Технологии ЖК-дисплеев с управляемым углом обзора

Изменяемый угол обзора обеспечивает новые дополнительные возможности при отображении информации на экране дисплея. К таким функциям относятся следующие: защита персональной визуальной информации на экране дисплея индивидуального пользователя от нежелательного просмотра в общественных местах, отображение стерео и объемной информации, а также возможность одновременного просмотра на экране сразу двух изображений для наблюдателей, находящихся справа и слева от экрана.

Защита персональной информации

Тема защиты от нежелательного просмотра изображения на экране мобильного устройства или ноутбука посторонними лицами волнует многих пользователей. Это особенно актуально при пользовании компьютерными устройствами с дисплеями в публичных местах, например в залах ожидания вокзалов или аэропортов. Эта проблема распространяется как на сектор мобильных устройств с маленьким ЖК–дисплеем, так и устройств с большим экраном, например ноутбуков, платежных и банковских терминалов — ATM (automated teller machines), а также автоматов, продающих билеты на транспорт.

Способ решения проблемы весьма простой — требуется ограничить угол обзора так, чтобы информация на экране была видна только владельцу, непосредственно смотрящему на экран под прямым углом. В настоящее время нет никаких проблем сделать это для дисплеев любого класса. Сужение угла обзора достигается очень просто — за счет изменения электрооптических свойств ЖК–дисплея (ЖК–материала, его ориентации, ориентации корректирующих фильтров и поляризаторов). При этом не нужна разработка новых технологий или использование новых типов материалов. Однако защита информация требуется не всегда, и пользователю хотелось бы сохранить режим наблюдения с широким углом обзора. Пользователь сам должен решить вопрос: сделать просмотр информации на экране его информационного устройства частным или публичным.

Способы регулирования угла обзора

Постановка задачи такова — нужно обеспечить для ЖК–дисплея два режима наблюдения изображения, которые пользователь мог бы переключать по своему желанию: режим публичного просмотра с широким углом обзора (WVA — Wide Vieing Angle) и режим частного просмотра с узким сектором обзора с направлением, близким к нормали, (NVA — Narrow Vieing Angle). По крайней мере, для реализации ЖК–дисплея с переключаемым углом обзора нужно изначально иметь дисплейную панель с широким углом обзора и дополнительный оптический элемент (элементы), внешний или встроенный в ЖК–панель, чтобы «испортить» угол обзора и сделать его узким. На рис. 1 показан пример изоконтрастных угловых характеристик, которые нужно реализовать для двух режимов наблюдения.

Угловые характеристики ЖК–дисплея определяются ключевыми оптическими дисплейными компонентами, к которым относятся:

• тип технологии ЖК–панели;
• ориентация поляризаторов;
• тип и ориентация фазокорректирующих фильтров;
• параметры светового потока задней подсветки (вектор направления потока, степень коллимированности (направленности) или рассеянности потока).

В настоящее время широко используется два базовых метода для регулирования, а точнее — для уменьшения заведомо широкого угла обзора:

• сужение контрастной угловой характеристики;
• блокировка света в направлениях, отличных от нормали.

Можно использовать и комбинацию обоих методов. Как указывалось ранее, для реализации переключения угловых режимов необходимы некоторые оптические компоненты, назовем их управляемыми оптическими фильтрами, которые при подаче управляющего сигнала способны изменить условия для прохождения светового потока через ЖК–панель.

Для начала рассмотрим имеющиеся в настоящий момент базовые технологии для ЖК–дисплеев, способные обеспечить широкий угол обзора.

Технологии для широкого угла обзора

В настоящее время широкий угол обзора для ЖК–дисплеев можно получить, используя три базовых технологии ЖК–дисплеев, различаемые по способу ориентации ЖК–материала и конструкции электродов:

• классическая технология с материалом твистнематического типа — TN (twist nematic);
• мультизонная вертикальная ориентация — VA (multi–domain Vertical Alignment);
• горизонтальная ориентация — IPS (In Plane Switching).

Два последних метода обеспечивают расширение угла обзора, но основаны на разных принципах.

На рис. 2 видно, что по совокупности показателей MVA–технология — самый лучший «кандидат» для использования в ЖК–дисплеях с регулируемым углом обзора.

