17.3. Перспективные типы дисплеев и видеокомпьютерных систем отображения информации

Расширение диапазона функциональных задач, возлагаемых на бортовые средства отображения информации, привело к разработке перспективных средств электронной индикации, принцип действия которых основывается на новых физических эффектах.

Большие надежды возлагаются на катодолюминесцентные индикаторы с эффектом автоэлектронной эмиссии, получившие в последнее время общеупотребительное название полевых эмиссионных дисплеев (Field Emission Display - FED). FED - технология основана на свечении люминофора при его бомбардировке потоком электронов. Дисплей состоит из матрицы микроминиатюрных катодных узлов и люминофорного экрана, размещенных в герметичном плоском корпусе при давлении не более 10^-7 мм рт. ст. Каждый пиксел обслуживает группа из нескольких сотен микропушек, управляемых общим транзистором (как и в активной LCD-матрице). Вместо отклоняющих систем и генераторов развертки применяется коммутация транзисторов матрицы. FED-панели имеют следующие технические характеристики: яркость свечения порядка 600 - 800 кд/м²; высокая разрешающая способность (вплоть до 100 лин/мм); высокое быстродействие (практически определяется лишь параметрами применяемых люминофоров, так как время отклика катодов на управляющее напряжение порядка 10^-12 сек); высокая вибропрочность; диапазон рабочих температур от -60°С до + 150°С; низкие управляющие напряжения (менее 30 В); возможность воспроизведения стереоизображения; отсутствие вредных излучений. Все это позволяет считать полевые эмиссионные дисплеи наиболее перспективными из всех типов индикаторов.

Существенный прогресс в последнее время достигнут в области низкотемпературных полисиликоновых (p-Si) технологий, позволяющих изготавливать более тонкие дисплеи с большей плотностью размещения транзисторов, а также интегрировать в них различные устройства, например, управляющие элементы, модули памяти и функциональные блоки. LCD-экран в данном случае выполняется вместе с периферийными микросхемами на одной подложке в едином технологическом цикле с использованием поликристаллического кремния. Транзисторы, полученные с помощью полисиликоновой технологии, имеют меньшие размеры, что приводит к увеличению разрешающей способности дисплея. Кроме того, при этом становится возможной интеграция управляющих элементов строк и столбцов, в результате чего сокращается стоимость изготовления дисплея в целом.

Перспективной представляется технология пластиковых ЖКИ, поскольку полимерные материалы могут быть использованы в таких условиях, где нельзя применять стекло. Недавно компания Samsung продемонстрировала свой пластиковый дисплей на супертвистовой нематической матрице размером 320240 пикселей. Несомненными достоинствами таких устройств являются малые вес, толщина (около 0,1 мм) и высокая износостойкость. Пластиковые панели можно изгибать по форме приборной доски, в них можно прорезать отверстия для расположения дополнительных элементов, что позволяет сделать конечное изделие более компактным и легким.

Что касается газоплазменных панелей (Gas Plasma), принцип действия которых основан на свечении газа под действием электрического поля, и электролюминесцентных панелей (Electro-Luminescent), то они пока не получили широкого распространения из-за технологических трудностей создания долговечных элементов и значительного энергопотребления. Светодиодные матрицы (LED - Light Emmited Diode), казалось бы, могли бы стать решением многих проблем плоских индикаторов. Однако светодиоды имеют настолько высокую потребляемую мощность, по сравнению с другими типами индикаторов, что возникает проблема безопасности их группового применения. Прогресс в этом направлении связывают с выпуском нового поколения низкотемпературных «белых» светодиодов. Принцип действия этих светодиодов основан на преобразовании длины волны за счет флюоресценции, что дает широкий спектр излучения, подлинный белый свет. Их последние модели характеризуются существенно более низкой потребляемой мощностью и, следовательно, выделяемой теплотой, в результате чего снимается проблема безопасности при освещении любых твердых поверхностей панелей приборов. При этом допускается выбор самых разнообразных световых оттенков, в частности, прохладного голубого освещения, которое является оптимальным для кабины экипажа и дисплеев. Дополнительное преимущество светодиодов нового поколения заключается в оптическом улучшении конструкции за счет формирования сферической излучающей поверхности. Это позволяет им просто и быстро заменить десятки тысяч ламп, используемых сегодня для освещения панелей и кромок.

Рассмотрим более подробно принцип действия и конструкцию приборов, использующих перечисленные выше физические эффекты.

