Skript Display Vortrag

Skript Display Vortrag
Raspberry Pi Newsletter, Workshop
übernächsten Donnerstag (Grundlagen
Netzwerktech)
Display-Technologien (1)
Motivation
Auge:
130 Millionen Photorezeptoren -> 1,2 Millionen
optische Projektionen
Komplexe Verarbeitung in mehreren Stufen, Ergänzen /
Aliasing;
optische Illusionen – A = B vom Grauwert her, Beweis
rechts.
14 millionen Pixel – ganzes Visuelles Feld
9000 kilobit / Sekunde (vom Hamster interpoliert)
Ohr: 100 kb / Sekunde
Geschmack: 1 kb / Sekunde
10 Milliarden Dreiecke pro Sekunde / 760 Millionen
Dreiecke pro Frame
Ca. 13-15 FPS, Wahrnehmung der Realität wird ca. jede
77 millisec aktualisiert.
(~ EEG wacher Beta Bereich = 12 – 30 Hz)
300 dpi in 1 m Abstand – nahtlos.
Alles was unter 1/60 sec passiert (16.6 ms) -> unter
Wahrnehmungsgrenze -> Rad-Illusion (Rad steht oder
dreht sich rückwärts)
Schöne Aussichten (2)
Geschichte der Bildschirm-Technologien
Der Geist in der Lampe (3)
CRT-Kathodenstrahlröhre / “Braunsche Röhre”
1897 von Karl Ferdinand Braun entwickelt, er tat 1906
den Vorschlag sie fürs Fernsehen zu verwenden als
„Unsinn wie das Perpetuum Mobile“ ab.
Kathodenstrahl: weil um 1900 nicht klar war, dass es
sich bei der Strahlung um Elektronen handelt.
Nachteile:
 Platzbedarf, Gewicht
 Strombedarf
 (Flimmert)
Twisted Nematic Liquid Crystal Display
Oder „Schadt-Helfrich“-Zelle, nach den zwei
Wissenschaftlern die sie entwickelt haben. Artikel in
Applied Physic Letters war jahrelang einer der
meistzitierten in der wissenschaftl. Literatur.
Flüssigkristall: organische Verbindung, weist
Eigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern auf.
Oben transparente Elektrode (Indium-Zinn-Oxid, ITO)
Zwei Polarisatoren in 90° Winkel, Kristalle drehen Licht.
An (2 V Spannung) – Kristalle reorientieren sich, Licht
blockiert = schwarz
Rückseite: Spiegel = reflexiv oder Lampe = transmissiv
Farbe: durch Farbfilter auf Subpixeln (R, G, B)
TFT: Thin-film transistor Aktiv-Matrix
Nachteile:
 ½ Licht Verlust (Polarisator!)
o Daher hatte RCA an Erforschung kein Interesse
...
 Blickwinkel
 Farbechtheit
 Strombedarf unabhängig von Schwarz-Fläche
 Schwarz ist nie ganz schwarz
Alternativen: In-Plane Switching (IPS), VA (Vertical
Aligned)
LED Fernseher: hauptsächlich LCD mit LED-Backlight
Plasmadisplay
Große Bildschirme, Verkaufszahlen zurückgehend
UV-Strahlen durch Niederdruckplasma wie
Leuchtstofflampe, Edelgase (Neon + Xenon)
Einzelne Zellen, individuelle Zündung durch Transistor
Phosphor versch. Farben
BaMgAl10O17:Eu2+ (blau), Zn2SiO4:Mn2+ (grün) und (Y,Gd)BO3:Eu3+ (rot; kann auch von
Y(V,P)O4:Eu3+ oder Y2O2S:Eu3+ erzeugt werden)
Vorteile:
 Stromverbrauch nur in hellen Bereichen
 Hoher Kontrast (500:1 – 18.000:1)
 Großer „farbechter“ Blickwinkel, sehr schnelle
Reaktionszeiten
Nachteile:
 Mindestens 32‘‘ Displays (Fertigungs-Ökonomie)
 Hoher Kontrast (500:1 – 18.000:1)
 Großer „farbechter“ Blickwinkel, sehr schnelle
Reaktionszeiten
 Recht hoher Stromverbrauch
 Screen Burn-in
o Phosphor überhitzt, verliert Leuchtkraft, und
produziert „Geisterbild“
OLED (oder AMOLED)
Organische Leuchtstoffe,
Vorteile:
 Einfach herzustellen
o Bspw. durch Tintenstrahl oder Offset-Druck
 Reaktionszeit 1000x schneller als LCD (1 microsec
statt 1 millisec)
 Stromsparend – nur helle Pixel sind an, volle
Leuchtkraft (statt ½ wie bei LCD)
 Sehr dünn, da keine Hintergrundbeleuchtung nötig
o Sony Modul bspw 0,3 mm
 flexible Displays realisierbar
Nachteile
 Lebensdauer (~ 5000 Stunden für weiße Lichtquellen,
blaue Komponente!!)
 Sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen
(-> Kapselung -> Starrheit)
o Flexible Displays: hohe Durchlässigkeit für
Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit
o ITO Elektrode (Indium Tin Oxide) ist spröde, geht
bei biegen kaputt ...
 Teurer als LCDs
Active Matrix:
Bahnwiderstände [Passiv-Matrix] nehmen linear mit
der Größe zu, Treiberkraft reicht nicht aus, um
jeweiliges Pixel anzusteuern -> jedes Pixel wird einzeln
über einen eigenen Transistor angesteuert
Das Rad der Zeit (4)
Die Zeit schreitet voran, Menschen stellen immer
höhere Anforderungen
Smartphones, neue Einsatzbereiche, Sonnenlicht,
Batterielaufzeiten
Optische Illusion: Kopf hin und her bewegen, Ringe
scheinen gegeneinander zu rotieren
e-Ink (5)
Papier
 7 Liter und 2,5 kWh pro Kilogramm Papier (~200
Blatt) – oder für etwa 600 KB an Daten (Text)
 0,1 mm Dicke
 Deutsche Papierindustrie Nr 4 weltweit
o 22,5 Millionen Tonnen an Papier, Karton,
Pappe, ca. 40 % grafische Papiere, 6,4 %
Hygienepapiere
 80 % Reflexion, 20:1 Kontrast
Gyricon, aus Xerox PARC
1970er Jahre Erstes e-Paper. Nick Sheridon und
Fereshteh Lesani – zeigen die erste Rolle aus der
Fertigung
Ursprünglich als Computer-Bildschirm gedacht
Idee: Papier wiederbeschreibbar (Xerox Maschine),
Rolle aus Behälter ziehen, wird währenddessen
beschrieben
Schwarz/weiße Kügelchen – 100 µm Durchmesser, pos
/ neg geladen, in Öl, rotieren unter Spannung
 20 % Reflexion, 6:1 Kontrast
 Unlimitierte Blickwinkel
e-Ink (Elektrophoretisch), z.b. Kindle 3
Elektrophorese = Wanderung geladener kolloidaler
Teilchen durch ein elektrisches Feld
Kapseln, 40 µm Durchmesser
Flexible Displays möglich (wie Gyricon auch)
Neue Generation schwarz, weiß, rot, „Cups“,
gefrierunempfindlich ...




