Van TN-paneel tot quantumdotdisplays

Duik in de wereld van beeldschermtechnologie

Inleiding: je venster op de digitale wereld

Beeldschermfabrikanten slagen er als vrijwel geen ander in de consument te overweldigen met afkortingen, aanduidingen en niet in de laatste plaats, productnamen die soms uit een random karaktergenerator lijken te komen. Aan dat laatste kunnen we niet zo veel veranderen, al is met een beetje puzzelen wel enige logica in de naamgeving te ontdekken. Met de termen die je bij het uitzoeken van een scherm tegenkomt, kunnen we je wel een eind op weg helpen.

Een lijstje met afkortingen is natuurlijk zo gemaakt, maar niet erg verhelderend. Daarom kijken we niet alleen naar wat de namen van beeldschermtechnieken betekenen, maar ook wat ze betekenen voor je beeldscherm, en waarom dat zo is. Tijd dus om in de wereld van vloeibare kristallen, schakeltransistors en elektrische velden te duiken.

Naast de beeldschermtypen kijken we in dit achtergrondverhaal ook kort naar andere eigenschappen van beeldschermen, zoals hoe een backlight werkt en welke opties daarvoor zijn, hoe pixels worden opgebouwd en wat de gedachte daarachter is en ten slotte eindigen we met praktische informatie over scaling en bandbreedte. We schreven al eerder een artikel over het kiezen van een geschikt beeldscherm en over de werking van leds en waarom oleds inbranden, en vooral hoe je dat voorkomt.

Lcd-panelen

We beginnen met de meest fundamentele eigenschap van een monitor: welk type paneel zit erin? Vroeger, toen grote, dikke beeldbuizen nog gemeengoed waren en je monitor een halve meter diep was, werden de nieuwerwetse platte schermen tft-, lcd- of TN-schermen genoemd. In die tijd waren alle drie de termen grotendeels correct, maar duiden ze verschillende onderdelen van een scherm aan. De meeste schermen die in de begintijd van platte schermen verkocht werden, waren inderdaad TN-panelen. De tft-aanduiding wijst naar de manier waarop ze aangestuurd werden en worden, en de term lcd geldt voor veel meer schermtypen dan TN-panelen.

Vloeibare kristallen

Vrijwel alle schermen, behalve de nieuwere oledschermen, werken volgens een polarisatieprincipe. Licht schijnt door een verticaal polarisatiefilter, wordt wel of niet doorgelaten door een laag vloeibare kristallen en bereikt een tweede, horizontaal polarisatiefilter. Het eerste en laatste polarisatiefilter staan dus haaks op elkaar, zodat licht in principe niet wordt doorgelaten. Denk aan de twee glazen van een zonnebril: als je die uit je zonnebril wipt, kun je ze op elkaar leggen en door ze te draaien ten opzichte van elkaar, kun je licht blokkeren.

De vloeibare kristallen tussen de twee polarisatiefilters, of het equivalent van de zonnebrilglazen, nemen de taak van het draaien van een van beide polarisatiefilters over. Het zou immers niet praktisch zijn het voorste filter daadwerkelijk te draaien om het licht wel of niet door te laten en bovendien zou je dan geen controle over individuele pixels hebben.

De vloeibare kristallen waar een lcd zijn naam aan dankt, kunnen draaien onder invloed van een elektrisch veld. Omdat die vloeibare kristallen niet lukraak gekozen zijn, maar zorgvuldig zijn uitgezocht wegens hun lichtbuigende eigenschappen, wordt het verticaal gepolariseerde licht gedraaid, zodat het door het horizontale filter kan. Als je achter die sandwich van polarisatiefilters, elektrodes en vloeibare kristallen een lichtbron plaatst, kun je dus een 'scherm' donker of licht maken. In sommige gevallen is een spiegelende laag zelfs genoeg, zodat je van invallend licht gebruikmaakt.

TN-werkingsprincipe. Bron: Wikipedia

Met een scherm dat alleen wel of geen licht kan doorlaten, heb je nog geen beeldscherm. Daarvoor moet het laagje vloeibare kristallen opgedeeld worden in kleine segmenten. Een bekend voorbeeld daarvan zijn de oude horloges met lcd die met vier zevensegmentcijfers zijn uitgerust. Door elk segment aan te sturen, kun je de gewenste tijd laten zien. De lcd begint nu daadwerkelijk op een monitor te lijken.

Door de lcd-segmenten kleiner te maken, kun je op pixelniveau regelen hoeveel licht doorgelaten wordt. Met een achtergrondverlichting heb je nu dus een monitor die grijswaarden kan weergeven. De mate waarin elke pixel licht doorlaat, hangt af van het potentiaalverschil tussen de de twee elektrodes waartussen de vloeibare kristallen opgesloten zitten. Bij een TN-scherm, het archetype lcd-monitor, zijn de kristallen als een helix, of spiraal, gerangschikt. Licht dat door de eerste polarisatielaag schijnt, wordt gedraaid door de kristallen waardoor het licht dezelfde polarisatierichting als het tweede filter krijgt. Het gevolg is een lichte of witte pixel. De draaiing van dat spiraal is waar de kristallen hun naam aan ontlenen: TN staat voor twisted nematic, waarbij nematic of nematisch naar een organisatie van de kristallen verwijst waarbij ze als parallelle staafjes geordend zijn.