Квантоскоп является одной из разновидностей электроннолучевой трубки - лазерный электронно-лучевой прибор, представляющий собой гибрид полупроводникового лазера с электронной накачкой и электроннолучевой трубки, формирующей электронный пучок накачки и управления излучением.

Принцип действия квантоскопа заключается в следующем. Лазерный кристалл преобразует энергию электронного пучка накачки в лазерное излучение. Длины волн излучения обеспечиваются выбором монокристалла. Интенсивность и положение пучка на кристалле определяют мощность и пространственное положение лазерного луча. Диаметр пучка и распределение тока по его сечению определяют разрешающую способность и диаграмму направленности излучения. Изображение на экране (мишени), характеризуется малой расходимостью светового луча, высокими значениями яркости, контраста и разрешающей способности.

Рис. 17.36. Принцип действия квантоскопа

Управление лучом осуществляется стандартными средствами ТВ техники, допускающими сопряжение с ЭВМ и обеспечивающими тем самым режимы лазерного телевидения и знакографики. Конструкция квантоскопа показана на рис. 17.37.

Рис. 17.37. Конструкция квантоскопа

Пространственно-временная синхронизация излучения с фотоприемным устройством обеспечивает локационное видение с лазерной подсветкой.

Отмеченные конструктивные особенности квантоскопов обеспечивают следующие их свойства:

—большая излучающая поверхность;

—простота управления интенсивностью и положением луча средствами телевизионной и вычислительной техники;

—высокая частота модуляции и сканирования;

—высокая точность пространственного позиционирования;

—широкий спектральный диапазон длин волн излучения;

—высокая средняя мощность и КПД;

—устойчивость к вибрациям и ударным нагрузкам.

Квантоскоп обеспечивает:

—отображение полноцветной ТВ информации с высокой четкостью;

—формирование излучения заданной конфигурации для оптической локации объектов с их ТВ визуализацией;

—лазерную сканирующую интроскопию оптических и полупроводниковых материалов и биологических объектов с субмикронным разрешением.

Основные технические характеристики сведены в табл. 17.6

Таблица 17.6

Технические характеристики квантоскопа

Дискретные длины волн излучения в диапазоне, mm	0,33-5,0
Ширина спектральной линии излучения, 0,1 A	10-50
Диаметр рабочей поверхности мишени, mm	<85
Диаметр излучающей области, mm	5-30
Диаграмма направленности излучения	<20
Мощность излучения (на различных длинах волн), W	1-30
Неравномерность излучения по мишени, %	<10
КПД, %	<15
Разрешающая способность, ТВ линий	<2500
Контраст изображения	150:1
Ускоряющее напряжение, kV	40-65
Габаритные размеры, mm	100х(500-750)
Вес, kg	<1

Варианты конструктивного исполнения квантоскопов представлены на рис. 17.38.

Рис. 17.38. Варианты конструкции квантоскопов

Ниже, на рис. 17.39, представлен лазерный кинескоп нового поколения, в котором снижено напряжение генерации лазерного излучения и повышена рабочая температура. Для сохранения основных светотехнических характеристик в новой конструкции создана и оптимизирована оптико-формирующая система, позволившая повысить плотность тока электронного пучка на мишени.

Рис. 17.39. Квантоскоп системы посадки

Данный прибор использован при создании навигационного оборудования (системы) нового поколения для обеспечения посадки летательных аппаратов на стационарные аэродромы и необорудованные площадки в условиях плохой видимости и мешающих посторонних засветок.

Система обеспечивает:

— формирование вдоль глиссады световых зон визуального наблюдения источника света трех различных цветов с заданными угловыми размерами и геометрической формой;

— визуальную и инструментальную информацию о наклонной дальности до летательного аппарата и его местоположении в цветовой зоне;

— безопасный пробег и рулежку после приземления при установке вдоль ВВП (на полосе безопасности).

Малогабаритная мобильная система дополняет штатные системы посадки ЛА в экстремальных метеоусловиях и является основной для любых необорудованных средствами навигации ВВП.

