Jak to działa? Najważniejsze rozwiązania techniczne

Wyświetlacz jest jednym z najważniejszych elementów w telewizorze. W zależności od jego konstrukcji, w dużej mierze zależy jakość odtwarzanego obrazu.

Rodzaje matryc LCD

W telewizorach LCD są stosowane trzy rodzaje: VA, IPS i TN w różnych wersjach. W najtańszych telewizorach są stosowane matryce TN, a w telewizorach średniej i najwyższej klasy VA i IPS. Nie zagłębiając się w budowę matryc ciekłokrystalicznych, można powiedzieć, że różnią się one budową cząsteczek ciekłokrystalicznych i ich ułożeniem, co wpływa na ich parametry optyczne. Od rodzaju użytej przez producenta matrycy LCD w dużej mierze będzie zależeć jakość obrazu, na którą wpływają takie parametry jak kontrast, poziom czerni, kąty widzenia i szybkość reakcji piksela (smużenie). Mniej ważne jest, jakiej firmy jest telewizor. Należy mieć świadomość, że różnice w obrazie dostrzeże wyrobione oko w odpowiednich warunkach oświetleniowych, a także aparatura pomiarowa. Na zakup TV z matrycą VA powinny decydować się osoby, które lubią oglądać telewizję tak jak w kinie, w mocno zaciemnionym pokoju, wtedy kontrast jest większy oraz odwzorowanie czerni, ale trzeba siedzieć na wprost ze względu na pogorszenie jakości obrazu gdy siedzimy z boku. W telewizorach na rok 2019 Firmy Samsung w telewizorach QLED TV i TCL wprowadzają matryce VA ze specjalną warstwą poszerzającą kąty patrzenia bez pogorszenia jakości obrazu. Matryce VA odznaczają się mniejszym efektem smużenia. Zdecydowane większe kąty odtwarzania obrazu bez pogorszenia jasności i barw mają matryce IPS. W praktyce oznacza to, że warto kupować telewizor z takim wyświetlaczem, jeżeli oglądamy telewizję całą rodziną. Matryce IPS są zalecane do oglądania telewizji w oświetlonym pokoju. Oba rodzaje matryc dobrze odwzorowują barwy. Odwzorowanie barw w dużej mierze zależy od kalibracji telewizora. Równomierność podświetlenia matrycy jest zależna od jasności LED i elementu rozpraszającego światło po ekranie (dyfuzora). Najlepsze matryce mają na powierzchni warstwę antyrefleksyjną (np. Ultra Black Elite w telewizorach Smasung QLED TV), której zadaniem jest zmniejszenie niepożądanych odbić światła, Zapobiega ona np. oglądaniu na ekranie TV świateł lamp, odbić przedmiotów lub własnego odbicia widza, jeśli siedzi on blisko ekranu.

Matryca OLED

Mimo że LED w nazwie sugeruje związek z telewizorami LCD LED, działają one na innej zasadzie. Diody OLED, wykonywane ze związków organicznych – polimerowych półprzewodników emitujących światło. Polimery kojarzą się przede wszystkim z tworzywami sztucznymi nieprzewodzącymi prądu. Tak jak LED polimery OLED mogą przetwarzać energię elektryczną w światło dzięki zjawisku elektroluminescencji.

UWAGA! Zalety technologii OLED sprawiają, że sam ekran ma grubość 4 mm, jest bardzo lekki oraz pobiera znacznie mniej mocy.

Telewizory z ekranami OLED mają wiele zalet. Pierwsza to jakość obrazu, którego czerń osiąga poziom większy niż w wypadku LCD LED, a nasycenie kolorów jest wzorcowe. W telewizorach LG wykorzystano jeszcze czwarty subpiksel – biały, co ma zwiększać zakres tonalny i wierność odwzorowania kolorów. Czas reakcji matrycy OLED jest znacznie krótszy niż w LCD. Zjawisko smużenia obrazu szybko poruszających się obiektów na ekranie jest znacznie mniejsze, ale występuje. Kąt patrzenia na ekran może być dowolny bez pogorszenia jakości obrazu. Ekrany nie wymagają podświetlenia LED, jak jest to w telewizorach LCD, które wiąże się z niejednorodnością światła i wpływa na jakość obrazu. Źródłem światła jest sam materiał piksela – dioda organiczna LED (a nie półprzewodnikowa), którą można nanosić na różne materiały, nawet folię przezroczystą, i tworzyć zwijane ekrany.