Als spanning tussen de twee elektroden boven en onder de vloeibare kristallaag wordt aangebracht, rangschikken de kristallen zich in hun nematische oriëntatie, als parallelle staafjes dus. Ze verdraaien dan de polarisatie van het licht niet en dus 'dooft' het voorste polarisatiefilter het licht: een zwarte pixel dus.

De elektrodes worden op glazen, of soms kunsstof, platen aangebracht via een lithografisch procedé. Een van de elektroden moet de structuur van de pixels vormen, terwijl de tweede een grote uniforme elektrode mag zijn. Om ervoor te zorgen dat het fijne maaswerk van pixelelektrodes niet te veel licht wegvangt, wordt bijvoorbeweld indiumtinoxide, of ito, gebruikt. Dat materiaal is in zichtbaar licht zo goed als transparant, zodat zoveel mogelijk licht wordt doorgelaten.

Dat moet ook wel, want we hebben tot dusver alleen maar een scherm dat grijswaarden kan weergeven. Sterker nog, de vroege TN-schermen konden ook alleen maar grijswaarden weergeven. Om ook kleur te kunnen zien, moet een scherm een kleurenfilter krijgen. Dat wordt bereikt door 'simpelweg' de drie primaire kleuren, gescheiden door een raster van zwart, op een substraat van glas aan te brengen. Door de subpixels achter de drie primaire kleurdomeinen van een pixel aan of uit te zetten, kunnen kleuren weergegeven worden.

Structuur lcd/tft-pixel (bron: VISlcd)

Dat vergt uiteraard een complex netwerk van elektrodes om al die (sub)pixels aan te sturen. Een lcd-module heeft al die logica meestal al vanaf de paneelfabrikant aan boord, zodat een laptop-, monitor- of smartphonefabrikant zich alleen hoeft te bekommeren om de juiste beelden aan de controllerchip te leveren. Die matrix van elektrodes moet voor een computerscherm actief worden aangestuurd en daar komen de tft's om de hoek kijken. Een actieve matrix houdt in dat elke subpixel een transistor en een condensator krijgt, die de toestand van de pixel actief vasthoudt. Omdat die transistors net als de matrixelektrode in een dunne film worden aangebracht, spreekt met van thin film transistors, en daaruitvolgend van tft-beeldschermen.

TN: twisted nematic

In het voorgaande voorbeeld hebben we het over een lcd-scherm gehad dat met TN-kristallen, of met een twistednematic-lcd-laag is gemaakt. TN is zoals gezegd een van de oudste en bekendste typen lcd-schermen.

TN

Een TN-paneel heeft als voornaamste voordeel, los van de lage prijs, dat het heel snel is. Dat wil zeggen dat de kristallen zich snel heroriënteren als reactie op spanningen op de elektroden. De draaiing van de TN-kristallen wijzigt proportioneel met de spanning op de elektroden, zodat het makkelijk is de gewenste grijswaarde in te stellen. En omdat dat zo snel gaat, waren TN-panelen nog altijd favoriet voor snelle gamingmonitoren, ook al was bekend dat de kijkhoek en kleurweergave niet geweldig was.

Wie wel eens een gamingmonitor heeft gebruikt, of een review heeft gelezen, heeft de term overdrive en overshoot vast wel eens voorbij zien komen. Om de responstijden van het scherm, dus de transities van licht doorlaten of blokkeren, ofwel de vloeibare kristallen anders te oriënteren, te verbeteren, kan een hogere spanning gebruikt worden om de lcd-matrix aan te sturen. Zo wordt de stuurspanning van de tft-transistors dus hoger dan gebruikelijk: ze worden overdriven, dus noemen we dat overdrive. Die hogere spanning zorgt dat de kristallen sneller bewegen, maar ze kunnen ook te ver draaien: dat noemen we overshoot. De draaiing gaat dan iets te ver, wat in een grijswaarde resulteert die net iets doorschiet voorbij het doel.

TN-panelen hebben behalve hun lage prijs en snelle responstijden ook diverse nadelen, anders keken we met z'n allen ongetwijfeld nog steeds massaal naar TN-panelen. Hun kleurweergave en vooral de kijkhoeken waaronder ze accurate kleuren weergeven, zijn beide minder dan van concurrerende beeldschermtechnieken. Ook het contrast is in de regel niet geweldig, omdat het lastig is al het licht effectief te blokkeren door de TN-pixels aan te schakelen. Met andere woorden: zwart is niet erg zwart en dus is het zaak naar concurrerende technieken te kijken. De kleurweergave en vooral de kijkhoeken hebben te lijden door het feit dat de vloeibare kristallen niet uniform georiënteerd zijn voor de kijker. Afhankelijk van de spanning op een pixel kijk je tegen de uiteinden en soms tegen de zijkanten van de staafjes aan. Die hoek varieert met de kijkhoek, waardoor je onder een hoek andere kleuren en helderheid ziet dan haaks op het scherm.

Ips: in-plane switching

Een van de bekende alternatieven is het ips-paneel. Dat werkt bijna hetzelfde als een TN-paneel, maar dan net even anders. De overeenkomsten zijn dat er een polarisatiefilter is dat inkomend licht polariseert en er worden vloeibare kristallen gebruikt om het licht te verdraaien. Maar anders dan bij een TN-paneel liggen de elektroden in een ips-scherm naast elkaar in plaats van onder elkaar. Dat zorgt ervoor dat de vloeibare kristallen parallel aan de glasplaten draaien, in plaats van haaks erop. Daar komt de naam ook vandaan: ips staat voor in-plane switching.

