электронные дисплеи, экраны, панно

Особенности применения различных световых излучателей в уличных видеоэкранах

 электронные дисплеи, экраны, панно

Еще несколько лет назад большие уличные видеоэкраны встречались крайне редко, да и то лишь в Москве и в еще нескольких крупных городах нашей необъятной страны. Сегодня же количество подобных видеоэкранов по всей стране неумолимо подбирается к первой сотне, а в одной только Москве их не менее 16 штук! Конечно, до Нью-Йорка с его Таймс-сквером, где только на нем сосредоточенно более 20 видеоэкранов, нам еще далеко. Тем не менее, этот современный вид информационно-рекламного носителя все чаще и чаще применяется в различных областях: от рекламных конструкций до шоу-мероприятий и информационного обеспечения различных акций. Вот только несколько примеров использования видеоэкранов на телевидении – столь раскрученный теле проект, как «Фабрика звезд» уже немыслима без присутствующего на сцене светодиодного экрана, так же как и передача «Основной инстинкт» со Светланой Сорокиной. Наверняка, пытливым нашим читателям будет интересно ознакомиться с некоторыми техническими аспектами построения видеоэкранов.

Сегодня мы затронем тему особенностей применения световых излучателей в двух типах видеоэкранов – светодиодных и ламповых. Вы спросите, почему именно эти два типа? Потому что светодиодные экраны сейчас получили и получают большое распространение, а ламповые экраны сыграли в России большую роль в формировании рынка электронной наружной рекламы и во многих городах продолжают функционировать. Тех, кому интересно какие еще бывают крупные видеоэкраны и их основные принципы построения, я адресую к своей статье «Видеоэкраны на улицах. Альтернатива телевидению?!», которую Вы можете найти в Интернет-журнале «Альтернативное телевидение», посвященному вопросам использования крупноформатных видеоэкранов по адресу: 

Как вы уже поняли, светодиодные видеоэкраны используют в качестве источника света полупроводниковый светоизлучающий диод (по-английски light emitting diode , или LED ), а ламповые – обычную лампу накаливания, в большинстве случаев – это автомобильная лампа накаливания мощностью 3,85 или 5 Вт. Однако чтобы хорошенько представить себе какие трудности пришлось преодолевать разработчикам видеоэкранов на основе упомянутых излучателей, нам необходимо освежить в памяти некоторые моменты из теории цвета и цветового зрения.

Принцип формирования цветного изображения на светодиодных и ламповых экранах практически идентичен тому, что используется в цветном телевидении. Я не собираюсь углубляться в теорию цвета и цветового зрения – для этого не хватит объема данной публикации и это не является целью статьи – но основные понятия придется нам все же вспомнить.

Чтобы хорошо представлять себе, что такое цвет необходимо понимать, что такое свет. Как известно, в этой области существует дуализм мнений. С одной стороны свет представляют потоком частиц, с другой – электромагнитным излучением. Оставим споры об истинности суждений физикам-теоретикам, нам достаточно волновой теории света для понимания сути вопроса. Видимая часть спектра электромагнитных колебаний лежит, как известно, в пределах от 400нм до 700нм (точнее от 380 до 780, но воздействие его на глаз человека за пределами диапазона 400-700 пренебрежимо мало). Излучения, лежащие за пределами этого диапазона, человеческим глазом не воспринимаются. Если ощущение цвета создается колебаниями очень узкого участка видимого спектра, то такой световой поток называют монохроматическим, так как он определяется одним значением длины волны. В зависимости от длины волны монохроматические световые потоки создают у человека ощущение различного цвета. Если все компоненты видимого спектра, воздействующего на глаз человека, имеют приблизительно равные энергии, то у наблюдателя создается ощущение белого (ахроматического) цвета. Таким образом, цвет – это одно из свойств света, приходящего в глаз наблюдателя. Так как зрительный аппарат человека суммирует все составляющие видимого спектра, то ощущения одинакового цвета могут создаваться при разных спектральных составах поступающего в глаз света. Такое явление называется метамеризмом. Два различных по составу спектра световых потока, создающие у наблюдателя ощущение одинакового цвета, называют метамерической парой. Учение о цвете, его восприятии и измерении составляет часть науки, называемой калориметрией.

