668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

141

Однако в последнее время появился ряд серьезных проблем, связанных с использованием кинескопов в современных телевизионных устройствах. Например, в системах ТВЧ требуется увеличение размеров кинескопов, что влечет за собой резкое (квадратичное) возрастание их массы, объема, не говоря уже об увеличенной потребляемой мощности. Причем создание высококачественных телевизионных приемников с размерами экрана по диагонали в 100 см и более на базе обычного кинескопа становится вообще проблематичным из-за ограниченной прочности вакуумных баллонов. При этом надо помнить, что традиционные кинескопы излучают. Собственно, излучают две части ЭЛТ-трубки: электромагнитная энергия генерируется электронной пушкой, которая является источником электронов и расположена в задней части горловины колбы, а рентгеновское излучение возникает в момент бомбардировки электронами люминофорного покрытия. Конечно, современные кинескопы имеют противорадиационную защиту, но полностью подавить возникающее излучение не представляется возможным, так что телезритель или пользователь ПК подвергаются неблагоприятному воздействию электромагнитных полей и рентгеновского излучения. Кроме того, ЭЛТ имеет еще один вредный для здоровья недостаток – эффект мерцания изображения, особенно хорошо заметный на частотах кадровой развертки 50…60 Гц. При частотах 75 Гц и более мерцание визуально уже незаметно, но изображение все равно дрожит, что хотя и в меньшей степени, но все же приводит к дополнительной зрительной нагрузке.

Совокупность электромагнитного и рентгеновского излучения наряду с мерцанием изображения оказывают достаточно вредное воздействие – при длительном нахождении перед телевизионным экраном или за монитором ПК утомляется зрение и создается дополнительное нервное напряжение.

Достаточно долго имел место и такой недостаток, как криволинейная поверхность экрана кинескопа, но в последнее время его удалось преодолеть, создав трубки с плоским экраном. Но от аберраций избавиться не удается: достижение равномерности отображения по всему полю остается сложной задачей. Кроме того, мониторы на основе ЭЛТ очень чувствительны к внешним электромагнитным полям, воздействие которых приводит к намагничиванию маски кинескопа и, как следствие, – к искаженному воспроизведению цветов. Намагничивание маски происходит и в процессе эксплуатации, поэтому все мониторы снабжаются функцией размагничивания маски (Degauss).

Надо отметить, что мониторы на основе кинескопа страдают и от механических воздействий. Тряска и вибрации могут привести к деформации маски, после чего добиться корректного отображения изображения просто невозможно.

Тенденция последних лет говорит о том, что мониторы на основе ЭЛТ практически уступили место плоскоэкранным дисплеям на основе жидких кристаллов (ЖК).

В ближайшие годы доминирующую роль на рынках сбыта, как телевизионных устройств, так и устройств отображения визуальной информации различного назначения, например, мониторов ПК, будут играть жидкокри-

сталлические экраны (ЖКЭ) плоского типа ввиду их компактности, высокого качества изображения, низкого энергопотребления, сравнительно невысокой стоимости и отсутствия излучения. Реальные ЖКЭ имеют фиксированный набор физических пикселей, обеспечивают высокую четкость воспроизводимых без геометрических искажений изображений, которые не мерцают. Это объясняется тем, что изображение обновляется построчно, поэтому оно не дрожит практически при любом разумном значении частоты кадровой развертки. ЖКЭ фактически являются полностью цифровыми устройствами, поэтому облегчается их использование в мониторах ПК.

Однако производство ЖКЭ с увеличением размеров воспроизводимых изображений сильно дорожает. Это объясняется тем, что матрицы для ЖКЭ изготавливаются в виде больших по площади пластин, которые затем разрезаются на требуемый размер. Чем дальше от центра, тем хуже качество матриц, поэтому на изготовление ЖКЭ идут матрицы только из центральной части этих пластин. При этом чем больше размеры ЖКЭ, тем больше в нем дефектных пикселей. Вследствие этого, то есть по технологическим ограничениям, до последнего времени не удавалось изготавливать тонкопленочные ЖКЭ с размером по диагонали более 74 см, то есть 29 . Пытаясь преодолеть этот барьер, японская фирма Sharp пошла по пути высокоточного бесшовного соединения отдельных ЖКЭ. В результате удалось создать жидкокристаллический дисплей с размером диагонали 1м (39 ). По новой технологии можно соединить несколько ЖКЭ небольших размеров, что позволяет создавать жидкокристаллические дисплеи еще большей площади и одновременно удешевлять их.

