Óptica - Os filtros de cores

Óptica - Os filtros de cores

11/07/2018

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  Já temos o artigo sobre projetores DLP, 3LCD, TVs LCD, Plasma, OLED, CRT, mas não há nada sobre os filtros de cores que contribuem para a geração da imagem colorida que vemos na tela! Este artigo é dedicado a estes filtros essenciais na geração da imagem!

  Vamos mostrar as principais padrões de filtros de cores utilizados nos display's de aparelhos eletrônicos! Começaremos pelo mais comum!

  O filtro RGB é composto de três cores: Vermelho (Red), Verde (Green) e Azul (Blue). Cada pixel da tela é subdividido nestas três cores, isto é, nestes três subpixels. Diferentes tons destas três cores misturados formam milhões de outras cores. Veja o diagrama padrão de um pixel com filtro RGB:

  Os filtros RGB são utilizados em televisores e monitores CRT, Plasma e vários modelos de LCD. No caso dos LCD, essa é a principal forma de organização dos filtros, sendo cada cor separada por uma linha vertical e uma horizontal na cor preta.

  Algumas fabricantes titulam o filtro RGB como "padrão legado" pois foi o primeiro e mais utilizado filtro de cores para dispositivos eletrônicos que exibem imagem.

 

O 'DELTA', o 'IN LINE' e a 'GRADE DE ABERTURA' (TRINITRON)

  Nos primórdios das TV's tubo, existiu uma organização diferente das cores do padrão RGB, chamada de "Delta". Este método consistia em Fósforos coloridos no formato esférico, como pode ser visto na imagem abaixo:

  A Shadow Mask presente atrás dos fósforos da tela era composta por uma matriz de milhares de círculos, sendo que cada um deles englobava os três fósforos que compunham o filtro RGB. Como era difícil de se ajustar a pureza e a convergência do canhão de elétrons para que os três feixes de elétrons passassem por dentro de cada circulo da máscara, essa tecnologia deu espaço para as Shadow Mask's 'In Line', mostrada na imagem abaixo:

  Se você olhar bem próximo de uma tela CRT, verá que a matriz de pixels é formada de retângulos posicionados em pé. Isso tornou muito mais fácil o ajuste de 'foco' do canhão de elétrons. Cada pixel retangular é formado por três linhas de Fósforo que formam o filtro RGB.

  O "Trinitron", também conhecido como "Slot mask" foi uma tecnologia patenteada pela SONY ainda nos anos 1960 e substituiu a máscara de sombras por uma 'Grade de Abertura'. Esta grade substitui a chapa com matriz de furos que compõem a Shadow Mask original por uma série de fios metálicos verticais que separam cada cor do filtro RGB. Diferente dos demais, não há separação horizontal dos filtros. Veja um pedaço ampliado de uma tela com a tecnologia Trinitron abaixo:

  Perceba que há apenas divisões verticais entre cada cor do filtro RGB. Uma das vantagens é que, com o uso da TV Tubo, a máscara de sombras tenda a esquentar e dilatar para todos os lados, prejudicando também o ascendimento perfeito dos Fósforos, porém com a Grade de Abertura, apenas os fios verticais se dilatam com o calor e isso não afeta a reprodução de imagem. A Grade de Abertura também permite telas CRT planas ou quase planas, enquanto os CRT's com Shadow Mask permitem apenas telas com curvatura esférica.

  Após o fim da patente, em 1996, outras marcas puderam usar a tecnologia Trinitron, porém com outro nome. A Sony ainda criou o "FD Trinitron", que usava sistemas de Feedback controlados via computação para garantir a nitidez do 'foco' do canhão de elétrons para melhorar ainda mais a imagem em telas planas.

  Uma variação do Trinitron, criado pela Sony, foi o "CromaClear", Criado pela NEC Corporation nos anos 1990. Veja abaixo um pedaço ampliado de uma tela com tecnologia CromaClear:

  Essa tecnologia dispensa o par de fios de amortecimento horizontais presente nas telas com Grade de Abertura. O CromaClear também engloba melhorias na Pistola de Elétrons utilizada no CRT.

  O filtro RGBCMY vem da combinação do filtro RGB com o filtro CMYK. CMYK é formado pelas cores Ciano (Cyan), Magenta (Magenta), Amarelo (Yellow) e Preto (Black). Neste caso, o filtro RGBCMY abandona a cor preta e em alguns casos passa a utilizar uma mascara transparente que permite a passagem direta da luz branca do backlight, já que, se você leu os primeiros artigos sobre óptica, a cor branca é formada pela mistura das outras cores.

