CRT je technologie minulosti, OLED (možná) budoucnosti: Historie vzniku a vývoje displejů v kostce.

Není to tak dávno, kdy velké CRT monitory byly každodenní součástí života. Zabíraly velkou část stolu a po pár hodinách práce z nich začaly bolet oči. Počátkem 21. století jsou tyto obrazovky úspěšně překonány novými technologiemi, jako jsou ploché LCD a plasmové displeje. Pojďme se podívat na historii a vývoj zobrazovacích zařízení a na to, jak dokázaly ovlivnit celý segment výpočetní techniky.

CRT obrazovka (v angličtině cathode ray tube) je označení pro speciální katodovou trubici, která na stínítku (na kterém je nanesena vrstva luminescenční látky - luminofor) vytváří obraz pomocí proudu elektronů.

První modely vznikly ve 20. letech minulého století. Byly černobílé, protože disponovaly jen jediným paprskem elektronů. Primárně byly určeny pro použití v osciloskopech a televizích . Pokročilejší, barevné obrazovky využívající tři paprsky, se dostaly na trh až o 30 let později.

Padesátá léta se dají nazvat dobou experimentů. Ve Spojených státech amerických byl vysílán první barevný televizní pořad . Bohužel se jednalo jen o první vlašťovku, která zůstala osamocena po několik dalších let. Hlavní překážkou v rychlejším rozvoji byla tehdejší cena televizí. Například v Evropě představovalo černobílé vysílání standard až do druhé poloviny 20. století.

Co se týče výpočetní techniky, tak i zde se CRT monitor stal prakticky jedinou dostupnou technologií a zůstal doslova synonymem pro počítač až do přelomu milénia.

Velmi často se stávalo, že méně počítačově gramotní uživatelé označovaly monitor, stojící před nimi na stole jako počítač. V mnoha případech se ale nemuselo jednat jen o neznalost, jako spíš o zkušenost se staršími typy počítačů, resp. terminály.

Terminál je ikona šedesátých a sedmdesátých let 20. století. Uživateli umožňoval komunikovat se vzdáleným serverem, často umístěný v nějakém výpočetním středisku. Ovládání bylo relativně komfortní. Novější modely nabízely plnohodnotnou klávesnici a obrazovku, pomocí které se předávaly požadavky jedním směrem a výsledky druhým. Mezi nejznámější značky patřila IBM, která se svými produkty "System/360" ovládala trh.

Grafika není to samé co monitor

Starší modely byly limitovány černobílou obrazovkou a malým rozlišením. Omezení nebylo jen na straně monitorů, ale týkalo se především samotných grafických karet. Když koncem 80. let přišel na trh Apple II, jednalo se o naprostý unikát. V základním nastavení bylo možné zobrazit 40 x 40 pixelů, v nejvyšším rozlišení dokonce až 280 x 160 obrazových bodů. A samotná podpora šesti barev byla tehdy také nepřekonatelná. Apple II neměl konkurenci.

Vše se ale změnilo o pár let později. Dvanáctého srpna 1981 byl uveden na trh první osobní počítač - IBM PC. Po technické stránce se nejednalo o takový skvost, jako byl Apple, ale své zákazníky si i přesto velmi rychle našel.

IBM PC bylo vybaveno kartou CGA s několika grafickými mody. Nejvyšším rozlišení 640 x 200 dokázalo zobrazit dvě barvy, ačkoliv karta podporovala až 4-bitovou barevnou hloubku (což odpovídalo 16 zobrazitelným barvám). Při vyšším počtu pixelů se barevná paleta ale zmenšovala.

Zjevný nedostatek se výrobci podařilo odstranit až pomocí nového standardu - EGA (Enhanced Graphic Adapter) o tři roky později. EGA nabízela rozlišení 640 x 350 bodů při současných 16 barvách. Vlastní paměť byla později rozšířena až na 256 KB.

Od té doby se vývoj rapidně zrychlil. Obrazových bodů přibylo, úhlopříčky displejů rostly a koncové ceny zařízení se snižovaly. Pro obrazovky založené na katodových trubicích byla 80. a 90. léta minulého století zlatým věkem.

