Плазма: технические аспекты
Даже самая современная технология когда нибудь должна уйти с рынка. Появляются все новые и новые решения, одно лучше другого. Сначала были кинескопные телевизоры, теперь их теснят плазменные панели.
В последние 75 практически ничего не менялось - подавляющее большинство телевизоров выпускалось на базе одной технологии — так называемой электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). В таком телевизоре 'электронная пушка' испускает поток отрицательно заряженных частиц (электронов), проходящий через внутреннее пространство стеклянной трубки, то есть кинескопа. Электроны 'возбуждают' атомы фосфорного покрытия на широком конце трубки (экране), это заставляет фосфор светиться. Изображение формируется путем последовательного возбуждения различных участков фосфорного покрытия разных цветов, с различной интенсивностью.
Используя ЭЛТ, можно создавать четкие изображения с насыщенным цветом, однако имеется серьезный недостаток - кинескоп выходит слишком громоздким. Для того, чтобы увеличить ширину экрана в ЭЛТ-телевизоре, необходимо увеличить и длину трубки. В результате любой ЭЛТ-телевизор с большим экраном должен весить добрые несколько центнеров.
Сравнительно недавно, в 90-е годы прошлого века на экранов магазинов появилась альтернативная технология - плоскопанельный плазменный дисплей. Такие телевизоры имеют широкие экраны, больше самых больших ЭЛТ, при этом они всего около 15 см. в толщину. 'Бортовой компьютер' плазменной панели последовательно зажигает тысячи и тысячи крошечных точек-пикселей. В большинстве систем покрытие пикселей использует три цвета - красный, зеленый и синий. Комбинируя эти цвета телевизор может создавать весь цветовой спектр.
Таким образом, каждый пиксель создан из трех ячеек, представляющих собой крошечные флуоресцентные лампы. Как и в ЭЛТ-телевизоре, для создания всего многообразия оттенков цветов меняется интенсивность свечения ячеек.
Основа каждой плазменной панели - это собственно плазма, то есть газ, состоящий из ионов (электрически заряженных атомов) и электронов (отрицательно заряженных частиц). В нормальных условиях газ состоит из электрически нейтральных, то есть не имеющих заряда частиц. Отдельные атомы газа содержат равное число протонов (частиц с положительным зарядом в ядре атома) и электронов. Электроны 'компенсируют' протоны, таким образом, что общий заряд атома равен нулю.
Если ввести в газ большое число свободных электронов, пропустив через него электрический ток, ситуация меняется радикально. Свободные электроны сталкиваются с атомами, 'выбивая' все новые и новые электроны. Без электрона меняется баланс, атом приобретает положительный заряд и превращается в ион.
Когда электрический ток проходит через образовавшуюся плазму, отрицательно и положительно заряженные частицы стремятся друг к другу.
Среди всего этого хаоса частицы постоянно сталкиваются. Столкновения 'возбуждают' атомы газа в плазме, заставляя из высвобождать энергию в виде фотонов.
В плазменных панелях используются в основном инертные газы - неон и ксенон. В состоянии 'возбуждения' они испускают свет в ультрафиолетовом диапазоне, невидимом для человеческого глаза. Тем не менее, ультрафиолет можно использовать и для высвобождения фотонов видимого спектра.
Внутри дисплея
В плазменном телевизоре 'пузырьки' газов неона и ксенона размещены в сотни и сотни тысяч маленьких ячеек, сжатых между двумя стеклянными панелями. Между панелями по обеим сторонам ячеек расположены также длинные электроды. 'Адресные' электроды находятся за ячейками, вдоль задней стеклянной панели. Прозрачные электроды покрыты диэлектриком и защитной пленкой оксида магния (MgO). Они располагаются над ячейками, вдоль передней стеклянной панели.
Обе 'сетки' электродов перекрывают весь дисплей. Электроды дисплея выстроены в горизонтальные ряды вдоль экрана, а адресные электроды расположены вертикальными колонками. Как видно на рисунке ниже, вертикальные и горизонтальные электроды формируют базовую сетку.
