В данном разделе рассмотрено некоторые другие, менее распространенные типы дисплеев - дисплеи на запоминающей трубке, дисплеи на плазменной панели, дисплеи с жидкокристаллическим индикатором, электролюминисцентные дисплеи и дисплеи с эмиссией полем.
В дальнейшем планируется включить разделы по новым, уже появляющимся на рынке технологиям, таким как органические электролюминисцентные дисплеи и дисплеи с поверхностным эммитированием заряда (surface conduction emitter displays).
Как было отмечено во введении, запоминающие электронно-лучевые трубки - ЗЭЛТ (рис. 0.10.1) (Direct View Storage Tube - DVST) появились в конце 60-х годов. Основное их свойство - возможность сохранения изображения прямо на экране достаточно длительное время (до одного часа). Электронный луч от записывающего прожектора строит изображение на запоминающей сетке, представляющей собой мелкую проволочную сетку, покрытую диэлектриком.
Перед началом нового построения старое изображение стирается для чего запоминающая сетка равномерно отрицательно заряжается подачей на нее импульса длительностью около 0.5 с. При этом экран неприятно вспыхивает.
Изображение записывается высокоскоростными электронами записывающего прожектора, которые выбивают из запоминающей сетки электроны, захватываемые положительно заряженным коллектором. В результате на запоминающей сетке создается скрытое изображение в виде областей относительного положительного заряда. Скорость перемещения записывающего луча с сохранением эффекта запоминания не превышает 200 м/с. Т.е. диагональ обычного дисплея прорисовывается за время » 2 мс, что в 100 медленнее чем на векторных дисплеях.
Воспроизведение запомненного изображения осуществляется с помощью потока несфокусированных низкоскоростных проявляющих электронов. Пластины коллиматора изгибают траектории проявляющих электронов таким образом, чтобы они подходили к запоминающей сетке под прямым углом. Попадая на участки относительного положительного заряда сетки, проявляющие электроны проходят сквозь сетку и вызывают свечение люминофора. Остальные проявляющие электроны отталкиваются и попадают на коллектор.
При уменьшении энергии записывающего луча возможно отображение без запоминания, когда луч возбуждает люминофор, но не изменяет распределение заряда на запоминающей сетке. Это используется, в основном, с вспомогательными целями - для вывода перемещающегося курсора, для отображения поясняющих надписей и рисунков.
Итак, основные виды работ ЗЭЛТ следующие:
1. Стирание изображения.
2. Запись изображения.
3. Воспроизведение запомненного изображения.
4. Отображение без запоминания.
Достоинства ЗЭЛТ:
· большое разрешение (до 4096×4096 при 19 дюймах),
· отсутствие мерцания,
· низкие требования к скорости отклоняющей системы,
· малая стоимость.
Недостатки ЗЭЛТ:
· обычно невозможно выборочное стирание,
· мал контраст изображения,
· обычно черно-белое изображение,
· небольшая скорость работы.
Дисплеи на ЗЭЛТ представляют собой упрощенную модель векторного дисплея. Так как запоминающая трубка - устройство непосредственного хранения изображения, то не требуется периодического воспроизведения (регенерации) изображения. Достаточно однократного построения картинки. Вместе с тем скорости построения существенно ниже, однако следует заметить, что фактическое разрешение дисплеев на запоминающей трубке до 4096×4096 не достигнуто пока ни каким другим дисплеем.
Дисплеи с плазменной панелью (Plasma Display Panels - PDP) используют явление свечения при разряде в газе. Как показано на рис. 0.10.2, 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).
Если для незажженной ячейки между проводниками нарастает напряжение, то при достижении напряжения зажигания Uз (рис. 0.10.3) ячейка загорается. Газ в ячейке ионизируется, в ячейке возникает плазменный столбик, ток через нее заметно увеличивается, а напряжение падает до напряжения горения Uг, заметно меньшего, чем напряжение загорания. При уменьшении приложенного напряжения до напряжения потухания Uп 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:
· отображение содержимого панели.
Поддерживающее напряжение между проводниками
покрывающих пластин равно среднему напряжению горения Uc
(см. рис 0.10.3).