Podświetlenie w telewizorach LCD

W wyświetlaczach LCD stosuje się różne rodzaje podświetlenia. Najbardziej rozpowszechnioną odmianą jest podświetlenie diodami LED rozmieszczonymi na krawędziach matrycy (tzw. krawędziowe – Edge). Zazwyczaj jest to jedna krawędź, najczęściej dolna, w lepszych modelach wzdłuż obu pionowych krawędzi. Światło z LED jest rozprowadzane na cały ekran specjalną cienką optyczną warstwą rozpraszającą, tzw. dyfuzorem. Trudno przy takim rozwiązaniu uzyskać równomierne podświetlenie – obraz będzie jaśniejszy przy krawędzi podświetlającej. Ze względu na koszty produkcji diody LED nie są sortowane pod względem wytwarzanego strumienia światła, przez co różnią się jasnością. W rezultacie jasność podświetlenia może być niejednakowa na całej powierzchni ekranu (zjawisko to jest nazywane cloudingiem). Podświetlenie LED umożliwiło znaczne zmniejszenie grubości samego wyświetlacza LCD, nawet poniżej 10 mm. Zmniejszony został pobór energii przez telewizor. Podświetleniem krawędziowym można sterować na dwa sposoby: regulować jasność wszystkich LED jednocześnie lub wyłączać LEDy dynamiczne strefowo. W droższych telewizorach stosowane jest podświetlenie krawędziowe LED ze strefowym wygaszaniem, co poprawia kontrast dynamiczny, czyli chwilową różnicę jasności między bielą a czernią w miejscach wymagających silnego podświetlenia obszarów, na których w danym momencie są wyświetlane jasne partie obrazu, przy jednoczesnym przygaszeniu podświetlenia w segmentach ekranu odpowiadających ciemniejszym obszarom danego ujęcia. Ten sposób sterowania eliminuje zjawisko halo, spowodowane przez nadmiernie rozproszone światło emitowane przez segment diod. Największą poprawę kontrastu i równomierne podświetlenie uzyskuje się, stosując białe diody za matrycą (tzw. direct light), lecz dodatkowa warstwa powoduje, że wyświetlacz nie jest tak cienki jak z podświetleniem krawędziowym ale jego podświetlenie jest bardziej równomierne. W najdroższych telewizorach można nim sterować na różne sposoby FALD (Full Array Local Dimming) lub Direct Full Array (Samsung). Sterowanie nimi decyduje o kontraście i poziomie czerni obrazu. Mniej stref to mniejsze koszty produkcji, co przekłada się na cenę. Analiza sygnału wizyjnego pod kątem intensywności (jasności) przez procesor pozwala na uzyskanie informacji o tym, które fragmenty obrazu mają być ciemniejsze, a które jaśniejsze. Dynamiczne sterowanie jasnością, nawet wygaszanie poszczególnych grup LED odpowiedzialnych za dane obszary, powoduje zwiększenie dynamicznego kontrastu. Istotną zaletą diod LED jest możliwość regulacji jasności „białych” diod w dużym zakresie, aż po zupełne ich wyłączenie, co przekłada się na oszczędność energii elektrycznej – nawet do 50 proc. w porównaniu z podświetleniem jarzeniowym.

Jak uzyskać szeroki zakres barw?

