Сотни лет назад методы отображения графики и текста были далеки от современных разработок. Как правило, использовались простые устройства с механическим принципом действия.
Впоследствии вывод графики претерпевал изменения и эволюционировал. Механические детали, крутящиеся и трущиеся, заменялись электронными компонентами — тихими, точными и относительно долговечными.
Дисплеи, возникшие на заре технологий XX века и представлявшие собой не иначе как инженерную эвристику, превратились в сложные системы с просчитанной до «нулей и единиц» логикой.
Поэтому довольствуясь яркостью и точностью OLED-дисплеев сегодня, можно повспоминать бледность и смазанность ЭЛТ-дисплеев, бывших еще «вчера».
А можно пойти дальше и узнать, как люди из XX века смотрели передачи на вращающемся диске с дюжиной дырок. А может, и еще чего страшнее…
Механическое изображение
Камера-обскура
Камера-обскура (на латинском языке «camera obscūra» означает «темная комната») — это своего рода естественный проектор без каких-либо механических частей и электронных элементов.
По сути, это небольшой закрытый короб с крошечным отверстием (от 1 до 5 мм) в одной из стенок. Окружающий свет проникает через отверстие внутрь и проецируется в виде перевернутого изображения на противоположную стенку короба.
Современный человек, привыкший к плоским телевизионным панелям, настолько далек от подобного рода явлений, что, возможно, и не поверит или не сможет представить, как из маленького отверстия получается целая проекция. Тем не менее получается!
Понятное дело, что камера-обскура совсем не идеальный «проектор» — она просто не способна обеспечить высокую четкость изображения.
Даже кардинальное уменьшение диаметра отверстия повышает резкость только до определенного предела, после чего появляются эффекты дифракции света — лучи банально начинают искажаться, и изображение теряет свою геометрическую целостность.
На самом деле камера-обскура — очень древнее «устройство». Упоминания о ней встречаются еще в V веке до нашей эры.
Изначально она не имела прикладных целей и использовалась только для развлечения. Впоследствии утилитаризм взял свое, и камеры-обскура стали задействоваться в астрономических наблюдениях — в VIII веке благодаря им улучшали обзор звездного неба.
Многим известный астроном Иоганн Кеплер 10 июля 1600 года использовал камеру-обскуру для наблюдения за солнечным затмением, а несколькими годами позднее он наблюдал с ее помощью прохождение Меркурия поверх солнечного диска.
Еще ранее, в XI веке, арабский ученый Ибн аль-Хайсам (короткий вариант — Альхазен), создал первое более или менее понятное техническое описание устройства камеры-обскуры, которую он самолично использовал в наблюдениях за Солнцем.
При этом свое объяснение он строил на непопулярном тогда принципе прямолинейности распространения света. Да, люди того времени считали, что лучи света наоборот исходят из глаз и «ощупывают» пространство вокруг. Кажется, камера-обскура это опровергает в самом явном виде.
Начиная с XVI века камера-обскура показала себя как вспомогательный инструмент в живописи — художники стали использовать ее для рисования пейзажей со сложной перспективой.
При этом камеру доработали, оснастив стеклянным подстольем и зеркалом для переворачивания изображения обратно в исходный вид. В камеру закладывалась бумага, на которую проецировалось готовое изображение. Оставалось только аккуратно «обвести»!
Чуть позже вместо простого отверстия стали использовать подобие объектива (как правило, одиночную линзу), что улучшало и яркость, и четкость проекции.
По сути, камеру-обскуру можно справедливо считать прообразом фотоаппарата, причем не только пленочного, но и цифрового.
Дальнейшая модернизация конструкции постепенно превратила камеру-обскуру в полноценный фотоаппарат, где вместо отверстия есть объектив, а вместо руки художника — механизм затвора, моментально проецирующий лучи света на светочувствительный материал (пленку или матрицу).
К слову, особый тип фотоаппаратов, называемых «стенопами», выпускается до сих пор. В их конструкции вместо привычного объектива используется простое отверстие.
Особенность стенопов в том, что несмотря на легкую размытость изображения общая резкость остается неизменной (хоть и небольшой) по всей глубине перспективы.
