mmt-virtreal_red
.PDF
2.3.2. Светодиодные ЖК-дисплеи и видеопроекторы
Для подсветки ЖК-дисплеев широко используются люминесцентные лампы с холодным катодом, которые недороги в производстве, имеют высокую световую отдачу и долгий срок службы. Но большинство экспертов считает, что по качеству изображения ЖК-дисплеи с такой подсветкой уступают кинескопным. Одним из способов повышения качества изображения может стать замена люминесцентных ламп подсветки ЖК-экранов светодиодами (Light Emitting Diode, LED).
Чтобы разобраться в преимуществах светодиодной подсветки, вспомним биологию. Человек различает цвета благодаря особым клеткам – колбочкам, чувствительным к трем цветам: красному, зеленому и синему. При этом свет с длинами волн 620…700 нм воспринимается как красный, 520…560 нм – зеленый и 420…470 нм – синий. Свет с длиной волны 590 нм кажется желтым, поскольку на него реагируют колбочки, чувствительные к красному и зеленому цветам. Зрение легко обмануть, если вместо натурального желтого смешать красный и зеленый цвета. Мелкие красные и зеленые пятнышки также воспринимаются как желтый фон. Такое смешивание называется пространственным. Цветовое восприятие зависит и от ширины спектра излучения, чем он шире, тем менее насыщенным кажется цвет. Непрерывный спектр от 400 до 700 нм глаз воспринимает как белый. Эти свойства зрения и используются при формировании цветного изображения. ЖК-панель состоит из миллионов мелких элементов – пикселей с фильтрами красного, зеленого и синего цветов, которые подсвечиваются лампой белого света.
В 1931 году Международная Комиссия по |
|
|
Освещению (МКО) разработала стандарт МКО- |
|
|
31, где в качестве основных цветов были приня- |
|
|
ты: красный с длиной волны 700 нм, зеленый – |
|
|
546,1 нм и синий – 435,8 нм. После тщательных |
|
|
исследований цветного зрения оказалось, что ко- |
|
|
личество различимых глазом цветовых оттенков |
|
|
гораздо больше, чем можно было предположить. |
|
|
Эта способность описывается в системе цветовых |
|
|
координат МКО (см. приложение П3.2) так назы- |
|
|
ваемым локусом, показанным на рис.2.25 корич- |
|
|
невым цветом. Черным цветом здесь обведен цве- |
Рис. 2.25. Локус и цветовые треугольники МКО зон охва- |
|
товой треугольник системы МКО, называемый |
||
та ЖК-дисплея с подсветкой белыми – и полноцветны- |
||
«зоной цветового охвата МКО». Цвета, располо- |
ми – светодиодами |
женные вне треугольника, невозможно получить смешением трех основных цветов. Из рис. 2.25 следует, что, что зрением различимо почти вдвое больше цветовых оттенков, чем возможно воспроизвести искусственно.
Количество оттенков, получаемых на экране ЖК-дисплея, зависит от полосы пропускания цветных фильтров панели. При их проектировании основное внимание уделялось эффективному использованию светового потока подсветки в ущерб ширине цветового охвата. Большая часть светового потока теряется в оптике, выравнивающей яркость по полю экрана, в поляризаторе и цветоделительных фильтрах. На рис. 2.26 показаны спектральные характеристики цветных фильтров стандартного ЖК-экрана. На нем видно, что полосы фильтров разных цветов перекрываются, что дало возможность использовать около 32% светового потока без учета остальных потерь.
|
Полосы излучения люминофоров кинескопа |
||
|
дают более чистые цвета, поэтому качество цвет- |
||
|
ного изображения у него лучше. Современные |
||
|
технологии позволяют создать цветные фильтры с |
||
|
узкой полосой пропускания, но их не используют |
||
Рис. 2.26. Спектральные характеристики |
из-за заметного снижения яркости. |
||
Светодиоды широко используются для под- |
|||
цветных фильтров ЖК-панели |
|||
|
светки ЖК-дисплеев, к качеству цветопередачи |
||
|
которых не предъявляется высоких требований, |
||
|
например, в видеокамерах. В них обычно приме- |
||
|
няются светодиоды с белым цветом излучения, |
||
|
спектральная |
характеристика которых показана |
|
Рис. 2.27. Спектральные характеристики |
на рис. 2.27 |
(белая кривая). Такие светодиоды на |
|
излучения “белого” и RGB светодиодов |
самом деле излучают синий цвет, который с по- |
||
|
|||
мощью специального люминофора трансформируется в желтый. Поэтому спектр таких диодов имеет острый пик в синей области и широкую зону в желтой. Соответственно, дисплеи с такой подсветкой вместо красного воспроизводят красно-оранжевый, а вместо зеленого — желто-зеле- ный (красный треугольник на рис. 2.25).
