تقنية إنشاء شاشة HDR للهواتف الذكية

تقنية تصنيع شاشات HDR للهواتف الذكية

لم يقتصر تطور شاشات الهواتف الذكية خلال العقد الماضي على زيادة الحجم أو تحسين الدقة فحسب، بل كان من أبرز التطورات ظهور تقنية النطاق الديناميكي العالي (HDR)، التي تتيح للشاشات عرض نطاق أوسع بكثير من الضوء والظلام، وألوان أكثر ثراءً، وتفاصيل تظل واضحة في مناطق الظل والإضاءة على حد سواء. لكن مصطلح "HDR" على شاشة الهاتف الذكي ليس مجرد تسمية تسويقية، بل يكمن وراءه مجموعة معقدة من تقنيات المواد، وعمليات التصنيع، والمعايرة، ومعايير الاختبار. تستكشف هذه المقالة كيفية تصنيع شاشات HDR، بدءًا من أنواع اللوحات وصولًا إلى ضبطها في المصنع.

ما هي تقنية HDR على شاشة الهاتف الذكي؟

ببساطة، تقنية النطاق الديناميكي العالي (HDR) هي قدرة الشاشة على عرض فرق كبير في الإضاءة (السطوع) بين أكثر أجزاء المشهد سطوعًا وأكثرها ظلمة، مع الحفاظ على دقة التفاصيل والألوان. تتميز شاشة HDR الجيدة عادةً بما يلي:

1. سطوع ذروة عالٍ، خاصة بالنسبة للمناطق المضيئة (مثل انعكاسات الشمس، وأضواء النيون).
2. مستويات اللون الأسود العميق، وبالتالي يزداد التباين.
3. تغطية واسعة لنطاق الألوان، بشكل عام DCI-P3 أو أكثر.
4. عمق لوني مناسب، ويفضل أن يكون 10 بت (أو قريبًا منه من خلال تقنيات التمويه).
5. تعيين ذكي للدرجات اللونية والتحكم في الإضاءة، بحيث يبدو المحتوى طبيعيًا في مختلف الظروف.

أنواع الشاشات: OLED مقابل LCD وتأثيرها على تقنية HDR

1) OLED (AMOLED)
تستخدم غالبية الهواتف الذكية متوسطة وعالية المواصفات التي تدعم تقنية HDR شاشات OLED. وتتمثل الميزة الرئيسية لتقنية OLED في أن كل بكسل يُصدر ضوءه الخاص. فعند عرض اللون الأسود، يمكن إطفاء البكسلات، مما ينتج عنه لون أسود حقيقي ونسبة تباين عالية جدًا. وهذا ما يجعل تأثير HDR يبدو مذهلاً، خاصةً في المشاهد المظلمة ذات الإضاءة الساطعة.

التحديات: تتعامل شاشات OLED مع خطر الاحتراق، وانخفاض السطوع مع مرور الوقت، بالإضافة إلى الحاجة إلى إدارة الطاقة لأن السطوع العالي في ذروته يمكن أن يكون مضيعة للطاقة ويؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة اللوحة.

2) شاشة LCD (IPS، LTPS، إلخ)
تعتمد شاشات LCD على الإضاءة الخلفية. وتعتمد تقنية HDR على شاشات LCD بشكل كبير على جودة الإضاءة الخلفية وإمكانية تعتيم مناطق محددة. في أجهزة التلفاز، يتم تحقيق ذلك من خلال التعتيم الموضعي. أما في الهواتف الذكية المزودة بشاشات LCD، فالمساحة محدودة، لذا نادرًا ما يكون التعتيم الموضعي فعالًا كما هو الحال في أجهزة التلفاز. ونتيجة لذلك، فإن تقنية HDR على شاشات LCD عادةً ما تكون أقل جودة من حيث عمق اللون الأسود والتباين مقارنةً بشاشات OLED، على الرغم من أن شاشات LCD قد تتفوق في بعض جوانب ثبات الألوان وانخفاض خطر احتراق الشاشة.

مفتاح HDR: ذروة السطوع وإدارة الحرارة

لكي تبدو تقنية HDR واقعية، يجب أن تصل الشاشة إلى ذروة سطوع عالية. تقيس العديد من الشهادات ذروة السطوع هذه ضمن نطاق صغير (مثلاً، من 1 إلى 10% من مساحة الشاشة) لأن المناطق المضيئة في محتوى HDR عادةً ما تشكل جزءًا صغيرًا فقط من الصورة.