Диск Нипкова
Диск Нипкова — это тоже своего рода «проектор». Однако появился он намного позже камеры-обскуры — в 1884 году. К тому же в его конструкции присутствуют подвижные механические элементы.
Устройство было названо в честь своего изобретателя Пауля Нипкова, которого можно считать создателем так называемого «механического телевидения», просуществовавшего до конца 1930-х годов.
Диск Нипкова — это буквально металлический диск (на самом деле он может быть изготовлен из любых твердых материалов) с отверстиями по краям.
Каждое последующее отверстие смещается ближе к центру диска относительно каждого предыдущего. Если такой диск вращать на большой скорости, то все его «дырки» превратятся в строки, идущие по круговой орбите вокруг диска.
Если во время вращения диска смотреть только на небольшой его срез, то круговые орбиты отверстий будут выглядеть как почти прямые линии. Именно эта область и используется для проекции изображения.
За диском расположена лампочка. Она включается каждый раз, когда очередное отверстие проходит мимо окошка, ровно на то количество времени (и ровно на ту длину строки), которое необходимо для отрисовки конкретной линии изображения.
Картинка проецируется как бы сквозь диск за счет включения и выключения лампочки в нужный момент времени, за счет чего на лицевой стороне диска возникает картинка. Во всяком случае для человеческого глаза это не просто яркие линии, а построчно развернутое целостное изображение.
То же самое возможно и в «обратную» сторону — не на отрисовку, а на считывание.
Разница лишь в том, что вместо лампочки за диском стоит световой датчик (фотоприемник), который передает изображение окружающих объектов на другой диск. Вот тебе и телевидение!
При этом разрешение такого изображения чрезвычайно мало — как правило, не более 20 отверстий, в редких случаях их количество удавалось увеличить до 100. Да, в случае с диском Нипкова разрешение измеряется не в пикселях, а в «отверстиях».
Такие механические телевизоры получили распространение в 1920-х годах. Началось все с шотландского инженера Джона Лоуги Бэрда — он разработал полноценную коммерческую версию устройства, «сердцем» которого был диск Нипкова.
В 1925 году Джон Бэрд тестировал прототип телевизора в собственной лаборатории. В какой-то момент ему потребовался кто-то еще, чтобы посмотреть, как будет выглядеть человеческое лицо на передаваемом изображении.
Бэрд спустился вниз и встретил курьера, 20-летнего Уильяма Эдварда Тэйнтона, которого и пригласил в качестве помощника. Таким образом, Эдвард Тэйнтон стал первым человеком, изображение которого было передано при помощи телевизионной системы.
Кстати, именно Джон Бэрд создал первый в мире цветной телевизор и, как следствие, цветную телепередачу.
В 1928 году Бэрд соединил изображение сразу от 3 дисков Нипкова, которые располагались как в камере (на считывание), так и внутри телевизора (на отрисовку).
Перед каждым диском передатчика стоял фильтр, пропускавший только один из цветов — красный, зеленый, синий. В это время за каждым диском телевизора была установлена соответствующего цвета лампа — красная, зеленая, синяя.
Таким образом с помощью 6 дисков и RGB-палитры Бэрд изобрел цветную видеопередачу.
Механическое телевидение просуществовало от силы лет 10, и то в довольно узкой форме — в конце 1930-х годов появились телевизоры на электронно-лучевых трубках, которые полностью вытеснили все другие способы отрисовки изображения. По крайней мере, на ближайшие 50 лет.
Flip и split дисплеи
Различные откидные устройства — менее динамичный, но не менее интересный способ отрисовки графики, который нашел свое место в очень узких нишах.
Например, так называемый flip-disc (или flip-dot) дисплей представляет собой сетку относительно крупных механически переключаемых «пикселей» (как можно догадаться из названия, круглой формы), которые образовывают матрицу низкого разрешения.
Одна сторона диска темная, другая окрашена в яркий контрастный цвет — либо белый, либо желтый. За каждым диском расположен магнит-соленоид, на который подается напряжение от общего контроллера. Таким образом и формируется изображение.
