В современном мире вычислений нет более недооценённой технологии, чем цифровые дисплеи, хотя без них компьютеры были бы невозможны. Если бы человечество придумало транзистор раньше, чем электронно-лучевую трубку, то, возможно, сейчас бы вы это не читали.

Причина её недооценённости заключается в том, что большинство людей понятия не имеет, как работает экран. Каждый раз, когда вы видите загорающийся пиксель, то становитесь свидетелем настоящего волшебства — свет преломляется в электрических кристаллах, чтобы вы могли читать твиты в постели.

Краткая история цифровых дисплеев

Прежде, чем разбираться в современном положении дел, будет полезно понять, с чего мы начинали.

Первый электронный дисплей был создан на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ, CRT), которая впервые появилась в 1897 году, а в первых домашних бытовых приборах — в 1930-х. Первые телевизоры были монохромными, круглыми и тусклыми; привычные нам цветные прямоугольные коробки появились только в 1950-х.

Хотя концепция их работы проста, удивительно то, что люди смогли втиснуть всё в прибор, который можно разместить дома. По сути, это огромная стеклянная вакуумная трубка, внутри которой находится электронная пушка, выстреливающая потоком электронов в сторону экрана.

Экран покрыт крошечными фосфоресцирующими точками, испускающими при попадании на них электронного пучка красный, зелёный или синий свет. Изменение силы пучка влияет на силу испускаемого каждым субпикселем света, позволяя создавать разные цвета.

Полвека человечество по несколько часов в день смотрело в ствол электронной пушки.

Вокруг «горлышка» вакуумной трубки установлен набор магнитных катушек, отклоняющих пучок, чтобы он попадал в разные области переднего экрана. Меняя направление и величину тока через катушки, можно изменять магнитное поле, обеспечивая точный контроль пути электронного пучка.

Передний экран обычно немного изогнут, это позволяет избежать геометрических искажений, возникающих, когда электронный пучок падает на фосфор под острым углом. Двигаясь в паттерне растровой развёртки, пучок окрашивает изображение по одному пикселю за раз, обычно слева направо и сверху вниз, 60 раз в секунду.

Разумеется, у ЭЛТ-дисплеев были свои недостатки. Они очень тяжёлые из-за толстого стекла, необходимого для создания стабильной вакуумной трубки, по которой электроны могли бы двигаться, не подвергаясь воздействию частиц воздуха. Также они ограничивают максимальный размер экрана, а расстояние, необходимое между экраном и электронной пушкой, накладывает ограничения на минимальный размер. Не говоря уже о том, что они довольно прожорливы: стрельба электронами из пушки и изменение их пути при помощи электромагнитов — не самое энергоэффективное занятие.

Можно справедливо заявить, что первые компьютеры были бы невозможны без ЭЛТ, но если бы мы продолжили их использовать, то невозможными оказались бы мобильные компьютеры. Отрасль перешла к разработке более тонких и лёгких плоских дисплеев, после короткой интрижки с плазмой остановившись на LCD, а потом на OLED.

Почему именно пиксели?

Сегодня это может показаться странным вопросом, но выбор пикселей в качестве единиц отображения информации в компьютерах не всегда был столь очевидным. Пиксели неидеальны — если разделить изображение на сетку, то если что-то не помещается в неё ровно, то возникнут проблемы. Нужно растрировать векторы, например, шрифты, что приводит к ломанным артефактам алиасинга в кривых и диагональных линиях, особенно на дисплеях низкого разрешения.

Выбор растеризации и пикселей во многом связан с тем, что так же работали и ЭЛТ. Сигналы аналогового телевидения передавались последовательно, то есть изображение разбивалось слева направо сверху вниз и последовательно воссоздавалось трубкой.