Jakość barw, jakie widzimy w rzeczywistości, jest zależna od światła, które je oświetla. Za wzorcowe przyjmuje się światło słoneczne, które zawiera barwy określone fizycznie przez zakres długości fal elektromagnetycznych od 400 (fioletu) do 700 nm (czerwieni). W rzeczywistości sztuczne źródła światła, czyli LED-y, stosowane w podświetleniu wyświetlaczy LCD nie zawierają wszystkich barw potrzebnych do wytworzenia światła białego. W wyświetlaczach LCD źródłem światła są LED-y wykonane z materiałów półprzewodnikowych. Właściwości ich światła są jednym z czynników decydujących o jakości barw obrazu w wyświetlaczach stosowanych w telewizorach, monitorach, smartfonach czy tabletach. Starsze modele telewizorów były w stanie odtworzyć tylko 35 proc. przestrzeni kolorów widzianych przez ludzkie oczy, a telewizory z szeroką paletą barw od 42 do 57 proc. Wymagania normy rec. 2020 zakładają odtwarzanie 75 proc. barw. Jest to możliwe dzięki najnowszej generacji materiałów fluorescencyjnych, nazywanych kropkami kwantowymi, które zostały zastosowane w wyświetlaczach LCD. Kropki kwantowe quantum dots (QD) są półprzewodnikowymi nanokryształami o wielkości 2 – 6 nm i właściwościach pośrednich między półprzewodnikami i cząstkami kwantowymi. Charakteryzuje je zjawisko fotoluminescencji – emitowania światła przez wzbudzony atom lub cząsteczkę. Kropki kwantowe oświetlone światłem niebieskim mogą emitować światło widzialne dostrojone do określonej długości fali danej barwy i filtrów, przez co idealnie nadają się do stosowania w wyświetlaczach obrazu LCD. Według producentów wyświetlaczy z kropkami kwantowymi jakość barw jest porównywalna z wyświetlaczami OLED przy mniejszych kosztach wytwarzania. Kwantowe kropki w swoich wyświetlaczach zaczęły stosować firmy, takie jak: Samsung, TCL, Thomson, Hisense czy THTF. Innym sposobem wytworzenia białego światła o poszerzonym zakresie barw jest stosowanie hybrydowych LED. Źródłem białego światła jest niebieska LED pokryta częściowo żółtym luminoforem tak, że w wyniku konwersji światła dioda emituje jednocześnie światło żółte, które miesza się z jej światłem niebieskim. Takie rozwiązanie stosuje firma Panasonic. Cienki wyświetlacz VA o grubości ramki 10 mm może zawierać podświetlenie krawędziowe z LEDami PFS (Potassium FluoroSilicate LED) pokrytymi luminoforem zwiększającym zakres kolorów aż do 95 proc. standardu DCI-P3. Takie rozwiązanie stosuje firma TCL. Dzięki najnowszym materiałom fluorescencyjnym – kropkom kwantowym, wykorzystywanym do poszerzenia zakresu barw odtwarzanych przez wyświetlacz – ich obraz może konkurować z obrazem ekranów OLED.

Procesory, czyli „silniki” w telewizorach

Każdy wyświetlacz o dużej rozdzielczości jest wyposażony w procesor obrazu, przetwarzający wiele danych z sygnałów audio wideo z tunerów TV i urządzeń wideo zewnętrznych, strumieni danych z internetu i wielu innych. Procesor obrazu przetwarza wszystkie sygnały wideo do nominalnej rozdzielczości wyświetlacza (skalowanie obrazu), realizuje funkcje poprawiające jakość obrazu, usuwa zniekształcenia spowodowane konwersją i przesyłaniem sygnału wideo. W najnowszych procesorach są stosowana jest sztuczna inteligencja do skalowania obrazu przetwarzająca ogromne ilości danych. Ze względu na funkcje smart i technikę Ultra HD i 8K zwiększają się wymagania dotyczące mocy obliczeniowej procesorów. Mają one z tego powodu dwa, cztery, a nawet sześć rdzeni.