  Veja um filtro RGBCMY abaixo:

  Mas porque o filtro acima está em forma de disco? Porque este formato está presente em projetores DLP. Este disco é chamado de Color Weel. Lembrando que, existem vários outros modelos de Color Weel. Como eu disse acima, alguns discos além de ter todas estas cores, apresentam uma faixa transparente para a passagem da luz branca do backlight. Outros não possuem esta faixa transparente, como é o caso do disco acima, onde é necessário girar o disco muitas vezes para que a luz branca seja formada. Alguns Color Weel possuem apenas o filtro RGB comum ou o filtro RGB com a faixa transparente, outros Color Weel apresentam apenas o filtro CMY ou o filtro CMY com uma faixa transparente.

  A opção por utilizar o filtro RGB juntamente com o CMY é porque com estas cores base se torna possível criar uma variedade maior de cores do que se utilizassem apenas os filtros RGB.

  Você deve ter notado que a divisão das cores no disco não é igual, isto porque cada cor possui uma faixa de frequência e um comprimento de onda, fazendo com que o espaço que cada cor ocupa no disco tenha que ser dimensionado para a melhor precisão possível do aparelho. Normalmente, as distribuição das cores no filtro RGBCMY é parecida com o desenho acima. Na grande maioria dos discos de cores RGB ou RGB com faixa transparente, a distribuição de cores é de forma proporcional, e isto também vale para discos que possuem apenas o filtro CMY ou CMY com faixa transparente.

  Lembrando que, há exceções: alguns Color Weel possuem filtro RGBY (Y é de Yellow - Amarelo) com faixa transparente. Você verá a diferença destes filtros RGBY na sequência do texto.

  Também chamado de RG-B-GR, o filtro PenTile foi criado nos anos 1990 e adquirido pela Samsung Electronics em 2008, mas só na última década vem ganhando espaço no mercado. Ele possui as mesmas cores do filtro RGB só que, organizadas de forma diferenciada. Veja um filtro PenTile abaixo:

   Você percebeu que são 5 zonas de cor? Então, o nome "Pen" significa Penta e "Tile" é azulejo. Este padrão de filtro foi criado basendo-se na Biomimética da retina Humana que possui quantidades praticamente iguais de células cone do tipo L e M, mas significativamente menos cones do tipo S. Colocar as cores verde e vermelho na mesma proporção e uma quantidade menor da cor azul num pixel não afeta a qualidade da imagem. Este filtro foi utilizado em alguns modelos de telas LCD.

  Esta é uma variação do PenTile original, apesar de não ser dividido em 5 zonas. O nome RGBG foi dado pois utilizam subpixels verdes intercalados com subpixels azuis e vermelhos alternados. O olho Humano é mais sensível ao verde, especialmente para as informações de luminância de alta resolução. Veja a imagem de um pixel com filtro RGBG:

   Abaixo, a visualização de parte de uma tela AMOLED com filtros RGBG:

 Filtros de cores de uma tela AMOLED vista no microscópio

 

Os filtros RGBG foram utilizados nas telas AMOLED, principalmente as de smartphone, pois conseguiam reduzir a quantidade de subpixels e assim facilitar a produção dos display's, aumentar a durabilidade, reduzir o consumo de bateria e melhorar os contornos nas imagens.

  Mesmo prometendo vários benefícios, especialistas criticaram a tecnologia, pois ela trazia tons esverdeados ou azulados em algumas partes da tela além de contornos com distorção de cor. Em imagens em preto e branco também era possível notar esverdeamentos momentâneos sem motivos aparentes.

  Segundo o gerente de marketing da Samsung na época, os filtros levavam mais tempo para se degradar, principalmente o de cor azul, tornando o display com cara de novo por mais tempo. Veja a imagem abaixo, feita pelo site The Verge e que mostra a discrepância de qualidade entre um display comum e um RGBG:

  Discrepância de qualidade de display entre um HTC OneX e um OneS. (O HTC OneS possui uma tela AMOLED PenTile RGBG)

  Produzir um display AMOLED acima de 720p já seria um problema grande se utilizassem o filtro RGB padrão, por isso que o PenTile RGBG foi uma boa saída.

