Sección Especial: IX Congreso Nacional del Color
Estabilidad temporal y reproducción del color en pantallas planas LCD con
iluminación posterior fluorescente y AMOLED
Temporal stability and colour reproduction in fluorescent backlight LCD
and AMOLED flat panel displays
Antonio M. Pozo-Molina
(*,S), José J. Castro-Torres
(S), A. Manuel Rubiño-López
(S)Departamento de Óptica, Universidad de Granada, España.
(*) Email: ampmolin@ugr.es S: miembro de SEDOPTICA / SEDOPTICA member Recibido / Received: 16/07/2010. Versión revisada / revised versión: 22/10/2010. Aceptado / Accepted: 25/10/2010
RESUMEN:
Hasta hace poco tiempo la tecnología desarrollada para las pantallas electrónicas estaba basada casi exclusivamente en el tubo de rayos catódicos (CRT, Cathode Ray Tube). Actualmente esta tecnología está siendo sustituida rápidamente por otras como la basada en moléculas de cristal líquido (LCD, Liquid Crystal Display) o las basadas en LED orgánicos (OLED, Organic Light Emitting-Diodes) o plasma. Este rápido cambio tecnológico exige que se analicen y comparen las características radiométricas, fotométricas y colorimétricas de estas nuevas pantallas. En este trabajo se estudian y comparan diferentes aspectos de dos tipos de pantallas planas: LCD (Liquid Crystal Display) con iluminación posterior mediante lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL, cold-cathode fluorescent lamp) y AMOLED (Active-Matrix Organic Light Emitting-Diode). Se ha estudiado la variación temporal de la luminancia y coordenadas de cromaticidad de las imágenes presentadas, aspecto esencial para una posterior calibración colorimétrica de las pantallas. Se presentan también las curvas de radiancia espectral de los primarios RGB para cada una de las pantallas, evaluándose la hipótesis de aditividad, la razón de contraste y las diferencias de color CIELAB en estado de emisión estable. Finalmente, se comparan las gamas de color producidas por las dos pantallas, lo que nos permite obtener información sobre su capacidad de reproducción cromática.
Palabras clave: Pantallas LCD, Pantallas AMOLED, Estabilidad Temporal, Radiancia Espectral, Reproducción del Color, Razón de contraste.
ABSTRACT:
Until recently the technology developed for electronic displays was almost exclusively based on the cathode ray tube (CRT). Nowadays, this technology is quickly being replaced by others such as those based on liquid crystal displays (LCD) or based on organic light emitting-diodes (OLED) or plasma. This rapid technological replacement requires that the radiometric, photometric and colorimetric characteristics of these new displays are analysed and compared. In this work, different aspects of two types of flat panel displays are studied and compared: LCD with cold-cathode fluorescent lamp (CCFL) and AMOLED (Active-Matrix Organic Light Emitting-Diode). The temporal variation of the luminance and the chromaticity coordinates of the images presented have been studied, which is a key element for the posterior colorimetric calibration of the displays. Also the spectral-radiance curves of the primaries RGB for each display, the assessment of the hypothesis of additivity, the contrast ratio and the CIELAB colour differences at stable emission conditions are presented. Finally, the colour gamuts of both displays are compared, allowing us to obtain information about its chromatic reproduction capacity.
REFERENCIAS Y ENLACES
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1. Introducción
Actualmente, las pantallas LCD (Liquid Crystal Display) continúan reemplazando con gran éxito a la CRT (Cathode-Ray Tube) [1]. Son numerosos los dispositivos electrónicos que hoy día incorporan pantallas LCD, como ordenadores portátiles o de sobremesa, teléfonos móviles, cámaras digitales, o televisores [2].
Por otra parte, una tecnología aún más reciente, la tecnología basada en los OLED (Organic Light Emitting-Diode) [3-6] ha emergido como una de las más prometedoras para su uso en pantallas planas de pequeño y gran tamaño, gracias a ventajas como un amplio ángulo de visión, o el propio mecanismo que poseen de emisión de radiación [7]. Sin embargo, es necesario mejorar aún algunos aspectos como la eficiencia en la conversión de potencia, vida media [8] o degradación desigual de los colores tras un tiempo de uso del dispositivo [9], aspectos esenciales para que pueda imponerse en el mercado a otras tecnologías.
