516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Эквивалентная схема ОСИД представлена на рис. 11.11. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения возникает поток электронов, протекающий через многослойную пленочную структуру из органических полупроводников от катода к аноду. Анод, в свою очередь, забирает электроны из проводящего слоя, или отдает дырки. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой – положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Этот процесс сопровождается испусканием электромагнитного излучения в области видимого света. Цвет свечения зависит от химического состава OLED, и, используя двумерный массив (матрицу) RGB- пикселей, можно создавать полноцветные экраны.

Технологически полноцветные OLED-дисплеи изготавливаются следующим образом. Органические полимеры превращаются с помощью растворителя в жидкость, затем наносятся на подложку любых размеров специальным струйным принтером в виде точек, то есть пикселей. Чтобы получить необходимую точность изготовления дисплея, сначала методом фотолитографии на подложке создаются микроуглубления. Затем они заливаются (печатаются) последовательно красным, синим и зеленым полимером, образуя структуру RGB субпикселей, которые объединяются в полноцветные пиксели. Данный метод позволяет получить шаг пикселей 128 мкм при размере каждого субпикселя 40 мкм. Чтобы повысить четкость печати органических светодиодов, было использовано еще одно технологическое ухищрение. Углубления на подложке покрыты гидрофильным веществом, а поверхность между ними – гидрофобным. Эти вещества соответственно притягивают или отталкивают раствор полимера, обеспечивая требуемую точность печати. Поэтому все микрокапли жидкого полимера скатываются в углубления при минимальном размазывании полимера по разделительным ребрам.

В результате подбора толщины пленок органических материалов и режимов их нанесения удалось снизить рабочие напряжения ОСИД-структуры и повысить ее энергетическую эффективность. Рабочее напряжение ОСИД всего лишь 2…10 В [77]. Величина энергетической эффективности ОСИД определяется по формуле

LS (лм/Вт),

UI

где L – яркость свечения, кд/м2; S – площадь светящейся области, м2; U – напряжение питания, В; I – величина тока, проходящего через ОСИД, А. К настоящему времени в ОСИД достигнута энергетическая эффективность, равная 1 лм/Вт.

Фактически яркость излучения ОСИД определяется величиной напряжения между электродами (рис. 11.12) и плотностью проходящего через диод тока

(рис. 11.13).

Рис. 11.12. Влияние напряжения питания на яркость излучения ОСИД

Рис. 11.13. Влияние плотности проходящего тока на яркость излучения ОСИД

Для генерации излучения разного цвета при создании пленок органических полупроводников используются разные материалы. В зависимости от применяемого органического вещества для эмиссионного слоя ОСИД могут излучать свет любого цвета, в том числе белый свет с разной цветовой температурой. В большинстве выпускаемых в настоящее время цветных OLED-дисплеев используются субпиксели трех базовых цветов аддитивной модели смешения: красного (R), зеленого (G) и синего (В) (рис. 11.14) [78]. Балансируя между светоотдачей каждого используемого органического полупроводника, производитель ОСИД устанавливает относительную цветовую температуру (CCT – Correlated Color Temperature).

На основании произведенного колориметрического расчета ОСИД были получены следующие координаты вершин цветового треугольника (табл. 11.2) [79].

Соответствующий цветовой треугольник показан на рис. 11.15, из анализа которого следует, что OLED-дисплеи обеспечивают расширенный цветовой охват даже по сравнению со стандартом NTSC.

Рис. 11.14. Типичный спектр белого свечения ОСИД:

( ), % – относительная энергия излучения

Таблица 11.2

Координаты цветности основных цветов, воспроизводимых ОСИД

Рис. 11.15. Цветовой охват OLED-дисплея в сравнении с цветовым охватом стандартом США (NTSC)

