LCD-evolúció – 7

A folyadékkristály-kijelzők fejlődéstörténete

A színes LCD kijelzők létrejöttével a folyadékkristály-panel színvisszaadási képességeihez kapcsolódó fejlesztési folyamatok váltak az LCD technológia egyik leginkább meghatározó mozgatórugójává. Cikksorozatunk következő két fejezetében e folyamatok jelentősebb lépcsőfokait mutatjuk be.

A színszűrőkre visszatérve

Cikksorozatunk második fejezetében, az LCD kijelző működése kapcsán már szóba került a folyadékkristály-panel színszűrő rendszere, ám akkor – tudatos megfontolásból – mindössze az általánosságokat alapul véve foglalkoztunk vele (lásd LCD-evolúció – 2 című írásunkat). Természetesen a színes kijelzők felbontásának növekedése, illetve ezzel összefüggésben a képpontokat alkotó vörös (R), zöld (G) és kék (B) alpixelek méretének csökkenése, a színszűrő további innovációjának szükségességét is magával hozta.
Anyagszerkezetét tekintve, a színszűrőt olyan apró pigment-kristályok alkotják, amelyek átmérője ezerszer kisebb az emberi hajszálénál. Ezek az összetett fehér fényű háttérvilágítás szűrőjeként működnek, és lehetővé teszik, hogy a látható spektrumnak csak egy kiválasztott tartományába eső fényhullámok haladjanak át, a lehető legtisztább formában jelenítve meg a három alapszín valamelyikét. A szűrők az összetett fehér fény összes többi hullámhossz-tartományba eső komponensét blokkolják. Az alapszínek tisztasága az ezek keverésével előállítható színekre is hatással van. Minél tisztább a három alapszín, annál több permutáció jelenik meg tisztán elkülöníthető kevert színként – azaz annál színgazdagabb lesz a kép.
A színszűrők működésének alapelve egyszerű. Amikor a képernyőn a vörös szín jelenik meg, a vörös alképponthoz tartozó színszűrő (R) lehetővé teszi, hogy a fény vörös hullámhossztartományába eső komponense áthaladjon, a többit viszont elnyeli. Ezzel egyidejűleg a másik két alképpont – kék (B) és zöld (G) – deaktiválódik (a folyadékkristály-molekulák nem engedik át a polarizált fényt) (1. ábra). Ha viszont az LCD kijelző egy adott képpontjánál a folyadékkristályok vezérlése a fényt a vörös és a zöld színszűrőkkel ellátott szubpixeleken is átengedi, mialatt a kék színszűrővel ellátott alképpont kikapcsolt állapotban van, az alapszínekből sárga szín jön létre. Ily módon a három alapszín finomhangolásával több millió színárnyalat reprodukálható.

1. ábra

Az alképpontok zavartalan működéséhez elengedhetetlen a színszűrő pigmentek zavarainak megakadályozása. A szűrő bármilyen, fényszóródást és depolarizációt okozó tulajdonsága lehetővé teszi a fény színszűrőn keresztül történő ellenőrizetlen átjutását. Ez pedig zavarja a megjelenített kép színtónusainak tisztaságát és a kontrasztot.

Minél kisebbek és szabályosabbak a színszűrők pigmentkristályai, annál kevésbé okoz színszóródást, és annál jobb lesz az LCD kijelző képminősége. A kutatók a folyamatot főként a pigment-kristályosodás körülményeinek kezelése révén szabályozzák. Az alapul szolgáló molekulaszerkezet pedig meghatározza, hogy a színspektrum mely részeit szűrik ki. Például a BASF által gyártott szerves vörös pigmentek főként szénből, nitrogénből és oxigénből állnak, és a diketo-pirrolo-pirrolok (DPP) osztályába tartoznak. A kék és zöld pigmentek ftalocianin-fém komplex vegyületek. A kémiai szintézissel előállított „nyers termék” túlnyomórészt szabálytalan részecskékből áll, amelyeket ezután az ideális méretre és alakra kell „formálni” (2. ábra). Ennek során a túl kis méretű kristályokat feloldják és kicsapatják a nagyobb kristályokra (3. ábra).