Ориентации директора обычной TN–молекулы для двух состояний не совсем перпендикулярны, поэтому и не удается получить идеально «черного» для выключенного состояния. Если прикладывать промежуточные напряжения между напряжениями, соответствующими состояниям «включено» и «выключено», то будут изменяться угловые характеристики дисплея и меняться контраст наблюдаемого изображения.

Для IPS–структуры молекулы ЖК–материала при подаче напряжения остаются в той же плоскости, но поворачиваются на 90°. Угловая характеристика IPS значительно шире, чем у классической TN. Однако у технологии IPS есть недостатки — наличие сильной спектральной зависимости и большое время реакции и релаксации при переключении, за счет того, что напряженность электрического поля между планарными электродами в данной топологии очень мала по сравнению с напряженностью поля для системы электродов, находящихся на противоположных подложках и напротив друг друга. Расстояние между электродами для TN гораздо меньше, чем расстояние между электродами в одной плоскости для IPS.

По VA–технологии (Vertical Alignment) электроды расположены на разных подложках, как и по TN классической технологии. Используется вертикальная ориентация молекул для выключенного (OFF) состояния. При подаче напряжения молекулы слоя ЖК–материала поворачиваются параллельно плоскости электродов и обеспечивают прозрачное состояние (ON). При выключении напряжения поляризованный свет беспрепятственно проходит через ЖК–ячейку и затем полностью блокируется фронтальным поляризатором. Метод VA обеспечивает очень хороший «черный» и высокое быстродействие, однако при подаче промежуточных напряжений (при синтезе градаций серого) этот метод, так же как и TN, не позволяет реализовать широкий угол обзора. Указанный недостаток устранен в мультидоменной вертикальной структуре (MVA).

Угловая характеристика расширена за счет того, что каждый пиксель разделен на несколько топологических зон (доменов) с различной ориентацией ЖК–материала (рис. 3). Локальная ориентация задается посредством использования пленок ориентирующего покрытия. Селективные ориентирующие свойства задаются или методом натирки полиамидной пленки кисточками либо же напылением пленки двуокиси кремния под определенным углом к поверхности подложки. Каждая из зон обеспечивает свой сектор наблюдения изображения. В целом совокупность доменов с различной ориентацией обеспечивает широкую интегральную угловую характеристику. В настоящее время типовой является четырехдоменная структура (рис. 4).

Структура с делением пикселя на несколько зон с различными угловыми характеристиками может подходить и для решения другой задачи — получения управляемой пользователем угловой характеристики.

Если же использовать мультидоменную структуру на уровне пикселей и обеспечить раздельное управление группами пикселей с различной угловой ориентацией, то можно одновременно формировать два изображения на одном экране, которые можно раздельно наблюдать с разных угловых позиций. В таком случае, например, на одной панели можно будет отображать два телевизионных изображения для различных телеканалов. Для разделения звука каждому наблюдателю слева и справа придется использовать Wi–Fi наушники, что не очень практично, но идея оказалась привлекательна и была реализована фирмой Sharp.

До недавнего времени считалось, что потенциал TN–технологии по расширению угловой характеристики для достижения уровня двух других технологий исчерпан. Однако использование недавно разработанного фазокорректирующего фильтра серии WV фирмы Fujifilm обеспечило для классических TN–дисплеев такие же широкие углы обзора, как у MVA и IPS. А ведь технология TN значительно дешевле и проще! К тому же быстродействие для TN–технологии в настоящее время уже практически не уступает MVA. Так что технологический потенциал TN вновь востребован в дисплейной индустрии.

В последние несколько лет компании NEC, Sharp и Toshiba разработали несколько технологий ЖК–дисплеев с управляемым углом обзора (control vieing angle, switching vieing angle, dual mode switching, VAS — viewing angle switching). Известные варианты реализации систем изменения угла обзора можно разделить на два класса:

• обычная ЖК–панель с широким углом обзора + внешний дополнительный переключаемый оптический фильтр;
• ЖК–панель со встроенной функцией изменения угла обзора.

В них используются различные принципы управления угловой характеристикой — за счет уменьшения углового контраста или за счет угловой блокировки света.