ولتحقيق هذا الهدف، يقوم المصنع بتحسين عدة أمور:

– المواد الباعثة للضوء (في OLED): كفاءة المواد الحمراء/الخضراء/الزرقاء وبنية البكسل الفرعي مهمة للغاية.
– هيكل التراص: تستخدم بعض الألواح هيكل التراص المتعدد (مثل الترادف) لزيادة الكفاءة والعمر الافتراضي، على الرغم من أنه أكثر تعقيدًا وتكلفة.
– دائرة القيادة: يلزم وجود ترانزستورات وتعويض قادرة على توفير تيارات عالية بثبات دون إتلاف اللوحة أو خلق إضاءة غير متساوية.
– التصميم الحراري: يؤدي سطوع الذروة العالي إلى توليد حرارة. لذا، يضيف المصنّعون طبقات لتشتيت الحرارة، وصفائح من الجرافيت، ومحدد سطوع تلقائي (ABL). غالبًا ما يكون محدد السطوع التلقائي هو السبب في انخفاض سطوع تقنية HDR بعد بضع ثوانٍ.

عمق اللون: 10 بت، 8 بت + التمويه، وخط الأنابيب

تستخدم تقنية HDR في الوضع الأمثل 10 بتات لكل قناة لونية، مما يجعل انتقالات التدرج اللوني (مثل سماء الغروب) تبدو سلسة ومتناسقة. مع ذلك، لا تدعم جميع شاشات الهواتف الذكية دقة 10 بتات أصلية. فبعضها يستخدم 8 بتات مع التحكم في معدل الإطارات (FRC) أو التمويه الزمني لمحاكاة دقة 10 بتات.

بالإضافة إلى اللوحة، يجب أن تدعم سلسلة معالجة العرض أيضًا تقنية HDR:
– تقوم وحدة معالجة الرسومات/معالج إشارة الصورة بإنشاء إطارات مع ترميز HDR (PQ/HLG).
– يقوم جهاز التحكم في العرض بإرسال البيانات بالتنسيق المناسب.
– تقوم دائرة التحكم في لوحة التشغيل (DDIC) بتنظيم الجهد/التيار للبكسلات بدقة.

إذا كان أحد المكونات 8 بت فقط بدون تدرج مناسب، فقد تظهر نتيجة HDR على شكل تدرجات لونية غير متجانسة أو ألوان "مكسورة".

نطاق الألوان والمرشحات: من المواد إلى الطلاءات البصرية

لا يقتصر نطاق الديناميكية العالية (HDR) على السطوع فحسب، بل يتعلق أيضًا بالألوان. يتم إنتاج الكثير من محتوى HDR في نطاق ألوان DCI-P3 أو BT.2020 (على الرغم من أن نطاق ألوان BT.2020 الكامل نادرًا ما يتم تحقيقه على الأجهزة الاستهلاكية).

في شاشات OLED، يتأثر نطاق الألوان بطيف انبعاث المادة العضوية. أما في شاشات LCD، فيتأثر نطاق الألوان بالإضاءة الخلفية وفلاتر الألوان. ولتوسيع نطاق الألوان، يمكن للمصنعين ما يلي:
– استخدام مواد انبعاث ذات نطاق أضيق (OLED)،
– استخدام النقاط الكمومية أو الإضاءة الخلفية ذات الطيف الضيق (وهي أكثر شيوعًا في الشاشات الكبيرة، لكن المفهوم لا يزال ذا صلة)،
– فلاتر ألوان وطبقات استقطاب محسّنة.

الطبقات البصرية الأخرى المهمة لتجربة HDR على الهواتف الذكية هي:
– طلاء مضاد للانعكاس وربط بصري، للحفاظ على التباين عالياً في الهواء الطلق.
– مستقطب دائري (شائع في شاشات OLED) لتقليل الانعكاسات وتحسين إدراك اللون الأسود.

عملية تصنيع شاشات OLED لتقنية HDR (صغيرة الحجم ولكنها أساسية)

تمر عملية تصنيع شاشات OLED للهواتف الذكية عموماً بعدة مراحل رئيسية:

1. لوحة خلفية TFT
هذه هي "مصفوفة" الترانزستورات التي تتحكم في كل بكسل فرعي. تؤثر تقنيات اللوحة الخلفية مثل LTPS أو LTPO على كفاءة الطاقة وقدرات معدل التحديث التكيفي، مما يؤثر في النهاية على إدارة HDR (على سبيل المثال، عند تشغيل فيديو HDR مقابل التمرير).

2. ترسيب الطبقات العضوية
تُوضع طبقة عضوية باعثة للضوء على اللوحة الخلفية. تشمل الطرق الشائعة التبخير الحراري الفراغي باستخدام قناع معدني دقيق (FMM) لتشكيل نمط RGB على العديد من شاشات الهواتف الذكية.

