И.А. Мухин - Принципы развёртки изображения и модуляция яркости свечения плазменной панели (статья)

УДК 123.456ПРИНЦИПЫ РАЗВЕРТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯИ МОДУЛЯЦИЯ ЯРКОСТИ СВЕЧЕНИЯЯЧЕЙКИ ПЛАЗМЕННОЙ ПАНЕЛИИ.А. Мухин, ivanmuchin@yandex.ruСПбГУТ, Санкт-Петербург, РоссияНа протяжение почти ста лет основным устройством отображения информации был кинескоп (ЭЛТ – электронно-лучевая трубка). Однако в последние годы благодаря успехам микроэлектроники и цифровой схемотехники появилось большое количество экранов, принципиально отличающихся от ЭЛТ.Практически во всех таких устройствах используется аналоговый метод управления яркостью свечения ячейки, когда непрерывно изменяющемуся электрическому сигналу соответствует непрерывное изменение некоторого параметраэлемента отображающего устройства. Например, в дисплеях с автоэлектроннойэмиссией (FED – field-emission display) изменяется интенсивность эмиссииэлектронов, в MEMS (micro electromechanical system – микроэлектромеханические системы) матрицах – угол наклона или форма зеркала, в ЖК-дисплеях(TFT LCD – Thin Film Transistor Liquid Crystal Display – дисплей на жидкихкристаллах и тонкопленочных транзисторах) – угол разворота жидких кристаллов.

Однако в некоторых отображающих устройствах нельзя осуществитьуправление яркостью свечения аналоговым способом. Одним из таких устройств является плазменная панель (PDP – Plasma Display Panel). Информация опринципах модуляции яркости свечения необходима для понимания процессаформирования растра, и, впоследствии, - для оценки качества воспроизведения.Основу конструкции плазменной панели составляют два близкорасположенных стекла, промежуток между которыми заполнен сильно разреженнойсмесью газов неона и ксенона (рис.1).Рис.1. Устройство ячейки плазменной панелиНа внутренних гранях стекол расположены горизонтальные и вертикальные электроды, образующие систему из двух взаимно ортогональных решеток(рис.2). Вертикальные электроды расположены на заднем стекле и называютсяадресными (adress electrode).

Горизонтальные электроды – прозрачные, онисгруппированы по два, расположены на переднем стекле и называются разрядными (display electrode – электроды отображения, также встречается: питающие, сканирующие, инициирующие).Рис.2. Система электродов панелиВ точке пересечения двух разрядных и адресного электродов сформирована элементарная ячейка – субпиксель, которая может иметь красный (R), зеленый (G) или синий (B) цвет. Три субпикселя R, G и B образуют пиксель. Припоявлении в субпикселе сильного электрического поля происходит газовыйразряд.

Образовавшаяся при разряде плазма испускает фотоны ультрафиолетового диапазона, которые, бомбардируя люминофор, заставляют его испускатьсвет уже видимого диапазона. Это излучение распространяется во все стороны.Значительная его часть направлена не к наблюдателю, а вглубь панели, к заднему стеклу. Для использования этой части излучения на адресный электроднанесено специальное отражающее покрытие. Интенсивность излучения ячейкизависит, в частности, от напряжения на разрядных электродах, и, что важно,может регулироваться лишь в очень небольших пределах. Снизу напряжение наразрядных электродах ограничено напряжением удержания разряда, а сверху напряжением зажигания, при котором происходит образование плазмы в ячейкепри отсутствии поджигающего импульса на адресном электроде. К тому же прибольшом значении интенсивности разряда происходит выгорание люминофора,что приводит к быстрому старению панели.

Таким образом, изменяя интенсивность разряда, нельзя добиться регулировки яркости в широких пределах. Поэтому для этой цели используется метод широтно-импульсной модуляции(ШИМ), суть которого заключается в изменении соотношения длительностейвключенного («светится») и выключенного («не светится») состояния ячейки.Формирование растра. В результате анализа и обработки скудной информации, приведенной на сайтах фирм-производителей плазменных панелей,2складывается следующая картина. Развертка изображения в плазменной панелиосуществляется следующим образом.

