Technologia wyświetlaczy o obrazie czytelnym w świetle słonecznym

Ponieważ coraz więcej procesów przemysłowych jest sterowanych za pośrednictwem interfejsów HMI (human-machine interface = interfejs człowiek maszyna), rosną wymagania rynkowe wobec zastosowań wyświetlaczy LCD czytelnych w pełnym świetle dziennym. Urządzenia tego typu są stosowane przede wszystkim w zakładach petrochemicznych i zakładach oczyszczania ścieków.

Istnieją różne sposoby konstrukcji wyświetlacza LCD, którego obraz byłby czytelny w świetle słonecznym lub w pełnym świetle dnia na wolnym powietrzu. Widzialność zawartości ekranu w świetle słonecznym zależy od różnicy pomiędzy "luminancją" a "iluminacją" wyświetlacza. Luminancja oznacza jaskrawość wyświetlanego obrazu. Jest to ilość energii świetlnej emitowana z jednostki powierzchni ekranu (wyrażana w cd/m2). Iluminacja to ilość energii świetlnej z otoczenia padającej na ekran oświetlacza. Czytelność obrazu zależy od ilości światła odbijanego przez ekran.
Najprostszym sposobem zwiększenia czytelności obrazu jest zwiększenie jego jaskrawości. Standardowy ekran emituje 350 cd/m2. Oferowane są na rynku ekrany osiągające 8000 cd/m2. Rezultat jest dobry, lecz z powodu zastosowania dodatkowych lamp ekrany LCD o dużej jaskrawości maja poważne wady obejmujące duże zużycie energii, nadmierną ilość wytwarzanego ciepła, zwiększone wymiary, problemy z niezawodnością układu elektrycznego i skróconą żywotność diod LCD.
Drugą możliwą opcją jest technologia ekranów odblaskowo-przezroczystych (transreflektywnych). Niektóre wyświetlacze LCD typu TFT mogą pracować w odbiciowym trybie oświetlenia pozbawionym wad oświetlenia transmisyjnego. Po wymuszeniu działania w trybie odbiciowym tak zmodyfikowane ekrany LCD mogą odbijać światło padające z otoczenia, które przeszło przez warstwę diod LCD i wykorzystywać to odbite światło w roli oświetlenia matrycy LCD. Im większe natężenie ma światło dochodzące z otoczenia, tym jaśniejszy wydaje się ekran wyświetlacza LCD. W wyniku tego obraz na ekranie tak zmodyfikowanego wyświetlacza LCD jest widoczny we wszystkich warunkach oświetlenia, w tym także przy bezpośrednim oświetleniu promieniami słonecznymi, niezależnie od jaskrawości diod LCD. Typowy transmisyjny wyświetlacz LCD jest z trudem czytelny przy silnym oświetleniu otoczenia bez bezpośredniego oświetlenia światłem słonecznym. Problemy stwarzane prze transreflektywne wyświetlacze LCD obejmują wąski zakres kątów widzenia, złą widoczność kolorów, niską jaskrawość i utratę kontrastu.
Wyświetlacze LCD o dużej jaskrawości i transreflektywne wyświetlacze LCD są dwoma rozwiązaniami ogólnie wykorzystywanymi w zastosowaniach na wolnym powietrzu.
Jednakże oba te rozwiązania w istocie nie nadają się do zastosowań przemysłowych. Pojawia sie konieczność wyboru innego sposobu sterowania światłem odbitym. Gdy światło przechodzi z jednego ośrodka materialnego do innego, na przykład z powietrza do szkła, różnice współczynnika załamania tych ośrodków są przyczyną odbicia. Na ekranie LCD łączny efekt odbić na poszczególnych powierzchniach stanowi prawie 15% światła padającego z otoczenia. Jeżeli całkowite natężenie światła odbitego jest bliskie jaskrawości ekranu, kontrast wyświetlacza zmniejszy sie do takiej wartości, która sprawi, że czytelność obrazu pogorszy się osiągając poziom niemożliwy do zaakceptowania.
Rozwiązanie problemu można osiągnąć wykorzystując trzecią opcję – technologie sprzęgania. Umożliwia ona sprzęgnięcie optyczne zewnętrznej i wewnętrznej szklanej warstwy ekranu, lecz jej koszt jest wciąż jeszcze wysoki w porównaniu z poprawą jakości, którą może ona zapewnić.
Dlatego też firma Beijer Electronics opracowała rodzinę interfejsów HMI EXTER Sun-Readable. Stanowi ona optymalną kombinację dostępnych technologii:
- Standardowy wyświetlacz.
- Warstwa wzmacniająca na ekranie wewnętrznym zapewnia poprawę jaskrawości i kontrastu.
- Warstwa polaryzacyjna umieszczona po obu stronach ekranu dotykowego w celu zmniejszenia odbić światła. Konstrukcja interfejsu EXTER Sun-Readable charakteryzuje sie także 1,5 mm odstępem pomiędzy oboma ekranami. Ma to na celu likwidację efektu pierścieni Newtona – tęczowych kolistych wzorów (będących w istocie efektami interferencyjnymi), które mogą być spowodowane nierównomierną grubością komory – oraz innymi defektami pojawiającymi się gdy płaska powierzchnia styka się z drugą, lekko zakrzywioną powierzchnią.
- Jaskrawość jest większa niż w przypadku ekranów standardowych (550 cd/m2 zamiast 350 cd/m2 dla standardowego ekranu Beijer Electronics). Ekran dotykowy poddawany jest obróbce powierzchniowej nadającej jego powierzchni własności antyodblaskowe i antyodbiciowe. Szyba ochronna z pokryciem antyodbiciowym (szkło trawione chemicznie wykazujące na powierzchni nieznaczną teksturę) minimalizuje powstawania obrazów zwierciadlanych i maksymalizuje transmitancję. Szyba ochronna z pokryciem antyodblaskowym (powierzchnia chropowata w skali mikroskopowej) rozprasza światło padające bezpośrednio na powierzchnię zmiękcza obrazy źródeł światła widzialnych w postaci odbić w polu widzenia.

