Формирование изображения в дисплеях телевизоров нового поколения

 
 
 
 
В. Д. Казаков 
 
 
 
 
 
ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ДИСПЛЕЯХ  
ТЕЛЕВИЗОРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
УДК 621.397.44 
ББК 32.94-5 
 
 
К14 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор (кафедра «Транспортно-технологические  
машины и комплексы», Чувашский государственный аграрный  
университет) Казаков Ю. Ф.; 
канд. техн. наук, доцент (кафедра радиотехники и радиотехнических  
систем, Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова) 
Медведев В. Г.  
 
 
 
 
 
Казаков, В. Д. 
К14  
Формирование изображения в дисплеях телевизоров 
нового поколения : учебное пособие / В. Д. Казаков. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 188 с. : ил. 
ISBN 978-5-9729-1742-6 
 
Представлены основные направления развития телевидения в 
XXI веке. Рассмотрены вопросы формирования изображения в различных видах дисплеев телевизоров. Приведены принцип действия, 
структуры и схемы основных видов телевизоров, применяемых в 
XXI веке. Включена технология объёмного изображения и перспектива развития этой технологии в будущем.  
Для студентов специальности «Радиотехника и радиотехнические 
системы» и специалистов, изучающих телевизионную технику. 
 
УДК 621.397.44 
ББК 32.94-5 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1742-6 © Казаков В. Д., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Мечта о «плоских» телевизорах и мониторах, имеющих 
очень небольшой размер в глубину, возникла не одно десятилетие назад. Но только в последние годы она воплотилась в реальность: появились серийные модели на плоских отображающих 
панелях. 
Электронно-лучевые трубки (кинескопы), служащие основой любого телевизора, существуют уже многие десятилетия 
и постоянно совершенствуются. Однако они имеют и недостатки: наличие высокого напряжения, большие объемные габариты 
(особенно в глубину при больших размерах изображения) и др. 
Поэтому разработчики всегда стремились к новым идеям при 
создании отображающих устройств. Появились разные виды 
телевизионных дисплеев и на их основе новые телевизоры: 
− плазменные; 
− ЖК (LCD) – жидкокристаллические с флуоресцентной 
лампой; 
− LED – ЖК со светодиодной подсветкой;  
− OLED – на органических светодиодах; 
− QLED – ЖК на квантовых точках;  
− на фотонных кристаллах; 
– NanoCell-телевизоры, гибкие и сворачивающиеся телевизоры; 
– проекционные и лазерные телевизоры. 
Нынешний рынок производителя предоставляет нам 
огромный ассортимент жидкокристаллических телевизоров и 
плазменных панелей различных торговых марок. Для ЖКтелевизоров используют особую матрицу, которая состоит из 
поляризованных слоев прозрачного вещества, что содержит 
жидкие кристаллы, которые в свою очередь отвечают за пускаемый через них ток. Отличием плазменной панели есть то, что 
газообразной смесью заполняется пространство между двумя 
стенными пластинками. Через эту смесь проходит ток, который 
заряжает газ. Благодаря этому формируется изображение. 
В свое время появление ЖК-телевизоров и плазменных 
панелей стало настоящей революцией на рынке бытовой техни3 

