668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

Рис. 8.6. Базовая конструкция ячейки плазменной панели

На внутренние поверхности пластин, выполняющих функции передней и задней стенок плазменной панели, нанесены диэлектрические слои, изолирующие совокупность электродов плазменной панели. Причем диэлектрический слой, нанесенный на переднюю (прозрачную) пластину плазменной панели, дополнительно покрывается защитным слоем, изготовленным из оксида магния. Непосредственно на внутренних поверхностях пластин расположены горизонтальные и вертикальные электроды, образующие систему из двух взаимно ортогональных решеток (см. рис. 8.5). Нижние (в соответствии с рис. 8.5 вертикальные) металлические электроды расположены на задней непрозрачной пластине. Они называются адресными (address electrode) или электродами данных. Горизонтальные электроды изготавливаются из прозрачного токопроводящего материала. Они сгруппированы по два и расположены на внутренней поверхности передней прозрачной пластины, как правило, стеклянной. Данные электроды называются разрядными (display electrode – электроды отображения), а также питающими, сканирующими, инициирующими. Люминофор покрывает заднюю и частично боковые стенки камеры каждой ячейки. Естественно, в плазменной панели используются люминофоры трех разных составов, соответственно, излучающие световой поток трех основных цветов: R, G, B. Все ячейки заполнены инертным газом, это неон или ксенон, реже гелий. Используются также и смеси этих газов. Газы находятся в разряженном состоянии. Пониженное давление – это и пониженные потенциалы поджига и равновесного разряда.

В точке пересечения двух разрядных и адресного электродов формируется элементарная ячейка – субпиксель, которая может обеспечивать как R, G, так и В свечение. Три субпикселя R, G и В образуют пиксель. При появлении в субпикселе сильного электрического поля происходит газовый разряд. Образовавшаяся при разряде плазма испускает фотоны ультрафиолетового диапазона, которые, бомбардируя люминофор, заставляют его испускать свет уже видимого диапазона. Это излучение распространяется во все стороны. Значительная

его часть направлена не к наблюдателю, а вглубь панели, к задней пластине. Для использования этой части излучения диэлектрический слой, нанесенный на заднюю пластину плазменной панели, дополнительно покрывается специальным отражающим световое излучение слоем. В принципе, передняя (выходная) пластина, изготовленная из стекла, в совокупности с нанесенными на нее диэлектрическим и защитным слоями, а также с прозрачными разрядными электродами не пропускают ультрафиолетовые лучи и потому препятствуют проникновению ультрафиолетового излучения «во внешний мир». Например, только выходная стеклянная пластина поглощает до 97% вредного для человека ультрафиолетового излучения.

Интенсивность излучения элементарных ячеек плазменной панели зависит от напряжения на разрядных электродах, и, что важно, может регулироваться лишь в очень небольших пределах. Нижнее значение напряжения на разрядных электродах ограничено напряжением удержания разряда, а верхнее значение – напряжением зажигания, при котором происходит образование плазмы в ячейке при отсутствии поджигающего импульса на адресном электроде. К тому же при большом значении интенсивности разряда происходит выгорание люминофора, что приводит к быстрому старению плазменной панели. Таким образом, изменяя интенсивность разряда, нельзя добиться регулировки яркости плазменной панели в широких пределах, управлять яркостью можно лишь путем изменения продолжительности свечения пикселей. Поэтому для этой цели используется метод ШИМ, суть которого заключается в изменении соотношения длительностей включенного («светится») и выключенного («не светится») состояния ячейки.

Плазменная панель обладает достаточно низким КПД. Например, каждая элементарная ячейка (субпиксель) размером в 0,37 мм потребляет ток порядка 1,5 мкА. Это достаточно значительный ток для одного субпикселя. Стандартная плазменная панель, содержащая один миллион или более элементарных газоразрядных ячеек потребляет ток, превышающий 1,5 А. При потенциале равновесного разряда 20 В плазменная панель размером 40 дюймов (101 см) потребляет приблизительно 300 Вт электрической мощности. Увеличение в 1,5 раза диагонали экрана с 40 до 60 дюймов, то есть с 101 см до 152 см, ведет к соответствующему увеличению размеров каждой ячейки и к квадратичному (в 2,25 раза) росту энергопотребления. Следовательно, общее энергопотребление должно возрасти с 300 до 675 Вт.