Kontrast 1:12 / 1:15, 45 % Reflexion
300dpi Auflösung
Bessere Auflösung als Gyricon (3 x besser)
Unlimitierte Blickwinkel
Triton Farbpapier von eInk (Farbfilter!)
 200 dpi Auflösung
 5 Jahre Servicezeit
Nachteile
 Switching Zeit ~ ½ s
 Ghosting
 Dunkle Darstellung bei Farbe
PlasticLogic displays
Vollflexibel, elektrophoretisch
Auflösung z.B. 1920 x 1280 bei 10,7‘‘ (326.4 x 217,6
mm)
150 dpi
16 Graustufen
900 ms Refresh Rate
Neue electronic paper Technologien (5)
Liquivista / Electrowetting
Firma gehört Amazon!
 Öltropfen wird durch statische Ladung verschoben
(von Wasser umgeben)
 Wird gehalten durch Oberflächenspannung (1000 x
Gravitation bei den Abmessungen)
 Farben durch Stacks – 3 Schicht-Architektur
(übereinander) statt Lichtfilter, Absorption von
jeweiligem Farbanteil (r/g/b) bzw. Custom Dyes
möglich
 Unter sehr vielfältigen Lichtbedingungen
einsetzbar
 60 % Reflektivität, 12:1 Kontrast (oder 18:1 bei 3
Stack)
 Unlimitierter Blickwinkel
 Video darstellbar
 Graustufen
 Stromaufnahme deutlich geringer als OLED / LCD
(Faktor 4 oder höher), auch geringer als iMoD
MEMS
Einschränkungen
 Farbspektrum eingeschränkt gegenüber z.B. OLED
 Quasistabil, nicht bi-stabil (d.h. geringe
Stromaufnahme für Betrieb auch statischer Inhalte
immer erforderlich)
Mirasol (Interferometric Modulator Display)
Qualcomm, reflektive Anzeige
Bild zeigt Qualcomm Toq Smartwatch
Zwei Lagen deren Abstand elektrostatisch geändert
werden kann, MEMS
Ähnlich wie Schmetterlingsflügel
Optische Interferenz zwischen den Lagen