Еще в 1756г. Русский ученый М.В.Ломоносов сформулировал трехкомпонентную (трехрецепторную) теорию восприятия цвета зрением человека. Он пришел к выводу, что зрительный аппарат имеет три вида рецепторов, воспринимающих световую энергию. Один из них воспринимает красную часть светового спектра, другой – зеленую, третий – синюю. Эти три цвета впоследствии назвали основными или первичными. Таким образом, следуя этой теории, характер цветового ощущения у наблюдателя можно сформировать сочетанием этих трех основных цветов, взятых в определенной пропорции. Например, при равной энергии возбуждения трех видов рецепторов возникает ощущение белого цвета. В количественной форме эту теорию сформулировал Грассман в 1853 году, которая гласит, что любой цвет F может быть выражен не отличимой от него на глаз смесью трех основных цветов (красного, синего и зеленого):

F= r’ F R+ g’ F G+ b’ F B, (1)

где R, G и B – обозначения основных цветов, соответственно красного, зеленого и синего, а r’ F , g’ F и b’ F - их количества. Этот закон получил имя ученого, его сформулировавшего – закон Грассмана. Он же лежит в основе всех способов воспроизведения цветного изображения, которые выдумало человечество – начиная от полиграфии, цветной фотографии и заканчивая воспроизведением цветного изображения при помощи электронно-лучевых трубок, жидкокристаллических дисплеев, а также светодиодных и ламповых экранов.

Как известно, любое растровое изображение (каковым и является изображение на светодиодных и ламповых экранах) состоит из набора отдельных точек, называемых пикселями (от английского picture element- элемент изображения). Каждый такой пиксель должен уметь воспроизводить любой возможный цвет. Опираясь на закон Грассмана ясно, что в состав каждого пикселя должны входить источники света трех основных цветов – красного, зеленого и синего. Не углубляясь сильно в калориметрию скажем, что чем более монохроматичны будут источники основных цветов, тем более качественная цветопередача реализуется на экране. Рассмотрим способ формирования источников основных цветов в светодиодных и ламповых экранах.

Не останавливаясь на физических принципах работы светодиода, рассмотрим их особенности в плане применения в видеоэкранах. Упрощенная структура светодиода изображена на рис.1. В светодиоде, в отличие от лампы накаливания , электрический ток преобразуется в полупроводниковом кристалле не посредственно в световое излучение, отражается от рефлектора и проходит через прозрачный или полупрозрачный корпус. Т еоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светоди од (при должном теплоотводе) мало нагревается, что дела ет его незаменимым для многих применений, в частности в светодиодных экранах. Кроме того, с ветодиод механически про чен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампы накаливания . И что особенно важно, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет очень близок к монохроматическому (см. рис.2).

Однако, не все светодиоды способны излучать свет в спектре близком к спектру трех основных цветов. Это связано с особенностями технологии изготовления светодиодов. Например, технологии массового изготовления светодиода синего цвета свечения вообще долгое время не существовало, пока доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical в 1989году исследуя работы советских ученых Сапарина и Чукичева из МГУ сумел получить эффективную структуру кристалла, излучающего синий цвет. Именно поэтому при выборе светодиодов для видеоэкранов решающее значение имеет выбор производителя светодиодов. На сегодняшний день признанным лидером в мире остается японская Nichia Corporation . Кроме спектральных характеристик (длины волны) есть и другие показатели, имеющих значение при использовании светодиодов для построения видеоэкранов. Это сила света и диаграмма направленности. Сила света является количественной характеристикой светодиода и наряду с количеством светодиодов на единице площади определяет яркость светодиодного экрана. Выходная диаграмма направленности светового потока формируется как формой рефлектора, так и формой корпуса светодиода.

Варьируя параметры рефлектора и корпуса можно создавать различные диаграммы направленности шириной от 4 - 5 до 160°. Более того, возможно создание диаграмм направленности с различной шириной по вертикали и горизонтали, например, 120° по горизонтали и 60° по вертикали (т.н. овальные светодиоды). При изготовлении светодиодных экранов, как правило, используются овальные светодиоды. В виде примера на рис.3 приведена диаграмма направленности светодиодов 546 серии производства Nichia Corporation.

