слой подключен к четырем электродам по углам панели. В состоянии покоя четыре электрода по углам заземлены, на проводящий слой (далее мембрана) подается напряжение 5В, а микроконтроллер с заданной частотой замеряет уровень напряжения. Как только палец (или любой другой твердый предмет) касается поверхности экрана, мембрана, продавливая слой микроизоляторов, замыкает схему, уровень напряжения отклоняется от значения 5В. Микроконтроллер, реагируя на изменение уровня напряжения, начинает опрашивать экран: сначала на два правых электрода подается напряжение, а два левых заземляются – уровень напряжения соответствует координате по горизонтали; затем напряжение подается на два верхних электрода, а два нижних заземляются – уровень напряжения соответствует координате по вертикали.

TouchScreen_5wiresРисунок 1
1) стеклянная панель
2) резистивный слой
3) слой микроизоляторов
4) проводящий слой

К преимуществам данной технологии можно отнести относительно высокую точность определения координат прикосновения и возможность использовать для работы с дисплеем любой твердый предмет. К недостаткам можно отнести: недолговечность, низкую износостойкость оболочки мембраны и невозможность распознавания дисплеем одновременно более одного касания.

На смену резистивной пришла проекционно-емкостная (часто в обиходе просто “емкостная”) технология, которая имеет еще более примитивную конструкцию. На внутреннюю сторону защиты экрана наносят сетку электродов. Электрод, защита экрана и палец человека образуют конденсатор, контроллер замеряет емкость такого конденсатора и определяет координаты нажатия (рисунок 2).

TouchScreen_projective_capacitive

Рисунок 2

Емкостные сенсорные панели могут распознавать два и более касания одновременно, что позволило реализовать мультитач – систему жестов, облегчающую взаимодействие с элементами пользовательского интерфейса. В качестве защиты экрана стало возможным использование более прочных материалов, например, стекла. Конструкция емкостных экранов более долговечна. К минусам емкостных сенсорных панелей можно отнести меньшую, чем в резистивных панелях, точность определения координат прикосновения, и тот факт, что панель реагирует только на прикосновение пальцем.

Типы дисплеев

Дисплеи могут быть построены на жидких кристаллах или органических светодиодах. Жидкокристаллические дисплеи могут быть изготовлены по одной из трех технологий: TN+film, IPS и MVA, но принцип построения у все трех технологий один и тот же. Каждый субпиксель (рисунок 3) жидкокристаллического дисплея состоит из двух прозрачных электродов, вертикального и горизонтального фильтров, жидкокристаллического слоя и цветового фильтра. В дисплеях с подсветкой за этими слоями устанавливается лампа подсветки.

LCD_subpixel-560x448
Рисунок 3

Подавая напряжение на молекулы жидких кристаллов через электроды, контроллер дисплея меняет прозрачность этих молекул, а значит и уровень светимости каждого из трех субпикселей – зеленого, синего или красного. Основной расход энергии в жидкокристаллических дисплеях приходится на работу лампы подсветки. Поэтому энергопотребление ЖК-дисплеев практически не зависит от отображаемой им картинки.

Долгое время на рынке дисплеев господствовала технология TN+film (Twisted Nematic + film). Это самая простая и самая дешевая в изготовлении технология. Из трех технологий TN+film имеет худшую цветопередачу и небольшие углы обзора. Но при этом у TN-дисплеев относительно быстрый отклик.

Все чаще в топовых смартфонах встречаются дисплеи изготовленные по IPS  (In-Plane Switching) технологии. Разрабатывалась IPS с прицелом на то, чтобы нивелировать недостатки TN-матриц. IPS-дисплеи обладают лучшей в классе цветопередачей и углами обзора до 178 градусов. Недостатком IPS является худший отклик. IPS-дисплеи тратят больше энергии в сравнении с TN-дисплеями.

MVA (Multi-domain Vertical Alignment) технология занимает срединное (по характеристикам) значение между TN- и IPS-технологиями.

Конструкция дисплеев на органических светодиодах (OLED – Organic Light-Emitting Diode) принципиально отличается от конструкции жидкокристаллических дисплеев. OLED-матрицы состоят из нескольких слоев полимеров, если на них подать напряжение, один из слоев (эмиссионный) излучает свет. Очевидно, что OLED-матрицы не нуждаются в подсветке. Кроме того, энергопотребление такой матрицы зависит от того, какой цвет она отображает. Больше всего энергии потребляет белый цвет, а черный цвет имеет практически нулевое потребление. БОльшее распространение получили активные матрицы на органических светодиодах (AMOLED – Active Matrix Organic Light-Emitting Diode). Сегодня эту технологию сильно пиарит Samsung. Многие идеализируют AMOLED, и все же данная технология имеет ряд существенных недостатков. Технология изготовления AMOLED имеет ограничение по плотности пикселей на дюйм (PPI). На светлых тонах энергопотребление AMOLED-дисплеев выше, чем в жидкокристаллических дисплеях. Матрица AMOLED-дисплея со временем выгорает (синий субпиксель быстрее, чем красный и зеленый). При этом преимуществами AMOLED-дисплеев являются: бесконечная контрастность, абсолютные углы обзора, значительно меньшее, чем в ЖК-дисплеях энергопотребление на темных цветовых схемах. Говоря об AMOLED, нельзя пройти мимо темы Pentile. Это особая компоновка субпикселей в некоторых AMOLED дисплеях, когда на четыре пикселя приходится всего два синих и два красных субпикселя, при этом зеленых пикселей, как положено, четыре (рисунок 4).

amoled-samoled-plus
Рисунок 4

Многие пользователи утверждают, что не видят Pentile, другие же наоборот, уверены в том, что Pentile серьезно портит качество картинки на дисплее. Но факт остается фактом: Pentile виден, и более всего он заметен на светлых тонах (изображение как будто в крапинку).

Основные параметры дисплеев

Год от года увеличиваются разрешение и диагональ дисплеев, и, так как первый параметр зачастую растет быстрее второго, увеличивается плотность пикселей на дюйм – PPI (pixels per inch). Последние пару лет наблюдается маркетинговая гонка значений PPI. Долгое время рекорд (326PPI) принадлежал Retina дисплею в iPhone 4/4S. Сегодня же встречаются модели с дисплеями плотностью до 469PPI.

Основные параметры дисплеев:

Контрастность – параметр, определяющий насколько самая светлая точка на дисплее ярче самой темной точки при одном и том же уровне подсветки.

Яркость – количество света, излучаемое дисплеем, в расчете на заданную единицу площади (обычно кандел на м²).

Время отклика – время необходимое пикселю для изменения своей яркости.

Угол обзора – угол, при котором контраст падает до заданного минимального значения.

При написании статьи были использованы материалы wikipedia.

Рубрика: Ликбез
  • Phill

    Автор, спасибо за статью! Очень познавательно. В википедии в отличие от вашей статьи как то суховато описано.

    • Ильяс Якубов

      приятно слышать. в категории ликбез скоро появятся новые статьи. добро пожаловать!

    • Ильяс Якубов

      приятно слышать. в категории ликбез скоро появятся новые статьи. добро пожаловать!

  • рустам

    а почему про TFT технологию ничего не сказанно?

    • Ильяс Якубов

      потому, что все современные жидкокристаллические экраны построены на TFT. задачи проводить исторический экскурс при написании статьи я не ставил.