Матричные преобразователи «сигнал — свет»

Для отображения принятых телевизионных сигналов или же графической информации в мониторах, телевизорах и компьютерных дисплеях до последнего времени использовались электровакуумные приборы — кинескопы. Достижения современной микроэлектроники позволили отказаться от дальнейшего производства кинескопов, так как им на смену пришли более компактные матричные преобразователи «сигнал — свет». К ним относятся:

1. Плазменные дисплейные панели — ПДП (Plasma Display Panel, PDF). Основным звеном плазменной панели является матрица, изготовленная на стеклянной подложке, каждый пиксель которой состоит из трех подпикселей, напоминающих собой неплотно прикрытые передним стеклом маленькие сосуды. На непрозрачные стенки и донышко подпикселей последовательно наносится флюоресцирующее вещество (люминофор) красного ®_} зеленого (G) и синего (В) цвета. Все пространство между подложкой матрицы и передним стеклом по периферии герметически изолируют от внешней среды, а внутрь этого пространства помещают смесь инертных газов (Ar, Ne, Хе и др.) под давлением 640 ГПа.

Как и в кинескопе, изображение на экране является результатом свечения люминофора. Но появляется это свечение не иод действием электронного луча, а вызывается электрическим разрядом, который происходит в инертном газе, находящимся в состоянии низкотемпературной плазмы. В отличие от кинескопа, в котором яркость свечения люминофора регулируется изменением интенсивности электронного луча, в плазменной панели яркость свечения люминофора в каждом нодпикселе регулируют путем локального изменения продолжительности свечения плазмы под воздействием входного сигнала на транзисторные схемы управления ПДП [Д.4].

В настоящее время на рынке представлены плазменные телевизоры с диагональю экрана от 32″ (81 см) до 103″ (2,6 м), к недостаткам которых (при высоком качестве изображения) можно отнести повышенные значения энергопотребления и тепловыделения (требуется внешнее охлаждение).

• 2. Жидкокристаллические матрицы — Ж КМ (Liquid Crystal Display, LCD). Каждая ячейка ЖКМ представляет собой прозрачную капсулу, заполненную особой жидкой субстанцией, которая обладает свойствами кристаллов, а именно:
  • а) имеет упорядоченную ориентацию молекул в пространстве;
  • б) способна изменять направление ориентации под воздействием управляющего входного сигнала.

Все ячейки, состоящие из жидких кристаллов, размещают в виде матрицы в прозрачном (стеклянном) контейнере.

Принцип преобразования «сигнал — свет» заключается в следующем. На матрицу жидких кристаллов воздействуют:

• 1) поляризованный световой поток, перпендикулярный ее поверхности;
• 2) управляющий электрический сигнал, поступающий с транзисторной матрицы, на которую подается преобразуемое напряжение входного сигнала M_BX(f).

В зависимости от u_iiX(t) изменяется угол поляризации светового потока на выходе матрицы жидких кристаллов. При помощи выходного поляризатора изменение угла поляризации светового потока в каждой ячейке преобразуется в его интенсивность.

Изложенный принцип преобразования «сигнал — свет» положен в основу построения ЖКМ, конструкция которой представляет собой многослойную структуру (рис. 21.29), включающую: входную и выходную пластины поляризаторов; управляющую матрицу транзисторов; стеклянный плоский контейнер с заключенной в нем матрицей жидких кристаллов; матрицу цветных R, G, Б светофильтров. Перед входным поляризатором ЖКМ располагается блок подсветки. В последнее время в этом блоке используется матрица из нескольких десятков обычных (LED — light-emitting diode) светодиодов (вместо специальных ламп).

Входной поляризатор задает проходящему через него неполяризованному световому потоку от блока подсветки определенный угол поляризации, который затем изменяется в матрице жидких кристаллов при подаче на них.

Рис. 21.29. Структура жидкокристаллической матрицы

соответствующих входному сигналу напряжений от управляющей матрицы транзисторов. Далее поляризованный световой поток с измененным углом поляризации проходит через матрицу кодирующих светофильтров и поступает на выходной поляризатор, преобразующий угол поляризации светового потока в его интенсивность. В двух предельных случаях, когда углы поляризации на выходах входного и выходного поляризаторов совпадают, световой поток полностью доходит до наблюдателя, если же эти углы отличаются друг от друга на 90°, то световой поток через выходной поляризатор не проходит вовсе.