2. ábra

3. ábra

A túlságosan nagy méretű kristályokat pedig mechanikus eljárással kisebb darabokra törik, amíg a helyes egyensúlyt el nem érik.
Ezzel a technológiával a BASF 20…40 nanométeres színes pigment részecskék előállítására képes, amelyek elég kicsik ahhoz, hogy minimálisra csökkentsék a fényszóródást, ám ahhoz elég nagyok, hogy magas stabilitást biztosítsanak. (Irgaphor^® Red termékcsaládjuk legújabb generációs színszemcséinek mérete kisebb, mint 40 nm, kontrasztteljesítményük pedig kétszerese az elődjeikéinek.)

Alapszinten a színtérről

Mint valamennyi, színes képreprodukciót megvalósító eszköz esetében, az LCD kijelzőknél is az úgynevezett színtér (color space) szolgál a színvisszaadási képességek viszonyítási alapjául.
A wikipédia szerint „a színtér a színek ábrázolására használható virtuális térbeli koordinátarendszer, ahol az egyes színek tulajdonságait azok koordinátái fejezik ki”. A színtér ábrázolási módjának számos fajtája létezik, az LCD kijelzők esetében a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (Commission Internationale de l'Eclairage – CIE) 1931-es kromatikus diagramjának (CIE 1931 Chromaticity Diagram) alkalmazása a legelterjedtebb (4. ábra).

4. ábra

A diagram koordinátarendszerének „x” és „y” tengelyein meghatározott számértékek alapján bármely látható szín azonosítható^[1].

Fontosabb multimédiás színterek a CIE 1931 kromatikus diagramban

Az LCD kijelzők – leginkább a monitorok – színreprodukciós képességeinek vizsgálatához használt egyik legrégebbi színszabvány az úgynevezett sRGB (standard RGB) színtér, amelyet 1996-ban a HP és a Microsoft együttműködve dolgozott ki és szabványosított (IEC 61966-2.1) monitorok, nyomtatók és internetes képi tartalmak színvisszaadási jellemzőinek megítélésére.
A képszerkesztés és a színkezelés korai időszakában általánosan feltételezték, hogy a képszerkesztés a kijelzőeszközével azonos színtéren történt. Mivel akkoriban a képcső (CRT) volt a domináns képmegjelenítési technológia, valamint a legtöbb, Adobe Photoshop és Illustrator szoftvert használó grafikus az akkor népszerű Apple 13” RGB monitorral dolgozott, így az alapértelmezett profilt is az Apple 13” RGB kijelző profiljának megfelelően állították be. Ezért az Adobe létrehozta az úgynevezett „Apple RGB” profilt, amely a klasszikus Apple 13” RGB monitoron alapul (1,8 gamma értékkel és 6500 K színhőmérsékletű fehér ponttal, amelyet D65 fehér pontként is emlegetnek). 1998 novemberében, a Photoshop 5.0.2 szoftverének bevezetésével egy időben specifikálta az Adobe az sRGB színtérnél szélesebb színtartománnyal (color gamut) rendelkező „Adobe RGB” színteret, amelyet úgy alakítottak ki, hogy egyaránt megfeleljen a professzionális fényképezés, képfeldolgozás és képmegjelenítés, valamint a nyomtatás számára is. (5. ábra)

5. ábra

A nagyfelbontású televíziózás (High Definition TV – HDTV) technológiai bevezetésével határozta meg a Nemzetközi Távközlési Unió (ITU) a Rec.709 (teljes nevén Rec. ITU-R BT.709) szabványt. Ennek részeként a HDTV képreprodukcióra vonatkozó színteret is specifikálták a három alapszín, valamint a fehér pont értékeinek megadásával, amelyek gyakorlatilag megegyeznek az sRGB színtérnél specifikált színadatokkal. (6/a. ábra)

6. ábra

2007-ben született meg az első, úgynevezett széles színtartományú (Wide Color Gamut – WCG^[2]) színteret meghatározó szabvány, a DCI-P3, amelyet az Amerikai Egyesült Államok legnagyobb filmstúdiói által létrehozott Digital Cinema Initiatives, LLC szövetség (DCI) specifikált a digitális filmvetítési technológiát alkalmazó filmszínházak számára. (6/b. ábra) Szintén az ITU dolgozta ki a 4K Ultra HD felbontású tartalomszolgáltatásra és megjelenítésre vonatkozó Rec.2020 (Rec. ITU-R BT.2020), valamint az ezt kiegészítő, 2016-ban bejelentett Rec.2100 (Rec. ITU-R BT.2100) szabványokat. Ezekben a DCI-P3 sztenderdéhez képest is szélesebb színtartományt specifikálnak, hogy a magas dinamikatartományú (High Dynamic Range – HDR) képi tartalmak reprodukciója biztosítható legyen. (6/c. ábra)

Lehet egy alképponttal több?