Сужение угловой контрастной характеристики

Реализация этой задачи возможна при использовании управляемого фазокорректирущего фильтра на основе, например, дополнительной ЖК–панели. В одном случае при выключенном напряжении фильтр не будет влиять на широкую угловую характеристику, а при включении питания обеспечит «расстройку» оптической системы и ухудшение углового контраста. Это решение не совсем радикальное. Контраст для угловых направлений уменьшается, нарушается передача полутонов и цветов, но изображение все равно может быть различимо и при сильном желании считано. Для дополнительной защиты рекомендуется снижение яркости до минимального уровня, обеспечивающего владельцу работу с изображением. Более эффективны в плане кардинального сужения угла обзора методы, основанные на угловой блокировке света от источника задней подсветки.

В первую очередь рассмотрим технологии управления углом обзора ЖК–дисплея с использованием внешних дополнительных управляемых оптических фильтров, или световых переключателей.

Технология управляемого угла обзора Sharp

Технология управляемого угла обзора для ЖК–дисплеев (рис. 5) была разработана Sharp Corporation и Sharp Laboratories of Europe, Ltd.

В дисплейной структуре применяется дополнительный активный переключаемый фильтр на основе ЖК–модулятора. Дополнительная панель для управления углом обзора расположена поверх панели ЖК–дисплея. Для фильтра используется эффект управляемого двулучепреломления. При подаче управляющего напряжения фильтр производит блокировку света, проходящего от источника подсветки через ЖК–дисплей в направлениях, отличных от нормального (влево и вправо). Зрители, находящиеся справа и слева (C и B), не могут видеть изображение на экране. В июле 2005 года начато серийное производство моделей ноутбуков и палмтопов («наладонников») со встроенной системой управления углом обзора.

Технология VAP (Toshiba)

При использовании технологии VAP LCD (Viewing Angle control for Privacy–protect LCD), в отличие от технологии Sharp, изменение угловой характеристики обеспечивается сразу двумя управляемыми фильтрами. На рис. 6 показана структура ЖК–дисплея VAP.

Дисплейная структура VAP состоит из:

• верхнего поляризатора;
• фильтра управляемого оптического компенсатора (UST–Cell);
• обычной TN–TFT панели;
• нижнего поляризатора;
• управляемого фильтра на основе дисперсного полимерного ЖК–материала (PNLCCell);
• источника коллимированного света.

Первый фильтр (UST–Cell, Variable optical compensator), или оптический компенсатор, регулирует угловой контраст, а второй фильтр (PNLC–Cell), или управляемый светорассеиватель (variable diffuser), регулирует направление света источника подсвета.

Фильтр UST cell работает как оптический компенсатор отрицательного типа для TNячейки и обеспечивает при подаче напряжения расширение угла обзора.

Управляемый светорассеивающий фильтр ставится между источником подсветки и ЖК–панелью (рис. 7). При отсутствии напряжения полимерные молекулы имеют хаотичную структуру и равномерно рассеивают проходящий от источника задней подсветки коллимированный свет. Рассеянный световой поток как раз и обеспечивает широкую угловую характеристику. При подаче напряжения полимерные молекулы обретают ориентированную структуру и пропускают коллимированый поток без рассеивания. То, что свет должен быть коллимирован, очень важно для реализации данного варианта. Тем самым производится блокировка угловых компонентов светового потока и происходит сужение рабочей угловой диаграммы.

Эффективность действия такого фильтра очень высока. Так, например, если в перпендикулярном экрану направлении измеренная яркость на уровне 200 кд/м², то под углом 45° яркость падает до 3 кд/м², то есть уменьшается почти в 70 раз!

Первый оптический компенсатор для режима с узкой угловой характеристикой изменяет контраст для угла 45° до уровня 2:1 (при контрасте 10:1 для прямого угла). В режиме узкой угловой характеристики можно снизить яркость источника подсветки и, следовательно, значительно сократить мощность потребления дисплея. Совокупность двух действующих факторов — уменьшение яркости и контраста — обеспечивает полную защиту экрана от просмотра под углами. Правда, и цена реализации довольно высокая, за счет применения двух дополнительных управляемых фильтров. Увеличивается толщина структуры, но, например, для стационарного дисплея банковского терминала это не имеет большого значения.

Технология VASF Toshiba

Другой способ для защиты от нежелательного просмотра применила фирма Toshiba. Ключевым элементом технологии, отличающей ее от аналогичных, является синтез фонового маскирующего изображения для угловых направлений.