Это работает потому, что фосфор излучает свет только в течение краткого промежутка времени после попадания в него электронного пучка, недостаточного для того, чтобы раскрасить остальную часть изображения, прежде чем оно снова станет чёрным, но достаточно для того, чтобы убедить наш глаз, что мы видим стабильное изображение. Преимущество такого подхода заключается в том, что объём передаваемой информации очень мал, а оборудованию внутри трубки необходима мощность, достаточная для одновременного декодирования только одной части изображения.

Эту технологию начали использовать в первых компьютерах: изображение разбивалось на дискретную сетку значений пикселей, и эти значения последовательно отправлялись на электронную трубку. Но для этого требовалась приличная доля ресурсов процессора, поэтому постепенно развивалось видеооборудование, на которое перекладывали часть этой нагрузки. Когда стоимость памяти стала достаточно низкой, цветовое значение каждого пикселя начали хранить в так называемом буфере кадров.

Это выделенный блок ОЗУ, содержащий двухмерный массив (матрицу) красного, зелёного и синего значений каждого пикселя. При возникновении изменений в отображаемом интерфейсе система выполняет запись в буфер кадров, обновляя только изменившиеся части. Контроллер дисплея считывает данные из буфера кадров с частотой обновления дисплея, поэтому система должна обновлять буфер кадров вовремя.

Но пока решение с буфером кадров было слишком дорогим, существовала ещё одна дисплейная технология. Векторные (или каллиграфические) дисплеи реализовали совершенно иной подход — вместо построчного сканирования сетки пикселей электронный пучок перемещался между координатами вектора. Можно сравнить это с рисованием SVG, при котором данные изображения — это набор команд.

Плюс таких устройств в том, что они использовали меньше памяти, потому что им нужно было хранить только векторную информацию о том, что находится на экране. В некоторых из них применялись фосфорные покрытия, способные светиться несколько минут, поэтому они вообще не требовали выделенной памяти. Однако они всё равно состояли из дискретных фосфорных точек, которые можно считать пикселями, но не страдали от алиасинга и пикселизации — чаще всего они были монохромными, поэтому фосфорные точки можно было располагать плотнее.

Недостаток такого подхода в том, что можно рисовать только линии без закрашенных фигур, что ограничивало количество стилей текста, которые можно рендерить. Имелись у них и технические проблемы, например, низкая частота обновления из-за того, что луч перемещался по экрану произвольно. Поэтому они обычно использовались в нишевых сферах, например, в наголовных дисплеях лётчиков-истребителей, радарах, осциллографах и запомнившейся многим аркадной игре Asteroids.

Память постепенно дешевела, а мощь графической обработки росла, благодаря чему преобладающей технологией стали растровые дисплеи. Хотя современные дисплеи не отрисовывают изображение построчно, мы по-прежнему используем буфер кадров, а проблему потери чёткости кривых мы решаем, повышая разрешение и делая пиксели всё меньше и меньше.

Современные дисплеи

Современные дисплейные войны ведутся между двумя видами технологий: OLED и LCD. Но на самом деле это прокси-войны, развязанные двумя совершенно разными способами отображения картинки: трансмиссивным и самоизлучающим. Обе стороны стремятся к обретению Святого Грааля дисплеев: чистого чёрного цвета и одновременно чрезвычайной яркости, высокой частоты обновления и идеальной точности цветов. Не стоит забывать также о дешевизне производства и о низком энергопотреблении.

Современные дисплеи отличаются от ЭЛТ-дисплеев в одном критически важном аспекте. Они зажигают каждый пиксель одновременно, обновляя весь дисплей за раз. Это возможно благодаря тому, что каждый пиксель контролируется индивидуально, а не из одного источника.

Трансмиссивный дисплей, например, жидкокристаллический (LCD), обычно содержит какую-то подсветку, а субпиксели меняют яркость и цвет проходящего через них света. Его слабая сторона заключается в просачивании света от подсветки, из-за чего снижается контрастность и ухудшаются углы обзора. Но они великолепно передают яркость, дёшевы и имеют долгий срок жизни.