Az LCD kijelzők színreprodukciójának finomítására irányuló első igazán komoly innováció a Sharp nevéhez fűződik. A japán gyártó 2010-ben bevezetett Aquos LCD televízióiba szerelt tizedik generációs – „X-Gen” fantázianevű – folya-dékkristály-kijelzők (lásd „LCD kijelző generációk, avagy mekkora az anyaüveg” című keretes írásunkat) ugyanis úgynevezett „quad pixel” képpont-struktúrával rendelkeztek (a „quad subpixel” kifejezés pontosabb lenne, mivel a szerkezeti változtatás valójában alképpont-szinten érintette a Sharp X-Gen LCD paneljeit). A japán gyártó ugyanis a hagyományos sztenderdnek számító vörös, zöld és kék alapszínű színszűrőkkel ellátott RGB képpont-szerkezetet egy negyedik – sárga (yellow – Y) színű – alképponttal egészítette ki (7. ábra).

7. ábra

Ez lehetővé tette, hogy a háttérvilágítás fényének közép- és hosszú hullámhossztartományba eső összetevői nagyobb arányban váljanak érzékelhetővé a néző számára, emellett pedig az RGB alapszínek esetében is nagyobb színtelítettségű szűrőket használhassanak. A négy alképpont megfelelő vezérléséről a Sharp saját fejlesztésű RGBY konvertere gondoskodott, amely az LCD vezérlő által folyamatosan elemzett bejövő videójel RGB kódját RGBY formátumra alakította át. Quattron névre keresztelt RGBY szubpixel technológiájuk szemmel látható eredménye a kibővített színskála és a még részletesebb színfelbontás, a bőrszínek, az arany és a sárga tónusok pontosabb és élethűbb visszaadásával, amelyek mellett még a zöld, a kék és a barna színek is természetesebbnek hatottak (8. ábra).

8. ábra

A négy alképpont alkalmazása mellett a Sharp az egyes alképpontok apertúráján is finomított, az így megnövelt átlátszóságnak köszönhetően hatékonyabbá vált a háttérvilágítás, ezáltal az LCD kijelzőik energiaháztartása is javult. A Sharp Quattron technológiás RGBY alképpont-szerkezettel kapcsolatos fejlesztései a 3D képalkotást is érintették, a legutolsó – Quattron Pro elnevezésű – verziójuk pedig képpontonként nyolc szubpixellel rendelkezett, duplikált RGBY színszűrő felosztással (9. ábra).

9. ábra

WCG, HDR, kvantumpont (QD), Nanocella, QLED – napjaink, LCD kijelzőkhöz (is) kapcsolódó „divatos” kifejezései. Cikksorozatunk befejezéseként e kifejezések mögé pillantva vázolunk képet a folyadékkristály paneleket alkalmazó képmegjelenítő eszközök jelenéről és közeli jövőjéről.

Forrásanyagok:

Science around us – Flat screens show their true colors (BASF),
Color Filters for LCDs (Toppan Printing Co., Ltd.),
History of the CIE (ISBN 978 3 900734 19 0),
Gernot Hoffmann: CIE Color Space,
Natural, Brilliant, Luminous – Sharp’s RGB + Y Color Technology provides a new dimension of color television (Sharp Quattron Background Information)

Szerző: Herceg János

A cikksorozat korábbi részei:

^[1]Az emberi szem háromféle színérzékelő receptort tartalmaz, ezekből három függvényt származtattak, az ún. „tristimulus” függvényeket (X, Y, Z). Mivel a három összetevő ábrázolása három dimenziót igényelne, ezért a világosságot (vagy fényességet) és a színességet szétválasztották. Az Y jelenti a világosságot, így a színesség a koordinátarendszer „x” és „y” tengelyeinek értékeivel kifejezhető az x=X/X+Y+Z és y=Y/X+Y+Z képletek alapján.

^[2] A széles színtartomány (Wide Color Gamut – WCG) általános kifejezés, amelynek valójában nincs egyértelmű meghatározása a kijelzőiparban. Jelenleg minden olyan kijelző WCG megjelenítőnek nevezhető, melynek színtartománya meghaladja a videós alkalmazásokhoz specifikált Rec.709, illetve a nyomtatási és webes környezetekre vonatkozó sRGB szabványokban megadott színskálát.