Современные технологии позволяют изготовить сверхъяркие светодиоды основных цветов, которые можно вместе или по отдельности использовать для подсветки ЖК-панелей. На рис. 2.27 цветными линиями отображены спектральные характеристики красного, зеленого и синего светодиодов. Для получения белого цвета в одном корпусе размещают три кристалла светодиодов основных цветов. Такие сборки называют полноцветными светодиодными модулями. Цветовой охват ЖК-дисплеев с подсветкой такими модулями обведен на рис. 2.25 зеленым треугольником и расширяется за счет того, что спектр излучения RGB-модуля в 5…7 раз уже, чем у ламп.
Корейская компания Samsung использует матрицу из 1152 светодиодных RGB-модулей малой мощности для адаптивной подсветки экрана в 52-дюймовом ЖК-телевизоре. Каждый модуль управляется отдельно, и на участках изображения, где видеосигнал близок к уровню черного, соответствующие модули подсветки выключаются, что дает возможность получить высочайшую
контрастность и глубокий черный цвет. Тесты модулей на долговечность показали, что при температуре кристаллов 70°С через 7000 часов яркость светодиодов практически не изменилась. Испытания по замене люминесцентных ламп светодиодными модулями с той же рассеивающей оптикой выявили хорошую яркостную и хроматическую (цветовую) равно-
мерность свечения экрана. ЖК-телевизор толщиной 10 мм со светодиодной подсветкой
Несомненным преимуществом светодиодной подсветки можно считать более широкую по сравнению с люминесцентной подсветкой зону цветового охвата, что позволяет получить более естественную цветопередачу. А вот эффективность преобразования электрической энергии в свет у светодиодов в полтора раза хуже, чем у современных люминесцентных ламп. Но прогресс не стоит на месте. Уже разработаны полноцветные светодиоды со световой отдачей 100 лм/Вт (теоретический предел – 220 лм/Вт), и скоро ее обещают увеличить до 150 лм/Вт, что будет вдвое больше, чем у люминесцентных ламп. Что касается высокой стоимости светодиодов, то она определяется в основном объемами производства. Начало адаптивной светодиодной подсветки уже положено, и в недалеком будущем она будет применяться во всех высококачественных ЖКтелевизорах и дисплеях.
Светодиоды интересны также для разработчиков DLP-проекторов, так как позволяют создавать модели с одним DMD без светофильтра ColorWheel. Оптическая схема светодиодного DLP-проектора приведена на рис. 2.28.
Здесь роль источников света выполняют светодиоды 1 c рефлекторами 2, последовательно излучающие световые потоки первичных цветов R, G и B. Совмещение оптических осей излучений светодиодов обеспечивается юстировкой
Рис. 2.27. Оптическая схема DLP-LED-проектора
двух дихроичных зеркал 3. Далее, отражаясь от
зеркала 4, эти потоки через оптический конденсор 5 последовательно попадают на DMDмодулятор 6, после чего объективом 7 проецируются на экран. Принципиально эта схема выглядит более эффективной, чем у 1-чиповых DLP-проекторов, так как здесь нет вращающегося светофильтра ColorWheel и меньше других оптических компонентов со световыми потерями. Электронный эквивалент светофильтра ColorWheel любым секторным делением в таких проекторах реализуется программно и может выбираться пользователем по критерию минимальной утомляе-
мости при длительном просмотре.