Размер экрана жидкокристаллической панели в самое последнее время уже добрался до диагонали в 57 (144 см). Рекорд принадлежит компании Samsung.

Ценность использования жидких кристаллов (ЖК) для отдельных применений в телепроизводстве несколько снижается из-за достаточно большого времени релаксации, достигающего нескольких мс.

Тем не менее, уже сейчас ЖКЭ в общем количестве только телевизионных воспроизводящих устройств плоского типа составляют более 40%. Если исключить дополнительные источники света, то сам по себе ЖКЭ, работа которого основана на электрооптических эффектах в ЖК, является пассивным устройством, индицирующим изображение за счет модуляции внешнего светового потока. Выбор конкретного конструктивно-технологического варианта ЖКЭ зависит от вида используемого ЖК и электрооптического эффекта в нем,

атакже способа адресации элементов отображаемой матрицы.

Взарубежной литературе для обозначения воспроизводящих устройств на основе ЖК используется аббревиатура LCD – Liquid Crystal Display.

К настоящему времени большинство основных фирм в области телевизо-

ростроения: например, Sony, Panasonic, JVC, Sharp, Toshiba (Япония), Barko (Бельгия), Philips (Нидерланды), Croma Telecom (Италия), Boland Communications (США), Dyna Scan (Тайвань) освоили выпуск множества различных моделей телевизоров Full HD типа. Однако в последнее время в сегменте ЖК дисплеев произошла настоящая техническая революция. Прогресс в совершенство-

143

вании традиционных жидкокристаллических телевизоров со светодиодной подсветкой с точки зрения повышения их разрешения налицо. Так в 2012 году японская компания Toshiba начала продажи первой в мире коммерческой модели ЖК телевизора LED типа 55ZL2 с матрицей QUAD HD, содержащей 3840 2160 пикселей. В 2013 году продажи телевизоров, содержащих светодиоды с диагональю экрана 84 (213 см) с разрешением 4К стали осуществлять фирмы Sony и Panasonic. Внедрение формата 4К с удвоенным числом элементов изображения по вертикали и горизонтали (3840 2160) по сравнению со стандартом Full HD (1920 1080 пикселей) стало возможным благодаря прогрессу дисплейных технологий. При этом следует отметить, что в большинстве моделей телевизоров формата 4К имеются встроенные конверторы разрешения, позволяющие преобразовывать изображения стандартной четкости или Full HD в изображения с разрешением 4К. Однако рекордсменами в области создания ЖК телевизоров высокого разрешения являются японские компании Sharp и NHK, которые анонсировали 33-мегапиксельный дисплей с размерами экрана 1,8 1,05 м. Причем кратность разрешающей способности подобного дисплея по отношению к ЖК телевизору формата Full HD достигает 4. При этом профессионалам хорошо известно, что стоимость пикселя на экране дисплея падает примерно в 10 раз каждые 10 лет уже 40 лет подряд.

В данном случае особо следует отметить, что целью перехода на стандарт разрешения 4К и выше компании-производители телевизионной аппаратуры объявляют не только способность отображать контент высокого разрешения, которого становится все больше, но и возможности высококачественного просмотра 3D-видеопрограмм без использования специальных очков. Конкретно, речь идет о воспроизведении высокоразрешающим дисплеем многоракурсных изображений, для автостереоскопического восприятия которых применяется оптический растр, установленный непосредственно на поверхности ЖК телевизора.