В 1950-х годах полупроводниковые технологии были только в начале своего развития — сложных контроллеров для матриц просто не существовало. Поэтому на flip-disc дисплеях «рисовались» довольно примитивные объекты — буквы и цифры.
Однако современные варианты (обычно собираются на контроллере Arduino) могут формировать действительно сложные «художества», особенно в сочетании с другим периферийным оборудованием — например, камерой, через которую можно передавать контуры реальных объектов на матрицу дисплея в режиме реального времени.
Более примитивным вариантом механического дисплея можно считать split-flap устройства, которые были изобретены вскоре после окончания Второй мировой войны.
Первопроходцем была итальянская компания Solari, которая существует и по сей день — она предлагает промышленные решения для отображения информации на вокзалах и в аэропортах.
Каждый отображаемый символ в split-flap дисплее состоит из двух половинок. Вращая сверху вниз половинки и фиксируя их в открытом состоянии, можно формировать буквы и числа.
Все символы внутри такого дисплея существуют в компактном виде и проворачиваются с помощью сервопривода, который расположен в центре «барабана» с половинками.
Быстрое механическое движение и звук щелчка — классический сенсорный отклик split-flap дисплея, который многие помнят по многочисленным голливудским фильмам и телешоу.
Он символизирует золотой век путешествий и сыграл неоценимую роль в жизни миллионов туристов, ожидающих очередной рейс.
Сегодня split-flap дисплеи переживают своего рода Ренессанс. Ретроспективное стремление человека к интуитивным впечатлениям порождает эклектичную смесь из современных интерьеров и разного рода архаичных щелкающих механизмов, которые можно наблюдать в модных ресторанах, отелях и музеях.
Электронно-лучевые трубки
В длинной истории попыток человека рисовать графику электронно-лучевой способ однозначно занимает центральное место.
Основное развитие технологий передачи и отображения визуальной информации пришлось именно на ЭЛТ-мониторы. На них человечество, можно сказать, «набило руку» и получило «костяк» знаний о работе ТВ и видео.
Поэтому ЭЛТ — это старая добрая классика. Все, что было до — давнее и древнее. Все, что было после — продвинутое, но скучное.
Трубка Брауна
В 1897 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун опубликовал чертеж первого в мире осциллографа в форме катодно-лучевой трубки, который впоследствии назвали «трубкой Брауна».
На самом деле катодно-лучевые трубки существовали давно. Типичная конструкция такой трубки представляла собой стеклянный вакуумный сосуд, внутри которого располагалось два проволочных электрода — катод и анод.
Вакуум в трубке был относительный, а не абсолютный. То есть в трубке все еще присутствовало какое-то количество атомов воздуха.
При подаче питания электроны, стремящиеся от катода к аноду, вызывали свечение атомов воздуха — так называемые «катодные лучи», которые еще в 1859 году открыл Юлиус Плюккер.
Позже оказалось, что катодные лучи имеют особенность — они светят не во все стороны, а перпендикулярно катоду. При этом они способны отклоняться под действием магнитного поля.
Зная это, Браун «прикинул» следующую конструкцию. Он разместил с двух сторон от катодного луча электромагниты и, подавая на них ток, буквально управлял лучом, направляя его то влево, то вправо, то вниз, то вверх.
Для этого потребовалось всего 4 магнитные катушки, которые управляют лучом по осям X и Y — по 2 катушки на ось.
На лицевой стороне катодной трубки располагался люминесцентный экран, на котором рисовались линии от движения катодного луча. Вот так и выглядел примитивный осциллятор прошлого.
Трубка Розинга
Русский физик Борис Львович Розинг работал в Петербургском технологическом институте, когда его заинтересовали свойства трубки Брауна.
Именно тогда, наблюдая за узорами, которые вырисовывал катодный луч осциллографа Брауна, Розинг осознал, что электронно-лучевая трубка может быть использована в качестве устройства для отрисовки изображений. Для этого даже не требовались механические элементы.
Розинг понял, что катодный луч, словно перо, можно заставить быстро бегать туда-сюда по строкам экрана, рисуя таким образом готовую картинку.
Катодный луч и электромагнитное излучение настолько динамичны, что управляя ими с очень высокой частотой, можно формировать не просто статическую картинку, а полноценный видеопоток.