Konstruktive oder destruktive Interferenz für
eine bestimmte Farbe; Subpixel
Vorteile





Energiebedarf ist sehr gering
Bi-stabil [0 Energy wenn keine Änderungen]
Angeblich energieeffizienter als E-Ink
Video möglich [40fps]
Gute Lesbarkeit in heller Umgebung

Farbig
Nachteile
 Hintergrundbeleuchtung nicht nutzbar
Pixtronix
Drei LEDs R / G / B speisen Licht ein, zyklisch
abwechselnd
Jedes Pixel hat einen optischen Shutter, keine Subpixel.
Darstellung-Zeitlänge -> Helligkeit
1400 cd/m^2 in 12‘‘ display, 176° viewing angle
Erwartet dass LEDs zuerst kaputt gehen (~300.000
Stunden MTBF)
Vorteile







Höhere Auflösung! (keine Subpixel)
Exzellente Schwarzwerte (Pixel geschlossen)
Viewing angle
60 fps Video
Energieverbrauch 1/10 von LCD
Low-Cost
Scalability
 Besserer Kontrast als LCD (4500:1 TMOS vs. 2500:1
LCD)
MTBFs
TMOS 300.000 h
OLED 10.000 h
Plasma 30.000 h
CTRS 40.000 h
LCD 100.000 h
Hohe Geschwindigkeit nötig
Energieverbrauch bei statischem Bild
Unter Sonnenlicht vermutlich nicht ablesbar
Laser Tech
1963 – nach Erfindung des Lasers – vorgeschlagen,
1990er als Prototyp entwickelt (klobige Maschine)
Vorteile von Laser:

Sehr gute Kontraste [50.000 : 1]