Vývoj ale nelze zastavit a proto se klasickým monitorům pomalu začala rodit konkurence v podobě tekutých krystalů, nebo-li LCD.

LCD vstupuje na scénu

Displej LCD (Liquid Crystal Display) je zařízení skládající se z určitého počtu barevných nebo černobílých pixelů. Díky elektrickému proudu se jednotlivé krystaly natáčejí do požadované polohy a pomocí střídavého napětí se reguluje jejich intenzita. Barevné displeje mají ještě každý pixel rozdělen do tří daších, odpovídajících klasickému RGB modelu.

První zmínky o tekutých krystalech jsou staré více jak 100 let. Jeden z prvních, kdo je objevil, byl rakouský botanik a chemik Friedrich Reinitzer. Ten při pokusech s tavením látky podobné cholesterolu zjistil, že při určité teplotě vzniká něco jako tekutý krystal. Podobné experimenty přilákaly badatele a vzniklo mnoho teoretických prací. Ve dvacátých letech se začal zkoumat vliv elektrického pole na samotné krystaly, resp. přišlo se na to, že se s nimi dá pracovat.

Druhá světová válka, podobně jako v případě CRT displejů, přerušila téměř veškerý vývoj. Další výzkumy se naplno rozběhly až ve druhé polovině 20. století.

Od hodinek k počítači do kapsy

Rok 1970 znamenal průlom v oblasti LCD. Začaly se vyrábět kalkulačky a hodinky s displeji založených na krystalech, které se staly velmi populární.

O desetiletí let později uvedl Epson první laptop v historii. Tento stroj s označením HX-20 o velikosti A4, vážící 1,6 kg, 16 kb RAM a cenou jen těsně pod 800 dolarů, byl také vybaven vestavěnou obrazovkou. O grafice ale nemůže být prakticky řeč, protože se jednalo jen o čtyřřádkový monochromatický displej.

Implementace LCD panelů byly považovány spíše za experimenty. Svůj účel splňovaly, ale bylo jasné, že si jejich zdokonalení vyžádá ještě roky výzkumu a vývoje. Novější obrazovky se lišily velikostí, rozlišením, ale i využitím.

Málokdo si ale uvědomoval, že mají (kromě zobrazování informací) ještě jeden obrovský potenciál. Kompaktní rozměry displejů a malá spotřeba energie, umožnily vzniknout zcela novým kategoriím počítačů a tím ovlivnit celý průmysl výpočetní techniky.

Epson HX-20 nastínil vizi miniaturizace. Ta se naplno projevila o pár let později v podobě rychlejších a menších notebooků (např. Poqet PC) a kapesních počítačů, tzv. PDA.

Jednalo se o taková zařízení, která měla ambici nahradit klasický papír. Uživatel si s jejich pomocí mohl dělat ručně psané poznámky, plánovat události v kalendáři, tvořit telefonní seznamy, apod. To vše by se ale neobešlo bez většího rozvoje dotykových displejů.

Čmárání po displeji jako nový standard?

První prototypy vznikly v laboratořích IBM již v 60. letech. Pak se vývoj na čas zpomalil a jeho oživení pomohla až společnost Control Data , která prodávala terminál s dotykovou obrazovkou pro systémy Plato IV.

Dalším v řadě, kdo se stal velkým výrobcem dotykových monitorů pro nová PC, byl v 80. letech Hewlett-Packard. Bohužel se ale ani tehdy se revoluce nekonala. Aplikace nebyly na nový způsob ovládání připraveny.

V první polovině devadesátých se začalo znovu a lépe. Mnohá selhání předtím ukázala, že samotý displej uživatelský zážitek nezlepší. Bylo nutné změnit celkový přístup k ovládání počítače. Mnozí designéři stáli před největší výzvou své kariéry. Jak přizpůsobit počítačový systém tak, aby odpovídal přirozenému chování lidí?

Vycházelo se z nejjednodušší činnosti, kterou je psaní na papír. A co k tomu každý potřebuje? Tužku. Přesně taková "tužka", nebo-li stylus, vznikla pro dotykové displeje.