Для того, чтобы ионизировать газ в отдельной ячейке, компьютер плазменного дисплея заряжает те электроды, которые на ней пересекаются. Он делает это тысячи раз за малую долю секунды, заряжая каждую ячейку дисплея по очереди.
Когда пересекающиеся электроды заряжены, через ячейку проходит электрический разряд. Поток заряженных частиц заставляет атомы газа высвобождать фотоны света в ультрафиолетовом диапазоне.
Фотоны взаимодействуют с фосфорным покрытием внутренней стенки ячейки. Как известно, фосфор - материал, под действием света сам испускающий свет. Когда фотон света взаимодействует с атомом фосфора в ячейке, один из электронов атома переходит на более высокий энергетический уровень. После чего электрон смещается назад, при этом высвобождается фотон видимого света.
Пиксели в плазменной панели состоят из трех ячеек-субпикселей, каждая из которых имеет свое покрытие - из красного, зеленого или синего фосфора. В ходе работы панели эти цвета комбинируются компьютером, создаются новые цвета пикселя. Меняя ритм пульсации тока, проходящего через ячейки, контрольная система может увеличивать или уменьшать интенсивность свечения каждого субпикселя, создавая сотни и сотни различных комбинаций красного, зеленого и синего цветов.
Главное преимущество производства плазменных дисплеев - возможность создавать тонкие панели с широкими экранами. Поскольку свечение каждого пикселя определяется индивидуально, изображение выходит потрясающе ярким, причем при просмотре под любым углом. В норме насыщенность и контрастность изображения несколько уступает лучшим моделям ЭЛТ-телевизоров, но вполне оправдывает ожидания большинства покупателей. Главный недостаток плазменных панелей - их цена. Дешевле пары тысяч долларов новую плазменную панель купить невозможно, модели hi-end класса обойдутся в десятки тысяч долларов. Впрочем, с течением времени технология значительно усовершенствовалась, цены продолжают падать. Сейчас плазменные панели начинают уверенно теснить ЭЛТ-телевизоры. особенно это заметно в богатых, технологически развитых странах. В ближайшем будущем 'плазма' придет в дома даже небогатых покупателей.
Описание работы плазмы другими словами
Плазменные панели немного похожи на ЭЛТ-телевизоры - покрытие дисплея использует способный светиться фосфоросодержащий состав. В то же время они, как и LCD, используют сетку электродов с защитным покрытием из оксида магния для передачи сигнала на каждый пиксель-ячейку. Ячейки заполнены интернтыми, так называемыми 'благородными' газами - смесью неона, ксенона, аргона.
Проходящий через газ электрический ток заставляет его светиться. По сути, плазменная панель представляет собой матрицу из крошечных флуоресцентных ламп, управляемых при помощи встроенного компьютера панели. Каждый пиксель-ячейка является своеобразным конденсатором с электродами. Электрический разряд ионизирует газы, превращая их в плазму — то есть электрически нейтральную, высокоионизированную субстанцию, состоящую из электронов, ионов и нейтральных частиц. Будучи электрически нейтральной, плазма содержит равное число электронов и ионов и является хорошим проводником тока. После разряда плазма испускает ультрафиолетовое излучение, заставляющий светиться фосфорное покрытие ячеек-пикселей. Красную, зеленую или синюю составляющую покрытия.
На самом деле каждый пиксель делится на три субпикселя, содержащих красный, зеленый либо синий фосфор. Для создания разнообразных оттенков цветов интенсивность свечения каждого субпикселя контролируется независимо. В кинескопных телевизорах это делается путем изменения интенсивности потока электронов, в 'плазме' - при помощи 8-битной импульсной кодовой модуляции. Общее число цветовых комбинаций в этом случае достигает 16,777,216 оттенков.