Особо следует отметить, что время от времени специалисты разных фирм экспериментируют с новыми вариантами конструкций OLED-дисплеев. Например, исследователи компании Universal Display предложили увеличить количество субпикселей до четырех (добавив к традиционно используемым красному, зеленому и синему еще и ярко-голубой) и сделать их разного размера. Как утверждают разработчики, это позволит, во-первых, сделать OLED-дисплеи более долговечными, а во-вторых, снизить количество потребляемой ими электроэнергии примерно на треть. Дело в том, что вещество, излучающее свет синего цвета, является самым недолговечным (по сравнению с веществами, излучающими свет красного и зеленого цветов) и к тому же обладает наименьшей световой эффективностью. Таким образом, наиболее критичным фактором, влияющим на продолжительность жизненного цикла OLED-дисплея с пикселями традиционной конструкции, является долговечность вещества, используемого в синих субпикселях. По мере старения дисплея в нем неизбежно исчезают синие оттенки.

В компании LG также предложили использовать четыре субпикселя. По мнению разработчиков, к традиционной триаде необходимо добавить субпиксель белого света. Как утверждают специалисты LG, это позволит увеличить срок службы дисплея до 30 тысяч часов без ущерба для его технических характеристик (яркости, контрастности).

Технологию изготовления OLED-дисплея, при которой для каждой из трех RGB-составляющих применяется собственный полимер, непосредственно излучающий свет нужного цвета, называют True-RGB. В последнее время при изготовлении OLED-дисплеев стали использовать технологию, получившую назва-

ние WOLED-CF (White OLED with Color Filter – белый органический светодиод с цветным фильтром). В данном случае используются полимерные излучатели белого света и цветные фильтры точно такие же, как и у ЖК TFT-дисплеев. Применение новой технологии в значительной степени упростило конструкцию OLED-дисплеев. При этом изображения, воспроизводимые OLED-дисплеями, по качественным показателям не уступают качеству отображения лучших моделей ЖК-телевизоров.

С конструктивной точки зрения OLED-дисплеи представляют собой активную или пассивную матрицу с n-строками и m-столбцами. В случае пассивной матрицы каждая точка дисплея (субпиксель) представляет собой диод, и для того, чтобы заставить ее светиться, ток должен подаваться на строку и столбец матрицы (рис. 11.16). Для воспроизведения цветного изображения используется интегральная матрица n m (rgb), представленная RGB-элементами. В отличие от ЖК устройств, управление пикселями в OLED-дисплеях осуществляется токовыми сигналами.

При изготовлении высококачественных полноцветных OLED-дисплеев предпочтение отдается активной схеме управления. Работа основной матрицы несколько сложнее, так как каждый субпиксель состоит из диода и тонкопленочного транзистора, который работает переключателем, контролируя количество энергии, поступающее к диоду. Управляющий сигнал подается на конкретный транзистор матрицы, благодаря чему ячейки обновляются достаточно быстро.

Рис. 11.16. Эквивалентная схема пассивной адресации OLED

Используется технология тонкопленочного транзистора TFT. Формируется массив транзисторов в виде матрицы, который накладывается на подложку прямо под органический слой дисплея. Слой TFT формируется из поликристаллического или аморфного кремния. Активноматричные органические устройства отображения получили название AMOLED (Active Matrix OLED)-дисплеев.

Благодаря безынерционности включения пикселей в AMOLED-телевизо- рах легко реализовать повышенную частоту смены кадров без получения эффекта стробирования изображений непосредственно на телевизионном экране.

Известно, что пленки напыляемых органических полупроводниковых материалов очень восприимчивы к водяному пару и кислороду, поэтому необходимо защищать OLED-дисплеи от их воздействия. Существуют два способа герметизации приборов с ОСИД-структурой – вакуумирование и заполнение инертным газом. До сих пор стеклянная подложка ОСИД являлась единственным прозрачным материалом, который защищает внутреннюю структуру ОСИД от влаги и воздуха. Однако в настоящее время ведутся работы по созданию пластмассовой подложки, обеспечивающей необходимую защиту. Такая подложка позволит изготовлять гибкие и пластичные OLED-дисплеи. Например, компания Sony продемонстрировала OLED-дисплей, изготовленный на гибкой подложке толщиной всего 20 мкм. При этом толщина самого дисплея составляет лишь 80 мкм. Благодаря использованию управляющих транзисторов, изготовленных из органических полупроводниковых материалов, этот дисплей можно сгибать и даже скручивать в рулон без ущерба для его работоспособности (минимальный радиус изгиба составляет 4 мм).