ки. Но сегодня все большую популярность набирают LEDтелевизоры с жидкокристаллическим экраном, которые имеют 
светодиодную подсветку.  
Разница между обычными жидкокристаллическими и 
LED-телевизорами на самом деле довольно простая. Она заключается в подсветке жидкокристаллической матрицы: в LCDтелевизорах для подсветки используются лампы с холодным 
катодом, в то время как в LED-телевизорах – светодиодная подсветка. Собственно, само название LED расшифровывается как 
Light-Emitting Diode или в переводе – светоизлучающий диод. 
Как известно, подсветка необходима для того, чтобы «просветить» приоткрывшиеся жидкокристаллические ячейки, чтобы на 
экране телевизора сформировалась финальная картинка. 
Таким образом, для подсветки экрана в LED-телевизорах 
применяются тысячи отдельных диодов, каждый из которых 
отвечает за отдельный участок подсветки. В чем особенности 
такого подхода? Дело в том, что светодиодная подсветка обеспечивает уменьшение общей толщины ЖК-экрана. Светодиоды 
обладают и более длительным сроком службы по сравнению с 
обычными флуоресцентными лампами, используемыми в LCDтелевизорах. 
Дисплеи современных жидкокристаллических телевизоров со светодиодной подсветкой (LED) имеют большой недостаток: их изображение зависит от светодиодов, которые излучают не чисто белый свет, при этом с узким цветовым спектром. 
Есть определенные технологии, позволяющие приблизить белый к идеалу, но на выходе полученные цвета все равно не обладают одинаковой интенсивностью (зеленый и синий будут 
ярче красного). Чтобы как-то сгладить эту разницу, используют 
специальные настройки цветов в телевизоре, понижая значения 
синего и зеленого, но в результате изображение становится гораздо бледнее, чем необходимо. 
Проблема поиска источника идеального белого света, который обеспечил бы при преломлении весь световой спектр с 
цветами одинаковой интенсивности, была решена при использовании квантовых точек. 
OLED-дисплеи, работа которых основана на органических 
светодиодах, стали очередной ступенью в развитии электрони4 

ки. Характерной особенностью приборов является матрица, в 
которой главными функциональными элементами считаются 
органические светодиоды, созданные на основе углерода. Эти 
составные части неразрывно связаны с электроникой. Они способны пропускать разряд тока через натуральные соединения, 
при этом на экране получается яркое свечение. Цвет, которым 
будет светиться каждый диод, зависит от люминофора. Часто 
это зеленый, красный и синий – их сочетание помогает получить 
огромное количество оттенков. В OLED-экранах нет подсветки − каждый отдельный пиксель излучает свет самостоятельно 
во время подачи на него электрического тока. Если пиксель не 
получает электричества, то мы видим отсутствие света − настоящий чёрный цвет. 
По сравнению с обычными жидкокристаллическими дисплеями OLED имеют ряд преимуществ: 
− качество изображения не меняется в зависимости от угла обзора; 
− отсутствует подсветка; 
− уменьшается вес и габариты изделия; 
− повышается яркость и контрастность изображения. 
Технология OLED со сверхтонким экраном и новым качеством цветопередачи, казалось бы, отвечала всем новым требованиям. Изменило положение появление NanoCell, что стало 
следующим шагом эволюции. В основу положены принципы 
нанотехнологий, которые позволяют получать еще более качественные изображения. 
NanoCell – это самая совершенная технология производства LED-экранов от LG. 
Однако, несмотря на все преимущества, у технологии 
OLED-дисплеев имеется целый ряд недостатков. Так, например, 
срок эксплуатации у OLED-дисплеев небольшой. Синие светодиоды имеют ограниченный несколькими годами непрерывной 
работы срок службы. А при выходе их из строя точность цветопередачи значительно искажается. Яркость изображения также 
отражается на длительности работы дисплеев и энергопотреблении: чем выше яркость, тем меньше срок эксплуатации и большее потребление энергии. 
5 