Метод VASF (Viewing Angle Control Filter) основан на применении обычной TFT ЖК–панели и дополнительного управляемого оптического фильтра (рис. 9). Панель фильтра ставится последовательно с ЖК–панелью дисплея и представляет собой управляемый напряжением матричный ЖК–модулятор со специальной топологией и структурой. Матрица модулятора состоит из трех вложенных матричных зон.

Углы ориентации для трех зон подобраны таким образом, чтобы в одном состоянии обеспечить широкие угловые характеристики (1–я и 3–я зоны покрывают правую и левую области обзора, 2–я зона — центральную область). При подаче напряжения центральная зона практически не изменяет горизонтальной угловой характеристики, а для боковых «лепестков» уменьшается угловой контраст. В топологии фильтра реализовано клетчатое чередование зон с различной ориентацией ЖК–ячеек таким образом, чтобы для состояния с узкой угловой характеристикой «левые» и «правые» зоны оказались смещены в абсолютно «белое» и абсолютно «черное» состояние. Наблюдатель–владелец будет видеть полностью все неискаженное изображение под прямым углом к экрану. Наблюдатели же слева и справа будут видеть слабоконтрастное полезное изображение с наложенным контрастным изображением шахматной доски. Причем, если смотреть слева и справа, то контраст клеток будет инвертироваться.

Инженеры компании Toshiba экспериментально подобрали оптимальный размер клетки для маскирующего изображения шахматной доски — 8×10 пикселей.

Посторонний зритель видит суперпозицию слабоконтрастного «полезного» изображения и сильноконтрастное фоновое изображение «шахматной доски». Маскирующее изображение «шахматного поля» затрудняет работу зрительной системы по восстановлению целостности низкоконтрастного «полезного» изображения. Локальный контрастный диапазон глаза невелик, глаз настраивается на сильноконтрастные элементы. Однако если использовать систему электронного зрения и программную обработку изображения, то исходное изображение может быть успешно восстановлено, даже при острых углах наблюдения.

Функция переключения режимов наблюдения поддерживается программным драйвером для ЖК–дисплея. Оперативное управление углом обзора дисплея можно производить «горячей клавишей» на клавиатуре или программной клавишей на экране (иконка в Task Tray). Поддержка VASF была реализована в ноутбуке Tecra M3 (рис. 10).

Системы со встроенным в ЖК–панель оптическим переключателем угла обзора

Использование дополнительных фильтров в рассмотренных системах управления угловой характеристикой приводит к увеличению толщины всего дисплея, увеличивает его стоимость и потребление. Поэтому эти фильтры нельзя применять в мобильных устройствах.

Наиболее привлекательны для реализации методы со встроенной в ЖК–дисплей оптической структурой для управления угловой характеристикой. Идеальным решением была бы реализация двух режимов для углов обзора в одном слое ЖК–материала. Для достижения хороших характеристик желательно, чтобы для режимов NVA и WVA изменялись углы обзора, как по вертикали, так и по горизонтали.

Встроенная трехэлектродная система управления угловой характеристикой

Недавно были разработаны несколько технологий управления углом обзора, в которых применяется комбинация как вертикального, так и горизонтального электрического полей. Управление полями осуществляется за счет использования трехэлектродной топологии. Третий электрод введен для управления угловой характеристикой ЖК–ячейки. Технология не требует дополнительных внешних оптических компонентов, которые увеличивают толщину дисплея. Однако данная система имеет ряд недостатков, в частности, могут возникать артефакты, связанные с инверсией изображений при определенных сочетаниях вертикальной и горизонтальной составляющих электрических полей при управлении.

Архитектура на основе бистабильного ЖК–материала

Для удовлетворения таких требований нужен бистабильный ЖК–материал. До недавнего времени использовался только эффект памяти бистабильных ЖК–матриалов, в основном — для достижения уменьшения энергии потребления в ЖК–дисплеях. В настоящее время активно проводятся работы для использования бистабильного ЖК–материала для управляемых углов обзора в ЖК–дисплеях. На рис. 11 показана структура и диаграммы работы IPS дисплейной структуры с управляемым углом обзора на базе бистабильного ЖК–материала.