В отличие от Брауна, Розинг мыслил дальше и шире. Он думал не просто об отрисовке изображения, он думал о его полноценной передаче на расстоянии. Он думал о телевидении.
В итоге Розинг решил проверить свою идею на практике. Он собрал очень примитивное устройство, в котором сигналы на осциллографическую трубку поступали от передатчика в виде электролитической ванны с несколькими электродами.
Таким образом можно было перемещать металлический стержень по слою электролита в ванне, за счет чего катодный луч в точности повторял все движения стержня.
Понятное дело, что электролитическая ванна и стержень — это лишь «проба пера». Оставалось придумать полноценный механизм сканирования реальных объектов.
В решении этой задачи Розингу не удалось избежать механических элементов. Передатчик изображения представлял собой два зеркальных барабана, расположенных перпендикулярно друг другу.
При вращении барабанов (а значит, и зеркал) свет от всех точек геометрии передаваемого объекта поочередно проходил через линзу и попадал на щелочной фотоэлемент.
Сигнал от фотоэлемента попадал на управлявшие лучом 4 катушки, прикрепленные к трубке Розинга. Так лучу задавался любой угол наклона.
Дополнительно был придуман способ модуляции интенсивности катодного луча — количество электронов, попадавших на экран (то есть испускаемых трубкой), изменялось в соответствии с яркостью элементов передаваемого изображения.
Именно так выполнялось «сканирование», развертка и передача изображения. То есть благодаря катушкам катодный луч, словно кисть художника, повторял геометрию (точки пространства) и интенсивность (глубину) «свечения» передаваемого объекта.
Устройство, созданное Розингом, можно считать самой ранней и самой «сырой» версией кинескопа, которые чуть позже стали «сердцем» мониторов и телевизоров на основе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). Сам же Розинг называл свое изобретение «электрическим телескопом».
Кинескоп
А период с 1920-x по 1950-е годы катодно-лучевая технология стала трендом разработки — над телевидением работало огромное число ученых, инженеров и изобретателей. Как независимых, так и под крылом крупных компаний.
Например, в 1926 году японский инженер Кенджиро Такаянаги разработал крайне примитивную модель телевизора, который отрисовывал изображение в разрешении 40 строк. Спустя год разрешение было увеличено до 100 строк, обогнав все существовавшиее тогда модели.
Телевизор Кенджиро Такаянаги в «Национальном музее науки» в Токио
В 1927 году американский изобретатель Фило Фарнсворт разработал собственный прототип телевизора. Он представлял собой громоздкую тумбу с набором выключателей и круглым окошком в центре, внутри которого выводилось картинка.
Надо сказать, Фарнсворт был гением своего времени. Он придумал некое устройство, работавшее на катодных лучах, которое назвал «диссектором изображения». В тот момент ему было всего 15 лет.
Фарнсворт был деревенским мальчиком, жившим на ферме, поэтому технологию сканирования изображения ему навеял способ последовательной вспашки поля — линия за линией.
К 21 году он все же смог найти финансирование и реализовать задуманное, собрав свой собственный телевизор.
В то же самое время (примерно 1930-е годы) другой российско-американский изобретатель Владимир Зворыкин работал в крупной компании по производству электронных компонентов Radio Corporation of America (RCA).
На самом деле годами ранее Зворыкин был помощником Розинга при проведении экспериментов с его трубкой — он был студентом в том же университете в Петербурге. Позже, после окончания Первой мировой войны Зворыкин уехал в США.
Помимо Розинга, Зворыкин также был знаком и с Фарнсвортом. Впоследствии Зворыкин и Фарнсворт устроили патентную «битву» длиной в 10 лет, пытаясь разобраться, кто на самом деле изобрел конечную версию телевидения.
По итогу RCA заплатила Фарнсворту 1 миллион долларов за патентные лицензии на устройства телевизионного сканирования, фокусировки, синхронизации, контрастности и управления изображением.
Получается, что основной «каркас» для прототипа современного телевидения заложил именно Фарнсворт.