Als er geen spanning op de elektrode staat, is de pixel uit en laat die geen licht door omdat de kristallen dan het licht niet afbuigen. Onder invloed van spanning op beide elektroden draaien de staafjes vloeibare kristallen parallel aan het elektrisch veld en roteren de lichtpolarisatie, zodat een pixel licht doorlaat. Zo zijn er dus twee fundamentele verschillen tussen TN- en ips-panelen: de kristallen zijn haaks danwel parallel georiënteerd en bij TN staat een pixel standaard aan, terwijl bij ips een pixel standaard uit is.

Ips als touchscreen

De reden waarom ips-schermen, naast iets recenter oleds, vrijwel altijd voor touchscreens van bijvoorbeeld smartphones of tablets gebruikt worden, is ook terug te voeren op hun kristalorganisatie. Omdat de vloeibare kristallen altijd parallel aan het schermoppervlak liggen, wordt het scherm niet lichter of donkerder als je erop drukt. Bij een TN-aanraakscherm is dat wel het geval, omdat je dan de vloeibare kristallen wegdrukt tussen de glaslagen en de polarisatie verandert.

Omdat een pixel standaard uit is bij een ips-paneel is het contrast beter dan bij een TN-scherm: het backlight hoeft dus niet gemoduleerd te worden door de kristallen, zodat vrijwel al het licht door de 90 graden gedraaide polarisatiefilters effectief geblokkeerd wordt. Bovendien heb je veel minder last van kleurvariaties in kijkhoeken, omdat de vloeibare kristallen altijd in hetzelfde vlak zijn georiënteerd. Dat helpt ook de kleurweergave, waardoor ips-panelen bekendstaan om hun goede kleurreproductie, grote kijkhoeken en redelijk rappe responstijden.

Natuurlijk zijn er ook nadelen aan ips-schermen. Zo gebruiken ze meer energie, voornamelijk omdat het backlight harder moet werken. Het raster van elektrodes die de vloeibare kristallen manipuleren, zit maar op één laag, en dus moeten er twee keer zoveel elektrodes naast elkaar liggen, een positieve en negatieve voor elke pixel. Dat zorgt dat er minder licht doorgelaten wordt, dus voor een hoge helderheid moet het backlight harder branden. Dat felle backlight is ook verantwoordelijk voor een zichtbaarder nadeel van veel ips-schermen: de ips-glow. Omdat het backlight zo hard brandt, 'lekt' licht van pixels die aanstaan een beetje naar omliggende pixels die uit staan.

Fabrikanten geven graag hun eigen draai aan beeldschermtechnieken en ontwikkelen methodes om de eigenschappen te verbeteren. Zo ontstaan diverse subvarianten van overkoepelende technieken. Een voorbeeld is advanced high-performance ips, of ah-ips, een techniek die LG in 2011 uitbracht. De techniek werd aanvankelijk gemaakt voor kleinere schermen als voor smartphones en heeft een hoge pixeldichtheid. Inmiddels worden ah-ips-schermen ook gewoon voor tv's en monitoren gebruikt.

VA: vertical alignment

Een VA-paneel zit een beetje tussen ips- en TN-panelen in. De staafjes van de vloeibare kristallen liggen parallel aan de glasplaten als de pixel actief is of spanning krijgt, en rangschikken zich verticaal als de spanning eraf is. Daar komt ook hun naam vandaan, want VA staat voor vertical alignment. De staafjes maken echter geen hoek van negentig graden met de elektrodes, maar staan onder een variabele hoek, afhankelijk van de elektrische veldsterkte. In die configuratie wordt de polarisatierichting van het backlight niet veranderd en blokkeren de twee polarisatiefilters dus vrijwel al het licht. Daaraan dankt een VA-paneel zijn uitstekende contrasteigenschappen: net als bij ips is een uitgeschakelde pixel zwart.

De kijkhoeken van een VA-paneel hebben meer iets weg van een TN-paneel. Omdat de vloeibare kristallen in meer of mindere mate een hoek ten opzichte van het scherm hebben, is ook de helderheid en kleurweergave afhankelijk van de kijkhoek. Omdat de kristallen in VA-panelen geen haakse hoek maken, is het effect van de kijkhoek minder sterk dan bij TN-panelen. Bovendien kunnen fabrikanten de eigenschappen verbeteren door de kristallen in subdomeinen op te delen. Als in het ene domein de kristallen met de klok mee roteren en in het andere domein tegen de klok in, moeten de verschillen in helderheid en kleur elkaar opheffen als gevolg van de kijkhoek.

Gebogen schermen

Omdat de kijkhoek van een VA-scherm in de regel minder groot is dan bij een ips-scherm en een scherm net als TN-panelen kleur- en helderheidsverschillen kan vertonen, worden ultrawide beeldschermen met een VA-paneel soms gebogen. Er zijn wel een paar ips-schermen met een curve, maar het leeuwendeel van de gebogen schermen betreft een VA-paneel. Fabrikanten geven daarbij op hoe groot de kromming is, met een R-getal. Die R staat voor radius en geeft aan welke radius een cirkel zou hebben als je de kromming van het scherm doortrekt. Een scherm met een kromming van 1800R zou een cirkel beschrijven met een radius van 1800 millimeter, of een diameter van 3,6 meter. Een 3000R-scherm zou op zijn beurt een radius beschrijven van 3000mm, ofwel een cirkel van zes meter doorsnede. Hoe kleiner het R-getal, hoe sterker het scherm gekromd is.

