3.3. Плазменные панели
Плазменная панель (PDP — plasma display panel), или электролюминесцентный газоразрядный матричный экран, — устройство отображения информации, использующее явление электрического разряда в газе и возбуждаемого им свечения люминофора.
Первая плазменная панель переменного тока была разработана в 1964 г. в университете шт. Иллинойс (США) и была монохромной (оранжевой). В 1984 г. компания Fujitsu разработала трехэлектродную технологию поверхностного разряда, которая затем была положена в основу цветных плазменных панелей, а в 1993 г. — выпустила панель размером 21 дюйм. В настоящее время ведущими мировыми производителями плазменных панелей, которым принадлежит более 90 % рынка, являются компании Panasonic, Sony, Fujitsu, NEC, Hitachi, Pioneer, LG.
Устройство и принципы работы. Плазменная панель представляет собой матрицу ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными поверхностями и наполненных сильно разреженной газовой средой (рис. 3.4а). В качестве последней обычно используется неон и/или ксенон.
На внутренних гранях стекол расположены горизонтальные и вер-тикальные электроды, образующие систему из двух взаимно перпендикулярных решеток (рис. 3.46). Вертикальные электроды располагаются на заднем стекле и являются адресными. Горизонтальные прозрачные электроды, сгруппированные по два, располагаются на лицевом стекле и являются разрядными (инициирующими).
Рис. 3.4. Устройство и принцип действия плазменной панели: а — устройство ячейки (пиксела) плазменной панели, б — система электродов. 1 — заднее стекло, 2 — отражающий слой, 3 — ячейки — субпикселы с нанесенными на их поверхность люминофорами «основных цветов» (слева — направо красного, зеленого, синего), 4 — защитный слой, 5 — лицевое стекло, 6 — адресные электроды, 7 — разрядные электроды, 8 — черная полоса, 9 — свет. К — красный, 3 — зеленый, С — синий субпикселы
В месте пересечения разрядных электродов и адресного находится элементарная ячейка (размером 0,5X0,5-0,2X0,2 мм) плазменной панели — субпиксел, которая способна испускать излучение одного из трех тем, что на боковые и заднюю грани ячеек нанесен слой соответствующего люминофора. Такие три субпиксела образуют пиксел.
Кроме того, каждая ячейка устроена таким образом, что между адресным и одним из разрядных электродов (инициирующим) образуется небольшая емкость — микроконденсатор с малым током утечки.
Электрический разряд в газе протекает между прозрачными разрядными электродами на лицевой стороне экрана иадреспыми электродами, проходящими на его задней поверхности, при приложении к электродам сильного напряжения. Разряд вызывает ионизацию содержащегося в ячейке газа (так называемое состояние холодной плазмы), в результате чего возникает ультрафиолетовое излучение, которое затем инициирует видимое свечение люминофора. Последнее, проходя через лицевое стекло, попадает в глаз наблюдателя. (Таким образом, в плазменной технологии субпиксслы работают, подобно люминесцентным источникам света[ 17, с. 59-74].) Излучение люминофора распространяется во все стороны, в том числе и в стороны, противоположные от наблюдателя. Для эффективного использования этой части излучения на адресный электрод нанесено отражающее покрытие.
Яркость (интенсивность) свечения ячейки зависит от напряжения на разрядных электродах, но не может регулироваться им в широких пределах. Кроме того, при высокоинтенсивиом разряде происходит выгорание люминофора, приводящее к быстрому старению панели.
Поэтому для регулирования интенсивности излучения субпиксела используют метод широтно-полосной модуляции, заключающийся в изменении соотношения периодов свечения/несвечения ячейки. Яркость свечения субпиксела плазменной панели определяется числом инициирующих импульсов за время отображения кадра в отличие от ЭЛТ и дисплеев с автоэлектронной эмиссией, где яркосгь регулируется интенсивностью электронных лучей.