Для создания воспроизводящих устройств большого размера достаточно эффективным является использование современной плазменной технологии, которая позволяет конструировать плоские и достаточно легкие мониторы толщиной всего около 10 см. Например, в бытовых телевизорах с размерами экрана 35…60 дюймов (то есть 90…152 см) по диагонали все чаше начинают применяться плазменные панели (PDP – Plasma Display Panel). Кроме того, плазменная техника используется и для изготовления больших плоских экранов, подвешиваемых на стену, как картина. Первые промышленные модели плазменных панелей (ПП) были разработаны японской компанией Fujitsu десять лет назад и сначала использовались как информационные табло. Сейчас лидирующее место в производстве плазменных панелей занимает японская корпорация Pioneer, которая продолжает совершенствовать продукцию, предназначенную для массового производства. Дальнейшее увеличение размеров плазменных панелей, в принципе, возможно, но сдерживается быстро нарастающим энергопотреблением и прогрессирующим нарастанием массы. Срок службы плазменных панелей практически достигает 30000 часов.

Современная плазменная технология позволяет воспроизводить изображения, абсолютно лишенные мерцания, так как каждый элемент (пиксель) изображения светится практически постоянно в соответствии с управляющим сигналом (а не тогда, когда на него попадает поток электронов, как в ЭЛT). Плазменные панели нечувствительны к электромагнитным полям, их яркость значительно выше, чем яркость ЭЛТ. Плазменные панели совершенно плоские, что устраняет проблемы с геометрическими искажениями. Благодаря линейной матричной структуре экрана плазменной панели и непропускающей ультрафиолетовое излучение пленки, покрывающей переднюю поверхность, на мониторе отсутствуют нелинейные искажения изображения и вредные для глаз излучения, характерные для традиционных, кинескопных мониторов. Плазменные панели выгодно отличаются от них широтой комфортного просмотра (угол обзора 160°), более контрастным изображением. Нет и спада яркости изображения от центра к краям экрана, характерного для проекционных телевизоров.

В настоящее время изображение на плазменном экране считается одним из наиболее ярких (до 900 кд/м2) с контрастом, достигающим 400…1000. К недостаткам ПП, в первую очередь, следует отнести высокое энергопотребление. От собственного аккумулятора устройство воспроизведения изображений с таким экраном вряд ли проработает даже час. Применение плазменного экрана само собой подразумевает наличие электрической розетки в радиусе нескольких метров. Кроме того, существенным недостатком плазменных устройств воспроизведения является относительно большой размер единичного элемента изображения (пикселя). Размер пикселя в плазменной панели определяется минимальными физическими размерами газоразрядной ячейки и не может быть менее 0,8 0,8 мм. К сожалению, высокое энергопотребление ограничивает использование PDP в мобильных устройствах.

Наконец, к самым последним разработкам в области воспроизводящих устройств с размерами экрана в пределах одного метра по диагонали относятся более тонкие по сравнению с ЖК-панелями и даже гибкие OLED (Organic Light Emitting Diode) дисплеи на органических светодиодах. По мнению специалистов OLED-технология имеет значительно больший потенциал для увеличения разрешающей способности по сравнению с ЖКЭ. Например, разработанная специалистами компании EPSON технология производства OLED-дисплеев методом струйной печати уже на начальном этапе своего развития позволяет достичь разрешающей способности в 8 пикселей на 1 мм – и это не предел. Следует также отметить, что и по другим качественным показателям воспроизводимых изображений OLED-дисплеи превосходят ЖКЭ. Например, OLEDтехнология обеспечивает высокую яркость и контрастность получаемых изображений, а также очень большой эффективный угол обзора (как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости), приближающийся к идеальному значению в 180º. При этом полноцветные OLED-дисплеи имеют цветовой охват на уровне лучших кинескопов и обеспечивают значительно более точное воспроизведение цветов по сравнению даже с самыми современными моделями ЖКЭ.

145

Заметную роль среди устройств отображения видеоинформации в последнее время стали играть светодиодные экраны, представляющие собой массив светодиодов, обладающих высокой световой эффективностью.

