7 апреля 2018

Отражения, блики и бабочки

По материалам androidauthority.com

Одна из самых серьезных проблем, с которыми сталкиваются разработчики дисплеев, особенно в мобильных устройствах – отражения и блики на поверхности. Нам всем нравятся красивые гладкие экраны. Эта сияющая поверхность позволяет нам получать четкое, ясное изображение. Но она же в определенных условиях работает как зеркало. И никому не нравится, когда на экране, особенно на темных участках, вместо изображения вы видите себя. А еще хуже, когда вы видите отражения ярких предметов и это делает экран совершенно нечитаемым.

Разработчики дисплеев пытались бороться с бликами и отражениями еще на заре появления электронно-лучевых трубок – с переменным успехом. Самое простое и дешевое решение, к сожалению, и наименее эффективное: можно сделать поверхность стекла (или чего-то другого) шершавой, придав ему матовость. Это было достаточно распространенным решением в мониторах с электронно-лучевыми трубками в 70-е и 80-е, но не получило дальнейшего применения по вполне понятной причине. Более шершавая поверхность делает отражения менее различимыми (вместо зеркального эффекта у вас остаются мутноватые очертания), но отражает столько же света.

Кроме того, ради этой сомнительной пользы вы получаете и добавочный эффект: изображения на экране выглядят мутно и не в фокусе. В 90-е вошли в моду ЭЛТ экраны с очень гладкой поверхностью (их еще называли «зеркальными экранами»), и мы мирились с зеркальным эффектом ради резкости изображения.

Достаточно странным выглядит тот факт, что когда ЭЛТ в мониторах компьютеров стали вытесняться LCD экранами, у тех была матовая поверхность, как в старых ЭЛТ, и это преподносилось как одно из преимуществ! И вновь людям быстро надоело приносить в жертву четкость изображения ради превращения бликов в муть вместо реального уменьшения этого эффекта.

Сегодня, в особенности в мобильных устройствах, гладкая поверхность экрана считается нормой. Но для тех, кому нужна матовая поверхность, широко распространены «антибликовые» матовые защитные пленки на экран. Реально они могут только рассеивать отражение, но не уменьшать количество отражаемого света. Что, вообще-то, неудивительно.

Матовая пленка на экран. Такие просто рассеивают отражение, а не борются с ним

Однако есть и третье решение, и оно появилось не вчера. Существуют настоящие антибликовые поверхности, которые уменьшают количество света, отражающегося от поверхности стекла. Для того, чтобы понять, как они работают, давайте сперва посмотрим, как вообще получается эффект отражения.

Стекло – это, разумеется, прозрачное вещество. Свет проходит прямо сквозь него, как если бы его вообще не было. Те, кто когда-то пытался пройти сквозь закрытую стеклянную дверь, это гарантируют. В то время как непрозрачные поверхности отражают свет, сквозь прозрачные он проходит, но не весь. Если вы посветите на тщательно отполированную стеклянную поверхность, около 96% света пройдет сквозь стекло и 4% будет отражено.

Кстати, есть здесь и элемент мистики. Если мы посмотрим на ситуацию с позиций квантовой механики, свет и другие электромагнитные волны – это поток частиц, которые мы называем фотонами. Все фотоны должны быть одинаковы. Но если это так, как 96 фотонов из каждых 100 «знают», что должны пройти сквозь поверхность, в то время как остальные 4 «знают», что должны быть отражены? Удовлетворительного ответа пока нет.

Но оставим эту проблему физикам-теоретикам. Если мы добавим вторую отражающую поверхность, поместив ее под первую, произойдет нечто интересное. Имея вышеупомянутые 4% отраженного света и 96% прошедшего насквозь, мы можем ожидать повторения ситуации и со второй поверхностью, в итоге немногим меньше 8% света будет отражено (исходные 4% плюс еще 4% от тех 96%, что прошли через первое стекло). Но когда мы в реальности используем такую «связку», происходит нечто странное: свет, который отражается, возвращаясь к зрителю, составляет от нуля до 16%. И выходит, что общее количество отраженного света зависит от толщины слоя между первой и второй поверхностью.

Очень-очень тоненькая поверхность дает общее отражение, равное нулю, и чем больше толщина, тем больше это значение стремится к пределу в 16%, а затем снова падает до 0. Цикл повторяется вновь и вновь по мере изменения толщины. Если заглянуть глубже, возможно, цикл связан с длиной световой волны. И хотя бы эта часть явления достаточно легко объясняется, если мы говорим о волновой природе света. Не объясняя в первую очередь, почему отражается определенный процент света, мы, по крайней мере, можем сказать, что отражение, которое возникает на четверти длины волны «ниже» первой поверхности, должно полностью ликвидировать отраженный свет. Это происходит потому, что общая длина пути от первой поверхности до второй и обратно – это половина длины волны. Так что отражение от второй поверхности расходится на 180 градусов с отражением от первой и ликвидирует его.

Четвертьволновые антиотражающие поверхности ликвидируют отражения за счет деструктивной интерференции

В результате чего мы получаем один из самых эффективных способов борьбы с отражением для дисплеев на настоящий момент – четвертьволновое антиотражающее покрытие. Тонкий слой материала, выбранного по индексу рефракции и прочности, наносится (обычно при помощи вакуумного осаждения) на поверхность стекла. Это контролируемый процесс, так что толщина слоя делается такой, чтобы это была четверть длины волны в данной среде. Так достигается вышеописанный эффект.

Стекло, полученное таким образом, дает процент отражения в 1% или меньше – не сравнить со стеклом, которое не подвергалось обработке.

Конечно, недостатки есть и у него. Помимо стоимости такой обработки, покрытие может иметь толщину в четверть волны только для волны определенной длины, а это вызывает определенные цветовые эффекты. Толщина обычно определяется как четверть длины волны, составляющей среднее значение для видимого диапазона, что для видимого спектра соответствует зеленому. А значит, в зеленых областях эффект будет наибольшим, а в красных и синих меньшим. А оставшееся отражение приобретает фиолетовые оттенки. Также на экранах, покрытых таким стеклом, сильнее видны отпечатки пальцев, потому что жир уменьшает антиотражающий эффект.

Недавно на рынок стал проникать и новый способ борьбы с отражением. В начале материала упоминались бабочки, и теперь они нам понадобятся. Известно, что глаз ночной бабочки отражает очень мало света: это эволюционный механизм защиты от хищников в их жизни, проходящей преимущественно в темноте. Когда ученые заинтересовались, как это возможно, оказалось, что глаза этих насекомых покрыты миллионами микроскопических выростов. Свет, попадающий на такую поверхность, не отражается, а большей частью «углубляется» между этими выростами, где оказывается поглощен.

Кремниевая имитация структуры глаза ночной бабочки

Сегодня уже найден способ воспроизвести такую структуру на стеклянной поверхности. И если будут найдены подходящие методы для производства, а такая поверхность будет достаточно прочной, чтобы выдерживать тяготы повседневного использования устройства, благодаря этой технологии мы можем получить экраны, которые фактически не отражают свет и дают четкие, ясные изображения с очень высокой контрастностью. Возможно, такая поверхность окажется даже пригодной для гнущихся экранов. Но все это – дело будущего, пока что этот «эффект бабочки» далек от коммерческого воплощения. Но когда мы наконец получим возможность наслаждаться небликующими экранами с непревзойденной четкостью изображения, вспомните про ночных бабочек и скажите им спасибо.

Читайте также