Каждое ТВ поле (20 мс) разбивается на 8субполей (SF - Sub Fields) различной длительности (рис.3).Рис.3. Формирование растраКаждое 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 адресация всехячеек панели.

Во время интервала отображения на все разрядные электродыподаются импульсы напряжения, количество которых 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 течении поля – от 0 (не адресована ни водном поле) до 255 (адресована во всех 8 полях), то есть получить 256 градацийяркости. В случае цветной плазменной панели, количество передаваемых цветов равняется 256×256×256=16,78 млн. цветов.Важным, основополагающим моментом, без которого невозможно было быосуществить приведенный выше способ развертки, является процесс адресации.Матричная структура электродов панели позволяет управлять одновременнотолько одним рядом (строкой или столбцом) ячеек.

Для адресации всех ячеекпанели одновременно было сделано следующее. Каждая ячейка устроена так,что в месте пересечения адресного и одного из разрядных электродов (инициирующего электрода) образуется небольшая емкость, то есть каждая ячейкапредставляет собой маленький конденсатор, одним из обязательных параметровкоторого является малый ток утечки (рис. 4). В процессе адресации происходитпоследовательное сканирование всех ячеек панели - заряд элементарных конденсаторов тех ячеек, которые должны вспыхнуть в данном субполе и разрядтех, которые загораться не должны. Благодаря малому току утечки элементарного конденсатора, его заряд сохраняется в течение всего субполя, вплоть доследующего периода адресации.3Рис.4. Процесс адресации ячеекКонтраст формируемого изображения. Сравним процесс формированиямаксимальной и некоторой средней яркости пиксела в CRT и PDP (рис.5).Рис.5.

Формирование яркости ячейки в ЭЛТ и PDPИз рисунка видно, что пиксель плазменной панели может иметь гораздобольшую яркость, чем пиксель ЭЛТ, благодаря большому числу вспышек (мах 255). Поэтому PDP должна иметь очень большой контраст. Однако в плазменной панели есть специфический процесс, значительно снижающий контрастформируемого изображения. Дело в том, что для нормальной работы PDP необходима так называемая «пилотная подсветка» - предварительный (инициализирующий) разряд, создающий условия для возникновения основного разряда.4Такой разряд появляется в каждом субполе непосредственно перед началом интервала отображения, то есть за одно ТВ поле (20 мс) происходит 8 пилотныхразрядов.

В результате такого предварительного разряда возникает тусклое свечение, являющееся причиной снижения контраста изображения. Для уменьшения влияния паразитной засветки, вызванной пилотным разрядом, применяетсянесколько способов. Например, переднее стекло плазменной панели покрывается особой задерживающей свет пленкой, которая сильно снижает интенсивность излучения, вызванного пилотной подсветкой, и позволяет сделать черныеучастки изображения более темными.

Но в этом случае снижается и интенсивность полезного излучения. Другой способ заключается в предельно допустимом уменьшении величины и частоты пилотных разрядов. Так, фирмой Pioneerбыл разработан метод управления CLEAR (high Contrast & Low Energy Address& Reduction of false contour sequence - высококонтрастная система адресации иподавления ложных контуров с низким потреблением энергии), позволяющийснизить количество пилотных импульсов до одного за период телевизионногополя.Другой причиной снижения контраста изображения в PDP является наличие специального хорошо отражающего свет слоя, расположенного непосредственно под люминофорами. Этот слой отражает внешний свет, что снижаетконтраст.

Для борьбы с этим эффектом используются следующие способы. Вопервых, переднее стекло покрывается специальной затемняющей пленкой. Вэтом случае излученный люминофором свет проходит через пленку толькоодин раз, а внешний свет – два раза, затухая сильнее. Во-вторых, на верхниечасти ребер, отделяющих ячейки друг от друга, наносится черный светопоглощающий материал, снижающий общую площадь отражающей поверхности панели.Методы увеличения яркости и контраста изображения. Для увеличения яркости и контраста изображения фирмами-производителями разрабатываются и внедряются различные технологии.Значительного увеличения динамического диапазона яркости свеченияэкрана удалось добиться компании Matsushita Electric Industrial, которая разработала метод обработки сигналов Plasma AI (Adaptable Brightness IntensificationSystem - адаптируемое повышение яркости).