Omdat het backlight in een VA-paneel niet zo hard hoeft te branden als bij een ips-paneel, de elektrodes worden immers weer boven en onder de vloeibare kristallaag aangebracht, hebben VA-schermen in de regel een beter contrast dan ips-schermen. Zwart is zwarter en licht kan makkelijker door het scherm schijnen, zodat ook de helderheid hoger kan. Bovendien is de ips-glow om dezelfde reden geen probleem bij VA-schermen.

Een variant van een VA-scherm die je misschien tegen zult komen, is een mva-paneel. De 'm' staat voor multidomain en die hanteert dus de hierboven beschreven methode om de kristaloriëntatie te variëren om zo de kijkhoeken te verbeteren.

Nog een paar varianten van VA luisteren naar namen als super-mva, of s-mva, een techniek van Chi Mei Optoelectronics (inmiddels Innolux), en premium mva, of p-mva, van AUO. Dat bedrijf maakte later AM-VA-panelen, een afkorting voor advanced multi domain vertical alignment.

Een naam die je tegen kunt komen in specificaties van schermen en mogelijk verwarrend kan zijn, is ahva. Dat lijkt een variant op de hierboven beschreven VA-panelen, maar in werkelijkheid gaat het om een ips-techniek. Paneelmaker AUO hanteert ahva voor zijn ips-variant om het te onderscheiden van LG's ips en Samsungs pls. Ips is namelijk een handelsmerk van LG Display, dus moet ook Samsung een afwijkende naam hanteren: pls.

Oled en qled

Een beeldschermtechniek die uiteraard niet mag ontbreken, is oled. Voor smartphones en tv's is het al jaren gebruikelijk oledschermen te zien, maar monitoren en laptopschermen komen pas mondjesmaat in oledvarianten beschikbaar. Oled staat voor organic light emitting diode en verschilt van de bekende ledjes die in lampen of als indicators in elektronica gebruikt worden in hun samenstelling. Waar gewone leds een halfgeleider bevatten met een p-n-diode, worden oleds opgebouwd in dunne films die uit elektroluminescente, organische laagjes bestaan. Dat organisch materiaal licht op wanneer er spanning op staat. De oledlaag produceert wit licht en om dat voor elkaar te krijgen, bestaat die laag uit diverse laagjes met oledmateriaal dat verschillende kleuren produceert. Dat witte licht wordt met een kleurenfilter weer vertaald naar het correcte beeld op het scherm.

De nieuwe structuur van LG Displays witte oleds in het EVO-paneel

Het grote voordeel van een oledscherm is dat een pixel alleen licht geeft als er spanning op staat. Er is dus geen backlight nodig, maar elke pixel of subpixel heeft zijn eigen lichtbron. Daarom is er geen sprake van onvolledige blokkade door polarisatiefilters van een backlight, waardoor zwart ook echt zwart is. Ook randjes die lichtgeven, zoals de ips-glow, moeten dus niet optreden. Bovendien kunnen oledschermen zowel flexibel als transparant gemaakt worden, wat de weg vrij heeft gemaakt voor onder meer vouwbare telefoons.

Een potentieel nadeel van oled is het veelbesproken inbranden, waarbij een stuk van het beeld dat lange tijd statisch wordt weergegeven, zichtbaar blijft. Fabrikanten ondervangen dat door technieken als pixel- of screenshift (pixelverschuiving) en pixelrefresh in te zetten. Daarbij worden respectievelijk statische pixels een klein beetje verschoven om inbranden te voorkomen of wordt slijtage automatisch gecompenseerd.

Ook de slijtage van de oledlaag is een punt van zorg. De levensduur hangt samen met de lichtintensiteit en de helderheid kan dan ook wat teruglopen na verloop van tijd. Ook temperatuur is een belangrijke factor bij de veroudering, vandaar het gebruik van heatsinks bij high-end oledtelevisies. Op die manier kan een hogere helderheid behaald worden, met behoud van de levensduur. Bij kleine oledschermen, waar elke subpixel een oledelement is, kan bovendien de kleurweergave minder accuraat worden. Blauwe oleds slijten wat harder dan andere kleuren, wat gevolgen heeft voor de kleuren. Bij grote oledschermen, waar enkel witte oleds voor de pixels gebruikt worden met een kleurenfilter voor de subpixels, is dat kleurverloop geen probleem.

De slijtage van oleds valt in de praktijk mee. De Canadese website RTings heeft bijvoorbeeld een test gedaan met zes oled-tv's die ruim 9000 uur hebben aangestaan. De helderheid bleek nauwelijks te lijden, maar in sommige gevallen bleken een burn-in en teruglopende uniformiteit zichtbaar.

Gekoppeld aan de levensduur is de helderheid, of het gebrek daaraan, van een oled-tv. Omdat oleds geen backlight hebben, moeten de pixels elke lumen licht zelf produceren. En omdat de organische dunne laagjes ietwat slijten door de spanning die erdoorheen loopt om ze te doen oplichten, slijten ze harder naarmate meer licht moet worden geproduceerd: de spanning is dan hoger. Oledschermen kunnen daarom in de regel een minder fel beeld produceren dan schermen met backlight, al is het contrast dankzij de volledige zwartweergave nog altijd superieur.