A diferencia de las pantallas LCD, que están compuestas de moléculas de cristal líquido, la OLED está formada por moléculas orgánicas que conducen la electricidad. Esencialmente, la estructura OLED consiste en una capa de moléculas
orgánicas, una capa eléctricamente conductora, un sustrato y dos terminales para el ánodo y cátodo. Cuando se aplica un voltaje entre los electrodos de la estructura, las moléculas orgánicas son capaces de emitir radiación [3]. De manera similar a la clasificación que se hace en las pantallas LCD, las OLED pueden ser de matriz pasiva (PMOLED) o activa (AMOLED, Active-Matrix Organic Light Emitting-Diode); en esta última se utiliza tecnología TFT (Thin-Film Transistor) que permite activar o desactivar cada píxel de la pantalla individualmente.
propiedad de aditividad en los valores triestímulo, y se presentan los resultados de la razón de contraste y las diferencias de color CIELAB en estado de emisión estable. Finalmente, se comparan las gamas de color producidas por los dos dispositivos lo que nos permite obtener información sobre su capacidad de reproducción cromática.
2. Materiales y método experimental
Las pantallas analizadas han sido una LCD de un ordenador portátil con iluminación posterior fluorescente (CCFL) y una pantalla AMOLED de un reproductor multimedia portátil. Las características de la LCD son: 15,4” de diagonal, 1280x800 píxeles y una razón de aspecto de 8:5. La AMOLED tiene 2,8” de diagonal, 320x240 píxeles y una razón de aspecto de 4:3.
Para las medidas se utilizó un espectrorradiómetro modelo SpectraScan PR-650 de PhotoResearch, enfocando el campo de medida sobre una región circular de 5 mm de diámetro situada en el centro de cada pantalla. En todos los casos las medidas se realizaron con el eje óptico del instrumento orientado según la normal al plano de la pantalla. En primer lugar se realizó un estudio sobre la estabilidad temporal de las pantallas, presentando un patrón blanco de máxima luminancia, con valores digitales (255, 255, 255) en los canales (R, G, B). Para ello, estabilizando la alimentación eléctrica de los dispositivos y desde el instante inicial de encendido de cada pantalla, se tomó la lectura del valor de la luminancia y las coordenadas de cromaticidad cada 2 minutos, durante un período de 220 minutos. Una vez estimado el tiempo de estabilización de las pantallas, se obtuvo la radiancia espectral de ambas en el intervalo de 380 a 780 nm, en pasos de 4 nm. Finalmente, se midió la radiancia espectral para los tres canales R, G y B en condiciones de máxima luminancia, presentando en las pantallas un patrón rojo de valores digitales (255, 0, 0), uno verde (0, 255, 0) y otro azul (0, 0, 255). En cada serie de medidas cada patrón ocupaba la totalidad de cada pantalla.
3. Resultados y discusión
En la Fig. 1 se muestra la variación de la luminancia (en valor absoluto y tanto por ciento) en intervalos de 2 minutos para las pantallas LCD y
AMOLED desde el instante de encendido. La variación de luminancia se muestra referida respecto del valor medio obtenido a partir de 25 minutos desde el encendido (136 cd/m2 para la LCD y 126 cd/m2 para la AMOLED). Es interesante notar cómo en el caso de la pantalla LCD la variación de luminancia en los primeros minutos desde el encendido es considerablemente mayor que en el caso de la AMOLED, cuya variación de luminancia es inferior al 2% a partir de los 2 minutos del encendido. Esto es debido, principalmente, al tipo de iluminación de la pantalla LCD, que en este caso se trata de iluminación posterior con lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL, cold-cathode fluorescent lamp). En efecto, la pantalla LCD presentará una luminancia estable cuando se haya estabilizado la emisión de las lámparas fluorescentes. La pantalla AMOLED, sin embargo, requiere menor tiempo de estabilización en su emisión, ya que no posee un sistema de iluminación posterior [5]. Con respecto a las coordenadas de cromaticidad (x, y), el valor promedio y desviación para el patrón blanco fue (0,3161±0,0001; 0,3477±0,0002) para la LCD y (0,3246±0,0001; 0,3175±0,0001) para la AMOLED. En los dos casos la desviación en los valores de las coordenadas de cromaticidad fue inferior al valor de incertidumbre de las medidas.
0 2 4 6 8 10 12
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Tiempo (min)
Va
riaci
ó
n de
lu
m
inan
ci
a (
%
) LCD
AMOLED
Fig. 1. Variación temporal de luminancia (%) de las pantallas LCD y AMOLED desde el instante de encendido.
LCD
0 0,002 0,004 0,006 0,008
380 480 580 680 780
Longitud de onda (nm)
Ra
di
a
n
ci
a es
pe
ct
ra
l (
W
/s
r m
^2)
Canal R Canal G Canal B
AMOLED
0 0,002 0,004 0,006 0,008
380 480 580 680 780
Longitud de onda (nm)
Ra
di
a
n
ci
a es
pe
ct
ra
l (
W
/s
r m
^2)
Canal R Canal G Canal B
Fig. 2. Radiancia espectral de las pantallas LCD y AMOLED para los canales R, G y B.
que la radiancia que presenta la LCD en el canal rojo es prácticamente nula a partir de 640 nm, mientras que en el caso de la AMOLED el rango espectral correspondiente al canal rojo es mayor, presentando su máximo en 624 nm.