Helligkeit 500 cd/m^2

Projektion auf beliebige Flächen möglich

Scharfe Bilder

Sehr breites Farbspektrum – bis zu 90 % der
menschlichen Wahrnehmung abdeckbar

Niedrige Energiekosten
Nachteile
Begrenzte Lichtstärke
Grüner Laser durch Frequency Doubling
Auch : Laser Phosphor Display („Prysm“)
Großformat-Technologie
Braucht weniger Energie als LED / LCD
„braucht bis zu 75 % weniger Energie als vergleichbare
Technologien“
Laser + Phosphor, „no burn-in issues“, 65.000 h Leben
Ausblick: Quantum Dots
Durch Größe des Dots wird Wellenlänge des Lasers
eingestellt, bzw. der LED – sehr präzise
Diese Quantum Dots sind heute schon real – bspw. für
optische Datenkommunikation
Auch für LEDs, ...
Größe zwischen 5 und 50 nm
Sony setzt diese Quantum Dots in high-End Fernsehern
ein, für sehr gute Farbwiedergabe (als Backlight)
Idee ist diese Dots ähnlich der OLEDs zu verwenden ...
Bionic Contact Lens
Augmented Reality
Strom: Drahtlos
Bio-kompatible linse
Fläche: 1 cm^2, Dicke < 200 µm
Radio – Frequenz wird “abgegrast”, -> LEDs werden
davon betrieben, Fresnel Linsen projizieren das Bild auf
die Retina (Weil Auge nicht auf Kontaktlinse
fokussieren kann!)
Self-Assembly -> Komponenten müssen in die richtigen
Plätze, bestimmt durch ihre Form (werden auf die
Oberfläche geworfen)
2013, Prototyp mit drahtloser Stromversorgung und
einem Einzel-Pixel Display
Getestet am Kanickel für bis zu 20 Minuten. Das
Kanickel hat sich nicht beschwert.
Alternative:
Virtual Retina Display




Z.B: Laser Diode
Kann das perfekteste Bild von allen liefern
Energiesparsam, nur Licht was benötigt wird
Privacy
Microsoft HoloLens + Windows Holographic
HPU – Holographic Processing Unit, und CPU / GPU
Depth camera 120°x120° field of view
Die Zukunft ist flexibel (6)
.
Optische Illusion: horizontale Linien sind wirklich
parallel, obwohl es anders wirkt
Bonus
Gedruckte Elektronik (Papier mit Elektronik statt
elektronisches Papier)
 Elektrische Schaltungen die Papier als Träger und
Teil der Schaltung (Dielektrikum) nutzen und
Batterien auf Papier / CNT Basis
OLET: Organic light-emitting transistor. Vorteil: weniger
Bauelemente gegenüber OLED (Aktive Matrix kann
komplett aus OLETs gebaut werden)
SED surface-conduction electron-emitter display
Matrix von kleinen Kathoden-Tubes für sub-pixel, mit
Phosphor. Vorteile von CRTs mit Kompaktheit von
LCDs, brauchen weniger Strom als LCD der Größe.
2010 Ende von SED Technologie
Ferro Liquid Crystal Display
Schnelle Schaltzeiten (< 100 µs), sehr klein baubar
120° viewing angle
Magnetic polarisation effect is bistable -> low frame
rate on low power
Lack of gray scale except by time multiplexing
Sensitivity to shock and vibration
Telescopic pixel display (TPD)
Microsoft
MEMS, Spiegel die Licht zurückwerfen oder öffnen
P-Ink
http://de.wikipedia.org/wiki/P-Ink
http://www.heise.de/tr/artikel/E-Paper-ausphotonischen-Kristallen-280299.html
Schaltgeschwindikeit ähnlich wie bei eInk
Photonische Kristalle
Cholesterische LCD Displays
Bistabil
Temperaturempfindlich
Paper battery
Batteries are charged by the water vapor in the air, as long as humidity exceeds 40 %
Spacer formed largely of cellulose
Incorporates nanoscale structures to act as high surface-area electrodes to improve conductivity
Non-corrosive, do not require extensive housing
Electrolytes: ionic liquid, also naturally occurring electrolytes: human sweat, blood, urine
Batteries employ nanotubes,
Carbon nanotubes
Also planned for the future are 3D stereoscopic displays that use eye tracking (via stereoscopic
front-facing cameras) to provide full resolution 3D visuals.
Paper electronics
Papier als Substrat und dielektrische Schicht
 Papier-Displays, Smart Labels, smart Packaging, Bio-applications, RFID tags
 Sehr gute Performance
Cenimat/I3N (Lissabon, Portugal)
Field effect transistors with paper interstrate layer
Biopolymere: Zellulose (“earth’s major biopolymer”)
Physical support (substrate)
Interstrate component of a FET [field effect transistor]