Qled en QD-oled

Een ander type beeldscherm dat in opkomst is, en niet geheel per ongeluk wat de naam betreft op oled lijkt, is qled. Die panelen hebben weinig met oled te maken, want ze gebruiken gewoon een backlight en elke pixel produceert dus niet zijn eigen licht. In plaats daarvan wordt een laagje quantumdots gebruikt om het licht van het reguliere ledbacklight van kleur te veranderen. Een foton dat een quantumdot, of QD, raakt, wordt geabsorbeerd en de QD straalt vervolgens een foton af. De golflengte is afhankelijk van het formaat van de QD, waardoor monochromatisch licht, als bij een laser, wordt afgegeven. Dat maakt accuratere kleurreproductie mogelijk dan bij het gebruik van kleurfilters voor subpixels. Afgezien van het backlight is een qled verder gewoon een VA-paneel.

Cartoonweergave van Nanosys' quantumdots

En om het nog verwarrender te maken, zijn er ook nog QD-oled-schermen. Daarbij wordt geen wit licht door de oledlaag geproduceerd, maar blauw licht. Het kleurfilter maakt vervolgens gebruik van quantumdots om het blauwe licht om te zetten in rood en groen licht, maar voor de blauwe subpixel kan het blauwe licht gewoon worden doorgelaten. Dat moet een hogere lichtintensiteit opleveren, omdat er geen intensiteitsverlies is door het gebruik van de efficiente quantumdots. Bovendien moet de kleurverzadiging bij hoge helderheid beter blijven, omdat er, anders dan bij de momenteel gangbare woledschermen van LG, geen witte subpixels gebruikt worden om de helderheid te boosten.

Backlights

We hebben het al diverse keren terloops over het backlight van panelen gehad. Vroeger, in de crt-tijd, had je natuurlijk geen backlight, want de elektronenbundel die de fosforlaag raakte, wekte fotonen op en gaf zo licht.

In de eerste lcd-schermen was een lichtbron nodig om door de pixels te schijnen en met behulp van de kleurenfilters licht in de juiste kleur op het scherm te toveren. Daar werd toen ccfl-verlichting voor gebruikt, een afkorting voor cold cathode fluorescent lamp. Die lijkt wat techniek betreft op tl-buizen of spaarlampen, met als grote verschil dat de kathode elektronen via een hoge spanning opwekt, in plaats van door de kathode te verwarmen. Dat levert minder verhitting van de lamp op, vandaar de 'cold' in de naam. Wie een paar decennia geleden aan casemodding deed, kon dergelijke lampen ook kopen om het interieur van de kast te verlichten. Dergelijke lampen hebben een lange levensduur en worden veel minder warm dan 'tl-buizen'.

Ccfl-backlights zijn inmiddels goeddeels vervangen door ledverlichting. Die leds produceren nog minder restwarmte en zijn bovendien minder kwetsbaar en minder schadelijk voor het milieu. In de transitiefase van ccfl naar ledverlichting wilden schermfabrikanten graag duidelijk maken dat de backlight uit leds bestond, vandaar de term led in veel productnamen. Zo kon je ledtelevisies kopen, terwijl dat natuurlijk gewoon lcd-tv's waren, en voerden veel monitoren de term ook in hun productnaam.

Verschillende soorten backlight voor schermen

Niet elke backlight is hetzelfde; ook hier zijn weer veel varianten ontwikkeld om de lichtopbrengst en kleurweergave te verbeteren. Laten we beginnen met duidelijk maken dat veel backlights in monitoren helemaal niet achter het scherm zitten, maar de ledbalk zit in de regel in een of meerdere randen van het scherm. Een 'lightguide', een combinatie van plastic folie en reflectors, zorgt ervoor dat het licht gelijkmatig achter het lcd wordt verspreid. Zo'n lightguide zorgt ook bij tv's, waar rijen leds wél achter het scherm zitten, voor een gelijkmatige verspreiding van het licht.

Vrijwel alle ledbacklights maken gebruik van wit licht, maar echt witte leds bestaan niet. Het zijn daarom combinaties van blauwe leds die met behulp van fosforcoatings voor wit licht zorgen. Oude ledbacklights hadden vooral gele fosfors wat het uiteindelijke kleurbereik van monitoren beperkte, maar tegenwoordig worden veel complexere combinaties van fosfors en diodes gebruikt. Zo maakt LG voor zijn nano-ips-schermen gebruik van blauwe en groene diodes met gele en rode fosfors. Dat geeft het geproduceerde witte backlight een veel mooier rgb-spectrum, waardoor de kleurweergave verbeterd kan worden.

Qdef van Nanosys

Ook de eerder beschreven quantumdots kunnen als film tussen het backlight en het lcd-paneel geplaatst worden. Dan worden geen fosfors gebruikt, maar stralen de blauwe backlightleds gewoon blauw licht uit, dat door getunede quantumdots deels wordt omgezet in groen en rood licht. Samsung maakt in zijn QD-beeldschermen gebruik van een quantumdotlaag die luistert naar de naam qdef, of quantum dot enhancement film, een techniek die het inkoopt bij fabrikant Nanosys. Ook dat moet de kleurweergave verbeteren en kleurruimtes als DCI-P3 bereikbaar maken.

Omdat displays die met een backlight werken dat licht nooit volledig kunnen blokkeren, maken sommige schermen gebruik van backlights die in zones zijn opgedeeld. Die moeten dan uiteraard wel direct achter het scherm gemonteerd zijn en kunnen dan per zone uitgeschakeld worden. Hoe meer zones een backlight heeft, hoe fijnmaziger dat backlight kan worden geregeld. Wanneer overwegend donker beeld wordt weergegeven, kan het backlight achter die donkere delen gedimd worden, wat de zwartweergave verbetert en het zo belangrijke contrast verbetert.