Самоизлучающие дисплеи, например, OLED, обычно не имеют подсветки, субпиксели в них излучают собственный свет. Обычно их слабые стороны — яркость и срок жизни, потому что субпиксели могут выгорать со временем. Но OLED энергоэффективны, отзывчивы и способны создавать чистый чёрный цвет отключением отдельных пикселей.

Как работают LCD

Жидкокристаллические дисплеи (Liquid Crystal Display) сегодня с большим отрывом остаются самой популярной технологией плоских дисплеев. Скорее всего, вы работаете с LCD ежедневно.

Они уникальны своей трансмиссивностью: ЭЛТ-дисплеи, плазменные дисплеи и OLED самоизлучающие. Каждый LCD-пиксель состоит из нескольких слоёв, внизу которых находится подсветка — каждый слой обрабатывает свет, прежде чем он попадёт с подсветки в глаза пользователя. Давайте разберём каждый из слоёв, начиная с подсветки.

Ещё несколько лет назад основная часть подсветок LCD состояла из набора светодиодов, расположенных по краям дисплея и светящих на рассеиватель. Он помогает равномерно распределять свет и перенаправлять его на панель. Именно поэтому у старых ЖК-дисплеев были такие толстые рамки: в них должны были помещаться светодиоды подсветки.

Благодаря прогрессу в разработке светодиодов, сегодня основная часть подсветки — это массив светодиодов за панелью, создающий гораздо более равномерное распределение света по панели. Далее свет проходит от подсветки к первому поляризатору.

Свет — странное явление: это и волна, и частица, но волны расходятся перпендикулярно направлению своего движения. Поляризатор — это своего рода решётка, пропускающая только волны определённой ориентации.

Это важный этап, потому что проходящий через слой жидкого кристалла свет должен иметь одинаковую ориентацию. Далее кристаллы искажают свет, из-за чего он или проходит через второй поляризатор, или блокируется им.

Жидкие кристаллы — это настоящая магия. Они бывают разных видов, но, по сути, это прозрачные кристаллы, меняющие свою структуру под воздействием электрического поля. В их обычном состоянии они выстроены в спиралевидную структуру, пропускающую свет, идущий от первого поляризатора. При подаче напряжения к прозрачным электродам по обе стороны кристалла электрическое поле приводит к развёртыванию естественной спиралевидной структуры и более вертикальному выстраиванию, препятствующему прохождению света.

Эта спираль пропускает свет, меняя его поляризацию (как бы поворачивая его на 90 градусов), позволяя свету проходить через второй поляризатор. Мы можем модулировать напряжение, чтобы управлять передаваемой на следующий слой степенью поляризации, а значит, и яркостью света. У каждого субпикселя есть собственная ячейка жидких кристаллов, позволяющая нам по отдельности управлять яркостью каждого красного, зелёного и синего компонентов.

Далее у каждого субпикселя есть красный, зелёный или синий фильтр. На него падает обычно белый цвет, и он блокирует все другие частоты, позволяя компонентам смешиваться в нужный цвет.

В новых дисплеях, в частности, производящихся Samsung, эти фильтры заменены на слой квантовых точек. Квантовые точки — это микроскопические полупроводниковые нанокристаллы, поглощающие свет и повторно испускающие его как конкретный цвет, определяемый по его размеру. В таких дисплеях подсветка обычно синяя, потому что синий свет имеет короткую длину волн и повышенную энергию; далее этот свет повторно испускается слоем квантовых точек, как зелёный или красный.

После цветовых фильтров весь прошедший свет проходит через второй поляризатор, повёрнутый на 90 градусов относительно первого. Благодаря этому через него проходит весь свет, правильно поляризованный кристаллами, и блокируется весь остальной свет.

