Képmegjelenítő eszközök optikai tulajdonságai

0

Absztrakt
Évről évre egyre újabb betűszavakkal találkozunk az elektronikus megjelenítők piacán. Közel 50 éven át a fekete–fehér, majd a színes katódsugárcsöves (CRT) képernyő volt a legelterjedtebb megjelenítő típus. A múlt század végén feltűnt lapos megjelenítők azonban már az újabb fizikai elvek felhasználásával alkotnak képet. A külsőleg hasonlóan lapos kivitelű PDP (plazma), LCD, LED, OLED és QLED (quantum dot) kijelzők valójában mind különböző technológiákat takarnak. A mindennapi felhasználó és a szakember is gondban van, ha rangsorolnia kellene a különböző megjelenítő típusokat.

A feladat könnyebbé tehető, ha az értékelést a fizikailag is mérhető tulajdonságok összehasonlításával végezzük el. Mivel vizuális érzékelésünk különböző szintjeire a fénytechnikai mennyiségek vannak a legnagyobb hatással, ezért fontos a képalkotás lehető legtöbb – e kategóriába tartozó – paraméterének az ismerete. A cikkben ezért az elmúlt 15 év meghatározó képmegjelenítő eszközeit és az emberi érzékelésre gyakorolt megjelenítéstechnikai paraméterét mutatom be, különös figyelmet fordítva a kijelzők által kibocsátott kék sugárzásra.

1. Bevezető

Mindössze 7 év múlva ünnepeljük az elektronikus megjelenítők kifejlesztésének 100. évfordulóját, ugyanis John B. Johnson és Harry W. Weinhardt ekkor alkották meg az első működőképes, katódsugaras (Cathode Ray Tube, CRT) képernyőt. A fejlesztők már ennél a kijelzőtípusnál találkoztak a káros sugárzásokkal, mivel a CRT képcső a fény mellett röntgensugárzást is kibocsátott. A káros sugárzást ólomüveg felhasználásával szűrték ki. Egészen a 2000-es évekig a CRT képcső volt az egyeduralkodó, de a kereskedelmi árak csökkenésével átvették a szerepet a lapos megjelenítő típusok, amelyek egy sor új fizikai elv segítségével képesek elénk varázsolni az egyre jobb minőségű képeket. Hogy még könnyebben elvesszünk a felbontások, kontrasztok és más megjelenítés-technikai fogalmak között, megjelentek olyan forradalmian új technológiák, amelyek pl. az elektronikus vetítőgépekben vagy az elektronikus könyvben öltöttek testet. Felvethető tehát a kérdés, hogy ezek az új megjelenítő típusok kibocsátanak-e olyan sugárzásokat, amelyek károsak lehetnek a felhasználóra nézve.
A válasz eléggé nyilvánvaló. Az EU-ban nem forgalmazható olyan megjelenítő eszköz, amely nem rendelkezik „CE” jelzéssel. Ez a jelölés garantálja, hogy a műszaki berendezés megfelel minden rá vonatkozó EU-direktívának. Vagyis a készülék elektromágneses és egyéb kibocsátott sugarai az egészségre káros szint alatt vannak. Fizikailag is leírható biológiai károsodást tehát elvileg nem okozhat egy megjelenítő sem, pszichofizikai ártalmakkal azonban számolhatunk. Mivel minden megjelenítő a fény teljes hullámhosszában sugároz, ami magában foglalja a kék spektrumot is ezért természetesen számolni kell a látáskutatók által jól ismert kék fény (Blue Light Hazard, BLH) hatásaival. A megjelenítőgyártók a CE jelzéssel természetesen vállalják, hogy a BLH egészségkárosító hatásai nem jelentkeznek. Ennek ellenére a különböző megjelenítő típusok kék spektrumban leadott teljesítményintenzitása alapján jól körül tudjuk határolni, hogy mely kijelzőtípusok azok, melyek – bár a felhasználó egészségére nem károsak – gyakorolhatnak rá pszichofizikai jellegű BLH hatást.

2. Technológiák a megjelenítéstechnikában

A ma elérhető elektronikus megjelenítők sokféleségét jól mutatja az 1. ábra. Talán meglepő, de a CRT megjelenítők még mindig használatosak, ugyanis színmegjelenítési képességeik és az aktív képalkotás előnyei ma is versenyképessé teszik őket a DTP és a vizuális látásvizsgálatok területén. Az aktív (önvilágító) megjelenítők nagy előnye abban mutatkozik meg, hogy sokkal alacsonyabb fénysűrűségű feketét hoznak létre, ezáltal megnövelve a kontrasztot és a színdinamikát. Ez a hátrány arra sarkallja a passzív (háttér fényforrást) technológiát felhasználó LCD monitort gyártókat, hogy magas fényteljesítményű képernyőket gyártsanak, amelyek nem a legergonomikusabbak és magukban hordozzák a BLH jelenségek magasabb előfordulási valószínűségét.