Lichter en donkerder

Een ledbacklight kan op verschillende helderheden worden ingesteld; dat is immers de primaire methode om de helderheid van een scherm in te stellen. Maar ook voor het dimmen, lokaal of globaal, is het moduleren van de lichtintensiteit van leds cruciaal. Daartoe worden leds vaak per seconde aan- en uitgezet met behulp van een pwm-signaal. Het aandeel 'aan' van dat signaal bepaalt de helderheid van de led. Feitelijk knippert een ledbacklight dus heel snel, pakweg 200 tot 500Hz.

Bij televisies is local dimming, zoals fabrikanten die techniek vaak noemen, vrij gangbaar, maar bij beeldschermen is dat veel minder het geval. Schermen met local dimming komen echter steeds vaker voor, en daarbij kunnen delen van de edgebacklight gedimd worden, of kunnen echt kwadranten van een direct backlight gedimd worden. In het eerste geval resulteert de dimming in stroken waar het backlight gemoduleerd kan worden, terwijl het backlight bij full array local dimming, of fald, in een gridpatroon gedimd kan worden. Zo kan een scherm in bijvoorbeeld een grid van 96 blokken, of 8 x 12, worden verdeeld, of fijnmaziger in 384, 512 of 1152 zones worden onderverdeeld.

De overtreffende trap van een fald-backlight is een scherm dat met minileds is uitgerust. Die werken in principe zoals een directbacklit scherm met fald, maar omdat de leds van het backlight zo klein zijn, worden er veel meer gebruikt en worden ze fijnmaziger aangestuurd. Zo heeft de TCL X9 een backlight met 96768 minileds, verdeeld in 1920 zones.

Er is ook nog een superlatief van minileds, en dat zijn microleds. Daarbij heeft elke pixel zijn eigen microled, waardoor je elke pixel van een eigen lichtbron voorziet. Dat lijkt sterk op een oledscherm natuurlijk, maar de mini- en microleds worden met gewone lcd-technieken als VA- en ips-panelen gecombineerd en maken gebruik van standaard halfgeleiderleds, meestal ook nog gecombineerd met quantumdots voor een correct spectrum van het backlight. Dat zou moeten resulteren in beeldschermen die het contrast en de zwartwaarde van oled evenaren, maar een hogere helderheid kunnen weergeven. Dergelijke technieken zijn momenteel vooral voor hdr-weergave op met name tv's in trek. Overigens wordt ook aan nanoleds gewerkt: dat zijn schermen met quantumdots die licht uitzenden en dus geen backlight nodig hebben. Daarmee lijken ze nog het meest op oledpanelen, maar zouden ze veel feller licht kunnen geven dan oleds en ook nog eens een stuk goedkoper gemaakt kunnen worden.

Pixels en subpixels

We hebben het al een paar keer over pixels gehad en net als niet elk schermtype identiek is, is ook niet elke pixel hetzelfde. De geometrie van pixels en vooral subpixels moeten de sterke punten van een beeldschermtechniek benadrukken en de zwakke punten proberen te compenseren. Maar voordat we naar een paar voorbeelden van pixels kijken, beantwoorden we de vraag hoe ze gemaakt worden.

Eerst even een recap: de pixels die je daadwerkelijk ziet, zijn samengestelde elementen. Een full-hd-scherm met 1920 bij 1080 pixels heeft in theorie 2073600 pixels, maar in werkelijkheid zijn er minstens zes miljoen subpixels te zien. Elk scherm heeft namelijk minstens rode, groene en blauwe pixels om met die drie primaire kleuren alle overige kleuren te mengen. Soms zijn er zelfs meer subpixels per pixel, zoals bij pentile oledschermen, zoals oudere superamoledschermen van Samsung en zijn nieuwere Diamond Pixel Pentile-panelen.

Die subpixels liggen als een dunne laag over de daadwerkelijke pixels heen en werken als kleurfilter. In het geval van een lcd worden de vloeibaarkristaldomeinen van een subpixel aangestuurd om licht door te laten, zodat het gemoduleerde witte licht door het kleurfilter van de bijbehorende subpixel schijnt. Hoe meer licht de lc-subpixel doorlaat, hoe meer een subpixel bijdraagt. Met 255 intensiteitsniveaus per subpixel kunnen zo 16,8 miljoen kleuren geproduceerd worden. Dat is het geval bij een native 8bit-scherm, dat over 8bits per kleurkanaal beschikt. Schermen met native 10bits per kleurkanaal hebben 1024 stapjes voor elke primaire kleur. Soms kan een 8bit-scherm met behulp van dithering ook 10bit-kleuren weergeven. Die 10bit per kanaal, voor 30bit-kleurweergave, is vereist voor HDR10-weergave.

Structuur kleurenfilters

Op een glazen drager wordt eerst een zwarte matrix aangebracht, die het overvloeien van kleuren en licht tussen aangrenzende (sub)pixels moet voorkomen. De kleuren voor de subpixels worden vervolgens een voor een aangebracht als een dunne film en met behulp van een foto- of lichtmasker selectief uitgehard: onbelichte 'lak' wordt weggespoeld en dit proces wordt voor elke primaire kleur herhaald. De productiemethode van kleurenfilters lijkt dus sterk op chipproductie.

Sommige pixels hebben naast rode, groene en blauwe pixels ook een wit filter. Dat moet vooral bij oledschermen, waar de helderheid vaak achterblijft vergeleken met lcd-schermen met backlight, een hogere lichtintensiteit opleveren. Een kleurenfilter reduceert immers een aanzienlijk deel van de lichtintensiteit en wanneer een oled lichte, naar wit neigende kleuren weer moet geven, moeten alle rgb-subpixels aan het werk. Door witte subpixels te gebruiken wordt minder licht 'verspild' en blijft meer helderheid over.