Чтобы всё это заработало, нужны безумные технологии, например, тонкоплёночные транзисторы (TFT, Thin Film Transistor) — крошечные переключатели, изготовляемые непосредственно на стеклянной подложке. Нужно по одному такому транзистору для каждого субпикселя. А дисплей может состоять из десятков миллионов пикселей.

Описанный мной тип жидких кристаллов называется TN (Twisted Nematic), но уже существуют более современные технологии, например, IPS (In Plane Switching) и VA (Vertical Alignment). Их основные различия заключаются в ориентации структуры кристалла — эти технологии были разработаны для устранения части проблем TN-кристаллов, которые плохо справляются с блокированием света в выключенном положении и имеют довольно низкую точность цветов.

Даже несмотря на прогресс в жидкокристаллических технологиях, LCD обладают неотъемлемыми недостатками. Так как в отключённом состоянии кристаллы и поляризаторы неидеально блокируют свет, освещение с подсветки может просачиваться, приводя к снижению контрастности и невозможности передачи чистого чёрного цвета.

Чтобы обойти эту проблему, в некоторых дорогостоящих LCD сегодня применяют подсветку с локальными зонами затемнения. По сути, это означает, что небольшие области подсветки отключаются, если не используются. Это неидеальное решение, потому что обычно свет всё равно просачивается из включённых областей подсветки. В дисплеях Mini LED сделан ещё один шаг вперёд: в их подсветке применяются очень маленькие (от 50 до 200 микрометров) светодиоды, позволяющие создавать ещё более мелкие зоны освещения.

Также LCD страдают достаточно низкой скоростью реакции, потому что для изменения ориентации кристаллов требуется время. Направление жидких кристаллов оптимизировано для просмотра перпендикулярно экрану, поэтому под другими углами обзора цвета и яркость немного меняются.

Но, несмотря на все свои недостатки, LCD яркие, надёжные и, что самое важное, дешёвые.

Как работают OLED

Дисплеи OLED (Organic Light Emitting Diode) работают совершенно иначе, нежели LCD; на самом деле, концептуально они ближе к маленьким ЭЛТ. Как говорилось выше, они самоизлучающие: каждый пиксель генерирует собственный свет, благодаря чему конструкция дисплеев гораздо проще, чем у LCD с их сложными слоями подготовки света.

Субпиксель OLED состоит из органического соединения, заключённого между анодом и катодом. При подаче напряжения ток течёт через это соединение, что приводит к испусканию фотонов. Для создания длин волн красного, зелёного и синего цвета применяются разные типы органических материалов.

Точнее, свет испускается в процессе так называемой рекомбинации электронов и дырок. По сути, имеющий отрицательный заряд электро заполняет положительно заряженную «дырку». Дырка — это отсутствие электрона; обычно она возникает, когда электрон получает достаточно энергии, чтобы выскочить из решётки, оставляя за собой пустое место.

Нижняя часть «бутерброда» OLED состоит из слоёв, инжектирующих и переносящих эти дырки вверх к излучающему слою, а верхняя часть состоит из слоёв, инжектирующих и переносящих электроны вниз к излучающему слою, где происходит их рекомбинация. Когда случается такая рекомбинация, длина волны определяется запрещённой зоной материала, из которого состоит излучающий слой.

На подложку наносятся миллионы крошечных точек таких органических соединений, что позволяет размещать их с невероятной точностью. «Органическое» в данном случае означает, что в эти соединения входит углерод.

Так как каждый субпиксель испускает собственный свет, его можно просто отключать, когда он не используется. Благодаря этому субпиксели могут быть идеально чёрными, что недостижимо для LCD с его просачиванием подсветки; к тому же благодаря этому снижается энергопотребление.

Наряду с превосходной контрастностью и энергоэффективностью, OLED обладают множеством преимуществ относительно LCD. Каждый пиксель можно включать и отключать меньше, чем за миллисекунду, благодаря чему технология идеально подходит для дисплеев с высокой частотой обновления. Благодаря отсутствию поляризаторов, создающих направленный свет, на качество картинки практически не влияют углы обзора, а их цветовая точность чрезвычайно хороша. Кроме того, благодаря своей простоте они могут быть крайне тонкими и лёгкими, и даже изготавливаться на гибких подложках для производства раскладывающихся телефонов.