  O padrão RGBW (W de White - Branco) foi uma outra variação do PenTile muito pouco utilizada no mercado. Para aumentar a claridade da imagem de TVs LCD, uma quarta zona foi colocada dentro do pixel. Esta zona não possui cor, ou seja, é transparente, justamente para a passagem da luz branca, fazendo com que o display pudesse ter mais claridade na imagem sem se ter a necessidade de aumentar a fonte de luz e, consequentemente aumentar o consumo de energia. Veja um pixel com filtro RGBW abaixo:

   Equipamentos que utilizam filtro RGBW também utilizam a renderização de Metamer que otimiza a distribuição da energia entre o subpixel transparente e os subpixels Verde, Vermelho e Azul para melhorar a nitidez da imagem.

  O chip driver de controle do display possui algoritmos para a conversão da informação de cor RGB para RGBW, correção de cor, gama, saturação e tudo mais para que a imagem seja reproduzida com o máximo de qualidade pelo display.

   Outra variação do PenTile original e que é utilizada atualmente em smartphones e smartTVs AMOLED. Com a mesma ideia das anteriores: facilitar a produção de displays com resoluções altissimas e densidade de pixels por polegada (PPI) bastante grande.

  Para conseguir resoluções maiores em pequenos espaços, o pixel possui formato de diamante (por isso o nome Diamond PenTile) e os subpixels Azul e Vermelho possuem formado de losango. Cada pixel possui dois subpixels de cor verde com formato oval. Veja a imagem abaixo:

   Veja a imagem abaixo, que especifica melhor como são organizados os pixels em formato de diamante:

  O primeiro aparelho a utilizar o filtro Diamond PenTile foi o Samsung Galaxy S4. Ele vinha com tela AMOLED juntamente da sigla "Plus", portanto todos os aparelhos que possuem display AMOLED Plus são feitos com filtro Diamond PenTile. Os dispositivos que possuem display AMOLED comum podem utilizar filtros PenTile RGBG ou RGB.

 

  A própria Samsung admitiu que os filtros PenTile RGBG são inferiores aos RGB. Veja a imagem abaixo:

  Apesar da Samsung Display produzir telas para várias concorrentes e também utiliza-las em seus dispositivos, o fornecimento de telas para a Apple produzir o iPhone X foi de displays AMOLED Plus com algumas diferenças no arranjo dos subpixels. Essas diferenças mínimas são mostradas na imagem abaixo:

   Esta imagem foi cedida pela DisplayMate. O iPhone X AMOLED Plus está à esquerda, enquanto a direita está o Galaxy AMOLED Plus.

  São filtros de cores exclusivos das telas Quantum LED! Como o backlight destas TVs é composto por LEDs azuis, há apenas a necessidade de utilizar filtros Red (Vermelho) e Green (Verde). Os filtros utilizados são feitos de de nanocristais de Seleneto de Cádmio. Veja a imagem de nanocristais coloridos abaixo:

   Atualmente, as famosas TVs de pontos quânticos possuem um pequeno mercado mas, tudo indica que elas tem uma longa jornada pela frente.

  Apesar de utilizarem os nanocristais, as telas QLED não excluem a utilização de filtros RGB comuns. Os nanocristais servem apenas para deixar a cor mais viva e a imagem parecer muito mais realista. Para ver mais sobre o funcionamento do QLED, CLIQUE AQUI!

  Este filtro foi criado pela Sharp Electronics com o intuito de aumentar o intervalo de cores reproduzidas, isto é, aumentar a quantidade de cores que podem ser exibidas incluindo uma quarta cor base: o Amarelo (Yellow).

  O filtro RGBY também é conhecido com Quattron. Veja abaixo, um pixel com filtro RGBY:

  Esta tecnologia foi empregada em televisores LCD da marca Sharp e também em Color Weel de alguns poucos modelos de projetores DLP.

  De acordo com a DisplayMate Technology, fabricante de equipamentos para calibração de televisores e monitores, não há conteúdo produzido que utilize esta quarta cor base (Amarelo) para gerar as cores da imagem.

  Segundo pesquisas de uma Universidade de Londres (Inglaterra), a luz proveniente do backlight do display de televisores Sharp que possuem este filtro não tem o comprimento de onda da cor amarela (577 a 597 nanometros), ou seja, o filtro amarelo não tem utilidade alguma e, provavelmente só foi incluído por uma questão de marketing, isto é, anunciar uma tecnologia nova que promete mais qualidade de imagem para induzir o consumidor a comprar uma TV nova.

  Como foi dito acima, alguns projetores DLP podem ter um Color Weel com filtro RGBY mas, o amarelo não tem uma utilidade forte já que, não há conteúdo reproduzido que necessite desta quarta cor, pois os tons de amarelo são feitos pela simples combinação de tons das cores do filtro RGB comum.