Таким образом, в рассмотренном устройстве (см. рис. 21.29) имеет место пропорциональное входному сигналу u_ttX(t) изменение угла поляризации светового потока на выходе каждой ячейки. При помощи выходного поляризатора изменение угла поляризации преобразуется в интенсивность выходного светового потока.

Ж КМ и их модификации занимают доминирующее положение на рынке и широко применяются в мониторах [25], телевизорах с диагональю экрана от 14″ (36 см) до 78″ (198 см) и в дисплеях самых различных размеров. В табл. 21.5 приведены основные стандарты компьютерных дисплеев и современных телевизоров с указанием количества пикселей.

Таблица 21.5

Условное обозначение стандартов компьютерных дисплеев и телевизоров

3. Светодиодные матрицы на основе светодиодов из органических материалов (OLED) [ Н. 19]. Каждая ячейка (пиксель) таких матриц содержит три цветных R, G, В органических светодиода, либо три белых в совокупности с R, G, В светофильтрами. Интенсивность их свечения зависит от приложенного напряжения и регулируется с помощью матрицы транзисторов, управляемой входным сигналом u_nx(t).

Матрицы на основе OLED соответствуют наиболее высокому уровню современной технологии производства (их толщина составляет всего лишь 2—3 мм, что дает возможность сгибать их, если в качестве основания использовать пластик) и имеют целый ряд достоинств, в том числе наивысшие значения контрастности и точности цветопередачи изображения. Они уже достигли стадии серийного производства и применяются в профессиональных мониторах [20, 25] и в поступивших на рынок так называемых smtf/t-телевизорах с диагональю экрана 55″, 65″ и 77″ |32,331. Разные модели названных телевизоров способны принимать программы ТВЧ (FullHD) с числом пикселей 1920Х 1080 или жеТУВЧ с числом пикселей 3840×2160 (4К). В них предусмотрена возможность воспроизведения объемных изображений (3D) и выход в Интернет. Примером может служить телевизор LG OLED65G6P фирмы LG. Этот телевизор поступил на рынок в 2016 г. [33], имеет изогнутый экран и соответствует стандарту ТУВЧ (Super UIJD)_y где добавленное слово Super (превосходный) относится к качеству воспроизводимого изображения.

К недостаткам светодиодов на основе органических материалов можно отнести возможность их выгорания и ограниченный срок службы, так как примерно через 10 000 часов эксплуатации интенсивность свечения OLED заметно снижается.

• 4. Матрицы, использующие светодиоды на основе квантовых точек
• (QPLED, или QLED). Одним из перспективных направлений в дальнейшем развитии светодиодных матричных преобразователей «свет — сигнал» является замена в них светодиодов на основе органических материалов OLED на цветные светодиоды на основе неорганических материалов в виде квантовых точек [Н.19], интенсивность свечения которых пропорциональна напряжению входного сигнала u_BX(t). Источником света в этих матрицах являются полупроводниковые кристаллы очень маленького размера (5—10 нм), которые называются квантовыми точками (Quantum Dot — QP). Эти полупроводниковые кристаллы изготавливаются из легированных марганцем сплавов по специальной нанокристаллической технологии. Под воздействием электрического тока или света квантовые точки, в зависимости от размера и материала, из которого они изготовлены, могут излучать свет разных цветов.

В настоящее время технология квантовых точек (QP LED) реализована лишь в блоках подсветки ЖКМ у новых телевизоров ТУВЧ (SUHD) фирмы Samsung: серий КУ8000 (плоские) и KS7500 (изогнутые) с диагоналями от 49″ до 78″ и от 49″ до 60″ соответственно [32].

Применение блоков подсветки, изготовленных с применением технологии квантовых точек, в телевизорах этих серий позволило заметно увеличить контрастность изображения и качество цветопередачи. Однако по этим показателям телевизоры на ЖКМ пока еще уступают светодиодным матрицам на основе OLED.