Para comprobar la propiedad de aditividad se ha comparado la suma de los valores triestímulo de los canales R (255, 0, 0), G (0, 255, 0) y B (0, 0, 255), con los valores triestímulo del blanco (255, 255, 255) presentado en cada pantalla. En el caso de la AMOLED (Tabla I), se obtuvieron valores superiores sumando los tres canales, en comparación con los valores triestímulo correspondientes al patrón blanco presentado en la pantalla. Las diferencias fueron de 7,1%, 6,4% y 4,8% para X, Y, Z, respectivamente.
TABLA I
Valores triestímulo del blanco y de la suma de los primarios RGB para la pantalla AMOLED.
Valores
triestímulo (R+G+B) Suma Blanco Diferencia
X 141,8 131,7 7,1%
Y 137,9 129,1 6,4%
Z 152,0 144,6 4,8%
Este hecho aparece también reflejado en las curvas de radiancia espectral (Fig. 3): la radiancia espectral obtenida mediante la suma de las radiancias espectrales de los canales R, G y B de la
Fig. 2, es superior a la radiancia espectral correspondiente al patrón blanco.
Para la pantalla LCD la radiancia espectral obtenida mediante la suma de las radiancias espectrales de los canales R, G y B es similar a la radiancia espectral correspondiente al patrón blanco (Fig. 4). Además, se obtuvieron valores superiores para el blanco presentado en la pantalla, y diferencias de 0,8%, 0,6% y 0,5% para X, Y, Z, respectivamente (Tabla II). Por tanto, y para los valores digitales utilizados para los canales R, G y B, la pantalla LCD presentó mejor aditividad que la AMOLED.
AMOLED
0,000 0,001 0,002 0,003 0,004
380 480 580 680 780
Longitud de onda (nm)
R
adianc
ia es
p
e
ct
ra
l (
W
/s
r m
^2)
Blanco R+G+B
Fig. 4. Comparación entre la radiancia espectral del patrón blanco y la obtenida a partir de la suma de las radiancias espectrales de los canales R, G y B de la pantalla LCD.
El hecho de que la pantalla AMOLED presente unos valores triestímulo inferiores para el patrón blanco en comparación con los valores triestímulo obtenidos sumando los tres canales, indica que hay una pérdida de eficiencia óptica cuando los tres canales están actuando simultáneamente, posiblemente debido a un aumento de la temperatura. En el presente trabajo se ha utilizado una pantalla AMOLED basada en la tecnología de subpíxeles, en la que cada píxel de la pantalla está compuesto de seis subpíxeles, dos para cada canal. Pero existe otra tecnología en pantallas AMOLED no basada en subpíxeles, y que utiliza un único tipo de diodo OLED de emisión blanca, combinado con tres filtros de color para producir los primarios R, G y B [5]. Esta última tecnología basada en filtros es, en este sentido, parecida a la utilizada en pantallas LCD con iluminación posterior. Podría ser, por tanto, interesante, comprobar la propiedad de aditividad en este tipo de pantallas AMOLED, y comparar los resultados obtenidos con la AMOLED basada en subpíxeles. Se podría ampliar el estudio, además, a pantallas LCD con iluminación posterior basada en LED.
TABLA II
Valores triestímulo del blanco y de la suma de los primarios RGB para la pantalla LCD. Valores
triestímulo
Suma
(R+G+B) Blanco Diferencia
X 122,4 123,4 0,8%
Y 134,8 135,6 0,6%
Z 130,8 131,4 0,5%
Una vez estabilizada la emisión de las pantallas, se realizaron 20 medidas consecutivas de las coordenadas de cromaticidad y la luminancia para el patrón blanco y cada uno de los canales R, G y B. A partir de dichos valores se ha calculado la diferencia de color en el espacio CIELAB a partir de las coordenadas L*, a*, b* de cada medida y el valor medio de L* a* b*. En la Tabla III se comparan los resultados obtenidos para las dos pantallas.
Como se puede observar en la Tabla III, la pantalla LCD presenta una mayor dispersión en términos de diferencia de color, expresada en mayores valores de incertidumbre en comparación con la pantalla AMOLED. Estos valores también pueden analizarse teniendo en cuenta el hecho de que la mínima diferencia de color que puede percibir el sistema visual humano es de una unidad CIELAB. Así pues, considerando las diferencias de color y sus incertidumbres, en el caso de la pantalla AMOLED este valor no es superado en ningún caso; en cambio, para la pantalla LCD se supera el valor de una unidad CIELAB en los canales R y G, en los que además se obtienen valores elevados en la incertidumbre de la diferencia de color.