   As impressoras, na grande maioria dos modelos, utilizam o sistema de cores CMYK para imprimir documentos e imagens. Você já parou pra pensar o porque que a imagem é reproduzida na tela com o padrão RGB e impressa no padrão CMYK?

  O padrão RGB é conhecido como cor luz, pois quando as três cores são sobrepostas formam o branco, que é a mistura de todas as cores do espectro visível. Quando as cores do padrão RGB são sobrepostas duas a duas formam as cores primárias Ciano (C), Magenta (M) e Amarelo (Y). 

  O padrão RGB tem síntese aditiva. Já o CMY tem síntese substrativa (também conhecido como pigmento), pois quando sobrepostas as três cores formam a cor preto (K). Veja a imagem abaixo:

   Cores existentes no RGB podem não existir no CMYK, pois o RGB ao ser sobreposto forma o branco, que como foi dito, é a mistura de todas as outras cores.

  Na tela dos monitores e projetores é a incidência de luz de dentro pra fora do aparelho que faz com que o olho humano perceba os pigmentos que constituem a imagem. Esta luz que parte de dentro do aparelho pode ser a luz branca emitida pela lâmpada dos projetores DLP e 3LCD ou pelo painel de LED's das telas LCD. Nas telas CRT, Plasma e OLED a luz branca não precisa ser desmembrada para formar o vermelho, o verde e o azul, já que as três cores são feitas "do zero" via LED ou excitação de fósforos coloridos.

  Já na impressão, é a luz externa, isto é, a luz do ambiente que incide no papel e faz com que o olho Humano capte os pigmentos impressos. Para entender melhor esse negócio de reflexão, refração e absorção e a formação da cor dos objetos, aconselho você a ler os artigos sobre óptica publicados aqui no HC.

  Podemos citar aparelhos que reproduzem imagens mas utilizam o sistema CMY ou o sistema CMY + RGB: são os projetores DLP. Lembra lá no início do artigo, que mostramos o disco de cores e conversamos sobre a variedade de cores que podem ser utilizadas? Então, muitos deles podem utilizar o padrão RGB, ou CMY, ou a combinação dos dois.

  Eu também já cheguei a ver uma impressora que utilizava dois cartuchos, sendo um deles com três compartimentos para as cores do sistema RGB e o outro cartucho apara a cor preta. Mas isso é algo meio incomum.

  É válido lembrar que, a imagem digitalizada ao ser reproduzida na tela também possui informações de cor compatíveis com RGB, portanto, ao ser impressa, a impressora converte as informações de cor da imagem para o padrão CMYK para que então possa ser feita a impressão. Essa conversão de RGB para CMYK é feita via algoritmos.

  Os filtros de cores dos televisores e monitores CRT e Plasma são feitos do elemento químico fósforo dopado com materiais especiais (a grosso modo, podemos chamar de corantes!) para ficarem com as cores R/G/B. Os Color Weels, Televisores e monitores LCD e OLED, os filtros já são feitos de polímeros com materiais especiais (a grosso modo, também podemos chamar de corantes!) para formarem as cores necessárias (RGB e ou CMY).

   A formação das cores no display não depende somente da luz de fundo e dos filtros de cor, mas sim de circuitos de processamento e mecanismos específicos para cada padrão de filtro, a fim de aprimorar a exibição da imagem. Para cada filtro PenTile, por exemplo, existe um mecanismo eletrônico embutido no(s) CI(s) driver da tela, embutido no chip da placa principal, um algoritmo para otimizar a varredura, otimizar a distribuição de sinais na Matriz, enfim, a qualidade de imagem reproduzida não depende só dos filtros mas sim de todo o aparelho. Isso também vale para projetores: imagine o complexo mecanismo eletrônico e de software para processar a imagem, posicionar o filtro de cor sobre a luz branca e ativar e desativar os microespelhos do chip DMD!

 

  Gostou do artigo? Conhece algum outro filtro de cor e quer que o Hardware Central inclua neste artigo? Mande uma mensagem para a gente através do e-mail hardwarecentrallr@gmail.com.

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FONTES e CRÉDITOS

 

Texto e desenhos: Leonardo Ritter

Imegens: Google Imagens, OLEDInfo.

Fontes: OLED-Info; TecMundo; Wikipedia(somente artigos com fontes verificadas!); Engenharia reversa que o autor do texto fez num projetor DLP; Burgos Eletrônica (You Tube)

 

Última atualização: 06 de Outubro de 2019.

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