Тот факт, что плазменные панели сами являются источником света, обеспечивает отличные углы обзора по вертикали и горизонтали и великолепную цветопередачу (в отличие от, например, LCD, экраны в которых обычно нуждаются в подсветке матрицы). Впрочем, обычные плазменные дисплеи в норме страдают от низкой контрастности. Это обусловлено необходимостью постоянно подавать низковольтный ток на все ячейки. Без этого пиксели будут 'включаться' и 'выключаться' как обычные флуоресцентные лампы, то есть очень долго, непозволительно увеличивая время отклика. Таким образом, пиксели должны оставаться выключенными, в то же время испуская свет низкой интенсивности, что, конечно, не может не сказаться на контрастности дисплея. В конце 90-х годах прошлого века Fujitsu удалось несколько смягчить остроту проблемы, улучшив контрастность своих панелей с 70:1 до 400:1. К 2000 году некоторые производители заявляли в спецификациях панелей контрастность до 3000:1, сейчас - уже 10000:1+.
Процесс производства плазменных дисплеев несколько проще, чем процесс производства LCD. В сравнении с выпуском TFT LCD-дисплеев, требующим использования фотолитографии и высокотемпературных технологий в стерильно чистых помещениях, 'плазму' можно выпускать в цехах «погрязнее», при невысоких температурах, с использованием прямой печати. Тем не менее, век плазменных панелей недолог - совсем недавно среднестатистический ресурс панели равнялся 25000 часов, сейчас он почти удвоился, но проблему это не снимает. В пересчете на часы работы плазменный дисплей обходится дороже LCD. Для большого презентационного экрана разница не очень существенная, однако, если оснастить плазменными мониторами многочисленные офисные компьютеры, выигрыш LCD становится очевидным для компании-покупателя.
Еще один важный недостаток 'плазмы' - большой размер пикселей. Большинство производителей неспособны создавать ячейки менее 0,3 мм - это больше, чем зерно стандартного компьютерного монитора. Непохоже, чтобы в ближайшем будущем ситуация изменилась к лучшему. На среднесрочную перспективу такие плазменные дисплеи подойдут в качестве домашних телевизоров и презентационных экранов до 70+ дюймов размером. Если 'плазму' не уничтожат LCD и появляющиеся каждый день новые дисплейные технологии, через какой-нибудь десяток лет она будет доступна любому покупателю.
ПЛАЗМА: КАЧЕСТВО НА ГРАНИ ВОЗМОЖНОГО: ЭВОЛЮЦИЯ ПЛАЗМЫ
Технология производства плазменных панелей уходит корнями в середину прошлого века. Идея создания дисплея на основе низкотемпературной плазмы нашла своё воплощение в 1964 году, когда сотрудники лаборатории Иллинойского университета Дональд Битцер, вместе с двумя коллегами Робертом Уилсоном и Джином Слотоу изготовили первую в мире газоразрядную панель. После этого был долгий период интенсивных инженерных изысканий, который увенчался в 1992 году созданием первого полноцветного плазменного монитора с диагональю 21 дюйм.
С тех пор утекло немало воды, телевизоростроение развивалось, совершенствовались и плазменные панели. Вообще, плазменные панели с момента своего появления высоко подняли планку качества отображения видео: естественность и точность цветопередачи даже моделей плазмы предыдущих поколений является той целью, к которой до сих пор стремятся ЖК-телевизоры.
На сегодняшний день одним из основных игроков на рынке плазменных панелей является компания Panasonic. Кстати, инженеры именно этой компании смогли в 1996 году усовершенствовать первоначальный дизайн панели, построив её на базе ячеек переменного тока. Их серийное производство началось уже в 1997году. На сегодняшний день компания Panasonic предлагает телевизоры, основанные на новейшей технологии NeoPlasma.
Плазма: вид изнутри
Обычные плазменные панели представляют собой набор газоразрядных ячеек. Электрический разряд в инертном газе генерирует ультрафиолетовое излучение, которое заставляет светиться люминофор, покрывающий ячейку. Три ячейки, покрытые люминофорами основных цветов (RGB), образуют пиксель (точку), способный отображать любые цвета.
Плазменные панели имеют несколько неоспоримых достоинств: они отображают настоящий черный цвет (то есть пиксели просто не горят), а потому имеют очень высокую контрастность, сравнимую с настоящим кино. Вторым основным достоинством плазмы является высокое быстродействие пикселей. Этот показатель делает плазменные панели отличным вариантом для набирающего популярность 3D-кино, поскольку перекрестные помехи между «правым» и «левым» кадрами в этом случае минимальны. Быстродействие является немаловажным и для уже почти ставшего стандартом де-факто изображения высокого разрешения Full HD – чем оно выше, тем четче изображение в динамических сценах, которыми так изобилует современный кинематограф.
