Дисплеи с автоэлектронной эмиссией

Принцип действия ЭЛТ, описанный выше, основан на явлении эмиссии. В настоящее время разрабатывается целый ряд иных эмис­сионных технологий, к числу которых относится технология, основанная на явлении автоэлектронной эмиссии.

Принципы действия дисплея с автоэлектрониой эмиссией (FED — field-emission display) и ЭЛТ похожи — слой люминофора испускает свет при бомбардировке его потоком электронов. Их различие заключается в том, что вместо трех электронных пушек (для монохромных дисплеев — одной), используемых в ЭЛТ, и последовательного сканирования всего экрана электронными лучами (лучом) в дисплеях с автоэлектронной эмиссией позади каждого субпиксела (пиксела) находятся тысячи мель­чайших источников эмиссии электронов. Корпус субпиксела (пиксела) имеет толщину в несколько миллимет ров. В результате из таких субпик­селов (пикселов) формируется цифровая панель с непосредственным управлением каждого субпиксела (пиксела), как и в случае активной мат­рицы (ЖК-дисплеи или отображающие устройства на основе органи­ческих светодиодов, п. 3.3,3.4), но свет испускается люминофором в каж­дом отдельном пикселе, как в ЭЛТ.

Строение и принцип действия субпиксела (пиксела) дисплея с авто-электронной эмиссией показаны на рис. 3.3. На катоде сформирован слой из углеродных нанотрубок, ориентированных перпендикулярно аноду. Если на электроды подать напряжение соответствующей поляр­ности, нанотрубка заряжается отрицательно.

Рис. 3.3. Схема субпиксела дисплея с автоэлектронной эмиссией из нанотрубок: 1 — катод, 2 — нанотрубки, 3 — пучок электронов, 4 — анод (алюминиевая фольга), 5 — люминофор, 6 — свет

При этомлинии электри-ческого поля вблизи заряженной нанотрубки искривляются, и в окрест­ности острия нанотрубки напряженность поля становится очень значи­тельной, причем тем больше, чем тоньше нанагрубка. Такое локальное поле может вырывать электроны из нанотрубки. Под действием внешнего поля летящие электроны формируются в пучок. Этот эффект и называют авто­электронной (электростатической) эмиссией.

Чтобы с помощью автоэлектронной эмиссии получить изображение, на анод наносят люминофор. Электронный пучок возбуждает молекулы люминофора, которые затем переходят в основное состояние с испуска­нием фотонов. Например, при использовании в качестве люминофора сульфида цинка с добавками меди и алюминия наблюдается зеленое све­чение, а при добавлении серебра—синее. Красный цвет излучения полу­чают, например, с помощью легированного европием оксида иттрия. Интенсивность потока электронов определяет яркость свечения субпик­села (пиксела).

Экраны с атоэлектронной эмиссией обладают рядом преимуществ перед отображающими устройствами других типов. Они имеют малую глубину (толщину), низкое энергопотребление, обладают длительным ресурсом работы (до 10 000 ч), являются практически безынерционными, характеризуются широкими углами обзора, высокими значениями кон­трастности (20 000:1), точностью цветопередачи, а частота развертки может достигать самого высокого на данный момент значения 240 Гц.

Поскольку на каждый субпиксел (пиксел) в РЕЭ-матрице прихо­дится до нескольких тысяч наноизлучателей, выход из строя даже 20 % из них мало повлияет на его свечение(практически исключается появление «мертвых» пикселов). Это означает, что технология автоэлектронной эмиссии обеспечивает высокую надежность работы дисялея."." .„"~— На сегодня коммерческий выпуск дисплеев с автоэлектрониой эмиссией не реализован. Изготовлены и представлены на выставках опытные партии монохромных (компания PixTech) и цветных (Field Emission Technologies, дочерн. Sony) дисплеев. Компания Field Emission Technologies планировала в 2009 году начать выпуск профессиональных мониторов на основе автоэлектронной эмиссии с размерами экранов вплоть до 32 дюймов.

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/м^г 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.