Телевизоры на квантовых точках. Еще совсем недавно 
дисплеи телевизоров на органических светодиодах (OLED) считались последним словом в развитии дисплейных технологий. 
Однако прогресс не стоит на месте и вниманию покупателей 
представляется новинка – жидкокристаллические дисплеи на 
основе квантовых точек. 
Квантовые точки представляют собой мельчайшие частицы с диаметром всего в несколько нанометров. Увидеть невооруженным взглядом их невозможно. Но это является их основным преимуществом. Регулируя размер и придавая определенную форму этому полупроводнику, можно осуществлять точный 
контроль над электропроводностью, а значит, и менять цветность света, исходящего от квантовой точки. Крупные точки 
будут казаться красными, более мелкие – синими, средние – зелеными. Благодаря своей стабильности, а также точному контролю над размерами частиц, стало возможным получить именно тот цвет, который необходим. При этом заданный оттенок 
будет практически вечным. 
В дальнейшем использование этих точек было применено 
для производства дисплеев QD-LED.  
Так, при создании дисплеев с использованием нанокристаллов была использована следующая технология. На специальную пленку наносятся квантовые частицы красного и зеленого оттенков. Они не разбиты на субпиксели, как в модели RGB, 
а просто смешаны друг с другом. За этим слоем расположены 
светодиоды синего цвета. При попадании света от диода квантовые точки начинают излучать свои красные и зеленые цвета. И 
как раз в процессе смешивания всех трех цветов получается искомый источник идеального белого света. Это обеспечивает 
правильную цветопередачу без искажения цветового спектра и 
потери интенсивности цветов. 
Таким образом, квантовый механизм позволят разрешить 
целый ряд проблем, имеющихся у обычных ЖК-дисплеев с подсветкой и OLED-дисплеев. Среди основных преимуществ технологии QD-LED можно выделить следующие: 
− применение источника идеального белого света; 
− отсутствие проблемы с потерями контраста и яркости. 
Все цвета светового спектра имеют одинаковую степень интенсивности. Ни один цвет не преобладает над другим; 
6 

− увеличение реалистичности цветопередачи более чем на 
50 процентов (около миллиарда оттенков); 
− насыщенность цветов возрастает на 40 процентов. 
Данная технология позволяет значительно сэкономить 
энергию из-за отсутствия светофильтров и сокращения количества светодиодов. Телевизор с дисплеем на квантовых точках не 
имеет ограничений по срокам эксплуатации, поскольку нанокристаллы стабильны и сохраняют заданный им оттенок вечно.  
Использование же квантовых точек требует лишь небольших изменений и усовершенствования имеющихся конвейеров. 
Это прямо отразится на итоговой стоимости дисплеев. К тому 
же использование нанокристаллов решает проблему с недолговечностью цветопередачи и энергоэффективностью. В результате выходит качественное изображение, сопоставимое с OLED и 
при этом более доступное для приобретения. Таким образом, 
квантовые точки становятся новой вехой в развитии жидкокристаллических дисплеев. Перспективным материалом для плоских гибких дисплеев являются и фотонные кристаллы, уже разработан полноцветный гнущийся дисплей на фотонных кристаллах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

Глава 1 
 
ДИСПЛЕИ НА ОСНОВЕ 
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТРИЧНЫХ 
ИНДИКАТОРНЫХ ПАНЕЛЕЙ 
 
1.1. Жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи) 
 
1.1.1. Жидкие кристаллы в дисплеях телевизоров 
 
Жидкие кристаллы − это вещества, которые находятся в 
промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью и обладают свойствами, характерными как для кристаллов (анизотропия), так и для жидкостей (текучесть). Жидкокристаллическое состояние существует лишь в определенном интервале температур между твердокристаллическим и изотропным жидким. При понижении температуры жидкий кристалл 
переходит в твердый (точка плавления), а при повышении − в 
изотропную жидкость.  
Жидкокристаллическую фазу иногда называют мезофазой, т. е. промежуточной фазой, а жидкокристаллическое состояние вещества – мезоморфным. 
 