Otro parámetro importante en la caracterización de pantallas es el contraste. La razón de contraste se evaluó para las dos pantallas según la norma internacional IEC 62341-6-1 para pantallas OLED [10]. Para ello se midió la luminancia de cada pantalla para un patrón blanco con valores digitales (255, 255, 255) y un patrón negro (0, 0, 0). En cada caso el patrón ocupaba la totalidad de la pantalla. La razón de contraste se obtuvo como el cociente entre la luminancia obtenida con el patrón blanco y la correspondiente al negro [10]. Los resultados se muestran en la Tabla IV.
TABLA III
Diferencia de color de 20 medidas consecutivas y el valor medio de L* a* b*.
∆E*
ab Blanco R G B
AMOLED 0,25±0,13 0,5±0,3 0,4±0,4 0,14±0,08 LCD 0,3±0,3 2±4 1,5±1,5 0,6±0,7
TABLA IV
Comparación entre los valores de luminancia de los patrones blanco y negro para las dos pantallas. Se
muestra también la razón de contraste.
L blanco
(cd/m2) (cd/mL negro2) Razón de contraste
AMOLED 129 0,001 129000:1
Es interesante notar el valor tan pequeño de luminancia para el patrón negro presentado en la pantalla AMOLED. Hay que tener en cuenta, además, que la sensibilidad en luminancia del espectrorradiómetro utilizado (SpectraScan PR-650) es 0,001 cd/m2; por tanto, la luminancia del negro para la AMOLED podría ser aún menor que el valor proporcionado por dicho espectrorradiómetro. Con respecto a la razón de contraste, la pantalla AMOLED presentó un valor 196 veces superior al de la pantalla LCD.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 x
y
CIE 1931 (2º) AMOLED LCD
Fig. 5. Gamas de color de las pantallas LCD y AMOLED en el espacio CIE 1931.
Finalmente, en la Fig. 5 se muestran las representaciones de las gamas de color de cada pantalla en el espacio CIE 1931 para observador estándar de 2º, obtenidas en condiciones de luminancia máxima para cada canal. Es interesante observar cómo el triángulo que representa la gama de color de la pantalla AMOLED prácticamente contiene al de la pantalla LCD, excepto en las proximidades del primario azul, por lo que en las condiciones experimentales especificadas la pantalla AMOLED permitiría reproducir un mayor número de colores que la pantalla LCD analizada. En el caso de la pantalla LCD, las propiedades colorimétricas dependen principalmente del tipo de iluminación posterior y de los filtros de color. La gama de color de las pantallas LCD se puede mejorar consiguiendo primarios de mayor pureza mediante una selección apropiada de los filtros de color, utilizando más de tres primarios o cambiando el tipo de iluminación posterior [1]. El uso de filtros
de color con un ancho de banda estrecho podría presentar, sin embargo, algunos inconvenientes; en efecto, la luminancia de la pantalla sería menor y, por tanto, sería necesario un mayor número de lámparas, con el consiguiente mayor coste de la pantalla y mayor consumo de potencia. Otra solución para mejorar la gama de color de las pantallas LCD consiste en utilizar más de tres primarios [11]. Finalmente, también se puede utilizar un tipo de iluminación posterior diferente al fluorescente, por ejemplo LED [12], que permiten ampliar la gama de color gracias al estrecho ancho de banda que poseen.
4. Conclusiones
En este trabajo se ha realizado un estudio comparativo de dos pantallas planas, una LCD y una AMOLED. Los resultados han mostrado que la pantalla AMOLED presenta desde el instante de encendido una emisión más estable que la pantalla LCD. Las medidas realizadas con un espectrorradiómetro han puesto de manifiesto diferencias importantes en la radiancia espectral de cada una de ellas, destacando la máxima emisión en 544 nm de la pantalla LCD. El máximo de radiancia del canal verde de la pantalla AMOLED es sin embargo menor que los correspondientes a los canales rojo y azul. Una vez alcanzado el estado de emisión estable de las pantallas, la diferencia de color para cada canal R, G y B entre medidas sucesivas no supera en ningún caso una unidad CIELAB en la pantalla AMOLED, mientras que en la LCD se supera dicho valor en los canales R y G. Con respecto a la razón de contraste, la AMOLED presenta un valor muy superior a la LCD (196 veces mayor); sin embargo, se obtienen mayores desviaciones en la aditividad de los valores triestímulo en comparación con la pantalla LCD, siendo en ésta mínimas. Finalmente, el estudio de las gamas de color ha mostrado que la pantalla AMOLED permite representar un mayor número de colores que la pantalla LCD en las condiciones experimentales de medida.
Agradecimientos