Большинство недостатков OLED связано с используемыми в них соединениями. Так как они органические, то обладают ограниченным сроком службы и постепенно деградируют после использования, особенно при высокой яркости. Из-за этого происходит выгорание OLED-дисплеев, отображавших статические изображения в течение долгого времени; синие субпиксели обычно деградируют быстрее остальных.

Также у них есть проблема с яркостью: это ограничение применяемых органических материалов, они менее эффективны при повышенных напряжениях, необходимых для генерации более яркого света. Основной прогресс в технологиях OLED был связан с решением проблемы яркости; также он позволил увеличить срок службы экранов, обеспечив их работу на пониженном напряжении.

Для повышения яркости необходимо совершенствовать показатель эффективности извлечения света (Light Extraction Efficiency, LEE), то есть долю генерируемого излучающим слоем света, которая достигает передней части панели. Как оказалось, даже несмотря на малые расстояния, внутри слоёв возникает большое количество отражений. Чтобы решить эту проблему, производители используют крошечные линзы или слои рассеивания, чтобы сфокусировать свет и извлечь его.

Также для повышения яркости и срока жизни дисплеев производители комбинируют одноцветный излучающий слой OLED с фильтрами квантовых точек для подкрашивания света, как это делается в некоторых LCD-панелях. По какой-то причине они используют синий, хотя он как будто должен деградировать быстрее. Синий свет проходит через красные и зелёные квантовые точки.

Благодаря этому прогрессу OLED стали достаточно серьёзными конкурентами LCD в большинстве областей применения, но они всё равно ещё неидеальны.

Следующее поколение

Обе технологии постепенно избавляются от своих слабых сторон и приближаются почти к одному и тому же типу дисплеев; однако, LCD, похоже, ближе к пределу своих возможностей, их производители просто стремятся максимально уменьшать размеры локальных зон подсветки. В то же время начинают появляться крайне интересные претенденты на звание нового поколения дисплеев: Tandem OLED и MicroLED.

Принцип работы Tandem OLED понятен из названия: это две склеенные панели OLED. Благодаря двум наложенным друг на друга излучающим слоям можно повысить яркость всей панели; в то же время каждый слой может работать на пониженном напряжении, что повышает эффективность и срок службы.

Однако здесь возникают и новые сложности: наличие двух слоёв увеличивает оптическое расстояние между нижним слоем и верхней подложкой, усугубляя проблему отражений. К счастью, сетки микролинз, о которых мы говорили выше, позволяют компенсировать это и повысить эффективность извлечения света. Однако, разумеется, такие панели пока сложны и дороги в производстве. Apple использовала их в последнем поколении iPad, но будет интересно посмотреть, можно ли увеличить их масштаб для применения в дисплеях больших размеров.

Дисплеи MicroLED состоят из микроскопических, порядка микрометра, отдельных светодиодов субпикселей. Они неорганические, поэтому не страдают от малого срока службы и выгорания, свойственных OLED, и могут быть гораздо ярче них.

При производстве OLED органические соединения напыляются на подложку, но поскольку MicroLED — это просто крошечные светодиоды с собственной электросхемой, их необходимо располагать на подложке по отдельности. Из-за этого они пока невероятно дороги и сложны в изготовлении; к тому же современные панели обеспечивают плотность пикселей, достаточную лишь для экранов, находящихся на больших расстояниях; например, таких, которые применяются на концертах или спортивных мероприятиях.

Так что не стоит думать, что проблема современных дисплеев «решена», это далеко не так. Мы с нетерпением будем ждать изменений, которые произойдут в ближайшем десятилетии, ведь постоянно появляются ещё более экзотические технологии.