Sony представила на проходившей в Лас-Вегасе выставке CES 2013 первый серийно выпускаемый ЖК-телевизор, в подсветке которого используются квантовые точки. Среди преимуществ Sony KD-65X9000A указывают снижение потерь яркости и её расширенный диапазон, улучшенную цветопередачу и более низкое энергопотребление. Вскоре такой подсветкой будут оснащены и другие модели серии Bravia.

Сравнение Sony KD-65X9000A с телевизором, использующим традиционную подсветку. Разница видна даже на фотографии с цветовым пространством sRGB и JPEG компрессией (фото: James Rivington / TechRadar)
Сравнение Sony KD-65X9000A с телевизором, использующим традиционную подсветку. Разница видна даже на фотографии с цветовым пространством sRGB и JPEG компрессией (фото: James Rivington / TechRadar)

На фоне других впечатляющих характеристик, главной из которых считается поддержка формата сверхвысокой чёткости 4K UHDTV (разрешение 3840×2160), долгожданная модернизация системы подсветки и появление нанотехнологий в быту чуть было не остались незамеченными.

Квантовыми точками называют наночастицы полупроводниковых материалов, носители заряда в которых ограничены в пространстве по всем направлениям. До сих пор их сфера применения ограничивалась узкоспециализированным оборудованием и лабораторными исследованиями. Принести их в широкие массы удалось благодаря совместным усилиям крупнейших производителей ЖК-панелей и компании QD Vision. Суть применения квантовых точек в светодиодных источниках поясняется в этом ролике.

QD Vision была основана в 2004 году группой сотрудников Массачусетского технологического института под руководством профессора Владимира Буловича (Vladimir Bulovic). Ранее коллектив исследователей занимался разработкой методов применения квантовых точек в качестве альтернативы флуоресцентным органическим красителям для маркировки, визуализации и мониторинга биологических систем.

После обретения самостоятельности возникла идея расширить сферу применения за счёт ЖК-дисплеев. В 2009 году (ещё на стадии первичного тестирования) компания получила ежегодную премию «Инновационные технологии» от редакции The Wall Street Journal. В ходе развития концепции её рабочее название неоднократно менялось. Были предложены варианты Quantum Light и Quantum Dots. Текущая реализация у Sony считается частью фирменной технологии Color IQ и упоминается под названием Triluminos.

Прототип 4" дисплея с активной матрицей на квантовых точках (фото: Samsung)
Прототип 4″ дисплея с активной матрицей на квантовых точках (фото: Samsung)

Переход от лабораторной стадии к апробации в промышленных условиях происходил при активном участии крупных компаний.

В 2010 году технология называлась QLED (Quantum dot LED) и развивалась совместно с LG.

Затем в 2011 году совместно с Samsung был изготовлен первый прототип полноцветного дисплея с диагональю 4 дюйма, но дальше прототипа тогда дело не пошло.

Развитие застопорилось из-за того, что первоначально идея заключалась в изготовлении из квантовых точек непосредственно субпикселей матрицы дисплея.

Предполагалось управлять ими при помощи тонкоплёночных транзисторов на основе индия, галлия и оксида цинка. Однако технология оказалась слишком сложной и пока неоправданно затратной для массового производства экранов с большим разрешением.

С подобными проблемами фирмы сталкивались и ранее при реализации идеи выпуска дисплеев на светодиодных триадах. Ещё до инициативы QD Vision производителями было принято решение ограничиться на данном этапе использованием светодиодов в ЖК-экранах для подсветки матрицы. Коллектив QD Vision решил пойти тем же путём и сосредоточил усилия на её оптимизации.

В классической подсветке ЖК-экрана используется флуоресцентная лампа или «белые» светодиоды. Вопреки устоявшемуся мнению, обычная светодиодная подсветка никак не улучшает характеристики изображения. Она лишь позволяет снизить энергопотребление и уменьшить толщину корпуса.