Mezi první komerčně dostupná zařízení s dotykovou vrstvou a stylusem patřil tablet AT&T "EO Personal Communicator", schopný i bezdrátové komunikace. Kromě AT&T zde ale bylo více firem, které se chtěly prosadit na novém trhu.

Ve stejné době se o něco podobného pokusil i tehdejší šéf Applu, John Sculley. Jeho osobní asistent Newton MessagePad, se ale do historie zapsal spíš jako selhání. Hlavní nedostatkem bylo až ostudně špatné rozpoznávání psaného textu.

Trh s PDA na krátkou dobu ovládly přístroje se značkou Palm Computing a později také zařízení Microsoftu. Nic z toho se ale výrazně neprosadilo. Zákazníci jasně vzkázali výrobcům, že o zařízení se stylusem nestojí.

S dotykovým ovládáním uspěl až o pár let později Steve Jobs, když se vrátil do Applu na pozici CEO. Uvědomil si, že lidé potřebují něco, co bude použitelné kdekoliv a kdykoliv.

Multidotykové displeje

Steve chtěl práci na počítači přizpůsobit co nejvíce běžnému životu, což znamenalo radikálně zlepšit použitelnou interakci. Jedním z hlavních kroků, jak toho dosáhnout bylo vylepšení dotykového displeje.

Optimálním řešením se nabízel takový, který by umožňoval pracovat s virtuálními objekty podobně jako v reálném světě. Vícedotykové ovládání prsty se zdálo jako jasná volba.

iPhone v roce 2007 představoval jeden z největších milníků v historii dotykových displejů. Ačkoliv se experimenty s podobnou technologií dělaly již v 80. letech minulého století, bylo to až nakousnuté jablko, které změnilo celý segment mobilních zařízení.

První smartphony využívaly odporový/rezistivní obrazovku, novější (včetně iPhonu) mají kapacitní displej. Hlavní nevýhodou rezistivních displejů je jejich nižší průhlednost a rychlejší opotřebování, což je dáno fyzickou konstrukcí. Plocha je tvořena dvěma vrstvami, mezi kterými je mezera. Horní vrstva je při doteku stlačena až do kontaktu se spodní vrstvou.

Kapacitní displeje jsou buď tvořeny deskou, která je pokryta vrstvou vodivého materiálu a je na ní udržováno elektrické pole a nebo dvěma skleněnými vrstvami, mezi kterými je tzv. matice kapacitorů. Lidský prst dokáže při doteku elektrické pole nebo matici narušit a díky tomu je možné pomocí senzorů zjistit přesnou polohu stisku.
Kapacitní displeje jsou více spolehlivé než odporové. Je dokonce možné je i překrýt ochranou vrstvou. Nevýhodou může být, že reagují jen na vodivé předměty, kdežto rezistivní plochy je možné ovládat čímkoliv.

Dotykových displejů je ale celá řada. Kromě odporových a kapacitních jsou to i akustické (ultrazvukové vlny na povrchu, které jsou při doteku narušeny) a optické (infračervené světlo ozařuje snímaný povrch).

Pokud není samotný panel dotykový, tak se dá toto ovládání do jisté míry simulovat. K tomu může sloužit speciální (např elektromagnetické) pero, které pomocí vysílaných signálů dokáže určit svoji polohu. Použít se tak dá jakýkoliv monitor a nemusí se měnit jeho vlastnosti.

Aby uživatelský zážitek odpovídal téměř realitě, je možné přidat peru hmatový vjem. V praxi to znamená, že pero při doteku vibruje. Síla odezvy je řízena pomocí softwaru a špičky, která je zároveň i tlakovým senzorem.

Budoucnost obrazovek a jejich vývoj

V současnosti je vylepšení hmatového vjemu zřejmě jednou z největších výzev. Ideální situace nastane, když nebude nutný žádný přídavný ovládací prvek a uživatel si i tak vychutná hmatovou zpětnou vazbu v celém rozsahu. Pokud by se tuto technologii podařilo zvládnout, výrazně by se zlepšila použitelnost softwarových klávesnic.

