Poprawna aplikacja wyświetlacza OLED, część 1

W pierwszej części artykułu zostały porównane konstrukcje wyświetlaczy OLED i LCD. Omówiono czułość oka ludzkiego na kontrast oraz czynniki wpływające na odbierane przez nas bodźce wzrokowe. Wyznaczono przedział wykrywalnej różnicy luminacji.

Druga część artykułu traktować będzie o wpływie temperatury na żywotność wyświetlaczy OLED, metodach wyznaczania czasu życia pikseli oraz spadku ich luminacji w czasie. Wyznaczone zostaną różnice w czasie świecenia sąsiadujących obszarów, po których wykrywalna staje się różnica luminacji, a przede wszystkim omówione zostaną rozwiązania praktyczne mające na celu wyeliminowanie tego zjawiska. W tekście skupiono się przede wszystkim na monochromatycznych wyświetlaczach alfanumerycznych oraz graficznych.

Piksel pikselowi nierówny - czyli geneza różnic

Rys. 1. Porównanie budowy wyświetlaczy LCD oraz OLED

Od początku pojawienia się na rynku technologia OLED obrosła w wiele mitów, a jednym z najbardziej rozpowszechnionych jest szybkie i nierównomierne wypalanie się pikseli. Jak w każdym micie, jest w nim ziarnko prawdy, jednak temat jest nieco bardziej złożony.

Oczywiście piksele w wyświetlaczach OLED wypalają się wraz z czasem ich użytkowania, ale należy sobie zdawać sprawę z tego, że ten sam proces zachodzi również w technologii LCD. Do niedawna rzeczywiście OLED-y miały niższą trwałość w stosunku do swoich ciekłokrystalicznych odpowiedników, jednak przestało to być aktualne. Obecnie czas życia wyświetlaczy (czas spadku jasności do 50% wartości początkowej) to nawet 100 tys. godzin.

Pomimo porównywalnych czasów życia obu typów istnieje pewna kluczowa różnica w ich zużywaniu, która leży u podstaw ich konstrukcji. Mianowicie w wyświetlaczach LCD wypaleniu ulega jednocześnie całe podświetlenie ekranu. W technologii OLED nie występuje podświetlenie matrycy, ponieważ każdy piksel sam emituje światło. Porównanie budowy obu typów wyświetlaczy zobrazowano na rysunku 1.

W wyświetlaczach LCD wykorzystuje się podświetlenie w formie szeregów diod LED, które równomiernie oświetlają całą jego powierzchnię, dzięki kombinacji różnego typu folii refleksyjnych, dyfuzorów i folii pryzmatycznych. W tego typu wyświetlaczach jasność spada równomiernie na całej ich powierzchni w miarę wypalania się diod, a sama budowa podświetlenia jest bardzo skomplikowana ze względu na dużą liczbę warstw.

Zasada działania wyświetlaczy OLED bazuje na wykorzystaniu emisji promieniowania elektromagnetycznego podczas przejścia elektronu na niższy poziom energetyczny. Owe przejście uzyskuje się poprzez wymuszenie rekombinacji elektronów i dziur. Wypaleniu ulega, więc nie cały wyświetlacz jednocześnie, a jedynie obszary aktualnie emitujące światło. Dodatkowym atutem jest większa prostota, a więc mniej elementów narażonych na uszkodzenie.

Takie wyświetlacze wymagają użycia o połowę mniejszej liczby warstw niż w przypadku LCD. Podsumowując w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych wypala się całe podświetlenie matrycy, a w technologii OLED każdy piksel z osobna. Pojawianie się różnicy w jasności poszczególnych pikseli matrycy OLED jest, więc możliwe, lecz nie jest wynikiem wady wyświetlacza, a jedynie jego cechą.

Istotne jest też, że pojawienie się różnicy jasności nie jest nieuniknione, jeżeli wyświetlacz jest używany we właściwy sposób, co zostało omówione w dalszej części artykułu. Zanim jednak do tego przejdziemy należy zbudować stosowne podstawy teoretyczne.