3. التغليف (الإغلاق)
تتأثر شاشات OLED بشدة بالأكسجين وبخار الماء. ويحمي التغليف - الذي غالبًا ما يكون تغليفًا رقيقًا - الطبقات العضوية. وتؤثر جودة هذا التغليف على عمر الشاشة، بما في ذلك قدرتها على الحفاظ على ذروة سطوعها.

4. اختبار تكامل وتوحيد برامج التشغيل
تُختبر الشاشات للتأكد من تجانسها، وخلوها من العيوب الموضعية، واستجابتها للإضاءة. تتطلب تقنية النطاق الديناميكي العالي (HDR) تحكمًا أدق لمنع تلطيخ المناطق المضيئة على المناطق الأخرى، ولمنع تدرجات الألوان من أن تصبح متموجة.

معايير النطاق الديناميكي العالي (HDR): HDR10 وHDR10+ وDolby Vision

عادةً ما يرتبط تصنيف HDR على الهواتف الذكية بالمعايير التالية:

– HDR10: التنسيق الأكثر شيوعًا، باستخدام البيانات الوصفية الثابتة ووظيفة نقل PQ.
– HDR10+: بيانات وصفية ديناميكية، تسمح بضبط تعيين النغمات لكل مشهد/إطار.
– Dolby Vision: بيانات وصفية ديناميكية أيضًا، مع نظام شهادات صارم وخط أنابيب متكامل.

من المهم ملاحظة أن دعم التنسيق لا يعني بالضرورة نفس جودة عرض HDR. قد يختلف هاتفان يحملان نفس تصنيف "HDR10" اختلافًا كبيرًا بسبب ذروة السطوع، وتعيين الدرجات اللونية، ودقة الألوان.

تحديد نطاق الألوان ومعايرة المصنع: العنصر المميز لتقنية HDR

يتم إعداد محتوى HDR خصيصًا لشاشة مرجعية محددة. ونظرًا لمحدودية إمكانيات الهواتف الذكية (من حيث الحجم والحرارة واستهلاك الطاقة)، ​​فإن عملية ضبط درجات الألوان ضرورية: أي تغيير نطاق سطوع المحتوى ليتناسب مع إمكانيات الشاشة دون فقدان التفاصيل المهمة.

في المصنع، يقوم المصنّعون بما يلي:
– معايرة النقطة البيضاء (على سبيل المثال، بالقرب من D65)،
– معايرة جاما/EOTF (PQ/HLG) بحيث تكون استجابة الإضاءة على الهدف،
– معايرة الألوان لتقليل الخطأ (دلتا إي)،
– ملفات تعريف لأوضاع مختلفة (طبيعي، حيوي، سينمائي) وظروف إضاءة مختلفة.

كما تحدد الخوارزمية متى يتم تفعيل ذروة السطوع (لإبرازات HDR) ومتى يتم كبحها من أجل درجة الحرارة وعمر اللوحة.

تحدي تقنية النطاق الديناميكي العالي (HDR) على الهواتف الذكية: واقع الاستخدام اليومي

لا يقتصر تصميم شاشة HDR على تحقيق أرقام عالية في المختبر فحسب، بل تشمل التحديات الرئيسية ما يلي:
– ثبات السطوع: غالباً ما تستمر الذروات العالية لفترة قصيرة فقط بسبب ABL والتقييد الحراري.
– قابلية القراءة في الهواء الطلق: يمكن أن تطغى الانعكاسات وأشعة الشمس على تباين HDR.
– استهلاك الطاقة: يمكن أن يؤدي فيديو HDR، وخاصة على شاشات OLED عالية الإضاءة، إلى استنزاف البطارية بشكل أسرع.
– اختلاف الوحدة: التفاوتات في التصنيع تجعل كل لوحة مختلفة قليلاً، لذا فإن عمليات المعايرة ومراقبة الجودة مهمة للغاية.

غطاء

تُعدّ تقنية شاشات HDR للهواتف الذكية مزيجًا من المواد المتطورة، والتصنيع الدقيق، وتصميم الدوائر، والإدارة الحرارية، ومعالجة الصور القائمة على معايير HDR الحديثة. وتُهيمن شاشات OLED حاليًا على السوق نظرًا لقدرتها على إنتاج درجات سوداء مثالية وتباين عالٍ، إلا أن جودة HDR النهائية لا تزال تعتمد على عوامل عديدة، منها: ذروة السطوع الواقعية، وعمق الألوان، ونطاق الألوان، والطلاءات البصرية المضادة للانعكاس، ودقة تحديد ومعايرة درجات الألوان. في النهاية، لا تقتصر جودة HDR على مجرد زيادة السطوع، بل تتعداها إلى القدرة على عرض التفاصيل والألوان بوضوح تام، سواء في غرفة مظلمة أو تحت أشعة الشمس الساطعة.