 
                   а 
                  б                              с 
 
Рис. 1.1. Вид жидких кристаллов по упорядочении осей  
молекул:  а – смектический; б – нематический; 
с – холестерический 
 
8 

Жидкие кристаллы образуются органическими соединениями, молекулы которых обычно имеют удлиненную, палочкообразную форму. Многие из них содержат бензольные кольца 
в молекулярной цепи. По структуре жидкие кристаллы подразделяют на три класса: нематические, смектические и холестерические (рис. 1.1). 
В нематических кристаллах удлиненные молекулы выстроены в виде нитей (слово «немос» с греческого означает 
нить). Направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью кристалла. 
В смектических жидких кристаллах параллельно ориентированные молекулы упакованы в слои и таким образом имеют 
большую степень упорядочения. Если одно и то же вещество 
может находиться в обеих жидкокристаллических модификациях, то смектическая фаза расположена по температуре ближе к 
твердой фазе, чем нематическая. 
Слоистая упаковка молекул создает анизотропию не только оптических, но и механических свойств, поскольку слои легко смещаются относительно друг друга. Слово «смектос» с греческого означает мыло; к этим кристаллам относятся мыльные 
растворы. 
В холестерических жидких кристаллах пластинчатые молекулы также укладываются в слои, но ориентировка их плавно 
меняется от слоя к слою, так как молекулы выстраиваются по 
пространственной спирали. К этому классу относятся в основном соединения холестерина. 
Структура жидких кристаллов очень подвижна и легко изменяется при внешних воздействиях: электрического и магнитного поля, температуры, давления и т. д. Изменение структуры в 
свою очередь приводит к изменениям оптических, электрических 
и других свойств. Поэтому можно управлять свойствами жидких 
кристаллов путем очень слабых внешних воздействий, т. е. использовать их в качестве чувствительных индикаторов этих воздействий. На практике используют изменение оптических 
свойств при внешних воздействиях электрическим полем в нематических кристаллах и тепловым – в холестерических. 
Жидкие кристаллы нематического типа применяют благодаря присущему им электрооптическому эффекту динамиче9 

ского рассеяния. Слабое электрическое поле, приложенное к 
жидкому кристаллу, вызывает выстраивание молекул осями с 
высокой ε параллельно полю. Однако, если напряжение превысит некоторое пороговое значение, устойчивая доменная структура разрушается, возникает ячеистая структура, сопровождающаяся появлением гидродинамических течений. При дальнейшем увеличении напряжения течение в жидкости становится 
турбулентным, а вещество – оптически неоднородным. Жидкий 
кристалл в таком неупорядоченном состоянии рассеивает свет 
во всех направлениях. Эффект динамического рассеяния приводит к изменению прозрачности жидкого кристалла под действием электрического поля. Поле может быть как постоянным, так 
и переменным с низкой частотой (до 10…104 Гц в зависимости 
от материала). Время установления состояния динамического 
рассеяния составляет 1…10 мс, а исчезновения после снятия 
напряжения – 20…200 мс. Быстродействие индивидуальных 
жидкокристаллических соединений выше, быстродействия смесей; оно повышается с увеличением напряжения. 
Жидкокристаллическая ячейка, основанная на эффекте 
динамического рассеяния, состоит из двух стеклянных пластинок с нанесенными на их внутренние стороны прозрачными 
электродами, между которыми расположен тонкий слой (обычно 5…50 мкм) жидкого кристалла. При подаче напряжения 
больше порогового (обычно достаточно 8…50 В) молекулы 
жидкости в пространстве между электродами начинают вращаться и рассеивать падающий свет. Под прозрачным электродом виден яркий рисунок в форме электрода. Нанося прозрачные электроды в виде цифр, букв и других знаков, получают 
возможность высвечивать эти знаки в отраженном или проходящем свете. 
Жидкие кристаллы имеют довольно высокое удельное сопротивление (106…1010 ОмÂм − неочищенные кристаллы и 
108…1010 ОмÂм − тщательно очищенные), поэтому мощность, 
потребляемая на питание ячейки, не превышает 1 Вт/м2. Для 
сравнения укажем, что индикатор на светодиодах потребляет 
105 Вт/м2, а газоразрядный и люминофорный − 103 Вт/м2. Жидкокристаллические индикаторы − не только самые простые и 
10