Характеристики данной системы приведены в табл. 17.7

Таблица 17.7

Характеристики системы посадки

Визуальная дальность обнаружения излучения, км	0,6	1,2	2,2	3,8	7,0	10,0	13,0
При метеорологической дальности видимости (дымка, туман, снегопад), км	0,05	0,25	0,5	1,0	2,0	3,0	5,0
Длина волны каждой цветовой зоны, нм	0,51; 0,56; 0,62
Угловые размеры в вертикальной и горизонтальной плоскостях, град	0,3-10
Мощность излучения на каждой длине волны, Вт	1
Потребляемая мощность, Вт	100
Габариты, м3	0,25
Масса, кг	25

Рис. 17.40. Схема формирования глиссады

На рис. 17.41 показано положение самолета относительно световых зон визуального наблюдения трех различных цветов и отображение этого положения на экране летчика (вверху) и диспетчера (внизу).

Сравнительный анализ существующих лазерных средств навигационного оборудования (ЛСНО), построенных в основном на газовых лазерах, показывает, что ЛСНО на предлагаемом излучателе имеет существенные преимущества по КПД (до 10%), простоте воспроизведения многоцветного излучения, отсутствию сканирующих узлов и малым массогабаритным характеристикам.

Рис. 17.41. Отображение положения самолета относительно световых зон

Дисплеи с плазменной панелью. Разработка дисплеев с плазменной панелью (Plasma Display Panels - PDP) активно ведется примерно с конца семидесятых годов прошлого столетия. Массовый выпуск цветных плазменных дисплеев был начат в конце восьмидесятых, в конце девяностых появились плазменные панели с диагональю 42 дюйма.

PDP-панели используют явление свечения при разряде в газе. Как показано на рис. 17.42, первые плазменные панели состояли из параллельных покрывающих прозрачных пластин, пространство между которыми заполнено газом (на основе неона) под атмосферным давлением.

Между покрывающими пластинами находится стеклянная пластина с отверстиями (маска), разделяющая газ на растр из маленьких ячеек. На покрывающих пластинах с их внутренних сторон нанесены группы прозрачных полосок параллельных проводников, находящихся напротив отверстий в маске. Проводники на одной пластине перпендикулярны проводникам на другой пластине. Таким образом каждая ячейка представляет собой нечто вроде маленькой неоновой лампочки (на самом деле - тиратрона).

Рис. 17.42. Схема плазменной панели

Если для незажженной ячейки между проводниками нарастает напряжение, то при достижении напряжения зажигания U_з ячейка загорается.

Рис. 17.43. Вольтамперная характеристика газового разряда

Газ в ячейке ионизируется, в ячейке возникает плазменный столбик, ток через нее заметно увеличивается, а напряжение падает до напряжения горения U_г, заметно меньшего, чем напряжение загорания. При уменьшении приложенного напряжения до напряжения потухания U_п разряд в ячейке прекращается и она гаснет за время порядка 20 мкс, за которое все ионы попадут на отрицательный электрод.

В зависимости от приложенного напряжения, ячейки панели могут находиться в трех состояниях.

1. Отображение содержимого панели. Поддерживающее напряжение между проводниками покрывающих пластин равно среднему напряжению горения. В этом случае горящие ячейки продолжают гореть и образуют светящиеся точки на изображении, а не горящие не зажигаются;

2. Включение точки. К поддерживающему напряжению между проводниками, пересекающимися над требуемой ячейкой, добавляется такой импульс поджига, что достигается напряжение зажигания U_з и ячейка загорается (если она еще не горела);

3. Стирание точки. К поддерживающему напряжению между проводниками, пересекающимися над требуемой ячейкой, добавляется такой импульс гашения, что достигается напряжение потухания U_п и ячейка выключается (если она горела).

Более поздние плазменные панели не содержат маски и растровых анодов. Она также состоят из двух параллельных стеклянных пластин, на внутренних поверхностях которых нанесены взаимно перпендикулярные группы проводников, формирующие растровые ячейки панели.

Рис. 17.44. Конструкция плазменной панели

Проводники покрыты диэлектрической пленкой и между ними приложено высокочастотное напряжение, недостаточное для зажигания, но достаточное для горения (поддерживающее напряжение). В то время как постоянное напряжение подается на горизонтальные электроды, одновременно короткие импульсы пропускаются в те вертикальные электроды, которые необходимо включить в данной строке в данный момент.

При высокочастотном питании газ ведет себя так, как будто он разделен на отдельные ячейки. Частота питающего напряжения такова, что хотя разряд при малых напряжениях и прекращается, но ионы не успевают рекомбинировать, поэтому при возрастании напряжения разряд возобновляется и создается впечатление непрерывного свечения точки.

Для включения негорящей ячейки к поддерживающему напряжению добавляется импульс поджига, достаточный для зажигания. Повторение этой процедуры приводит к сканированию экрана, формируя пикселы, из которых строится изображение.