В плазменных панелях используется прогрессивная развертка (и. 3.1) с частотой 50 кадров в секунду: один кадр «прорисовывается» за 20 мс. Этот период отображения кадра разбивается в свою очередь на 8 субпериодов, каждый из которых содержит интервал адресации и интервал отображения. Интервалы адресации одинаковы во всех субпериодах, а интервалы отображения в субпериодах соотносятся как 1:2:4:8:16:32:64:128.
Во время интервала адресации осуществляется адресация всех ячеек панели. В процессе адресации происходит заряд элементарных конденсаторов тех ячеек, которые должны светиться в данном субпериоде, и разряд тех, которые светиться не будут. Ввиду того, что ток утечки конденсатора мал, заряд в нем будет сохраняться вплоть до следующего интервала адресации.
Во время интервала отображения на все разрядные электроды подаются импульсы, количество которых зависит от номера субпериода: в первом субпериоде — 1, во втором — 2, в третьем — 4, в четвертом — 8 и т. д. в соответствии с указанными выше интервалами отображения. При этом светиться будут только те ячейки, которые предварительно ироадресованы, а количество вспышек будет равно количеству подаваемых в данном субпериоде импульсов. Это означает то; что, адресуя ячейку в различных субпериодах, можно получить различное число ее вспышек за период отображения кадра: от 0 (когда ячейка не адресована ни в одном из субиериодов) до 255 (когда ячейка адресована в семи последних субпериодах) . Таким образом, одни субпикселы светятся пратически постоянно, а другие не светятся совсем 111 ].
Цвет пиксела определяется комбинацией числа вспышек составляющих его субпикселов.
Алгоритм управления плазменной панелью является очень сложным, а частота управляющего сигнала достигает 200 кГц.
Методы и технологии увеличения яркости, контраста, четкости изображений и улучшения цветопередачи. Для улучшения качества воспроизведения изображений на экране плазменной панели разработан и используется целый ряд технических решений.
В технологии воспроизведения изображения на экране плазменной панели присутствует специфический процесс, снижающий контраст воспроизводимого изображения, — предварительный разряд, создающий условия для возникновения основного разряда. Такой разряд имеет место в каждом субпериоде отображения кадра, то есть восемь раз за один период отображения (20 мс). В результате предварительного разряда возникает слабое свечение субпикселов (фоновая засветка), особенно заметное при выводе абсолютно черного изображения (пиксел, не излучающий свет, будет не черного, а сероватого цвета) и снижающее контраст.
Для уменьшения фоновой засветки на лицевое стекло панели наносят специальноесветопоглощающее покрытие, однакооиоснижает интенсивность не только паразитной засветки, но и полезного излучения ячеек. Более эффективными методами являются специальные методы управления, которые позволяют значительно уменьшить фоновое излучение либо путем использования в субпериодах отображения кадра вместо сильного предварительного разряда нескольких более слабых, либо сокращением количества предварительных разрядов до минимально возможного— одного за весь период отображения. Это делает возможным добиться очень высокого уровня контрастности — 3 000:1.
Другой причиной снижения контраста является отражение внешнего света элементами конструкции панели: верхними частями разделяющих ячейки ребер и отражающим покрытием задней стенки ячеек (поверх адресных электродов). Для устранения этого эффекта верхние части ребер покрывают черным светоноглощающим материалом, а на лицевое стекло наносится светопоглощающая пленка.
Дляповышения яркости и контрастности применяются различные высокоинтеллектуальные схемы управления.
При использовании схемы автоматической подстройки яркости в зависимости от среднего уровня сигнала изображения производится постоянный анализ входного сигнала и рассчитывается среднее значение яркости, которое передается на схему управления, устанавливающую яркость изображения на одном из 256 уровней. Если яркость оказывается ниже нормы, схема управления делает изображение ярче, если же выше — ограничивает яркость.
В другой схеме управления используется система обработки сигналов но метолу адаптируемого повышения яркости. Здесь в зависимости от воспроизводимой в кадре картинки производится сокращение субпериодов отображения, а следовательно, и интерналов адресации, во время которых ячейки не светятся. Это увеличивает общее время интервалов отображения в периоде воспроизведения кадра и соответственно яркость. Автоматическая коррекция соотношения между самой яркой и самой темной точками на экране производится с учетом текущих параметров сигнала изображения. Эта технология позволяет повысить яркость панелей до 650 кд/мг и увеличить диапазон воспроизводимых яркостей.