В этом случае горящие ячейки продолжают гореть и образуют
светящиеся точки на изображении, а не горящие не
зажигаются;
· включение точки. К поддерживающему напряжению между проводниками, пересекающимися над требуемой ячейкой, добавляется такой импульс поджига, что достигается напряжение зажигания Uз и ячейка загорается (если она еще не горела);
· стирание точки.
К поддерживающему напряжению между проводниками, пересекающимися
над требуемой ячейкой, добавляется такой импульс гашения, что
достигается напряжение потухания Uп 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. Проводники покрыты диэлектрической пленкой и между ними приложено высокочастотное напряжение, недостаточное для зажигания, но достаточное для горения (поддерживающее напряжение). 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.
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 (рис. 0.10.5). Возникающее при этом ультрафиолетовое (UV) 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 в некотором смысле идеальные устройства. Имеются все важнейшие качества, вплоть до цветовых возможностей:
· 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, например,
слайдов или фильмов может проецироваться сквозь этот дисплей,
обеспечивая таким способом простое смешение с картинками,
сформированными компьютером.
К сожалению соотношение цена/возможности 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. Это создает проблемы при использовании PDP в ТВВЧ и в качестве мониторов рабочих станций. В отличие от этого ЭЛТ, жидкокристаллические дисплеи и дисплеи с эмиссией полем могут иметь шаг пиксела всего 0.2 мм. Другие недостатки - 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 либо в особых условиях применения (высокие вибрации, низкие температуры) либо в качестве экранов коллективного просмотра. Лидерами в серийном производстве PDP являются фирмы Фуджицу и Хитачи параметры некоторых дисплеев этих фирм приведены в табл. 0.10.1.
| Параметр | Хитачи | Фуджицу | ||
| Диагональ | 25" | 41" | 21" | 42" |
| Разрешение | 1024×768 | 1024×768 | 640×480 | 852×480 |
| Шаг пикселов, | 0.27 (гориз.) | |||
| мм | 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, | XGA | VGA, | видео и |
| VGA, видео | видео | данные | ||
| Экран, мм | 508×381 | 976×796 | 422×314 | 920×518 |
| Толщина, мм | 80 | 150 | 32 | 75 |
| Вес | 15 кг | 37 кг | 10.6 lbs | 40 lbs |
| Электропитание | 100 Вт | |||
Австрийский ботаник Friedrich Reinitzer открыл жидкие кристаллы в 1888 г. В 1963 г. Williams в фирме RCA исследовал поляризационные эффекты в жидких кристаллах. В 1973 г. был разработан первый дисплей на жидких кристаллах (EL 8025) для переносной ЭВМ.
Жидкие кристаллы находятся в некотором числе фаз, промежуточных между твердым и жидким состояниями. Молекулы ЖК являются стрежнеобразными органическими соединениями (рис. 0.10.6) и находятся в различных ориентациях в этих фазах (рис. 0.10.7).
В изоторопической фазе, которая является жидкой фазой при повышении температуры, и позиция и ориентация молекул случайны.
Если температура понижается, то в ЖК совершаются переходы через различные фазы, одна из которых - так называемая нематическая фаза используется в дисплеях (twisted nematic liquid crystal displays - дисплеи на закрученных нематических жидких кристаллах). В этой фазе позиции молекул все еще случайны, но все они ориентированы в одном направлении.
Если температура понижается далее, то молекулы получают периодическую упорядоченность в слоях (смектическая фаза). Таким образом при понижении температуры в ЖК увеличивается упорядоченность и в конце концов наступает твердое состояние.
 Изотропическая фаза |
 Нематическая фаза |
 Смектическая фаза |
Вследствие оптической и электрической анизотропии ЖК-молекул коэффициент преломления зависит от направления поляризации света относительно оси молекулы. Это свойство используется для поворота поляризации при прохождении света через закрученную ЖК-структуру.
Известно, что свет не проходит через два скрещенных поляризатора (рис. 0.10.8).
Молекулы в нематической фазе принудительно закручиваются за счет их помещения между двумя стекляными пластинами, каждая из которых имеет линейчатую гравировку, перпендикулярную к другой. На поверхности стекла молекулы вынужденно размещаются вдоль гравировки, а так как гравировки взаимно перпендикулярны, то между пластинами формируются перекрученные цепочки ЖК-молекул (рис. 0.10.9).