Тем не менее существовавшие до этого модели на всем «пайплайне» обработки и отрисовки изображения имели механические детали. По крайней мере, в том или ином виде.
То, что представил впоследствии Зворыкин, было полностью электронным устройством — как при приеме изображения, так и при его передаче.
Его телевизионная система состояла из двух электронно-лучевых трубок. Одна рисовала изображение, другая его захватывала. Последнюю позже стали относить к классу передающих телевизионных трубок.
Передающая телевизионная трубка — это разновидность катодно-лучевой трубки, задача которой преобразовывать изображение движущихся объектов в электрические сигналы.
То есть она делает все наоборот — не рисует, а считывает. Хотя ее устройство аналогично.
Такая трубка использовалась в телевизионных камерах до появления полупроводников светочувствительных матриц.
На светочувствительную мишень передающей трубки проецировалось изображение от объектива видеокамеры, формируя тем самым электронный рельеф, соответствующий передаваемому световому изображению.
Таким образом мишень накапливала заряды, которые впоследствии считывала электронно-лучевая пушка, расположенная позади светочувствительной мишени.
Само сканирование производилось аналогично любой другой катодно-лучевой трубки с помощью отклонения электронного луча магнитными полями — информация считывалась пучком электронов, который «пробегал» по мишени строчка за строчкой.
В результате электрический сигнал на выходе полностью соответствовал распределению яркостей объекта, на который направлена оптическая система передающей камеры.
Совет директоров Radio Corporation of America сделал ставку на разработки Зворыкина (по большей части в предвкушении прибыли от нахождения в авангарде тренда на телевизионные устройства) и выделил дополнительные ресурсы — деньги, оборудование и помощников.
Спустя полгода на свет появился комплект из двух трубок. Первая использовалась в объективах телевизионных камер для преобразования изображения в сигнал. Ее назвали «иконоскопом» — от греческих слов eikón («изображение») и skopéo («смотрю»).
Вторая была необходима для непосредственной отрисовки изображения. Ее назвали «кинескопом» — kinéo («двигаю») и skopéo («смотрю»).
За всю историю телевидения было разработано несколько видов передающих телевизионных трубок, которые различались по типу фотоэффекта светочувствительной мишени:
-
Трубка Брауде
-
Ортикон
В этом смысле иконоскоп Зворыкина являлся одной из разновидностей целого класса передающих телевизионных трубок.
Таким образом, благодаря разработкам Зворыкина телевидение оформилось в более или менее законченную технологию. По крайней мере, для своего времени.
В дальнейшем множество инженеров и компаний по всему миру (в том числе и в СССР) стали предлагать собственные модели телевизоров.
В начале 1970-х годов компания IBM первой выпустила цветной кинескоп в терминале IBM 3279, который поддерживал 4 цвета — красный, зеленый, голубой и белый.
Цветной кинескоп отличается от чёрно-белого тем, что в него укомплектовано три электронные пушки — красная, зеленая и синяя. Комбинируя эти 3 базовых цвета, можно получить всю палитру существующих цветов.
Трубка Эйкена
Очень прогрессивной для своего времени можно считать разработку американского инженера Уильяма Эйкена — так называемую трубку Эйкена.
Эйкен считал, что используемые в то время электронно-лучевые трубки были слишком длинными, из-за чего ЭЛТ-телевизоры были громоздкими и неповоротливыми. Поэтому он пытался придумать способ уменьшить длину трубки кинескопа, при этом не потеряв в качестве картинки.
Разумеется, Эйкен был далеко не первым, кому пришла идея о создании компактной ЭЛТ, однако сделать это еще никому не удавалось.
На первый взгляд, конструкция, которую придумал Эйкен, выглядит довольно очевидной. Электронно-лучевая трубка как бы согнута вдвое и идет параллельно дисплею. Благодаря этому экономится пространство позади монитора.
Однако такая конфигурация требует решения множества задач, связанных с проецированием изображения. Очень важна точность компоновки деталей и реализации в целом.
В 1961 году был представлен прототип телевизионной (можно даже сказать мультимедийной) системы на основе трубки Эйкена.