optikai-magazin-optometria-kepmegjelenito-eszkozok-optikai-tulajdonsagai-1

1. ábra: Az elektronikus képmegjelenítők csoportosítása

A LED (Light-Emitting Diode) technológiát a nagy pixelméret következtében csak nagyméretű utcai reklám- vagy stadionkijelzőkben alkalmazzák. Ezek nem összekeverendők a LED háttérvilágítású LCD megjelenítőkkel, melyeket a gyártók és a kereskedelem érthetően nevez előszeretettel LED kijelzőnek. A megtévesztés oka a magasabb megjelenítési minőséggel rendelkező molekulákat felhasználó OLED (Organic Light-Emitting Diode) technológia. Jelenleg főleg kis képátló méretben (telefonokban, tabletekben) terjedt el az OLED technológia. Manapság még csak nagyon magas áron vásárolhatunk OLED monitort vagy tévét. A technológia fő hátránya, hogy a szerves molekulák idővel lebomlanak, így rontva a megjelenítési képességeket. A plazmatévék a magas villamos fogyasztás és a bonyolult – hibásodásra hajlamos – képalkotási elv következtében kiveszőben vannak. Nagy reménnyel tekintünk a kísérleti stádiumban lévő QLED (quatum dot) technológia elé, amely szintén aktív elven és egyszerű rétegtechnológián alapul. Az elektronikus vetítőkben (projektorokban) és az 1. ábrán felsorolt, jövőbe mutató egyéb megjelenítőkben jórészt az előbb bemutatott fizikai megjelenítési elveket alkalmazzák.

3. Elektronikus megjelenítők jellemző optikai tulajdonságai

Egy átlagos megjelenítő optikai tulajdonságait az 1. táblázat tartalmazza. A geometriai és időbeli tulajdonságok főleg az ergonómiát érintik. A fejlesztők folyamatosan azon dolgoznak, hogy minél magasabb felbontású kijelzőkkel tegyék élesebbé a képet. A képfrissítési frekvencia ma már nem jelent problémát, zavaróak lehetnek azonban azok a megjelenítőtípusok, amelyek a látás fúziós frekvenciájához közeli képváltással rendelkeznek. A geometriai torzítások főleg a CRT megjelenítőket és a projektorokat jellemzik. E hibák ellen kalibrációval küzdhetünk.
A kolorimetriai paraméterek közül a színhőmérséklet lehet a BLH szempontjából jelentős tényező. A színhőmérséklet növelésével ugyanis minden esetben növeljük a kék fény intenzitását is! Itt jegyezném meg, hogy a BLH hatás nem csak színhőmérséklet-csökkentéssel, hanem a megjelenő szoftverek kék színingereket mellőző optimalizálásával is végrehajtható!
A kolorimetriai tulajdonságok közé tartozó színtér-, illetve szín-bitmélység nagysága természetesen nagyon fontos jellemzője egy-egy megjelenítőnek, ugyanis kijelzőnktől elvárjuk a színgazdag képeket.
A fotometriai mennyiségek közül a kontraszt abban a tekintetben veszélyes, ahogy az előző fejezetben felmerült: nevezetesen nem feltétlenül kell hajszolni a nagy kontrasztaránnyal rendelkező készülékeket. A csúcs fénysűrűség egy piacon lévő képernyőnél sem 600-800 cd/m2 feletti, azonban törekedni kell a minél kisebb fénysugárzási értékre, amelyet csak jó minőségű aktív képernyőkkel érhetünk el, ugyanis ezek már alacsonyabb fénysűrűség esetén is szolgáltatják az ergonomikus kontrasztértékeket.

 

GEOMETRIAI ÉS IDŐBELI soronkénti és oszloponkénti pixelszám (felbontás)
geometriai torzítások
függőleges és vízszintes frissítési frekvencia
utóképhatás, din. paraméterek stb.
KOLORIMETRIAI megjeleníthető színingerek száma (bitmélység)
színtér (color gamut)
korrelált színhőmérséklet (Correlated Color Temperature, CCT)
FOTOMETRIAI kontraszt
csúcs fénysűrűség
RADIOMETRIAI spektrális teljesítményeloszlás (Spectral Power Distribution, SPD)
káros sugárzások (röntgen, BLH)

1. táblázat: Elektronikus képmegjelenítők tulajdonságainak összefoglalása

A káros sugárzások elemzése során érdemes tanulmányozni a megjelenítők által sugárzott spektrális teljesítményeloszlást (Spectral Power Distribution, SPD). Ez mutatja meg a kijelző egyes fényhullámhosszokon leadott, wattban mérhető sugárteljesítményét. Az eltérő megjelenítőtípusok fénysugárzásának kék tartományát figyelve, következtetéseket vonhatunk le az adott technológia BLH veszélyeit illetően.