HDR – w wyświetlaczach

Technika zwiększania dynamiki kolorów HDR wymaga znacznie większej jasności LED stosowanych w podświetleniu tylnym lub krawędziowym np. w telewizorach premium zamiast LED o luminancji 300–400 nt wymagana jest jasność do 1000 - 2000 nt i odpowiednie sterowanie impulsowe, aby uzyskać chwilowy efekt rozjaśnienia w określonych miejsc na obrazie. W najnowszych telewizorach marki Samsung QLED TV zastosowano diody LED o luminancji 1500 – 2000 nt dzięki czemu efekty świetlne są bardziej dynamiczne. Konieczne były także zmiany w konstrukcji wyświetlacza. O jasności obrazu w telewizorach decydują konstrukcja wyświetlacza oraz rodzaj podświetlenia LED, które jest źródłem światła białego wytwarzanego przez diody LED. Ile światła wytworzą, zależy od ich mocy i sterowania. W technice HDR duża luminancja jest wymagana tylko chwilowo w wybranych miejscach obrazu wynikających z treści wideo, dlatego stosuje się sterowanie impulsowe, które umożliwia wytworzenie dużej jasności światła przez krótki czas, co uniemożliwia przegrzanie lub spalenie diod. Samo zwiększanie jasności nie spowoduje polepszenia jakości obrazu. Zwiększając tylko jasność w telewizorze, tracimy szczegóły i nasycenie kolorów. Problemy z jasnością obrazu wyświetlacza wynikają z nieliniowej charakterystyki wyświetlacza i nieliniowości ludzkiego wzroku. Jasność obrazu emitowanego przez wyświetlacz wideo zależy od amplitudy (poziomu) sygnału wejściowego, lecz nie jest to zależność liniowa (np. dwukrotnemu wzrostowi sygnału nie towarzyszy dwukrotny wzrost luminancji panelu). Zależność tę opisuje funkcja EOTF (Electro- Optical Transfer Function). Rewolucyjne zmiany w obrazie zostały wprowadzane po opracowaniu nowej krzywej EOTF dla obrazów 4K, aby zwiększyć ilość szczegółów w ciemnych i jasnych fragmentach obrazu przy zwiększonej jasności obrazu ze 100 cd/m2 do 1000 cd/m2 i kontraście 1:10 000 i przetwarzaniu 10-bitowym. W telewizorach jest stosowanych kilka standardów: HDR10/10+, HDR Dolby Vision i HLG (Hybrid Log-Gamma). Standard HDR10 jest podstawowym i otwartym, co oznacza, że każdy producent może go stosować w telewizorach Ultra HD, projektorach oraz odtwarzaczach Blu-ray Ultra HD. W oparciu o niego opracowano standard Ultra HD Premium, określający, jakie wymagania mają spełniać telewizor i odtwarzacz Blu-ray. Nazwa HDR10 oznacza, 10-bitową głębię kolorów. Najnowsza wersja HDR10+ podwyższa jakość obrazu w porównaniu ze standardem HDR10 dzięki dynamicznemu mapowaniu tonów. DR10+ zawiera dynamiczne meta dane umożliwiające telewizorom HDR dostosowywanie poziomów jasności scena po scenie, a nawet w poszczególnych klatkach. Dzięki większemu kontrastowi wyświetlane obrazy są bardziej szczegółowe, a gama kolorów – bogatsza. Wszystko to sprawia, że HDR10+ pozwala wyświetlać obrazy znacznie bliższe reżyserskiej intencji. W systemie HDR Dolby Vision stosuje się funkcję Display Mapper (Inteligent Mapping Engine). Każdy piksel obrazu HDR Dolby Vision ma dokładnie określoną jasność, pakiet dynamicznych metadanych oraz informacje o używanym ekranie. Funkcja Inteligent Mapping Engine, używając specjalnych algorytmów, dostosowuje wyświetlany obraz do danego telewizorapo to, aby zaprezentować treści zgodnie z intencjami twórców i wykorzystać cały potencjał urządzenia.

Wybrane modele telewizorów Ultra HD i Ultra HD HDR