Видеостена – одно из самых современных средств отображения видеоинформации, позволяющее воспроизводить изображения в многооконном режиме даже от нескольких источников. Применение видеостен решает сразу несколько практических задач, и поэтому они устанавливаются в абсолютно разных местах: в ситуационных центрах и диспетчерских, в конференц-залах и торго- во-развлекательных центрах, на вокзалах и в авиационных терминалах, в концертных залах и выставочных павильонах. Их можно использовать и как инструмент маркетинга.

Для видеостен чаще всего используются ультратонкие ЖК-матрицы IPSтипа с прямой светодиодной подсветкой, имеющие антиотражающее и антибликовое покрытия, которые сводят к минимуму отражение и блики, тем самым обеспечивают повышенную комфортность при просмотре видеоконтента.

Системы полиэкранного отображения. Мониторинг качественных показателей телевизионного изображения является крайне важной задачей в процессе современного телепроизводства. При этом количество программ, транслируемых из одного вещательного центра, может исчисляться десятками. По мере роста количества программ, числа источников сигнала растет потребность

ив многочисленных устройствах отображения. Однако установка отдельного монитора для каждого сигнала сопряжена со значительными трудностями. Вопервых, это просто дорого. Во-вторых, видеомониторы занимают много места, а его, как правило, всегда не хватает. Можно также представить себе количество кабелей, которые нужно подвести к мониторному стеллажу. Нельзя забывать и об энергопотреблении видеомониторной стены. В случае же с ПТС ситуация становится близкой к критической. Требуется также дополнительный коммутатор видеосигналов, чтобы можно было оперативно менять конфигурацию видеомониторной стены. Причем на мониторы необходимо выводить не только телевизионные изображения, но и сопутствующую информацию (метаданные, например, идентификатор источника сигнала).

Совокупность вышеназванных проблем подтолкнула разработчиков телевизионного оборудования к созданию систем полиэкранного оборудования. Различные компании называют их по-разному: Multi-Image Processor, Multiviewer, Multi-Screen и т.д. Но суть от этого не меняется. Задача такого устройства – принять на входе несколько видеосигналов и отобразить их на подключенном мониторе одновременно. В простейшем случае речь идет о делении экрана монитора на четыре равные части (окна), в каждой из которых отображается один из четырех поданных на процессор сигналов.

По мере развития плоскоэкранных мониторов, особенно выполненных на базе жидких кристаллов, стало возможным выводить на экран и большее количество окон, а также динамически менять их размер, положение на экране и т.д. Поскольку полиэкранные процессоры являются, по сути, компьютерами с платами ввода/вывода сигналов, они дают возможность выводить на экран не

только изображения, но и идентификаторы источников сигналов, а также ассоциированные с видео метаданные и звук. Таким образом, один процессор и большой плоскоэкранный дисплей способны заменить несколько традиционных видеомониторов и коммутатор сигналов.

Следовательно, новая система студийного видеомониторинга более компактна, экономична и удобна в эксплуатации по сравнению с ранее использовавшимися системами видеоконтроля телекомпаний.

Несомненно, необходимость в подобных системах возникла одновременно с появлением многоканальных вещательных центров, потребовавших достаточно широких возможностей мониторинга, в том числе и гибкости в конфигурировании системы отображения по мере изменения числа транслируемых программ. Все это привело к тому, что в настоящее время технология полиэкранного отображения широко применяется практически во всех современных вещательных комплексах. Она особенно эффективна для операторов централизованного вещания, когда в один большой центр поступают телепрограммы от многочисленных малых станций.

Наиболее совершенные полиэкранные процессоры к тому же хорошо интегрируются с системами управления комплексом, позволяя оператору осуществлять детальный мониторинг каждого из имеющихся сигналов в любой точке тракта, по которому он проходит в рамках технологической цепи. Некоторые процессоры обладают еще более широкими функциями, поскольку способны взаимодействовать с системами автоматизации вещания, от которых они получают соответствующую информацию о транслируемой программе и отображают ее. Это может быть название клипа и его хронометраж. Причем используемый в производственной телевизионной инфраструктуре процессор должен обеспечить отображение видео с минимальной задержкой, высокой точностью и без артефактов обработки.