Первый светодиодный проектор появился в 2005 году. Это была модель Mitsubishi PK10, открывшая категорию Pocket проекторов массой до 0,5 кг, способных обслуживать экран диагональю до 60 дюймов. В дальнейшем появились аналогичные проекторы других производителей, например, Samsung и Toshiba. На выставке CES'2007 фирмой Mitsubishi был продемонстрирован модифицированный PocketProjector РК20 (световой поток 25 лм, разрешение 800×600, размеры 123×97×48 мм, масса 500 г). В качестве источников света у РК20 использована сборка из 8 светодиодов. Потребляемая светодиодами мощность составляет 23 Вт, а проектором в целом – 37 Вт. Предусмотрена комплектация проектора внешним аккумулятором, способным поддерживать работу проектора в течение 2 часов.
Контрольные вопросы
1.Как устроены ЖК-пиксель и цветной дисплей?
2.Что такое конвертер поляризации и микролинзовый растр?
3.Назовите отличия просветного ЖК-модулятора от отражающего.
4.Что такое фильтр ColorWheel, и как он влияет на восприятие DLP-изображений?
5.Перечислите преимущества и недостатки лазерных видеопроекторов/
6.Какие преимущества светодиодной подсветки по сравнению с люминесцентной?
7.Что такое адаптивная подсветка ЖК-экранов?
Глава 3. Светоизлучающие дисплеи и панно
3.1. Плазменные дисплеи (Plasma Display Panel, PDP)
Первые серьезные успехи в разработке плазменных технологий были достигнуты компанией Fujitsu при сотрудничестве c Hitachi. Промышленные образцы PDP были впервые показаны на выставке Telecom’95, а уже к 2000 году суммарный выпуск плазменных панелей всеми производителями превысил миллионную отметку. Известны достижения в PDP-технологиях нескольких производителей. Так, фирмой NEC были впервые использованы фильтры CCF в каждой ячейке для спектральной коррекции их излучения и ослабления влияния на восприятие изображения внешней засветки, а компанией Pioneer – PDP с полностью изолированными кавернами для RGB-ячеек всех пикселей (технология waffle). Эксклюзивными технологиями Matsushita являются Plasma AI, Real Black и структура панелей ACSP с разными размерами ячеек первичных цветов.
3.1.1. Устройство и принцип работы PDP
Плазменный экран состоит из множества светоизлучающих пикселей, каждый из которых содержит три элементарных ячейки с покрытием стенок люминофорами первичных цветов R, G или B. Их видимое свечение возникает в результате воздействия на люминофоры ультрафиолетового (UV) излучения из плазменной среды разреженных инертных газов, заполняющих ячейки.
Устройство плазменного экрана и принцип управления ячейками содержащихся в ней пикселей поясняются на рисунках. Лицевая часть плазменного экрана (рис. 3.1) представляет собой “сэндвич” из фронтальной стеклянной пластины (front plate), диэлектрического слоя с прозрачными (transparent) шинами разрядных электродов, защитного слоя (protection layer) и непрозрачных перегородок (rib), разделяющих поверхность экрана на пиксели и ячейки. Задняя часть экрана состоит из подложки (rear plate) с вертикальными шинами адресных электродов (data), диэлектрического слоя и вертикальных перегородок, стенки ко-
Рис. 3.1. Типовая конструкция PDP
Рис. 3.2. Фрагмент поперечного сечения PDP
Рис. 3.3. Ячейка PDP в состоянии излучения
торых и основания покрыты люминофорами (phosphor) чередующихся цветов R, G и B. В процессе сборки панели пространство между ее половинами заполняется смесью разреженных инертных газов (рис.3.2).
Включение ячеек PDP в светоизлучающий режим (рис. 3.3) и их выключение производится путем реализации следующей последовательности их состояний.
1. Состояние выключения – напряжение на
электродах, ионизация среды в ячейках и их
свечение отсутствуют (рис.3.4).
Рис. 3.4. Ячейка PDP в обесточенном состоянии
2. Начальная ионизация – небольшое посто-
янное напряжение на шинах Scan и Sustain про-
зрачных электродов и тлеющий разряд с интен-
сивностью, недостаточной для появления ульт-
рафиолетового излучения и светимости ячеек
(рис. 3.5).
Рис. 3.5. Начальная ионизация ячейки PDP
3. Записывающий разряд – питание шины Sustain выключается, а напряжения –180 В и +70 В на шинах Scan и Data кратковременно включаются (рис 3.6) в прогрессивной последовательности по горизонтали и вертикали (рис. 3.7); время записи составляет 3 мкс на одну горизонтальную линию пикселей, т.е. меньше 1 нс на одну ячейку для линии, содержащей более 1000 пикселей.