В 2011 году компания Panasonic представила новые плазменные панели, основанные на технологии NeoPlasma (предыдущее поколение технологии панелей носило название NeoPDP). Новая технология предусматривает ряд существенных улучшений, которые способны вывести плазменные панели Panasonic в лидеры этого сегмента рынка. Давайте рассмотрим эти технологии подробнее.
Снижение энергопотребления
В обычной плазменной панели для зажигания и поддержания разряда используются плоские прозрачные электроды на тыльной и фронтальной сторонах ячейки. В панелях NeoPlasma электроды из оксида индия и олова (ITO, Indium Tin Oxide) имеют геометрию типа «рыбий скелет» (fishbone), то есть в профиль выглядят как «гребенка» с острыми зубцами. Это уменьшает напряжение разряда и значительно снижает энергопотребление. Кроме того, разряд зажигается не в одной точке, а в нескольких, что положительно сказывается на продолжительности службы панели. Этим же качествам способствует и новый диэлектрический слой.
Быстрое переключение
Отображение быстрых, динамичных сцен, которыми изобилуют современные творения Голливуда, - серьезная проблема для любых панелей. Чтобы уменьшить «следы» и смазывание мелких деталей, необходимо позаботиться не только о быстром зажигании и гашении разряда. Не менее важную роль играет и время послесвечения люминофора, покрывающего каждую ячейку. В новых панелях NeoPlasma используется люминофор с коротким временем послесвечения. К тому же толщина ячеек уменьшена, что позволило увеличить световую отдачу.
Чернее черного
В восприятии контраста изображения важную роль играет не только свечение самой панели, но и внешние условия. Сильная боковая или задняя засветка, отражающаяся от экрана, способны свести на нет все достоинства плазменных экранов с их настоящим черным цветом. Поэтому в NeoPlasma применен новый антибликовый фильтр, снижающий уровень внешней засветки.
Для большинства пользователей антибликовое покрытие — это просто какая-то пленочка, которую наносят на поверхность экрана, «чтоб не бликовал». На самом деле в этой сфере ведутся довольно серьезные исследования. Так, первые антибликовые покрытия были, по сути, просто матовой пленкой, которая рассеивала свет от внешних источников, мешала формироваться бликам (контрастным световым пятнам на глянцевом стеклянном экране). Антибликовые покрытия последнего поколения представляют собой систему интерференционных просветляющих покрытий. На поверхность экрана наносят несколько слоев пленок с различными показателями преломления, так что за счет интерференции падающий свет не отражается от поверхности экрана и тем самым не создает паразитную засветку. Такие покрытия также повышают световой выход плазменных панелей, увеличивая контраст и улучшая цветопередачу панелей.
Третье измерение
Плазменные панели хорошо подходят для набирающего популярность 3D-кино. Основной проблемой отображения в режиме 3D являются перекрестные помехи. Эти артефакты изображения образуются из-за недостаточно быстрой смены «левого» кадра «правым». В результате зритель, помимо четкого стереоизображения, видит еще и его «тень». Короткое время послесвечения пикселей в значительной степени решает эту проблему, но, чтобы еще больше уменьшить уровень перекрестных помех, в технологии NeoPlasma был изменен режим последовательности отображения уровней яркости. Вместо традиционной для плазменных панелей последовательности «от черного к белому» теперь используется обратная – «от белого к черному». В результате значительно снижается послесвечение, и, тем самым уровень перекрестных помех. Кроме того, используются более короткие импульсы управления пикселями, что позволяет дополнительно разнести «левые» и «правые» кадры во времени.
Таким образом, новые плазменные телевизоры на основе технологии NeoPlasma подтверждают высокий статус плазменных телевизоров, как устройств визуализации бескомпромиссного качества одинаково подходящих для просмотра как обычного FullHD видео, так и 3D-контента.