Цветовой охват у экранов на светодиодных триадах, в стандарте NTSC 1953 и у дисплеев с LED и CCFL подсветками
Цветовой охват у экранов на светодиодных триадах, в стандарте NTSC 1953 и у дисплеев с LED и CCFL подсветками

Применяемые люминофорные светодиоды испускают свет в синей области. Он становится визуально белым после смешивания с жёлтым, возникающим от вторичного излучения слоя фосфора. Для получения на экране из такого «грязного» белого света необходимых пропорций красного, синего и зелёного требуется применять светофильтры. В зависимости от разновидности матрицы они могут иметь довольно сложную конструкцию и иметь свыше десятка слоёв, что существенно ослабляет световой поток.

Возникает дилемма: при узкой полосе пропускания фильтры вызывают сильное падение яркости, а при широкой – искажают цвета. Приходится искать баланс между точностью и глубиной цветопередачи с одной стороны и яркостью/мощностью подсветки с другой.

Использование квантовых точек позволяет изначально смешивать для получения белого чистые цвета и частично решить указанную проблему. Монохроматические источники в подсветке упрощают конструкцию светофильтров и позволяют сделать их более избирательными без серьёзного ущерба для яркости.

Свечение коллоидных растворов квантовых точек селенида кадмия различного диаметра. В верхней части снимок в УФ-спектре; в нижней - в смешанном белом свете ~ 4200 K
Свечение коллоидных растворов квантовых точек селенида кадмия различного диаметра. В верхней части снимок в УФ-спектре; в нижней — в смешанном белом свете ~ 4200 K

В технологии QD Vision главную роль играет уже не флуоресценция, а фосфоресценция. После облучения синими светодиодами наночастицы селенида кадмия испускают свет с точно определённой длиной волны. В пределах всего диапазона видимого света нужный цвет может задаваться размером частицы без изменения характеристик основного источника. Излучаемый квантовыми точками свет меняется от фиолетового до красного по мере увеличения их размеров.

К примеру, при облучении синим наночастицы селенида кадмия диаметром порядка 6 нм испускают чистый красный свет, а около 4 нм – зелёный. Связано это с тем, что более крупная частица может испускать фотоны с меньшей энергией (то есть свет с большей длиной волны). На практике для подсветки матрицы нужны квантовые точки всего двух размеров (соответствующие красному и зелёному), так как синий уже излучается светодиодами.

Нужный оттенок на экране по-прежнему получается за счёт смешения основных цветов, но уже без получения паразитных полутонов. В итоге заметно повышается точность цветопередачи и расширяется цветовой охват.

В этом ролике используется обычный трюк с изменением насыщенности цвета, но как иначе показать разницу, если смотреть его будут в основном на более примитивных дисплеях?

На презентации говорилось о том, что благодаря подсветке на квантовых точках удалось существенно расширить цветовой охват. По предварительным данным, в новых телевизорах он будет близок к 100 процентам NTSC, в то время как большинство моделей с обычной подсветкой демонстрирует порядка 70 процентов NTSC, едва покрывая диапазон sRGB.

Цветовой охват телевизоров с подсветкой на квантовых точках (кадр из презентации QD Vision)
Цветовой охват телевизоров с подсветкой на квантовых точках (кадр из презентации QD Vision)

Разумеется, на точность цветопередачи влияет калибровка конкретной модели. Занятно, что название новой технологии подсветки у Sony совпадает с названием теста для проверки цветового восприятия и калибровки монитора – Color IQ. Пройти его и оценить настройки отображения любого экрана можно здесь.

У телевизоров и мониторов нет жёстких ограничений по габаритам, чего не скажешь о мобильной технике. Добиться в ней столь же качественной картинки гораздо сложнее. Ситуация должна кардинально улучшиться уже в 2013 году. QD Vision заключила соглашение с Nanosys, и вскоре подсветкой на квантовых точках обзаведутся ноутбуки и планшеты.

В целом ЖК-экраны с подсветкой на квантовых точках получились близкими по характеристикам к OLED-дисплеям. Они лишь немного уступают им в контрастности, но стоят значительно дешевле.

Если первое впечатление новые телевизоры производят крайне благоприятное, то как изменится качество картинки со временем, пока неизвестно. В прототипах после 10 000 часов отмечалось значительное падение яркости, но представители QD Vision уверяют, что в серийных устройствах эту проблему уже устранили.