Значительного увеличения яркости позволяет добиться технология двойного сканирования, в которой экран разделен на две половины, каждая из которых управляется отдельно. Повышенная яркость здесь является следствием уменьшения времени адресации, однако стоимость панели увеличивается за счет применения двойного набора управляющих схем.
Для увеличения оптического разрешения экрана по вертикали применяют матрицу с ячейками галетной структуры (имеющими перегородки в виде креста). В панелях с обычной структурой ячеек инициируемое разрядом ультрафиолетовое излучение просвечивает через соседние ячейки, что приводит к ухудшению оптического разрешения по вертикали, здесь же указанное явление минимизируется.
Плазменным панелям с большим дискретным размером и высоким разрешением свойственна пониженная яркость свечения мелких разрядных ячеек: при увеличении количества пикселов на экране площадь каждого из них уменьшается, что приводит к снижению яркости. Для повышения их яркости используют метод попеременного свечения поверхностей, который обеспечивает поддержку стандарта телевидения высокой четкости HDTV (High definition television) с высокой яркостью (до500 кд/м1}. В обычных панелях разрядные электроды сгруппированы парами (рис. 3.46, с. 19), и расстояние между парами больше, чем между электродами, составляющими пару. — для исключения влияния пар друг на друга. Разряд возникает между электродами одной пары, и пространство между парами остается неосвещенным. В указанной технологии разрядные электроды размещаются на одинаковом расстоянии друг от друга и используется метод чересстрочной развертки: в первом полукадре разряд происходит только в четных строках (между электродами 1 и 2, 3 и 4 и т. д.), а во втором полукадре — только в нечетных (между электродами 2 и 3, 4 и 5 ит. д.).
Для повышения качества цветопередачи поверх светоизлучающих ячеек внедряют специальный цвет ной светофильтр, который поглощает побочное оранжевое свечение неона.
Все плазменные панели могуг работать с различными видео- и компьютерными сигналами, поэтому важным параметром является их дискретный размер. В настоящее время выпускаются модели с дискретным размером экрана: 852X480,1024X1024,1280x768,1365X768. Следует отметить, что при поступлении сигнала формата 4:3 на панель с соотношением сторон 16:9 происходит его цифровой пересчет. Это приводит к искажениям и потере части изображения. Однако алгоритмы пересчета, используемые в современных моделях, делают эти искажения практически незаметными, особенно при работе с видеоизображением. Преимущества плазменных панелей.
1. Безопасность: плазменные панели не создают вредных магнитных и электрических полей, так как в них отсутствуют устройства развертки и высоковольтный источник анодного напряжения, как у ЭЛТ. Кроме того, они не создают рентгеновского и какого-либо иного паразитного излучения. В этой связи плазменные панели не оказывают вредного воздействия на человека и домашних животных.
2. Эргономичность: для плазменных панелей характерны отсутствие мерцания изображения (самые яркие ячейки зажигаются 255 раз за 20 мс), одинаково высокие четкость и яркость изображения по всему полю, отсутствие несведения и геометрических искажений, большой угол обзора (до 170°), высокие яркость и контрастность — все это снижает нагрузку на глаза,
3. Универсальность: плазменные панели используют как в качестве телевизора, так и в качестве дисплея персонального компьютера с большим размером экрана — многофункционального информационного табло — при подключении к выходу персонального компьютера или ноутбука, а также для домашнего мультимедиа и компьютерных игр. В этой связи все модели плазменных панелей помимо видеовхода снабжаются еще и VGA-входом.
4. Компактные размеры и габариты. Толщина панели с размером экрана в 1 м не превышает 9 — 12 см, а масса составляет всего 28 — 30 кг.
5. Надежность: технический ресурс плазменых панелей составляет не менее 60 000 ч, а процент брака не превышает 0,2.
К недостаткам плазменных пенелей можно отнести их высокое энергопотребление.