Основные достоинства OLED-дисплеев заключаются в следующем:

Высокая разрешающая способность, обусловленная возможным размером одного пикселя в пределах 0,005 мм.

Высокая скорость срабатывания, обусловленная временем переключения ОСИД за одну микросекунду, что соответствует частоте обновления изображения в 1 МГц.

Широкий диапазон отображаемых цветов. Может быть воспроизведено до 16 миллионов цветов, требуемых для воспроизведения телевизионных изображений.

Высокая яркость воспроизводимых изображений, находящаяся в пределах от нескольких десятков до 2000 кд/м2.

Высокая контрастность, необходимая для хорошего восприятия отображаемой визуальной информации при прямом солнечном освещении. Практически достижимый уровень контрастности находится в пределах от 300:1 до 5000:1.

Эффективный угол обзора изображений на экране OLED-дисплея находится

впределах 160…180 .

Сравнительно низкое управляющее напряжение, находящееся в интервале

2…10 В.

Низкая стоимость изготовления OLED-дисплеев в условиях серийного производства. В принципе, OLED-дисплеи можно печатать при помощи специализированных струйных принтеров.

Малая толщина OLED-дисплея. При использовании пластмассовой подложки толщиной 0,7 мм OLED-дисплей практически будет иметь толщину в пределах 1,4…2 мм.

Широкий температурный диапазон. ОСИД устойчиво работают в температурном диапазоне –50…+70 С.

Ксожалению, у OLED-дисплеев есть и определенные недостатки. В частности, органические молекулярные и полимерные светоизлучающие материалы быстро разрушаются под воздействием содержащегося в воздухе кислорода и водяных паров, поэтому для обеспечения приемлемой (с точки зрения коммерческого использования) долговечности необходима полная герметизация дисплейной панели. Не менее актуальная проблема – это деградация (старение) светоизлучающих материалов. Органические светоизлучающие материалы постепенно деградируют в процессе работы – это проявляется в уменьшении их эффективности (падении яркости при заданном напряжении питания) и изменении спектральных характеристик. Применяемые в OLED-дисплеях материалы способны излучать свет с очень высокой яркостью, однако, проблема в том, что скорость их старения прямо пропорциональна яркости излучения.

По мнению специалистов после доработки срок службы OLED-дисплеев в ближайшее время может быть увеличен до 40 тысяч часов, что вполне достаточно для коммерческого использования подобных устройств.

В качестве примера рассмотрим технические характеристики OLEDтелевизора EL9500, с 2010 года выпускаемого компанией LG Electronics. Диа-

гональ экрана – 15 . Согласно данным производителя, уровень динамического контраста этой модели превышает 10 000 000:1, а эффективный угол обзора составляет 180 . Толщина корпуса EL9500 – всего 3,2 мм. Для подключения источников сигнала предусмотрен порт HDMI. Кроме того, имеется хостконтроллер USB и функция воспроизведения медиафайлов в формате DivX HD, MP3 и JPEG с внешних носителей. Телевизор имеет высококачественные встроенные аудиодинамики. Его можно без труда подвесить на стену или же установить на столе, используя штатную подставку-трансформер.

Фирма Sony в настоящее время выпускает OLED-телевизоры моделей PVM-2541, PVM-1741 с размерами экрана 25 и 17 , обеспечивающие разрешение 1920 1080 пикселей в кадре, дополнительно оснащенная 10-разрядным процессором обработки сигнала. К серийному выпуску AMOLED-телевизоров формата Full HD с размером экрана 55 приступили корейские компании Samsung и LG.

12. УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ БОЛЬШОГО РАЗМЕРА

12.1. Мультимедийные проекторы D-ILA-типа

Основу проекторов D-ILA составляет так называемая отражательная (Reflective) жидкокристаллическая панель (R-ЖК-панель) (рис. 12.1). Ее главное отличие от обычной жидкокристаллической матрицы состоит в том, что электроды, управляющие поляризацией ячеек, имеют квадратную форму и выполняют роль зеркал [63].

Причем элементы электронной схемы управления не препятствуют прохождению световых лучей через рабочий слой (как это происходит в обычной жидкокристаллической (LCD) матрице). За счет этого коэффициент отражения R-ЖК-панели для белого света доходит до 95%. По сравнению с обычной TFTпанелью, R-ЖК-панель обеспечивает более высокие яркость, четкость и контрастность изображения. В матрицах, изготовленных по технологии LCoS, жидкие кристаллы расположены параллельно вертикальной оси, что позволяет в перспективе повысить контрастность изображений до 2000:1. В некоторых моделях видеопроекторов, выпускаемых в основном фирмой Sony, LCoSматрица называется прибором формирования изображения SXRD (Silicon X-tal Reflective Display).

Рис. 12.1. Структура R-ЖК-панели:

а) вид в разрезе; б) фронтальный вид панели

Рис. 12.2. Оптическая схема модулятора проектора D-ILA-типа

Схема модулирующего устройства проектора D-ILA оказывается гораздо проще, чем в проекторах ILA-типа, за счет отсутствия в ней дополнительного источника изображения на базе ЭЛТ (рис. 12.2). Принципиальная особенность конструкции модулирующего устройства заключается в том, что функцию анализатора отраженного от LCoS-матрицы света и световых лучей, поступающих от проекционной лампы, выполняет блок поляризатора-анализатора, содержащий диагональное зеркало-поляризатор. Это зеркало при падении на него света под углом 45 пропускает его составляющую с поляризацией вдоль поверхности зеркала и отражает перпендикулярную составляющую. В компьютерных видеопроекторах фирмы Sony подобные блоки поляризатора-анализатора имеют обозначение PBS (Polarized Beam Splitter – расщепитель поляризованных лучей).

Конструкция проекционного устройства D-ILA-типа напоминает устройство полисиликонового проектора с той разницей, что вместо просветных TFTматриц в нем используется R-ЖК-панель и блок поляризатора-анализатора

(рис. 12.3).

Рис. 12.3. Оптическая схема видеопроектора D-ILA-типа

Проектор, построенный по D-ILA-технологии, содержит проекционную лампу, три жидкокристаллические панели на основе LCoS матриц, модулирующие красный (R), зеленый (G) и синий (В) световые потоки, и оптическую систему. Световой поток лампы через цветоделительную систему поступает на LCoS-матрицы и после отражения направляется с помощью смесительной призмы в проекционный объектив, где световые потоки смешиваются и, попадая на экран, образуют единое полноцветное изображение. Такой проектор весьма компактен и относительно легок.

Рассмотрим работу D-ILA-проектора более детально. Световой поток источника света (проекционной лампы) 1, пройдя защитный инфракрасный фильтр 2 и конвертер поляризации, размещенный в конденсоре 3, сначала разделяется цветоделительным дихроичным узлом 4 на желтую (R + G) и синюю (В) составляющие. Они, отражаясь от соответствующих зеркал 5 и пройдя корректирующие светофильтры 7, попадают на поляризационные расщепители PBS 8, причем желтая составляющая предварительно разделяется дихроичным зеркалом 6 на красную и зеленую путем отражения световых лучей зеленого цвета. Далее световые лучи R, G и В цветов поступают на соответствующие модуляторы (LCoS-матрицы) 9 и, отражаясь от них, снова попадают в PBS 8, а затем в смесительную призму 10. Здесь они суммируются и, отражаясь от зеркала 5, попадают в объектив 11 и проецируются на экран.

Конвертер поляризации расщепляет световой поток от проекционной лампы на две составляющие, плоскости поляризации которых сдвинуты на 90 , а затем поворачивает одну из них на 90 . В результате весь световой поток приобретает единую (линейную) поляризацию, совпадающую с плоскостью поляризации, перпендикулярной поверхности зеркала PBS.