Относительно плоский (для того времени) дисплей, изысканный дизайн, деревянный корпус, металлические ножки и даже функция записи телепрограмм для последующего просмотра.
Добиться такой толщины с помощью стандартной ЭЛТ (то есть без изгиба электронной пушки) было невозможно.
У кинескопов есть параметр «угла отклонения» — от 90 до 125 градусов. Однако даже при высоком значении кинескоп все равно получается крупным.
Исторически углы отклонения в ЭЛТ с годами только увеличивались. Например, кинескопы 125 градусов стали появляться в 2000-х годах в попытке конкурировать с ЖК-дисплеями. Как мы сейчас знаем, это не сработало — ЭЛТ все равно проиграл.
Тем не менее плоские ЭЛТ-телевизоры не получили распространения. Рынок наполнился классическими «прямыми» кинескопами, производство которых было уже отточено. Их было банально проще и дешевле делать в массовых количествах.
Плазма, жидкие кристаллы и светодиоды
В 1960-х годах ЭЛТ-дисплеи использовались повсеместно — с воспроизведением видеопотока они справлялись прекрасно.
Разумеется, кинескопам того времени были свойственны все стандартные недостатки электронно-лучевой технологии — блеклость изображения, цветовые аберрации и не самое высокое разрешение.
Однако в те годы стремительно развивались компьютерные технологии. Крупные мейнфреймы постепенно замещались более компактными версиями персональных компьютеров. И тем, и тем требовались инструменты ввода и вывода информации.
С вводом особых проблем не было — различные формы клавиатур существовали еще со времен печатных машинок, а мыши стали появляться в начале 70-х годов.
С выводом было сложнее. Перфокарты, лампочки и телетайпы стали заменяться ЭЛТ-дисплеями — сперва монохромными, потом цветными.
Однако компьютерный монитор — не то же самое, что телевизор. Негативные стороны ЭЛТ здесь приобрели более яркий оттенок. Было очевидно, что для работы с компьютерной графикой (в любом ее виде) требуются дисплеи совершенно иного рода.
Плазменная панель (PDP)
Трое ученых из «Университета Иллинойса» — Дональд Битцер, Джин Слоттоу и Роберт Уилсон — решили разобраться с проблемой ЭЛТ.
Потребность в новом типе дисплея стала ощущаться, когда троица работала над компьютерной системой обучения — PLATO.
PLATO существовал в течение четырех десятилетий, предлагая изучение образовательных программ от начальной школы до университета. По сути, это был обычный компьютер с соответствующим софтом, превращающий скучное обучение в решение интерактивных (иногда геймифицированных) задач.
Основными клиентами, очевидно, были образовательные учреждения. Поэтому качество отображения обучающих материалов имело важное значение.
Плазменная панель, которую создали ученые, представляла собой матрицу, состоящую из большого количества ячеек, наполненных газом — неоном или ксеноном с ртутью. Ячейки располагались между двумя прозрачными пластинами с электродами.
Через соответствующие ячейки пропускался электрический ток, отчего газ внутри излучал свет. Таким образом на поверхности дисплея формировалось целостное изображение.
По сравнению со «старым добрым» ЭЛТ-телевизором, плазменная панель, будучи абсолютно плоской, поражала высокой контрастностью и широким углом обзора.
Тем не менее созданное в Иллинойском университете устройство было лишь ранним прототипом. Коммерческие плазменные панели получили широкое распространение лишь в начале 90-х годов, после чего их сменили (к концу 2010-х годов производство плазменных дисплеев пошло на спад) другие концептуально похожие технологии отображения графики.
Но важно тут другое. Три ученых из университета в Иллинойсе создали базовую «архитектуру» дисплея, которая прослеживается во всех технологиях отображения графики, появившихся после. Во всех без исключения!
С тех пор абсолютно любой дисплей состоит из двух слоев электродов, между которыми укладывается слой различных светоизлучающих элементов, идущих друг за другом в порядке палитры RGB — красный, зеленый, синий. С внешней стороны дисплея размещается стекло, а с обратной — стенка корпуса.
За 70 лет существования дисплеев эта базовая конструкция не изменилась ни на каплю.