Rozšiřující se trh smartphonů, tabletů či jiných "chytrých" zařízení přináší ale i další problémy, které bude nutné řešit. Jedním z nich je získávání vizuálního vstupu. Pravděpodobně každý, kdo někdy uskutečnil videohovor, se setkal s tím, že se zúčastněné strany nemohou zároveň dívat sobě do očí (kamera je jinde, než displej). Na odstranění této překážky se pracuje a již existují i různé koncepty, které by mohly být funkční. Jedním z nich je například tzv. PDLC folie, v současnosti využívaná ale pro jiné účely, tzv. Smart Glass . V obrazovkách elektronických zařízení se její použitelnost zatím jen testuje.

Dalším problémem je velká spotřeba elektrické energie samotnými displeji. Současné akumulátory jsou v mnoha případech nedostačující. Běžný smartphone vydrží v provozu na jedno nabití maximálně několik dní, notebook jen hodin.

Nedávno vstoupila na scénu technologie OLED (Organic Light Emitting Diode), která by se mohla podílet na řešení tohoto problému. OLED představuje zatím nejnovější výrobní postup v případě obrazovek. Využivá se organické elektroluminiscenční diody, což znamená, že každý bod svítí sám o sobě. To je asi největší rozdíl oproti LCD technologii, kde je nutné rovnorměrně podsvítit celý displej.

Vzhledem k tomu, že je vynaložené úsilí v podobě výkonu na vykreslení jednotlivých barev nerovnoměrné (při zobrazení tmavých barev jednotlivé body na monitoru svítí jen málo, resp. v případě černé nesvítí vůbec), je spotřeba energie závislá na tom, jaká scéna se na displeii odehrává. Vyšší hodnoty budou vykazovat světlejší záběry (například hokejové utkání), naopak tmavší budou mít nižší spotřebu.

Zatím je předčasné hodnotit, zda je OLED úspornější než LCD. Na trh se dostal teprve nedávno. Podle OLED Association se zatím zdá, že sice ano, ale podle serveru CNET jsou hodnoty víceméně srovnatelné. CNET ale přiznává, že lze v případě OLED očekávat zlepšení, a to díky neustálému výzkumu a vývoji.

Zmíněné tři problémy budou předmětem bádání i v dalších letech. Hledání řešení je spíše dlouhodobějšího charakteru. Prakticky neustále ale probíhá zlepšování kontrastu, rozlišení, barevné hloubky, životnosti, pozorovacích úhlů, apod. Zkrátka toho, co se dá ovlivnit relativně snadno, rychle a levně.

Tímto bychom ale technickou část uzavřeli a v některém z následujících článků se podíváme na ekonomické ukazatele. Zaměříme se na velikost celkového odvětví, včetně změn tržních podílů jednotlivých technologií.

Odkazy/Zdroje:

http://www.statista.com/statistics/267095/global-market-share-of-lcd-tv-manufacturers/
http://www.pcmag.com/article2/0,2817,1151888,00.asp
https://technology.ihs.com/AboutUs
http://apple-history.com/aii
http://bitsavers.trailing-edge.com/pdf/ibm/2260/A27-2700-4_2260_2848_Component_Description_Jan69.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_display_technology
https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_television
https://cs.wikipedia.org/wiki/Enhanced_Graphic_Adapter
https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_monitor
http://whatis.techtarget.com/definition/pixel
http://www.epa.gov/sites/production/files/2014-01/documents/computer_display_profile.pdf
http://www.1kspa.cz/kladno/dokumenty/stud_materialy/hwd/Princip_obrazovky.pdf
http://www.nobelprize.org/educational/physics/liquid_crystals/history/
http://solutions.3m.com/wps/portal/3M/en_US/TouchTopics/Home/Terminology/WhatIsMultitouch/
http://research.microsoft.com/en-us/um/people/shodges/papers/secondlight_cr3.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/Multi-touch#History_of_multi-touch
http://www.oled-a.org/images/pdfs/OLED%20Myths.pdf
http://www.cnet.com/news/led-lcd-vs-oled/