Ook de vorm en afmetingen van de individuele subpixels verschilt per fabrikant en beeldschermtype. Bij oledschermen voor smartphones worden de blauwe subpixels bijvoorbeeld groter gemaakt, omdat die wat harder slijten. Met meer blauw in een pixel kan het blauwe kanaal dus wat minder hard aangestuurd worden en toch dezelfde lichtopbrengst leveren. Een mooi voorbeeld daarvan zijn de Diamond Pixel-oledschermen die Samsung voor smartphones maakt. En grote oledschermen van LG hebben op hun beurt, naast de drie primaire kleuren, nog een witte subpixel om de helderheid te boosten.

Een VA-paneel van de Sony Bravia XR-65X90K heeft een rgb-structuur waarbij elke subpixel weer uit acht kleinere elementen bestaat. Zoals we bij VA-panelen zagen, leveren dergelijke subdomeinen betere kijkhoeken op. LG's ips-paneel in de UQ9000-tv heeft smalle parallelle, schuine subelementen in zijn rgb-subpixels en zo zijn er veel verschillende subpixelindelingen.

Tot slot

We willen nog even enkele praktische zaken aanhalen, zoals scaling van je beeld en de bandbreedte van interfaces en de daarmee gepaard gaande beperkingen van resolutie en kleurweergave.

We beginnen met resoluties en scaling. Stel: je hebt net een spiksplinternieuw 4k-scherm gekocht, maar je komt erachter dat de lettertjes van Windows veel te klein zijn om comfortabel te lezen. Een nadeel van lcd- en oledschermen is dat ze maar één echte, of native, resolutie hebben: dat is simpelweg het aantal pixels dat ze hebben. Een crt kon vroeger meerdere resoluties weergeven zonder zichtbare artefacten. Je kon dus de resolutie simpelweg van 1024x768 terugschroeven naar 800x600, zonder lelijke neveneffecten. Bij een modern scherm is het aanpassen van de resolutie tot op zekere hoogte mogelijk, met behulp van een techniek die scaling heet.

Perfect wordt dat vaak niet, omdat meerdere pixels moeten samenwerken om een virtuele, grotere pixel te maken. Stel bijvoorbeeld dat je een 1440p-scherm hebt en 1080p wil weergeven. Dat betekent dat elke pixel van het 1080p-beeld door 4/3 pixel van het 1440p-scherm moet worden weergegeven. Dat is, ondanks ingewikkelde algoritmes om kleurverlopen netjes te berekenen, zelden zo mooi als 1:1-pixelmapping. Mogelijk worden randjes van vooral tekst onduidelijker. Windows en MacOS bieden daarom een optie om de native resolutie van het scherm te handhaven en alleen de tekst groter te maken.

Bandbreedte

Als laatste puntje halen we de bandbreedte van je beeldscherminterface aan. Het is vanzelfsprekend dat hogere resoluties meer gegevens van een aangesloten apparaat vergen. Zonder naar kleuren te kijken, is het al logisch dat de ongeveer twee miljoen pixels van een 1080p-scherm minder data vergen dan de dik acht miljoen pixels van een 4k-scherm. Dat aantal pixels moet vermenigvuldigd worden met de verversingssnelheid van het scherm en de kleurdiepte. Zo vraagt een 1440p-scherm op 120Hz met 24bit kleur, 8 bit per kleur, ongeveer 11,59Gbit/s bandbreedte. Als je een HDMI 1.4b-aansluiting hebt, beschik je over slechts 8,16Gbit/s aan bandbreedte. In dat geval zal je beeld dus niet zonder (kleur)compressie kunnen worden weergeven. In dat geval wordt chroma-subsampling toegepast, waarmee je wat kleurinformatie mist.

Met een HDMI 2.0(b)-aansluiting beschik je wel over voldoende bandbreedte, aangezien die interface een bandbreedte van 14,4Gbit/s heeft. Wil je op hetzelfde scherm echter HDR10-content weergeven, dan is ook die HDMI 2.0-interface onvoldoende. HDR10 maakt namelijk gebruik van 30bit-kleuren, of 10bit per kleurkanaal, wat in een hogere bitrate van 14,49Gbit/s resulteert. Het is dus zaak je beeldscherm of tv, de aansluitingen en de kabels, af te stemmen op het aan te sluiten apparaat, of dat nu een videokaart of een console is.

Reacties (17)

[Hayamimi]

De auteur heeft een objectief, beknopt en desondanks meestal accuraat artikel geschreven over de huidige (TV) technologie. Hulde aan de auteur en dat van iemand die in de afgelopen 25 jaar bijgedragen heeft aan de ontwikkeling van de meeste technologieën beschreven in het artikel.
Een kleine opmerking: de technologie van AUO en dat van de meeste VA LCD fabrikanten is gebaseerd op polymer-stabilized VA (PSVA). Het is geïndustrialiseerd door AUO, maar uitgevonden door Fujitsu en Merck KGaA. Zelfs Samsung besloot rond 2010 voor deze vorm van LCD. Afgezien van OLED, heeft PSVA een 70% marktaandeel in LCD-TV.