Wyświetlacze EXTER Sun-Readable są wytwarzane w pomieszczeniu czystym w celu wyeliminowania problemów spowodowanych występowaniem kurzu. Połączenie wszystkich wymienionych technologii redukuje w znacznym procencie efekty odbicia światła.
"Stworzyliśmy także ekran w 100% ściemniany, który może być stosowany przez naszych klientów w dowolnych warunkach oświetlenia, 24 godziny na dobę" wyjaśnia Pelle Johnsson, Global Product & Marketing Coordinator do spraw produktów branży okrętowej. Zwykłe ekrany zmieniają barwy gdy zmniejsza sie ich jaskrawość. W 100% ściemniany ekran umożliwia rzeczywiste zmniejszenie jaskrawości bez poświęcenia jakości obrazu. Firma Beijer Electronics opracowała odpowiedni przemiennik mieszczący się wewnątrz obudowy. Wszystkie podświetlacze ekranów LCD wykorzystujące lampy fluorescencyjne z zimną katodą (CCFL) wymagają przekształtników. Przekształtnik jest obwodem elektronicznym, który przekształca napięcie prądu stałego (DC) w napięcie prądu przemiennego (AC) zasilające lampy fluorescencyjne (CCFL). Możliwości ściemniania przynoszą dodatkowe korzyści gdyż obniżenie jaskrawości podświetlenia prowadzi do wydłużenia żywotności układu podświetlania. Uzyskuje się również zmniejszenie zużycia energii i złagodzenie wymagań związanych z odprowadzaniem ciepła.
"To rozwiązanie stanowi najlepszą kombinację istniejących technologii. Stworzyliśmy je i oceniliśmy jego przydatność wraz z naszymi partnerami z branży okrętowej tak, aby zaoferować rozwiązanie najbardziej optymalne" konkluduje Johnsson.