Плазменные дисплеи и телевизоры (PDP)

Плазменные дисплеи  и телевизоры (PDP)

• Плазменные дисплеи (PDP)
• История плазменных дисплеев
• Технология плазмы
• Достоинства и недостатки плазмы

Плазменные дисплеи (PDP)

Плазменные панели в настоящее  время наряду с ЖК-телевизорами царствуют на рынке плоскопанельных дисплеев, практически полностью вытеснив кинескопные и проекционные телевизоры. Неудивительно: при толщине корпуса в несколько сантиметров эти «живые картины» гораздо удобнее и легко вписываются в интерьер. И, если ЖК-телевизоры пока что только набирают темпы развития, плазма, пройдя долгий путь в 15 лет, похоже, достигла пика. На горизонте появляется еще одна конкурирующая технология плоских дисплеев – OLED (органические светодиодные дисплеи), которая, по логике вещей, рано или поздно безжалостно похоронит как плазму, так и ЖК. Иногда появляется информация о еще одной прогрессивной технологии, обещающей немыслимый прорыв в качестве изображения – поверхностных катодах. Это направление берет начало в области нанотехнологий и использует эффект туннельного перехода. Не исключено, что за ним будущее, хотя со светодиодами все было бы гораздо проще: понятная, простая до смешного конструкция матриц, колоссальный ресурс. Наверняка рано или поздно плазма сойдет со сцены, но как скоро это произойдет, не знает никто. Поэтому плазма пока что сохраняет свою актуальность как наиболее высококачественный дисплей, пригодный не только на роль «дежурного» телевизора для беглого просмотра новостей и спортивных трансляций, но и для домашнего кинотеатра относительно скромных масштабов.

История плазменных дисплеев

Первый прототип плазменного дисплея  появился в 1964 году. Его сконструировали ученые Иллинойского университета Битцер и Слоттоу как альтернативу кинескопному экрану для компьютерной системы Plato. Дисплей этот был монохромным, не требовал дополнительной памяти и сложных электронных схем и отличался высокой надежностью. Его предназначением было в основном индицировать буквы и цифры. Однако в качестве компьютерного монитора он так и не успел как следует реализоваться, поскольку благодаря полупроводниковой памяти, появившейся в конце 70-х, кинескопные мониторы оказались дешевле в производстве. Зато плазменные панели благодаря малой глубине корпуса и большому экрану получили распространение в качестве информационных табло в аэропортах, вокзалах и на биржах. Информационными панелями плотную занялась компания IBM, а в 1987 году бывший студент Битцера, доктор Лэрри Вебер, основал компанию Plasmaco, которая занялась производством монохромных плазменных дисплеев. Первый же цветной плазменный дисплей 21" был представлен фирмой Fujitsu в 1992 году. Разрабатывался он совместно с конструкторским бюро Иллинойского университета и компанией NHK. А в 1996 Fujitsu покупает компанию Plasmaco со всеми ее технологиями и заводом, и выбрасывает на рынок первую коммерчески успешную панель плазмы – Plasmavision с экраном разрешения 852 х 480 диагональю 42" с прогрессивной разверткой. Началась продажа лицензий другим производителям, первым среди которых стал Pioneer. Впоследствии, активно развивая плазменную технологию, Pioneer, пожалуй, больше всех остальных преуспел на плазменном поприще, создав целый ряд великолепных моделей плазмы.

Надо сказать, что если первые монохромные  прототипы были похожи на современную плазму не более, чем шимпанзе на современного человека, то и цветные плазменные панели первых поколений не поднялись выше уровня питекантропа. При всем ошеломляющем коммерческом успехе плазменных панелей качество изображения поначалу было, мягко сказать, удручающим. Стоили же они баснословных денег, но быстро завоевали аудиторию благодаря тому, что выгодно отличались от кинескопных монстров плоским корпусом, дававшим возможность повесить телевизор на стену, и размерами экрана: 42 дюйма по диагонали против 32 (максимум для кинескопных телевизоров). В чем же был основной дефект первых плазменных мониторов? Дело в том, что при всей красочности картинки они совершенно не справлялись с плавными цветовыми и яркостными переходами: последние распадались на ступеньки с рваными краями, что на подвижном изображении выглядело вдвойне ужасно. Оставалось только гадать, отчего возникал данный эффект, о котором, как будто сговорившись, ни слова не писали средства массовой информации, превозносившие новые плоские дисплеи. Однако лет через пять, когда сменилось несколько поколений плазмы, ступеньки стали встречаться все реже, да и по другим показателям качество изображения стало стремительно расти. К тому же помимо 42-дюймовых появились панели 50" и 61". Постепенно росло и разрешение, и где-то на этапе перехода к 1024 х 720 плазменные дисплеи были, что называется, в самом соку. Совсем же недавно плазма успешно переступила новый порог качества, войдя в привилегированный круг устройств Full HD. В настоящее время наиболее популярными являются размеры экрана 42 и 50 дюймов по диагонали. В придачу к стандартному 61" появился размер 65", а также рекордный 103". Впрочем, настоящий рекорд только грядет: компания Matsushita (Panasonic) недавно анонсировала панель 150"! Но это, как и модели 103" (кстати, на основе панелей Panasonic плазмы такого же размера производит известная американская компания Runco), штука неподъемная как в прямом, так и в еще более прямом смысле (вес, цена).