[Degrader]

Op zich een interessant artikel, maar het is wel redelijk taaie kost. Ik denk dat je het wat smeuïger had kunnen maken door concrete praktijkvoorbeelden te laten zien, bijvoorbeeld door middel van foto's hoe de kleuren veranderen bij TN onder een hoek, black crush optreedt bij VA in donkere delen, IPS-glow onder een diagonale kijkhoek, hoe gosting en overshoot eruit ziet, backlight bleed, etc. En ook door de verschillende type panelen direct met elkaar te vergelijken. Dat zou de taaie kost relevanter maken.

[Reactie gewijzigd door Degrader op 23 juli 2024 11:07]

[xvisor]

Goed artikel met veel informatie waar je toch nog redelijk goed door kunt komen. Dank!

[Van der Berg]

Goed artikel en informatief. Leuk om alle technieken van het beeldscherm te lezen en de verschillen onderling. Ik heb bijna altijd IPS panelen gehad als het gaat om monitoren. In het begin nog TN. In de toekomst wil ik een OLED monitor.

Er zijn nog onderlinge verschillen in IPS. Mijn huidige monitor dat ik afgelopen december 2021 kocht. De monitor heeft een speciale ontworpen IPS paneel dat ervoor moet zorgen, dat het nog sneller is dan een reguliere IPS paneel. Mijn monitor een GIGABYTE M32U 32-inch 4K resolutie met 144Hz refresh rate HDMI 2.1. Gigabyte noemt het paneel SS-IPS

[Reactie gewijzigd door Van der Berg op 23 juli 2024 11:07]

[dmantione]

Wat het artikel nog overgeslagen heeft is de passieve matrix TN. In praktijk werd een paneel voorzien van twee passieve matrixen (ieder een helft) omdat één matrix veel te trage refresh zou opleveren en dat waren dan de DSTN-schermen. Als je 2e helft jaren '90 een laptop kocht moest je kiezen tussen DSTN en TFT, feitelijk een keus tussen (dubbele) passieve matrix en actieve matrix. DSTN-schermen waren retetraag en verkleurden enorm onder een hoek.

[uiltje]

Idd, nog erger dan een "active matrix" TN scherm al doet. Dit is ook de reden waarom je "mouse trails" aan kon zetten, want als je dat niet deed dan was je met 1 beweging de pointer en/of cursor kwijt. Bagger slechte schermen, ik heb er misschien 1 of 2 verkocht zien worden toen ik in een computer showroom werkte, ik schaamde me er gewoon voor, maar het scheelde best wel veel centen.

Momenteel help ik mensen help om in ieder geval geen TN scherm te kopen - en al helemaal niet in een "convertable" zoals een Lenovo Yoga. Een tablet met een dik scherm en slechte inkijkhoeken - veel kijkplezier gewenst

[Roel1966]

Interessant artikel en goed geschreven met veel achtergrond info die altijd handig is om te weten dus daarvoor al een compliment aan de redacteur.

Zelf ben ik nog steeds het meest gecharmeerd van de inmiddels misschien al ietwat verouderde IPS schermen puur qua techniek gezien dan. TN panels heb ik altijd zoveel mogelijk vermeden vooral wanneer ik dan denk aan vele laptops met die onmogelijke schermen. Vooral vind ik de kijkhoeken erg hinderlijk en je eigenlijk nooit echt optimale kleuren krijgt.

[NiGeLaToR]

Fijn artikel en goed geschreven.

Tip voor de lezers: met je smartphone kun je met oa de slowmotion modes en de macro mode gedrag en vorm van leds, van huis verlichting tot beeldscherm zien.

Met 240fps op de iPhone kun je gedrag van leds bij (local) dimming bijvoorbeeld volgen. Immers: minder licht door minder lang aan. Werkt ook met je tafellamp en led dimmer. Ook de vorm van de pixels is zo te fotograferen met je macrofunctie - al zijn pixels in veel hoge dpi schermen wellicht wat te klein.

[Phoenixcore]

Goed en duidelijk verhaal. Informatief. Klein puntje, je hebt het over de primaire kleuren rood, groen en blauw. Maar de primaire kleuren zijn rood, geel en blauw. Er zijn redenen waarom groen gebruikt wordt, maar het blijft een feit dat groen niet een primaire kleur is.

[dmantione]

Dat klopt niet. Je haalt additieve kleurmenging en subtractieve kleurmenging door elkaar. Bij beeldschermen is sprake van additieve kleurmenging en zijn rood, groen en blauw echt de primaire kleuren.

Bij subtractieve kleurmenging zoals je doet bij printen zijn magenta, geel en cyaan de primaire kleuren, maar vaak worden in praktijk ook rood, geel en blauw als primaire kleuren gebruikt. Dat levert wat verlies van kleurenbereik op maar werkt verder ook.

[divvid]

Leuk artikel, maar welke technologie levert nu de meest accurate kleuren op voor bv video en foto bewerking. Local Backlight dimming kan invloed hebben op de te bewerken content. Is oled beter dan ips?

[Reactie gewijzigd door divvid op 23 juli 2024 11:07]

[Superstoned]

Veel daarvan hangt weer af van de kleur ruimte die je wilt weergeven, en de kalibratie. Op zich kan elk beeldscherm wel super accuraat zijn maar je bent altijd beperkt tot de kleuren die het weer kan geven… en de precisie, maar daar valt redelijk tegen te kalibreren.

[Airlock NL]

Mooi artikel! Zeer interessant om de verschillende technieken te kunnen begrijpen.

[Cybor]

Interessant artikel!
Het plaatje bij de verschillende backlights bevat een typo: Direct View LED backlight is uiteraard niet een (OLED) maar (DLED) Display.