O kontraście słów kilka - czyli podstawy teoretyczne

Rys. 2. Kontrast bezwzględny i względny

Podstawą umiejętnego użycia wyświetlaczy OLED jest znajomość zjawisk fizycznych determinujących odbierany przez nas obraz. Pierwszą istotną kwestią jest fakt, że ludzkie oko nie jest zbyt efektywne w bezwzględnym rozpoznawaniu barw i jasności, ale za to jest bardzo dobre w ich porównywaniu. Aby to sobie uzmysłowić, wystarczy spojrzeć na rysunek 2.

Gdy kwadraty A i B znajdują się daleko od siebie, trudno jest stwierdzić różnicę w ich kolorze, jednak, gdy zostaną umieszczone tak, że stykają się bokami, od razu staje się widoczne to, że kwadrat B jest nieco ciemniejszy. Tak samo dzieje się, gdy sąsiadujące grupy pikseli różnią się intensywnością - łatwo jest to dostrzec. Zjawisko to trafnie opisuje prawo Webera-Fechnera, które mówi, że na percepcję człowieka oddziałuje nie arytmetyczna różnica pomiędzy wielkością bodźców, a stosunek porównywanych wielkości. Widziany przez nas kontrast można w praktyce zdefiniować, jako C= (Luminacja tła - Luminacja obiektu) / Luminacja tła.

Przy założeniu, że luminacja obiektu jest mniejsza od luminacji tła, wartość kontrastu zawiera się w przedziale od 0 do 1. Wartość progową kontrastu, po przekroczeniu, której oko dostrzega różnicę luminacji nazywa się współczynnikiem Webera, który przeważnie wyraża się procentowo, tak jak na wykresie poniżej. Odwrotność kontrastu nazywa się stopniem czułości oka.

Rys. 3. Czułość oka na różnicę luminacji w funkcji jaskrawości adaptacji

W przypadku zastosowania tego prawa do wyświetlaczy OLED, kluczowe będzie określenie najmniejszej dostrzegalnej różnicy luminacji i odniesienie jej do różnicy w czasie świecenia sąsiadujących obszarów pikseli. Wartość tę nazywa się też progiem czułości kontrastowej oka lub progiem kontrastu. Prawo Webera-Fechnera jest prawem fenomenologicznym, a więc bazującym na obserwacjach praktycznych. Poniżej przedstawiono wykres czułości oka w funkcji jaskrawości adaptacji, który jest odwzorowaniem owych obserwacji i testów statystycznych.

Oś pionowa wykresu, opisana jako czułość, określa różnicę luminacji tła i obiektu, która może zostać wykryta przez oko dla danego zakresu jaskrawości adaptacji (oś pozioma). Z wykresu wynika, że w przypadku najbardziej popularnej wśród monochromatycznych OLEDów jasności 100 cd/m² (zaznaczona czerwoną linią), współczynnik Webera wynosi poniżej 2%.

Ważnym wnioskiem płynącym z obserwacji jest też fakt, że dla całego przedziału 50-10 000 cd/m² (zaznaczony niebieskimi liniami), odpowiadającego zakresowi luminacji widzenia dziennego wartość współczynnika Webera utrzymuje się mniej więcej na tym samym poziomie, co potwierdzają badania Unisystemu.

W praktyce biorąc pod uwagę budowę oka i zjawiska optyczne przyjmuje się w całym tym przedziale współczynnik na poziomie około 2%. Kolejnym wnioskiem płynącym z analizy wykresu jest nieliniowy przyrost kontrastu w funkcji jaskrawości adaptacji. Wywnioskować można, że wraz z przyrostem jasności tła, konieczna jest również większa różnica między luminacją tła i obiektu, aby została ona wykryta. Odnosząc tę zależność do wyświetlaczy można dojść do konkluzji, że wraz ze wzrostem jasności wyświetlacza, aż do pewnej wartości progowej, spada wrażliwość na kontrast.

inż. Michał Onoszko
Inżynier Projektu
Unisystem
www.unisystem.pl