С помощью трех электродов можно обеспечить четыре состояния для ориентации ЖК–материала, соответствующих режимам работы с узким и широким углами обзора. На диаграмме (рис. 11б) реализован стандартный для IPS режим управления. Наличие вертикальной составляющей электрического поля приводит к закручиванию молекул и уменьшению угла обзора (диаграмма на рис. 11в).

Трехэлектродные системы для PVA–технологии

PVA (Patterned Vertical Alignment) — это технология с использованием вертикальной ориентации ЖК–слоя и зонной структуры пикселей с различной ориентацией. По сути это та же технология MVA, только под брендом другой фирмы. PVA обеспечивает широкий угол обзора за счет композитной угловой характеристики (рис. 12).

В «обычной» PVA–структуре для обеспечения постоянного широкого угла обзора используются фазокомпенсирующие пленки фильтров C–plate и A–plate, соответственно, с негативной и позитивной характеристиками.

Если же один из фильтров, например A–plate, заменить структурой с управляемым двулучепреломлением, то угловой характеристикой можно управлять. Такая структура реализуется в ЖК–модуляторе. Типовое решение — установка дополнительного отдельного модулятора, например, под плоскостью дисплейной панели, но это решение дорого, громоздко и сложно. Более привлекателен вариант со встроенной функцией регулируемого фильтра.

Была предложена структура ЖК–ячейки PVA с дополнительным третьим электродом (рис. 13). В режиме с широким углом обзора молекулы в слое ЖК–материала расположены в вертикальной плоскости как в состоянии «ON», так и в состоянии «OFF». Положение директора молекул согласовано с ориентацией фазокорректирующих фильтров и поляризатора. Для переключения в режим с узкой угловой диаграммой на третий дополнительный электрод подается управляющее напряжение. Между плоскостью третьего электрода и плоскостями двух «рабочих» электродов пикселя возникает горизонтальная составляющая электрического поля, которая изменяет наклон директора ЖК–молекул. В результате возникает рассогласование с вектором поляризатора и фазосдвигающих пленок и изменяется угловой контраст.

Однако формировать управляющий электрод для каждого субпикселя слишком дорого и, к тому, же уменьшает полезную апертуру пикселя (рис. 14).

Поэтому три электрода управления угловой характеристикой были заменены одним (рис. 15). Это значительно упростило структуру электродов.

VIT (Value Integrated Technology) — технология NEC

Под этим брендом подразумеваются новые технологии NEC, расширяющие возможности дисплея без внешних компонентов. В данном контексте функция управления углом обзора не требует внешних фильтров (рис. 16), она встроена в саму ЖК–панель, в отличие от технологий Sharp и Toshiba, в которых для управления угловой характеристикой используются дополнительные управляемые оптические компоненты. Технология анонсирована в 2007 году. Встроенный фильтр в одном состоянии рассеивает свет, обеспечивая при этом широкий угол обзора, а в другом состоянии свет проходит сквозь структуру только под прямым углом. Тем самым обеспечивается узкий угол обзора. Принцип управления углом обзора за счет изменения параметров светового потока используется такой же, как у фирм Sharp и Toshiba (VAP), однако реализация его другая.

Parallax barrier — технология Sharp

В отличие от других, ранее рассмотренных технологий, технология Parallax barrier, разработанная Sharp, способна обеспечить управление угловыми характеристиками на уровне групп пикселей. С помощью данного метода управления можно реализовать несколько различных функций для ЖК–дисплея, расширяющих его возможности:

• защита от нежелательного просмотра визуальной приватной информации на экране дисплея;
• формирование стереоизображения;
• формирование двух (и даже трех!) независимых изображений для просмотра разными группами наблюдателей.

Формирование стереоизображения на экране ЖК–дисплея

Параллаксный барьер сделан с помощью дополнительной ЖК–матрицы. Это дополнительный матричный модулятор, оптически совмещенный с основной дисплейной матрицей. Он обеспечивает управляемое отклонение светового потока от источника подсветки влево и вправо так, чтобы коллимированные потоки точно попадали на определенные группы пикселей. Два модулятора работают синхронно в паре. Информация на основную ЖК–панель подается в соответствии с положением светового ключа (параллаксного барьера). Возможны два режима отображения. При отключенном «барьере» реализуется обычный двухмерный режим и все пиксели видны обоим глазам наблюдателя, а дисплей превращается в обычный. При активном «барьере» на экране можно наблюдать стереоизображение. Формирование двух проекций трехмерного изображения в данном случае обеспечивается программно–аппаратным способом. Подсветка «правых» пикселей TFT–матрицы затенена для левого глаза и наоборот. В результате получается два разных изображения с вдвое меньшим горизонтальным разрешением, нежели физическое разрешение матрицы. Зона комфортного просмотра стереоизображения находится примерно в 51 см от плоскости экрана.