4. Megjelenítők spektrális tulajdonságainak összehasonlítása

A B(λ) kékfény-veszély hatásfüggvényének csúcsa megközelítőleg 435 nm-nél helyezkedik el [1]. Érdemes tehát megvizsgálni, hogy az 2. fejezetben tárgyalt megjelenítők milyen teljesítményű sugárzást adnak le a 435 nm-es hullámhossz környezetében.
A 2. ábrán az előző évtizedbéli megjelenítő technológiák SPD összevetése látható. A sugárzási teljesítményeket relatív intenzitásban hasonlították össze. Az R (vörös) és G (zöld) primer fényforrások esetében természetesen nem értelmezhető a kékfény-veszély. A B (kék) primer esetében az tapasztalható, hogy az OLED 1. generációs kijelzőn kívül mindegyik SPD görbe a 435 nm-hez közel áll, így esetükben a kék fény szempontjából a legrosszabb a spektrumillesztés.

optikai-magazin-optometria-kepmegjelenito-eszkozok-optikai-tulajdonsagai-2

2. ábra: A század első évtizedének kereskedelmi forgalmában kapható képmegjelenítők spektrális teljesítményeloszlása

A 3. ábrán az utóbbi években elérhető kijelzők SPD diagramjai szerepelnek. Az a. ábrán egy LED háttérvilágítású passzív kijelző látható [2]. A jelenleg eladott legtöbb telefonban, tabletben és laptopban is ez a típus található. A kék fény veszélyessége kiemelkedik a b. és c. ábrán látható 2. generációs OLED, illetve QLED kijelző [3] spektrumokhoz képest. Ha még azt is figyelembe vesszük, hogy az OLED és a QLED megjelenítők önvilágítóak, így ezáltal alacsonyabb fénysűrűséggel is képesek magas kontrasztú képmegjelenítésre, úgy BLH szempontból biztosan ez a két technológia a legoptimálisabb. Ezen felül a QLED kijelzőkben könnyen változtatható a primer spektrumok (d. ábra [4]) csúcs intenzitásának hullámhossza, ugyanis az – a technológiából következően – mindössze a q-dot részecskék méretétől függ. Ilyen módon nagyon egyszerűen létrehozhatunk olyan QLED megjelenítőt, amely a lehető legoptimálisabb kékfény-sugárzást tartalmazza.

optikai-magazin-optometria-kepmegjelenito-eszkozok-optikai-tulajdonsagai-3

3. ábra: A legújabb technológiával rendelkező képmegjelenítők spektrális teljesítményeloszlása

4. Konklúzió

A jövő meghatározó technológiájáért jó eséllyel az OLED illetve a QLED megjelenítők fognak megküzdeni. Ha a kékfény-hatás alapján szeretnénk optimális megjelenítési elvet választani úgy az – a technológiai szempontokat figyelembe véve – a QLED esetében a legegyszerűbb. A technológiák küzdelme azonban még nem dőlt el, hisz az OLED megjelenítőkben is stabilizálhatók és változtathatók a fényemittáló szerves anyagok. Reméljük, hogy a versenyt – mint oly sokszor – nem kizárólag a piaci viszonyok fogják eldönteni, hanem szerepet kapnak a cikkben ismertetett tudományos szempontok is.

Hivatkozások:
[1] Németh Zoltán, Klinger György: LED-es fényforrások fotobiológiai vizsgálata
Világítástechnikai évkönyv, MEE-VTT, ISSN 1416-1079 pp. 36-47. (2015)
[2] Jeff Yurek: How does the iPhone 5’s color saturation measure up against Apple’s claims?
http://dot-color.com/2012/09/27/how-does-the-iphone-5s-color-saturation-measure-up-against-apples-claims (2012)
[3] Adam Simmons: The Evolution of LED Backlights
https://pcmonitors.info/articles/the-evolution-of-led-backlights (2015)
[4] Yasuhiro Shirasaki, Geoffrey J. Supran, Moungi G. Bawendi, Vladimir Bulović: Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies. Nature Photonics 7, pp. 13–23 (2013)

ÁBRÁK FORRÁSA: DR. SAMU KRISZTIÁN

DR. SAMU KRISZTIÁN EGYETEMI DOCENS
BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM, MECHATRONIKA, OPTIKA ÉS GÉPÉSZETI INFORMATIKA TANSZÉK
samuk@mogi.bme.hu

Megosztás.

Comments are closed.