Сопоставление плазменной панели с воспроизводящим устройством на базе кинескопов показало, что при равных 32 дюймовых (81 см) экранах энергопотребление плазменной панели в три раза выше. Поэтому на практике с целью облегчения теплового режима плазменной панели необходимо решить проблему отвода тепла. Для этого плазменные панели оснащаются процессором, распределяющим мощность источника питания по всем пикселям пропорционально требуемой от них яркости в соответствии с сигналами из кадровой памяти, специально введенной в состав устройства отображения плазменного типа. По-

добный процессор, выпускаемый фирмой NEC, носит название – Peak Luminance Enhancement (PLE).

8.1.3. Принципы формирования растра

Фирмой NEC предложен оригинальный метод управления ячейками плазменной панели, позволяющий высвечивать пиксели не последовательно, то есть друг за другом, как это традиционно делается, например, в кинескопах, а большими блоками [40]. В этом случае полный цикл управления состоит из восьми стадий, каждая из которых соответствует определенному состоянию газоразрядной ячейки. Физические состояния элементарной ячейки в каждой стадии иллюстрируются рис. 8.7.

Стадия 1 соответствует исходному состоянию. Все электроды находятся под условно нулевым потенциалом (см. рис. 8.7, 1).

Стадия 2 соответствует начальному разряду. В данном случае поджигается тлеющий разряд, при этом устанавливается ток в плазме, соответствующий нижнему потенциалу нормального разряда. Потенциал шины Sustain (поддерживающего электрода) положителен. Излучение из газоразрядной ячейки практически отсутствует. На этой стадии создается первичная ионизация газа, обеспечивающая на следующей стадии включение разряда без поджига (несамостоятельный разряд) (см. рис. 8.7, 2).

Рис. 8.7. Цикл состояний газоразрядной ячейки в режиме записи данных:

а – шина Scan; b – шина Sustain; С – шина Data

Стадия 3 соответствует состоянию разряда, обеспечивающего запись данных. Шина Sustain отключается. На шины Scan (управления) и Data (адресная) подаются короткие импульсы с размахом, соответственно, –180 и +70 В. Разряд формируется в зоне между шинами Scan и Data. Коммутация ячеек выполняется

вобычном режиме вдоль строк и прогрессивно по вертикали. Время коммутации строки составляет 3 мкс (см. рис. 8.7, 3).

Стадия 4 соответствует режиму сохранения данных. В данном случае все шины отключены. На шинах Scan и Data сохраняются электрические заряды в тех ячейках, на которые напряжения в стадии 3 поступали одновременно. Эти заряды создают электрическое поле, поддерживающее ионизацию с потенциалом в 250 В (см. рис. 8.7, 4).

Стадия 5 соответствует первому этапу основного разряда. На шину Scan подается потенциал +40 В, на шину Sustain – –180 В. Этим инициируется равновесный тлеющий разряд с общим потенциалом 250 + 220 = 470 В, достаточным для плазменного излучения интенсивного потока ультрафиолетовых лучей

(см. рис. 8.7, 5).

Стадия 6 соответствует второму этапу основного разряда. На этом этапе

вячейках поддерживается режим плазменного разряда (см. рис. 8.7, 6). Стадия 7 соответствует режиму гашения разряда. Для этого на шинах Scan

и Sustain снижаются потенциалы до уровня, использованного на стадии 2. Ультрафиолетовое излучение исчезает (см. рис. 8.7, 7).

Стадия 8 соответствует исходному состоянию ячеек. Для чего шины Scan и Sustain замыкаются. Это приведет к прекращению ионизации (см. рис. 8.7, 8).

Рассмотренный выше цикл приведения ячеек плазменной панели в светоизлучающее состояние, в первую очередь, обеспечивает запись данных в ячейки и только затем одновременное их высвечивание. А это – путь к существенному повышению качества воспроизводимого изображения. Тем не менее, при таком режиме воспроизведения телевизионного изображения практически не будет передаваться шкала серого, а число отображенных цветовых оттенков будет недостаточным.