Да, в каждой реализации есть свои особенности и нюансы, но общий паттерн примерно такой. Вся дальнейшая эволюция дисплеев заключалась лишь в изменении конструкции светоизлучающего слоя, частично влияя на периферию, помогающую в его «обслуживании».
Механизм, за счет которого дисплейные матрицы способны отрисовывать графику, можно концептуализировать следующим образом.
Каждый пиксель любого дисплея — это три условные разноцветные «лампочки». Когда «лампочки» настолько малы, их отдельные цвета сливаются в один общий. Это явление называется «аддитивным смешением цвета».
Причина этого эффекта — ограниченная разрешающая способность человеческого глаза. Вполне возможно, будь наше зрение острее, то все технологии отображения графики остались бы на «свалке» истории и нам бы пришлось изобретать что-то совершенно иное — если оно вообще возможно.
Но к счастью, глаза человека имеют свойство упрощать воспринимаемое — быстро двигающиеся объекты смазываются, а множественные цвета сливаются в один.
ЖК-дисплей (LCD)
История жидкокристаллических дисплеев (Liquid Crystal Display, LCD) берет свое начало еще в 1888 году.
Тогда австрийский ботаник Фридрих Райницер изучал поведение холестерина в растениях.
Холестерин — это такое органическое жироподобное вещество, которое содержится в составе клеток живых существ и участвует в строительстве клеточных мембран, синтезе желчных кислот и выработки гормонов.
Райницер обнаружил что при температуре около 145 градусов кристаллы холестерина начинают размягчаться и мутнеть. Тепература же выше 178 градусов превращала их в жидкость.
Словосочетание «жидкий кристалл» звучит как оксюморон, однако в физике состояние «жидкого кристалла» — промежуточное между твердой и жидкой формой. В таком состоянии молекулы все еще сохраняют кристаллическую решетку, но в то же время вещество в целом не статично и как бы «плывет».
Это свойство кристаллов было забыто почти на 100 лет — технологическое развитие того времени просто не позволяло найти адекватное применение этому явлению.
Все изменилось в 1964 году. Тогда инженер уже упомянутой ранее компании RCA, Джордж Хейлмайер, научился воздействовать с помощью сильного электрического поля на две электропроводящие прозрачные пластины, между которыми располагались жидкие кристаллы.
Оказалось, что электрическое воздействие на молекулы жидких кристаллов приводит их в хаотичное движение, после чего они начинают интенсивно рассеивать свет, падающий на пластину.
То есть приложение напряжения к жидкому кристаллу переключает его из изначально прозрачного состояния в молочно-мутное. Этому эффекту Хейлмайер даже дал название — dynamic scattering mode (DSM) или режим динамического рассеяния.
На основе открытого явления Хейлмайер создал монохромную ЖК-панель небольшого размера.
Важно то, что ЖК-дисплей не производит собственного света, а лишь особым образом рассеивает внешний. По этой причине любой ЖК-дисплей требует подсветки, которую располагают в задней части панели. Чаще всего это флуоресцентные лампы (CCFL).
Вы можете наблюдать эту особенность на любом смартфоне с ЖК-дисплеем. В абсолютно темной комнате черные пиксели экрана все равно имеют легкое свечение — то есть на самом деле они не абсолютно черные, а сероватые.
Тем не менее японские компании опередили США (в частности RCA) в коммерциализации ЖК-дисплеев.
Японская корпорация Sharp в 1974 году запустила продажи разноплановых устройств, в которых использовалась технология жидких кристаллов — карманные калькуляторы, наручные часы и небольшие телевизоры.
Sharp опередила все остальные компании по части старта массового производства ЖК-дисплеев, но в дальнейшем жидкие кристаллы распространились на множество устройств уже под эгидой других производителей.
Так ранняя сырая разработка постепенно эволюционировала в более законченную и современную технологию.
От плазменных дисплеев современные LCD отличаются тем, что перед слоем жидких кристаллов находятся цветовые фильтры, а за ним — люминесцентная подсветка.
При этом есть несколько способов компоновки жидких кристаллов, каждый из которых соответствует отдельному виду ЖК-дисплея и имеет свои преимущества по части цветопередачи, контрастности, скорости — IPS, TN, VA.