Технология производства цифровых видеопроекторов, обеспечивающих воспроизведение больших по размерам изображений высокой четкости, уже сегодня достигла высочайшего уровня и продолжает развиваться.

Наиболее широкое применение получили видеопроекторы следующих ти-

пов [30].

Видеопроекторы, основанные на LCoS (Liquid Crystal on Silicon-жидкие кристаллы на кремнии) – технологии. Центральной частью LCoS – устройства является жидкокристаллическая матрица (микродисплей), изготовленная на кремниевой подложке (там же расположены и управляющие работой ячеек транзисторы). Однако, в отличие от классической проекционной жидкокристаллической технологии, в данном случае микродисплей работает на отражение, а не на пропускание. При этом LСoS-технология имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными LCD-матрицами. Например, пиксели микродисплея LСoS характеризуются меньшим временем реакции, и за счет того, что транзисторы микродисплея расположены под ячейками субпикселей и не препятствуют прохождению света, – и значительно большей апертурой.

147

По мнению специалистов, реализация технических решений на базе технологий LCoS позволяет создавать относительно недорогие и высококачественные телевизионные проекционные устройства.

Например, фирмой Sony на основе матриц типа LCoS уже разработан видеопроектор с разрешением воспроизводимых изображений 4К, то есть 4096 2160 пикселей соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях, и контрастом, равным 2000. Разновидностью видеопроекторов, использующих LCoS технологию, являются проекционные устройства D-ILA (Direct Image Light Amplifier – прямой усилитель света от изображения)-типа, разработанные фирмой JVC. Буква D (от слова direct) означает, что изображение появляется непосредственно на жидкокристаллической панели без ЭЛТ. Конструкция D-ILA – проекторов базируется на новшествах в разработках КМОП-микросхем и жидкокристаллических приборов, что позволяет уже сегодня воспроизводить изображения, которые по качеству не уступают лучшим киноизображениям.

Сфера применения видеопроекторов подобных моделей не ограничивается только цифровыми кинотеатрами с большими экранами. Они могут применяться также в центрах управления различными процессами, ситуационных центрах, в системах визуализации компьютерной графики, планетариях, музеях и т.п. Альтернативным вариантом использования видеопроектора с разрешением 4К является полиэкранное отображение, при котором четыре HD телевизионных изображения выводятся одновременно в четырех квадрантах экрана. Размер проекционного экрана для видеопроекторов подобного типа может достигать 1,829…15,497 м по диагонали.

DLP (Digital Light Processing – цифровая обработка света) – проекторы, основу которых составляет DMD (Digital Micromirror Device – цифровой микрозеркальный прибор) – матрицы из подвижных микрозеркал, управляемых видеосигналом, которые освещаются мощными источниками света основных цветов RGB и работают на отражение. При сопоставимых яркости и разрешении с LCD-проектором DLP-устройства лучше воспроизводят черный цвет и в гораздо меньшей степени имеют «мозаичность» изображения, однако получаемые в этом случае изображения обладают меньшей насыщенностью.

Видеопроекторы DLP-типа разработаны в США корпорацией Texas Instruments и в настоящее время по лицензионным соглашениям выпускаются ря-

дом фирм, например Barco (Бельгия), Christie Digital Systems (США) и NEC Viewtechnology (Япония). Достижения в этом секторе видеопроекторов сводятся к появлению моделей со световым потоком 30 000 лм, использующих ксеноновую лампу X-6300 мощностью 6,3 кВт.