Модуляторы света, то есть LCoS-матрицы, отражают падающий на них свет обратно на PBS с внесением дополнительных сдвигов поляризации в соответствии с управляющими видеосигналами. Если этих сигналов нет, то полупрозрачное зеркало PBS ничего не пропустит в смесительную призму 10. Таким образом, в объектив попадает только полезная часть светового потока, несущая информацию в соответствии с управляющими сигналами. Источником отображаемых изображений является кадровая память, информация в которой предварительно обновляется интерфейсным видеопроцессором с частотой полей.

Главные достоинства D-ILA-технологии – высокое реализуемое разрешение за счет интеграции пикселей наивысшей плотности, меньшие искажения, аналоговые свойства LCoS-матриц при модуляции светового потока и высокий уровень контрастности, а так же отсутствие снижения светосилы при высоком разрешении.

LCoS-технология за счет использования управляющей полупроводниковой КМОП-структуры позволяет наращивать число пикселей и, следовательно, разрешающую способность матрицы без значительного увеличения ее размеров. Например, LCoS-матрица может содержать до 8,85 миллионов пикселей, при этом размер одного пикселя не превышает 8,5 мкм.

Технология изготовления LCoS-матриц легко вписывается в типовой процесс производства КМОП-структур, а значит, сами матрицы в перспективе могут быть относительно недорогими.

Причиной меньшего числа искажений является отражательный, а не светопропускающий принцип работы LCoS-матрицы.

Высокий уровень контрастности воспроизводимых изображений D-ILA- проектором обусловлен, в основном, двумя факторами:

способом вертикальной ориентации молекул жидких кристаллов (Vertical Aligned Liquid Crystal);

чрезвычайно тонким слоем жидких кристаллов (до 2 мкм).

Способ Vertical Aligned Liquid Crystal имеет большое практическое значение. Дело в том, что для проекционной системы любого типа очень важным параметром является отображение абсолютно черного цвета. А именно этот фактор определяет контрастность воспроизводимых изображений. Иными словами контрастность изображения, обеспечиваемая видеопроектором, зависит от того, насколько эффективно световой поток внешнего источника может быть перекрыт, чтобы он совсем не проходил через устройство формирования изображения.

Все жидкокристаллические чипы управляют количеством света, который должен быть направлен на проекционный экран, путем приложения электрического поля к элементам ЖК решетки. В обычных ЖК-чипах черный цвет формируется, когда электрическое поле приложено перпендикулярно ЖК-решетке. Однако молекулы вблизи поверхности стеклянной подложки могут управляться неточно. Это не является проблемой для очень яркого изображения. Однако при воспроизведении темных изображений свет может «протекать» сквозь ЖКчип, поскольку молекулы у поверхности стеклянной подложки располагаются не столь точно, как все остальные. В результате черный цвет получается не глубоким, а черно-коричневым.

Чип LCoS-типа (SXRD) лишен этого недостатка благодаря тому, что система Vertical Aligned Liquid Crystal отображает черный цвет, когда электрического поля нет совсем. А поскольку все молекулы ЖК расположены правильно, оптимизируется и их расположение при наличии электрического поля. Вот почему достигается гораздо более глубокий черный цвет, а значит, и высокое значение контрастности.

Ввиду аналоговых свойств LCoS-матрицы при модуляции светового потока лучше воспроизводятся оттенки серого цвета по сравнению с DLPматрицами (меньшие искажения обусловлены отсутствием принудительной пульсации светового потока, применяемой в DLP-проекторах для создания на экране оттенков серого цвета). В целом, технология D-ILA обеспечивает более «мягкое», то есть естественное, изображение по сравнению с другими технологиями формирования проекционного изображения.

Сверхтонкий слой ЖК вносит свой вклад и в малую инерционность LCoSматрицы, а, следовательно, и видеопроектора в целом, которая не превышает 5 мс. LCoS-чип быстро реагирует на мгновенные изменения содержания изображения, благодаря чему эффект движения в проецируемом изображении воспро-