Для выключения горящей ячейки к поддерживающему напряжению добавляется такой импульс, что до достижения очередного максимума напряжение будет таково, что ионы успеют рекомбинировать и ячейка не загорится.

Известны и другие конструкции плазменных панелей, например, для вывода цветных полутоновых изображений. В таких панелях отдельный пиксел представляет собой триаду газоразрядных тиратронов, имеющих общий электрод для поддержания разряда в смеси редких газов типа He и Xe.

Возникающее при этом ультрафиолетовое (УФ) излучение возбуждает люминофоры, которыми покрыты торцы тиратронов. Эти люминофоры имеют соответствующие фотолюминесцентные характеристики и излучают красный, зеленый и синий цвета. Эффект изменения яркости моделируется за счет зажигания/поджигания разряда с требуемой (не слишком большой) частотой.

Дисплеи на плазменной панели отличаются высокими значениями практически всех показателей, характеризующих дисплейные устройства:

• большой угол наблюдения (до 160^°), так как свет излучается во всех направлениях;

• изображение может запоминаться, выборочно стираться и строиться снова;

• поточечная адресация позволяет использовать как векторные, так и растровые принципы построения изображения;

• панель плоская, поэтому дисплей может иметь много меньшие размеры, чем дисплей на электронно-лучевой трубке;

• картинка, независимо от ее сложности и структуры полностью лишена мерцания;

• информация от внешних источников изображений может проецироваться сквозь этот дисплей, обеспечивая таким способом простое смешение с картинками, сформированными компьютером.

Рис. 17.45. Плазменная панель для цветных полутоновых изображений

Тем не менее, соотношение цена/возможности у PDP-дисплеев хуже, чем у дисплеев на электронно-лучевых трубках. Это в особенности касается разрешения, так как разрядные ячейки не могут быть сделаны особенно малыми, что обычно приводит к шагу пиксела порядка 1 мм. Предельное значение шага - до 25 ячеек на сантиметр. Тем самым возникают проблемы при использовании PDP в высокоточных устройствах (см. табл. 17.8). При этом следует учесть, что ЭЛТ, жидкокристаллические дисплеи и дисплеи с эмиссией полем могут иметь шаг пиксела всего 0,2 мм. Другие недостатки - весьма ограниченный срок службы в силу того, что со временем снижается способность слоя люминофора излучать свет, и соответственно яркость экрана падает: время работы современных плазменных экранов оценивается примерно в 10 тыс. часов, относительно большое время включения/выключения - порядка 20 мкс/точку, относительно высокое напряжения питания - десятки вольт и эффективность, так 40-дюймовый PDP обычно потребляет приблизительно 300 Вт, в то время как пиковая яркость - только 1/3 таковой от ЭЛТ, потребляющей около 150 Вт.

В настоящее время дисплеи на плазменной панели в основном используются в особых условиях применения - высокие вибрации, низкие температуры.

Таблица 17.8

Параметры дисплеев с плазменной панелью

Параметр	Производитель
	Хитачи		Фуджицу
Диагональ	25"	41"	21"	42"
Разрешение	1024×768	1024×768	640×480	852×480
Шаг пикселов, мм		0,27 (гориз.) 0,81 (верт.)
Оттенков		262 144	262 144	16,7млн
Бит R×G×B		6×6×6	6×6×6	8×8×8
Контраст		300:1
Яркость, кд/м2			180	300
Угол обзора, °	160°	160°	160°	160°
Стандарты	XGA, SVGA, VGA, видео	XGA	VGA, видео	видео и данные
Экран, мм	508×381	976×796	422×314	920×518
Толщина, мм	80	150	32	75

Дисплеи с электролюминесцентным индикатором. В 1937 г. был открыт эффект электролюминесценции, заключающийся в излучении света легированного марганцем ZnS под воздействием электрического поля высокой напряженности ( ~ 10⁶ в/см). С 1981 г. началось практическое использование электролюминесцентных индикаторов. Они обеспечивают очень высокие контрастность и яркость при малой инерционности. Кроме того, ELD-дисплеи отличаются малой толщиной и высокой прочностью. Срок их службы - более 120 000 часов, диапазон рабочих температур от -45^°C до +65^°C, угол обзора до 160^°.

Панель электролюминесцентного индикатора состоит из стеклянной пластины, прозрачных проводников из окиси олова, чередующихся слоев изолятора и люминофора и темных проводников, перпендикулярных к прозрачным.