Расстояние между пластинами составляет порядка 10 мкм. В зависимости от расстояния между пластинами и типа ЖК-кристалла закрученность составляет обычно 90° или 270° (twisted nematics и super-twisted nematics, TN и STN).
При приложении электрического поля молекулы, вследствие их анизотропии, ориентируются вдоль поля. В этом случае цепочки раскручиваются и пропадает возможность поворота плоскости поляризации (рис. 0.10.10).
ЖК-дисплеи имеют два таких перекрещенных поляризатора с перекрученным жидким кристаллом между ними (рис. 0.10.11). Благодаря вращению плоскости поляризации ЖК-цепочками свет проходит и дисплей становится ярким. При приложении электрического поля к взаимноперпендикулярным прозрачным электродам, нанесенных на внутренние стороны пластин, эффект поворота плоскости поляризации пропадает и соответствующий пиксел становится темным.
При выключении напряжения кристалл за время порядка от первых десятков до сотен миллисекунд возвращается в исходное состояние.
Важной особенностью жидких кристаллов является то, что при протекании постоянного тока кристалл подвергается электролитической диссоциации и теряет свои свойства, поэтому жидкокристаллические индикаторы запитываются переменным напряжением, с постоянной составляющей не более десятков милливольт.
В простых индикаторах (с пассивной матрицей) ячейки растра, составляющие изображение, запитываются последовательно. Для этого на проводники, пересекающиеся над нужной точкой подают напряжение. В результате точка подсвечивается. Благодаря большому времени релаксации и достаточно высокой частоте сканирования ( » 1 мс на строку) изображение не мерцает. Естественно, что такие индикаторы медленны. Цветные ЖК-индикаторы используют три ячейки растра для формирования пиксела. Яркость свечения для каждой из компонент опреределяет цветовой оттенок.
Для решения проблемы быстродействия были разработаны ЖК-дисплеи с активной матрицей, в которых каждый пиксел снабжается независимо управляемым тонкопленочным транзистором (thin-film transistor, TFT). Такие дисплеи значительно более быстродействующие, но и имеют большую стоимость, так как для цветного дисплея 800×600 надо иметь 1 440 000 бездефектных транзисторов. Однако современные достижения в технологии позволили довести цену ЖК-дисплея с активной матрицей до $600.
В целом ЖК-индикаторы имеют следующие основные характеристики:
· толщина ~ 1/6 ЭЛТ,
· вес ~ 1/5 ЭЛТ,
· энергопотребление < 1/4 ЭЛТ,
· отсутствует мерцание,
· отсутствуют геометрические искажения,
· отсутствует паразитное излучение,
· цена ~ 3×ЭЛТ,
· небольшая контрастность изображения ~ 1:100),
· небольшая яркость ~ 200 cd/m2,
· малый угол просмотра ~ 50°,
· небольшая скорость работы,
· ограниченный температурный диапазон работы.
Следует ожидать, что с развитием технологии недостатки будут устраняться.
В 1937 г. был открыт эффект электроминисценции, заключающийся в излучении света легированного марганцем ZnS под воздействием электрического поля высокой напряженности ( ~ 106 в/см).
В 1981 г. началось практическое использование электролюминисцентных индикаторов. Они обеспечивают очень высокие контрастность и яркость при малых инерционности и толщине и высокой прочности. Срок их службы - более 120 000 часов, диапазон рабочих температур от -45°C до +65°C, угол обзора до 160°.
Панель электролюминисцентного индикатора состоит из стеклянной пластины, прозрачных проводников из окиси олова, чередующихся слоев изолятора и люминофора и темных проводников, перпендикулярных прозрачным (рис. 0.10.12).
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 требует применения 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 обычной ЭЛТ, в которой 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, которых на каждый пиксел может иметься до нескольких тысяч (рис. 0.10.13). 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 и свет испускается таким же образом как в ЭЛТ.
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 дефокуировки 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).
Компания Candescent Сан-Хосе, Калифорния объявила о планируем выпуске таких дисплеев размером с записную книжку.
Однако успехи в крупносерийном производстве ЖК индикаторов с активной матрицей, по-видимому, не дадут возможности дисплеям с эмиссией полем получить широкий рынок.
|
|
 |