В отличие от светодиодов лампа накаливания не является источником монохроматического света. На рис.4 представлена спектральная характеристика света, излучаемого лампой накаливания. Как видите интенсивность его сильно смещена к красной-оранжевой составляющей спектра. Эта особенность создает определенные трудности при формировании источников света трех основных цветов – красного, зеленого и синего. Дело в том, что образование этих трех цветов в ламповых экранах происходит посредством пропускания светового потока, излучаемого лампой накаливания через светофильтр соответствующего цвета. Принцип работы такой оптической системы наглядно показан на рис.5.

Поскольку лампа имеет практически сферическую диаграмму направленности, ее помещают в специальный рефлектор, наподобие автомобильной фары. Этим добиваются более узкой диаграммы направленности и увеличивают силу света в нужном направлении, затем этот пучок пропускают через светофильтр соответствующего цвета. Интенсивность красного получается достаточно высокой, в силу преобладания красно-оранжевой составляющей спектра. Интенсивность зеленой составляющей заметно ниже, еще хуже обстоит дело с синей составляющей. Если учесть также то обстоятельство, что чувствительность глаза к синей составляющей наименьшая, получим объяснение причины посредственного воспроизведения синих оттенков на ламповых экранах, особенно при небольших яркостях.

В простейшем случае пиксель в светодиодном или ламповом экране можно сформировать тремя источниками красного, зеленого и синего цветов свечения. На практике это не совсем так. Чуть выше мы уже затронули тему особенности восприятия цветов человеческим глазом. Восприятие цвета вообще очень субъективная вещь. Грубо говоря нет двух людей, которые абсолютно одинаково воспринимали бы цвет. Не зря же народная мудрость гласит: «на вкус и цвет – товарища нет». Как известно чувствительными элементами в глазу являются палочки и колбочки. Палочки отвечают за зрение в условиях недостаточной освещенности (сумеречное зрение) и являются очень чувствительными только к яркости света. Для них излучения с разной длиной волны отличаются только яркостью, поэтому «ночью все кошки серы». Колбочки же формируют цветовое ощущение, но при этом имеют существенно более низкую чувствительность относительно палочек. Существует три типа колбочек, чувствительных к свету с разной длиной волны. Упрощенно можно сказать, что первый тип воспринимает световые волны с длиной от 400 до 500 нм (условно "синюю" составляющую цвета), второй - от 500 до 600 нм (условно "зеленую" составляющую) и третий - от 600 до 700 нм (условно "красную" составляющую). В зависимости от того, световые волны какой длины и интенсивности присутствуют в спектре света, те или иные группы колбочек возбуждаются сильнее или слабее. Рецепторы передают сигналы мозгу, а мозг интерпретирует эти сигналы как видение цвета. Однако чувствительность зрительного аппарата неодинакова к свету различных длин волн.

Как видно из рис.6, наиболее чувствителен глаз к зеленым лучам, наименее - к синим. Эта кривая не что иное, как КПД человеческого глаза. По ней легко определить, какая часть попавшего в глаз света "полезно используется" для создания светового ощущения. Как вы видите, для того чтобы синий цвет казался человеку таким же ярким, как желтый или зеленый, его реальная энергия должна быть в несколько раз выше. Экспериментально установлено, что среди излучений равной мощности наибольшее световое ощущение вызывает монохроматическое желто-зеленое излучение с длиной волны 555 нм.

Исходя из принципа использования максимальной яркости отдельных источников основных цветов, учитывая соблюдение закона Грассмана (1) определяют количество (состав) этих самых источников в пикселе. Так, например, для лампового экрана оптимальным является состав пикселя один красный, один зеленый и два синих (1 R 1 G 2 B ) при мощности лампы накаливания 5Вт. Для светодиодных экранов, построенных на основе светодиодов 546 серии Nichia Corporation состав пикселя может иметь следующий вид 2 R 1 G 1 B , 4 R 2 G 2 B , 6 R 2 G 2 B и т.п. Количество точечных источников в пикселе также определяется геометрическим размером самого пикселя.

Здесь мы рассмотрели только общие вопросы, связанные с цветообразованием в светодиодных и ламповых экранах. Однако существуют и более частные вопросы воспроизведения цветов и оттенков на таких видеоэкранах. Одним из наиболее сложных вопросов является получение большого количества градаций яркости светодиода, для реализации всех оттенков, воспринимаемых человеком. В следующей статье я постараюсь раскрыть эту тему.

Автор: компания