Практическим выходом из данной ситуации является разделение процедуры записи и отображения изображений на несколько субполей. В этом случае развертка изображения в плазменной панели осуществляется следующим образом. Фактически каждое телевизионное поле, имеющее длительность 20 мс разбивается на восемь субполей (SF – Sub Fields) различной длительности (рис. 8.8) [41]. Каждое субполе состоит из двух временных интервалов: ta/td (адресации/отображения – address/display). Интервалы адресации одинаковы во всех субполях, а интервалы отображения соотносятся следующим образом:

td SF1: td SF2: td SF3: td SF4: td SF5: td SF6: td SF7: td SF8 = = 1:2:4:8:16:32:64:128

Во время интервала адресации осуществляется процесс адресации всех газоразрядных ячеек плазменной панели. Во время интервала отображения на все разрядные электроды подаются импульсы напряжения, количество которых

Рис. 8.8. Структура растра при разбивке каждого телевизионного поля на восемь субполей

Рис. 8.9. Эквивалентная электрическая схема газоразрядных ячеек: + – наличие зарядов у элементарных конденсаторов

зависит от номера субполя, при этом зажигаются только те ячейки, которые были предварительно проадресованы. Таким образом, адресуя ячейку в различных субполях, можно получить различное число ее вспышек в течение поля – от 0 (не адресована ни в одном субполе) до 255 (адресована во всех 8 субполях), то есть получить 256 градаций яркости. В случае цветной плазменной панели количество передаваемых цветов равняется 256 256 256 = 16,78 млн. цветов.

Важнейшим моментом, без которого невозможно было бы осуществить приведенный выше способ развертки, является процесс адресации. Матричная структура электродов панели позволяет управлять одновременно только одним рядом (строкой или столбцом) ячеек. Для адресации всех ячеек плазменной панели одновременно было сделано следующее. Конструктивно каждая ячейка устроена так, что в месте пересечения адресного и одного из разрядных электродов (инициирующего) образуется небольшая емкость, то есть каждая ячейка представляет собой маленький конденсатор, одним из обязательных параметров которого является малый ток утечки (рис. 8.9) [41]. В процессе адресации происходит последовательное сканирование всех ячеек плазменной панели – заряд элементарных конденсаторов тех ячеек, которые должны вспыхнуть в данном

субполе, и разряд тех, которые загораться не должны. Благодаря малому току утечки элементарного конденсатора, его заряд сохраняется в течение всего субполя, вплоть до следующего периода адресации. Например, из анализа рис. 8.9 следует, что при подаче напряжения на все разрядные электроды зажгутся только ячейки А1, А3, В2, С1, С3.

К важным достоинствам способа формирования растра путем разбивки каждого поля на восемь субполей относится тот факт, что частота мельканий газоразрядных ячеек плазменной панели во много раз превышает частоту мельканий отдельных элементов изображения на экране ЭЛТ (например, самые яркие ячейки плазменной панели зажигаются 255 раз за 20 мс). В свою очередь это приводит к значительному снижению утомляемости глаз при наблюдении телевизионных изображений, воспроизводимых плазменной панелью.

8.1.4. Методы увеличения яркости и контраста воспроизводимых изображений

Теоретически средняя яркость одного пикселя плазменной панели должна иметь гораздо бóльшую яркость по сравнению с яркостью пикселя, воспроизводимого кинескопом. Это объясняется тем, что при чересстрочной развертке за время одного телевизионного поля любой элемент изображения (пиксель) на экране кинескопа имеет одну вспышку, а максимальное число вспышек пикселя плазменной панели может достигать 255. Поэтому изображения, воспроизводимые плазменной панелью, должны иметь очень большой контраст. Однако в плазменной панели из-за некоторых особенностей формирования растра значительно снижается контраст воспроизводимых изображений. Дело в том, что для нормальной работы плазменной панели необходима так называемая «пилотная подсветка» – предварительный (инициализирующий) разряд, создающий условия для возникновения основного разряда. Такой разряд появляется в каждом субполе непосредственно перед началом интервала отображения, то есть за одно телевизионное поле происходит восемь пилотных разрядов. В результате таких предварительных разрядов возникает тусклое свечение, являющееся причиной снижения контраста изображения. Для уменьшения влияния паразитной засветки, вызванной пилотным разрядом, применяются несколько способов. Например, передняя стеклянная пластина плазменной панели покрывается особой задерживающей свет пленкой, которая в значительной степени снижает интенсивность излучения, вызванного пилотной подсветкой, и позволяет сделать черные участки изображения более темными. Но в этом случае снижается и интенсивность полезного излучения. Другой способ заключается в предельно допустимом уменьшении величины и частоты пилотных разрядов. Например, японской фир-