Формирование двух изображений на экране ЖК–дисплея

Если вместо двух проекций одного стереоизображения на основную матрицу подавать информацию для двух изображений и изменить режим параллаксного барьера, чтобы расширить зону отклонения светового пучка, то получим уже другую функцию, которая может быть использована для реализации телевизора с возможностью просмотра сразу двух телеканалов для зрителей, находящихся справа и слева от экрана (рис. 17).

Совмещение фильтра parallax barrier на TFT ЖК–панель обеспечивает разделение потока света от источника задней подсветки на два отдельных потока в правое и левое направление по отношению к плоскости экрана. Тем самым обеспечивается возможность для синтеза и наблюдения двух различных изображений для левого и правого секторов наблюдения.

Серийное производство телевизоров с двумя изображениями (рис. 18) компания Sharp начала с 2005 года. Тогда этот продукт был отмечен серебряным призом SID в номинации «Дисплей года».

Первоначально продукция была ориентирована на автомобильный сектор приложения, позволяя водителю видеть со своей стороны карту GPS–навигатора, а также другую навигационную информацию, а пассажиру, сидящему с другой стороны, смотреть фильмы с DVD–плеера или телевизионные программы. Специалисты Sharp, однако, уверены, что область применения технологии может быть существенно шире автомобильного сектора. Причем эта технология может быть с успехом использована и для эмиссионных дисплеев (плазма, OLED, ЭЛТ) с экранами больших размеров, а также для сектора мобильных устройств. Специалисты Sharp не остановились на достигнутом и уже реализовали еще одну функциональную возможность — просмотр трех (!) независимых изображений тремя группами наблюдателей, находящихся в разных угловых зонах (рис. 19б).

Защита приватной информации на экране ЖК–дисплея

Эта функция на фоне двух уже рассмотренных не вызывает удивления. Она реализована как частный случай применения параллаксного барьера (рис. 20).

Схема управления ЖК–телевизором с двумя изображениями

Схему управления для телевизора Sharp с функцией вывода на экран двух различных изображений реализовала компания Jabil Circuit, Inc. Видеопроцессор для формирования сигналов управления ЖК–дисплеем и параллаксным барьером был реализован на ПЛИС Altera серии Cyclon (рис. 21). Видеосигналы от двух тюнеров поступают в формате BT–656 на видеопроцессор, который обеспечивает буферизацию, разборку и распределение битов по плоскостям изображений ЖК–дисплея.

Литература

1. Gwagl J. S., Lee Y.–J., Kim M.–E., Kim J.–H., Kim J. C., Yoon T.–H. Viewing angle control mode using nematic bistability // Optics Express. 18 February 2008. Vol. 16, No. 4.
2. Chenl C. P., Jhun C. C., Yoonl T.–H., Kim J. C. Optimal design of omni–directional viewing angle switching panel // Optics Express. Vol. 15 Issue 26.
3. A Flexible Architecture to Drive Sharp Two–Way Viewing Angle and Standard LCDs. Altera& Sharp. Март 2007 г.
4. Sharp to Mass Produce World’s First*1 LCD to Simultaneously Display Different Information in Right and Left Viewing Directions. Press Release Sharp. 14 июля 2005 г.
5. Леонов С. Итоги CeBIT 2004: 3D–дисплеи и периферия // Компьютерра. Апрель. 2004.
6. Liml Y. L., Jeong E., Kim Y. S., J. and S. H. Lee. Viewing Angle Switching in Vertical Alignment Liquid Crystal Display by Optimizing Pixel Structure and Controlling LC Orientation SID 07 DIGEST.
7. Hisatake Y., Kawata Y., Murayama A. Viewing Angle Controllable LCD using Variable Optical Compensator and Variable Diffuser Research & Development Center, Toshiba Matsushita Display Technology Co.Ltd. SID 05 DIGEST.