LED и OLED
Светодиодный дисплей (light-emitting diodes, LED) — этот тот же самый LCD-дисплей, но в котором вместо флуоресцентной подсветки используются LED-светодиоды. Другой существенной разницы нет.
Известно, что физический эффект «холодного свечения», на котором работают светодиоды, в 1903 году открыл советский изобретатель Олег Лосев. Он заметил, что пропуская электрический ток через различные полупроводниковые материалы можно получать свет.
В 1958 году в лабораториях RCA Рубин Браунштейн и Эгон Лебнер создали самый первый в мире светодиод — он был зеленого цвета, так как в качестве полупроводникового материала использовался нитрид галлия.
Изначально светодиоды задумывались как альтернатива классическим лампам накаливания, долговечность которых была всего несколько тысяч часов. Источник света на основе полупроводников может иметь намного больший срок службы и меньшее энергопотребление.
Самые первые светодиоды были довольно крупного размера и использовались в качестве световых индикаторов в электронном оборудовании — те самые мигающие «лампочки».
Однако уже в 1968 году компания Hewlett-Packard выпустила первую версию монохромного светодиодного дисплея с разрешением всего 7 на 5 пикселей.
Этот дисплей использовал светодиоды не как подсветку слоя жидких кристаллов, а как изолированные друг от друга пиксели, самостоятельно испускающие свет.
Чуть позже была разработана совершенно другая разновидность дисплея — на органических светоизлучающих диодах (light-emitting diode, OLED).
Несмотря на схожесть названий «LED» и «OLED», OLED не является модификацией LED — принцип действия совсем иной.
В таком типе дисплеев электролюминесцентный материал представляет собой органическое соединение. То есть он содержат атом углерода в своем молекулярном составе.
Первое двухслойное OLED-устройство было создано в 1987 году двумя учеными из компании Eastman Kodak — Чингом Ван Танмом и Стивеном Ван Слайком.
С тех пор архитектура OLED превратилась из простой структуры в более сложную многослойную конструкцию, которая значительно повысила эффективность.
Первым коммерческим устройством с OLED-дисплеем был цифровой фотоаппарат Kodak LS633 — по сути, классическая «мыльница».
OLED-дисплей кажется абсолютным и логически законченным решением для вывода графики.
По сути, у вас есть полотно, состоящее из массива микроскопических пикселей.
Каждый пиксель — «трио» из светодиодов базовых цветов (RGB), которые светятся сами по себе, без необходимости в дополнительных световых элементах.
Каждый светодиод — это органический полупроводник, который самостоятельно излучает свет при прохождении тока. Он может быть включен или выключен индивидуально, что означает, что черный цвет в OLED-дисплеях — действительно настоящий черный.
Такая схема кажется максимально унифицированной и оптимальной. Никаких механических деталей, никаких сложных физико-химических явлений (как в случае с ЖК и плазмой), никаких подсветок и вспомогательных слоев.
Это позволяет OLED-дисплеям обеспечивать более высокую контрастность и глубину черного — в отличие от традиционных LCD и LED дисплеев. Возможность выборочно отключать черные пиксели экономит заряд батареи устройства и электропотребление в целом.
Например, некоторые исследования сообщают, что использование темной темы (dark mode) на смартфоне с OLED-дисплеем снижает энергопотребление на 42% при полной яркости экрана.
Это неудивительно, ведь темная тема переводит большинство пикселей экрана в выключенное состояние — они просто не запитываются электричеством. Такими показателями не может похвастаться ни один другой дисплей.
Можно сказать, что с появлением OLED-дисплеев история отображения графики, возможно, находит свое логичное завершение. По крайней мере, на данном этапе технологического развития человечества.
Даже, казалось бы, появившийся совсем недавно VR использует в своих очках и шлемах все те же самые дисплеи, но покрытые линзами — для проекции изображения сразу на сетчатку глаза.
Эти ультратонкие панели с потрясающим контрастом и яркостью стали новым (хотя пока и дорогим) стандартом качества — из искаженных и мутных изображений прошлого мы перешли к беспрецедентной четкости и насыщенности цветов.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