мой Pioneer был разработан метод управления CLEAR (high Contrast & Low Energy Address & Reduction of false contour sequence – высококонтрастная система адресации и подавления ложных контуров с низким потреблением энергии), позволяющий снизить количество пилотных импульсов до одного за период телевизионного поля [41].

Другой причиной снижения контраста изображения в плазменной панели является наличие специального диэлектрического слоя, хорошо отражающего свет и расположенного непосредственно под люминофорами (см. рис. 8.6). Этот слой, в частности, отражает световые лучи, попадающие через переднюю стеклянную пластину плазменной панели извне, что снижает контраст воспроизводимого изображения. Для борьбы с этим эффектом используются следующие способы. Во-первых, переднее стекло покрывается специальной затемняющей пленкой. В этом случае излученный люминофором свет проходит через пленку только один раз, внешний свет – два раза, что обеспечивает значительно бóльшее его затухание. Во-вторых, на верхние части ребер, отделяющих ячейки друг от друга, наносится черный светопоглощающий материал, снижающий общую площадь отражающей поверхности плазменной панели.

Значительного увеличения динамического диапазона яркости свечения плазменной панели удалось добиться компании Matsushita Electric Industrial (Япония), которая разработала метод обработки сигналов Plasma AI (Adaptable Brightness Intensification System – адаптируемое повышение яркости) [42]. Суть метода состоит в следующем. Специальный процессор в зависимости от поступающего на его вход видеосигнала рассчитывает необходимое количество субполей для достоверной передачи яркости изображения. Это позволяет избавиться от ненужных субполей, что увеличивает общее время отображения за телевизионное поле, так как вместе с субполями пропадают и интервалы адресации, в течение которых газоразрядные ячейки не светятся. Другой разработкой компании Matsushita Electric Industrial является система управления Inchreal Black Drive System – Inch, позволяющая значительно сократить светоизлучение предварительного разряда.

Перечисленные выше нововведения позволили японской фирме добиться наиболее высокой среди плазменных панелей, выпускаемых разными производителями, яркости (до 650 кд/м2) и контраста, который при отсутствии внешней засветки достигает значения 3000.

Еще один способ увеличения яркости белых участков изображения разра-

ботала фирма Fujitsu General. Метод управления APLC (Advanced Peak Luminance Control – усовершенствованное управление яркостью белого) позволил повысить яркость отображаемого изображения до 560 кд/м2, а его контрастность – до 580.

Кардинального увеличения яркости изображения позволяет добиться так называемая технология двоичного сканирования (Dual Scan). Экран панели, изготовленной по этой технологии, разбит на две половины, каждая из которых управляется отдельно. Достоинством такого способа управления является повышенная яркость излучения вследствие уменьшения периода адресации, а недостатком – достаточно высокая цена, вызванная необходимостью применения двойного набора управляющих схем.

8.1.5. Способы повышения четкости воспроизводимых изображений

Для использования плазменных панелей в системах ТВЧ необходимо, чтобы они имели высокую разрешающую способность (до 1920 пикселей по горизонтали и до 1080 пикселей по вертикали). Прямой путь увеличения числа пикселей сопряжен с необходимостью уменьшения размеров газоразрядных ячеек, а значит и объема плазмы, и, в конечном итоге, яркости пикселей.

Двукратное увеличение разрешающей способности по вертикали при сохранении высокой яркости позволяет метод ALiS (Alternate Lighting of Surfaces – попеременное свечение поверхностей), положенный в основу работы панелей Fujitsu и позволяющий разложить изображение более чем на 1000 строк без ухудшения его яркости. Используя эту технологию, фирма разработала плазменную панель с поддержкой стандарта ТВЧ и яркостью свечения 500 кд/м2 [43].