Конструкция DLP-устройств обеспечивает точность и простоту прецизионного совмещения одинаковых изображений от двух видеопроекторов на одном экране. Предусмотрена работа проектора без внешнего видеопроцессора в режимах Picture-in-Picture (PiP – «картинка в картинке»), который позволяет в дополнение к просматриваемой программе одновременно воспроизводить изображение другой программы в углу экрана в небольшом прямоугольном окне (в принципе, DLP-проектор может обеспечить одновременное отображе-

ние на экране изображений от четырех источников информации в режиме PiP), и Scenergix для обслуживания выбираемой части большого полиэкрана с обеспечением незаметности «склеек» его составных частей (функция Edge Blending).

Ввидеопроекторах DLP, D-ILA-типов в качестве внешних источников света применяются три типа ламп: галогенные накаливания, дуговые металлогалогенные низкого или сверхвысокого давления внутри колбы (порядка 100 атмосфер). Срок службы первых (H) обычно 50 часов, вторых (MH) – до 3 тысяч часов, а третьих (UHP – Ultra High Pressure) – до 6 тысяч часов. При этом последние обеспечивают примерно вчетверо и вдвое бóльшую световую отдачу (свыше 100 лм/Вт) по сравнению с лампами Н и МН соответственно.

К важнейшим светотехническим параметрам видеопроекторов относится усредненная величина светового потока при проекции белого поля, выражаемая

вспециально введенной для этого в США и принятой всеми производителями проекторов единице измерения ANSI-лм. Световые потоки в ANSI-лм вычисляются как полусреднее значение освещенностей в люксах, измеренных в девя-

ти зонах, равномерно распределенных по контрольному экрану площадью 0,5 м2. При измерениях этот экран должен находиться на расстоянии минимальной дистанции фокусировки от видеопроектора. В зависимости от условий наблюдения проецируемых изображений световой поток проекторов должен находиться в пределах (200…600) ANSI-лм. Если же в паспортных данных видеопроектора приведена освещенность в люксах, то она относится только к центру экрана, а на краях может быть в несколько раз меньше. В большинстве конструкций проекторов светотехнический показатель в ANSI-лм оказывается в 3…5 раз меньше, чем в люксах.

Впоследние годы объемы продаж плазменных панелей стали уменьшаться, и наметилась тенденция вытеснения большеэкранных (с диагональю более

50 ) плазменных телевизоров проекционными, которые как показала практика, оказались более удобными при инсталляциях и обслуживании. В современных проекционных телевизорах, как правило, используются одночиповые DLPпроекторы с источником света на основе полупроводниковых лазеров фирмы Novalux. Такие телевизоры занимают все более заметный сектор рынка, и их выпускают несколько фирм, например, Mitsubishi, Sony (Япония) и Arasor (Австралия).

7. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

7.1.Основные электрооптические эффекты

вжидких кристаллах

ЖК – это органическое вещество, которое, обладая основным свойством жидкости – текучестью, – сохраняет упорядоченность во взаимном расположении молекул и анизотропию некоторых свойств, характерные для кристаллов. Главным признаком жидкокристаллического состояния вещества является выраженная направленность молекул относительно общей оси. Благодаря анизотропному строению ЖК обладают оптическими свойствами. Температурный интервал существования жидкокристаллической фазы может составлять десятки градусов. В ЖК молекулы имеют вытянутую, в большинстве случаев сигарообразную форму, чем определяется их некоторая преимущественная ориентация. От ориентации молекул зависят некоторые физические свойства ЖК, в частности, диэлектрическая проницаемость и показатель преломления nпр.

Преимущественная ориентация молекул характеризуется вектором D , называемым директором. В зависимости от степени упорядоченности молекул различают три типа (мезофазы) ЖК (рис. 7.1) [31]:

смектические; молекулы расположены слоями, а их продольные оси параллельны друг другу (рис. 7.1, а);

нематические; молекулы параллельные друг другу, но смещены вдоль своих продольных осей на произвольные расстояния. Послойная структура отсутствует (рис. 7.1, б);

холестерические; повторяют структуру нематических кристаллов, но направление директора изменяется по спирали. Образуется винтовая структура ЖК (рис. 7.1, в).

Рис. 7.1. Типы структур ЖК:

а) смектическая; б) нематическая; в) холестерическая