Рис. 17.46. Схема панели электролюминесцентного индикатора

Люминофор светится под воздействием переменного напряжения, прикладываемого к электродам строк и столбцов. Это переменное напряжение возбуждает свободные электроны в кристаллической структуре люминофора. Возбужденные свободные электроны, сталкиваясь с атомами примеси, переводят их электроны на более высокие энергетические уровни. При возврате в свое обычное состояние они испускают фотоны в видимом спектре.

Люминофор, применяемый в электролюминисцентных индикаторах, требует довольно высокого напряжения (170-210 В), что связано с применением более дорогостоящих микросхем управления, чем для жидкокристаллических индикаторов.

Дисплеи с эмиссией полем (FED) - плоские дисплеи, которые по принципу работы подобны обычным ЭЛТ. Но в отличие от последних, в которых имеется одна (три) электронных пушки, в данных дисплеях каждый пиксел имеет собственный, независимо адресуемый источник электронов. Электроны генерируются из холодных катодов, имеющих форму очень острых микроигл, число которых на каждый пиксел может достигать нескольких тысяч.

Приложение электрического поля между прозрачным анодом экрана и катодом приводит к очень высоким напряженностям электрического поля из-за заостренности микроигл. Микроиглы изготавливаются из высокотемпературного материала, типа молибдена для того, чтобы при очень большой плотности тока, характерной для центров эмиссии, не возникало разбрызгивание металла и затупление игл. Электроны затем ускоряются и фокусируются на люминофор, в результате чего свет испускается таким же образом как в ЭЛТ.

Рис. 17.47. Схема дисплея с эмиссией полем

Дисплеи с эмиссией полем представляются весьма перспективными из-за небольших габаритов, широкого угла наблюдения (почти 180^°), малого энергопотребления (несколько ватт для дисплея размером с записную книжку), хорошего воспроизведения цветов (люминофор ЭЛТ), высокой скорости работы (в принципе той же что и ЭЛТ).

Применение люминофоров ЭЛТ требует использования высокого ускоряющего напряжения, что заставляет электроны расходиться от прямой линии. При этом пикселы становятся менее точно определенными, т.е. изображение размывается. Для компенсации расфокуировки требуются дополнительные электроды, усложняющие конструкцию. Кроме этого, так как данный дисплей - вакуумное устройство, то наличие остаточных газов в сочетании с высоким напряжением вызывает разрушительную ионную бомбардировку микроигл катодов. По этим причинам в настоящее время среди разработчиков ведется дискуссия о целесообразности использования люминофоров ЭЛТ.

Дисплеи данного типа (в основном пятидюймовые одноцветные дисплеи для приборов) в настоящее время серийно в промышленных масштабах производит PixTech (консорциум компаний в Европе, США и Японии).

Дисплеи, использующие технологии светоизлучающих полимеров и органических светодиодов. LEP-технология была предложена в начале восьмидесятых годов прошлого столетия назад сотрудниками Лаборатории Кавендиша при Кембриджском университете, которая специализировалась на разработке технологии плоскопанельных дисплеев на светоизлучающих полимерах.

Основными преимуществами LEP-дисплеев перед жидкокристаллическими экранами являются малые вес, толщина (дисплей Ricoh имеет толщину всего 0,1 мм) и высокая износостойкость. Поскольку дисплеи создаются на цельном куске пластика, то они могут быть использованы в таких условиях, где нельзя применять стекло. Их можно изгибать, в них можно прорезать отверстия для расположения дополнительных элементов, что позволяет сделать конечное изделие более компактным и легким.

Научно-прикладные исследования в области органических светодиодов (OLED) ведутся уже более шестнадцати лет, однако бурный интерес к технологии со стороны потребителей наметился значительно позднее. В настоящее время такие крупные компании как Eastman Kodak, Sanyo, Pioneer начали продажу изделий с OLED-дисплеями.

Однако вопрос о том, как скоро OLED сможет заменить CRT- и LCD-технологии, остается открытым. Дело в том, что при увеличении площади экрана OLED-дисплея значительно возрастает необходимая сила тока. В настоящее время технологически решена задача создания дисплея с 64 строками пикселов. По прогнозам, уже в ближайшее время технология выйдет на размеры малых и средних дисплеев. Помимо этого очевидно, что OLED-дисплеи будут иметь более низкую цену по сравнению с конкурентами.

258