В обычных панелях разрядные электроды строк сгруппированы парами – по два на одну строку. Для исключения влияния пар друг на друга расстояние между ними выбирается большее, чем расстояние между электродами в паре. Разряд возникает только между электродами одной пары, пространство между парами электродов оказывается полностью неосвещенным ультрафиолетовым излучением. В плазменных панелях, изготовленных по технологии ALiS, расстояние между всеми разрядными электродами одинаковое. Для формирования изображения используется чересстрочная развертка: в течение первого полукадра разряд происходит только в четных строках развертки (между электродами 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, ...), а во время второго полукадра – в нечетных (между электродами 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7, ...).

Способ воспроизведения изображений с чередованием полей позволяет не только успешно решить проблемы разрешения, но и существенно увеличить яркость изображения. Действительно, раз в любой момент времени работает только половина пикселей, можно именно для их свечения использовать всю мощность источника питания, заставив их светиться чуть ли не вдвое ярче, с почти удвоенной контрастностью изображения по отношению к уровню черного.

8.1.6. Коррекция цветовоспроизведения плазменных панелей

В первых моделях плазменных панелей для улучшения цветовых характеристик применялись оптические цветные разделительные светофильтры RGB-типа. Для коррекции цветовоспроизведения плазменных панелей специалистами японской фирмы NEC были созданы RGB-фильтры типа CCF (Capsulated Color Filter – капсулированный цветной фильтр), которые помещаются с внутренней стороны передней стеклянной пластины непосредственно перед каждой газоразрядной ячейкой в соответствии с цветностью ее излучения [40, 42]. В результате световой поток внешней засветки пикселей плазменной панели белым светом ослабляется, но не в три раза, что было бы при идеальных разделительных фильтрах RGB-типа.

Так как спектральные характеристики реальных RGB-фильтров типа CCF перекрываются, на практике внешняя засветка ослабляется только в 1,6 раза. При этом в значительной степени уменьшается влияние внешней засветки на контрастность и цветовую насыщенность воспроизводимых изображений.

RGB-фильтры типа CCF выполняют также функцию коррекции спектра излучаемого газоразрядными ячейками светового потока по критерию верности воспроизведения цветовой палитры с ослаблением спектральных составляющих излучения инертных газов, находящихся в плазменном состоянии. Однако полностью подавить собственное излучение инертных газов и оранжевую составляющую свечения люминофора R-типа только светофильтрами CCF-типа не удается. Поэтому в современных моделях плазменных панелей, выпускаемых фирмой NEC, непосредственно над RGB-фильтрами типа CCF устанавливается дополнительный фильтр цветовой избирательности Accu Crimson, делающий красное смещение цветовой палитры воспроизводимого изображения в целом почти незаметным.

Из колориметрических расчетов хорошо известно, что в уравнение баланса белого основные цвета RGB входят с разными весовыми коэффициентами. При разработке плазменных панелей с одинаковыми по размерам газоразрядными ячейками это обстоятельство приходится учитывать соответствующей коррекцией длительности управляющих импульсов. Японской фирмой Matsushita предложено для подобной коррекции формировать газоразрядные ячейки основных цветов с разными размерами. Данная технология имеет аббревиатуру ACSP (Asymmetrical Cell Structure Panel – панель с асимметричной структурой ячеек). В изготовленной таким образом плазменной панели, самой большой по размерам, оказывается ячейка синего цвета, что позволяет ей в незначительной степени подсвечивать соседние ячейки G, R-цветов просачивающимся ультрафиолетовым излучением, и это придает плазменному экрану приятный синий оттенок [40].

8.1.7. Конструктивные особенности серийно выпускаемых плазменных панелей

В настоящее время плазменные панели серийно выпускаются рядом зару-

бежных фирм, например: SONY, SANYO, PHILIPS, HITACHI, PANASOINC, TOSHIBA, NEC, FUJITSU, DAEWOO, JVC, SAMSUNG, PIONEER, SHARP, THOMSON. Основные параметры последних моделей плазменных панелей ведущих фирм приведены в сводной табл. 8.1.

Фирмы-производители воспроизводящих устройств ведут постоянную работу по их усовершенствованию в направлении повышения разрешающей способности, то есть уменьшения физических размеров газоразрядных ячеек, улучшения цветопередачи и увеличения срока службы без ухудшения эксплуатационных характеристик.