Рис. 3.7. Прогрессивное сканирование при записи ◄ Рис. 3.6. Инициализация ячейки PDP для записи
4. Готовность к зажиганию – сканирование приводит в состояние готовности к зажиганию только те ячейки, на которые напряжения Scan и Data поступали одновременно; электроды этих ячеек отключены, но ионизация их газовой среды, соответствующая разности потенциалов 250 В, сохраняется (рис. 3.8)
Рис. 3.8. Ячейка в состоянии готовности к зажиганию
5. Зажигание – включение напряжений противоположной полярности на шины Scan (+40 В) и Sustain (–180 В), т.е. воздействие на газовую среду готовых к зажиганию ячеек напряжением 250+220= 470 В, приводящим к плазменным разрядам с ультрафиолетовым излучением и свечением люминофоров ячеек (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Ячейка PDP в момент зажигания
6. Поддержка плазменных разрядов – обес-
печивается переключением полярностей на-
пряжений Scan и Sustain через каждые 2,5 мкс
(рис. 3.10, на эти шины подается напряжение
прямоугольной формы 220 В, 200 кГц).
Рис. 3.10 Режим поддержки плазменных разрядов
7. Стирающий разряд – уменьшение напря-
жения на шинах Scan и Sustain до уровня Priming discharge, УФ-излучение и светимость ячеек прекращаются (рис. 3.11);
9. Выключение – шины Scan и Sustain замы-
каются, ионизация среды прекращается, и все ячейки переходят в исходное состояние (рис. 3.4).
Рис. 3.11. Ячейка PDP при стирающем разряде
Рис. 3.12. Однократная запись всего поля |
Рис. 3.13. Запись с разбиением на 8 суб-полей |
|
Как следует из рис. 3.12, если описанную процедуру выполнять однократно в течение каждого телевизионного поля (field) длительностью 16,7 мс, то при 480-ти линиях пикселей (VGA) на их поддержку в излучающем состоянии остается 15,26 мс, что соответствует 15,26/0,025 6100 импульсам питания 200 кГц. Ячейки при этом могут находиться только во включенном или выключенном состоянии, т.е. отображается не более шести цветов и восьми градаций серого (gray scale).
Следовательно процедура записи и отображения информации повторяется, например, 8 раз (рис. 3.13) в течении каждого поля с весовыми коэффициентами, вводимыми на интервалы Sustain (технология sub-field, SF). Из-за потерь времени на запись и стирание информации по суб-полям
SF1-SF8 (8×480×3 мкс 11,5 мс), максимальное реализуемое время свечения пикселей и их средняя яркость уменьшаются почти втрое, а количество импульсов – до 2080 (рис. 3.14). Половина из них поддерживает старший разряд дискретизации всего поля (2,6 мс), а 8 приходится на младший разряд (20 мкс). В результате обеспечивается режим TrueColor c воспроизведением 16,8 миллиона цветов. Нетрудно убедиться, что при увеличении количества линий пикселей экрана до 768 (XGA) или увеличении количества суб-полей до 12-ти времени для свечения пикселей просто не остается.
Поэтому в PDP часто применяется метод двойного сканирования при записи информации, позволяющий решить эту проблему путем последовательного отображения на экране PDP, например, верхней и нижней части картинки (рис. 3.15). Действительно, при дискретизации на 8 SF вре-
мя, необходимое инициализации половины пикселей XGA составит 3 мкс ×384×8 9,2 мс, т.е. 16,7–9,2 = 7,5 мс остается для их высвечивания каждого телевизионного поля.
Рис. 3.14. Варианты выбора количества суб-полей |
Рис. 3.15. Метод двойного сканирования |
|
На рис. 3.16 показано трехразрядное для наглядности разбиение полей для PDP, содержащего 768 линий пикселей. Его общая продолжительность 16,7 мс складывается из трех участков за-
писи по 768×3 мкс ≈ 2,3 мс и интервалов 5,6, 2,8 и 1,4 мс, в течении которых все адресованные ячейки включены. Здесь в первой строке показан пример последовательно загорающихся R- и В- ячеек одной горизонтальной полосы, а во второй – пурпурная цветность этой полосы, получающаяся в результате зрительного усреднения цветов R и В. В нижней строке тот же пример показан слева в видео вращающегося диска, кольцо на периферии которого закрашено вспышками первичных цветов соответствующих длительностей, а центр – воспринимаемым зрением результирующим цветом. Здесь же показаны другие примеры последовательного суммирования первичных цветов. При трехразрядном кодировании по каждому из них можно реализовать 29 = 512 цветовых оттенков.
← 2,3 мс → |
-----------------← |
5,6 мс |
-----------------------→ |
← 2,3 мс → |
----- -----← 2,8 мс → |
← 2,3 мс → |
←1,4 → |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.16. Формирование цветов у PDP с трехразхрядным разбиением полей.
Таким образом, PDP показывают последовательность изображений, мелькающих с час-
тотой, обеспечивающей виртуальную реальность воспринимаемой цветности.
3.1.2. Технологические особенности PDP
Технология ALiS. Так как увеличение разрешения при заданных размерах экрана возможно только путем увеличения количества пикселей, размеры ячеек и расстояния между ними необходимо уменьшать. Вместе с тем это нежелательно из-за уменьшения объема плазменных разрядов и, следовательно, яркости пикселей. Кроме того, в плазменных панелях типовой конструкции одноцветные ячейки не полностью разделены сепараторами по вертикали, что приводит к взаимному влиянию из светимости друг на друга.
Одним из наиболее известных достиже- Рис. 3.17. PDP по типовой технологии и ALiS ний инженеров Fujitsu является технология двойного сканирования ALiS (Alternate Lighting of
Surface), широко применяющаяся в PDP с относительно небольшими размерами экрана. По этой технологии при записи последовательно инициализируются ячейки, соответствующие не верхней и нижней части картинки, как показано на рис. 3.15, а чересстрочным суб-полям изображения. На
рис. 3.17 показана упрощенная схема расположения пикселей по вертикали у типовых PDP (слева) и выполненных по технологии ALiS (справа).
Способ показа с чередованием полей позволяет не только успешно решать проблемы разрешения, но и существенно увеличить яркость изображения. Действительно, раз в любой момент времени работает максимум половина пикселей можно именно в них направить всю мощность источника питания, заставив их светиться чуть ли не вдвое ярче. Кроме того, здесь роль сепараторов по вертикали выполняет пространство между чересстрочными линиями, занимаемое выключенными пикселями, что тоже улучшает контрастность изображения.
Фильтры CCF(Capsulated Color Filter). Эти фильтры, предложенные фирмой NEC, устанавливаются перед каждой плазменной ячейкой в соответствии с цветностью ее излучения. В результате световой поток внешней засветки пикселей белым светом ослабляется, но не в 3 раза, что было бы при идеальных разделительных фильтрах RGB. Так как спектральные характеристики реальных фильтров перекры-
ваются, на практике засветка ослабляется в 1,6 раза, что тоже существенно. При этом менее заметным становится влияние засветки на насыщенность и контрастность изображения, фильтры CCF выполняют полезные функции коррекции спектра излучаемого ячейками света и “вырезания” видимых спектральных линий инертных газов, находящихся в плазменном состоянии. В более поздних моделях фирма NEC стала комбинировать технологию CCF с фильтром цветовой избирательности AccuCrimson (рис. 3.18) для коррекции красного смещения цветовой палитры изображения, нередко наблюдаемого у PDP.
Плазменные дисплеи Pioneer. Особенностью конструкции плазменных панелей Pioneer является так называемая вафельная (waffle) структура подложки для каждой из ячеек R, G и B, показанная на рис. 3.19. Каждая из них представляет собой прямоугольную каверну, покрытую люминофором со всех внутренних сторон, что увеличивает яркость свечения и устраняет паразитную засветку соседних ячеек. Каверны закрываются диэлектрической пластиной с прозрачными электродами и легирующим слоем из окиси магния
(MgO), уменьшающим напряжение ионизации газовой среды. Для увеличения световой отдачи каверн их глубина в новинках PDP фирмы Pioneer увеличена (технология Deep Waffle). Фирмен-