Технология плазмы

Вес был упомянут неспроста: плазменные панели очень много весят, особенно модели больших размеров. Это является следствием того, что плазменная панель в основном состоит из стекла, если не считать металлическое шасси и пластиковый корпус. Стекло здесь необходимо и незаменимо: оно останавливает вредное ультрафиолетовое излучение. По этой же причине никто не производит люминесцентные лампы из пластика, только из стекла. А плазменная панель — это, по сути, и есть большая люминесцентная лампа, только раскатанная в прямоугольный блин и порубленная на множество ячеек.

Вся конструкция плазменного экрана — это два листа стекла, между которыми находится ячеистая структура пикселей, состоящих из триад субпикселей — красных, зеленых и голубых. Фактически вертикальные ряды R, G и B просто поделены на отдельные ячейки горизонтальными перетяжками, что делает структуру экрана очень похожей на масочный кинескоп обычного телевизора. Сходство с последним еще и в том, что здесь используется тот же цветной фосфор, которым покрыты изнутри ячейки субпикселей. Только поджег фосфорного люминофора осуществляется не электронным лучом, как в кинескопе, а ультрафиолетовым излучением (которому как раз и уготована «жизнь за стеклом» во избежание вредного воздействия на человеческий организм).

А откуда берется ультрафиолет? Ячейки заполнены инертным газом — смесью неона и ксенона (последний составляет всего несколько процентов от смеси), некоторые производители плазмы добавляют еще и гелий. Газ имеет свойство относительно легко переходить в состояние плазмы, когда его атомы, теряя электрон, превращаются в положительные ионы. При этом вещество переходит на более высокий энергетический уровень. Свободные же электроны периодически сталкиваются с нейтральными атомами, выбивают из них электрон и превращают в положительные ионы. А другая их часть, натыкаясь на ионы, восстанавливает их до нейтральных атомов, которые при этом испускают энергию в виде фотонов ультрафиолета. Последний же воздействует на фосфорный люминофор, который начинает светиться в видимом спектре. Чтобы процесс был стабильным и управляемым, необходимо обеспечить достаточное количество свободных электронов в толще газа плюс достаточно высокое напряжение (порядка 200 В), которое заставит ионный и электронные потоки двигаться навстречу друг другу. Как это делается в люминесцентной лампе, которая работает по тому же принципу? В момент пуска нагреваются вольфрамовые спирали в торцах трубки нагреваются и начинают испускать электроны (термоэлектронная эмиссия). А одновременно между этими спиралями подается высокое напряжение, начинает протекать ионно-электронный ток, вызывающий переход газа в состояние плазмы, ультрафиолетовое излучение и свечение люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность стеклянной трубки. Только люминофор тут белого свечения. В плазменном же экране спиралей нет, зато электроды расположены гораздо ближе друг к другу, и для ионизации газа хватает электрического импульса достаточно высокого напряжения. А чтобы ионизация происходила мгновенно, помимо управляющих импульсов на электродах присутствует остаточный заряд. К электродам управляющие сигналы подводятся по горизонтальным и вертикальным проводникам, образующим адресную сетку. Причем вертикальные (дисплейные) проводники представляют собой токопроводящие дорожки на внутренней поверхности защитного стекла с передней стороны. Они прозрачны (слой окиси олова с примесью индия). Горизонтальные же (адресные) металлические проводники располагаются с тыльной стороны ячеек.

На самом деле структура реальных плазменных экранов гораздо сложнее, да и физика процесса совсем не так проста. Помимо описанной выше матричной сетки существует и другая разновидность — сопараллельная, предусматривающая дополнительный горизонтальный проводник. Кроме этого, тончайшие металлические дорожки дублируют походят параллельно прозрачным для выравнивания потенциала последних по всей длине, которая довольно значительна (1 м и более). Поверхность электродов покрыта слоем окиси магния, который выполняет изолирующую функцию и одновременно обеспечивает вторичную эмиссию при бомбардировке положительными ионами газа. Существуют и различные типы геометрии пиксельных рядов: простая и «вафельная» (ячейки разделены двойными вертикальными стенками и горизонтальными перемычками). Прозрачные электроды могут выполняться в форме двойного Т или меандра, когда они как бы переплетаются с адресными, хотя и находятся в разных плоскостях. Существует множество и других технологических хитростей, направленных на повышение эффективности плазменных экранов, которая изначально была довольно низкой. С этой же целью производители варьируют газовый состав ячеек, в частности, увеличивают процентное содержание ксенона с 2 до 10%. Кстати, газовая смесь в ионизированном состоянии слегка светится и сама по себе, поэтому, дабы устранить загрязнение спектра люминофоров этим свечением, в каждой ячейке устанавливают миниатюрные светофильтры.

Управление пикселями осуществляется с помощью трех типов импульсов: стартовых, поддерживающих и гасящих. Частота — порядка 100 кГц, хотя известны идеи дополнительной модуляции управляющих импульсов радиочастотами (40 МГц), что обеспечит более равномерную плотность разряда в толще газа. По сути, управление свечением пикселей носит характер дискретной широтно-импульсной модуляции: пикселей светятся ровно столько, сколько длится поддерживающий импульс. Длительность же его при 8-битной кодировке может принимать 128 дискретных значений, соответственно, получается такое же количество градаций яркости. Уж не в этом ли была причина рваных градиентов, распадающихся на ступеньки? Плазма более поздних поколений постепенно наращивала разрешение: 10, 12, 14 бит. Последние модели Runco, относящиеся к категории Full HD, используют 16-битную обработку сигнала (вероятно, и кодировку также). Так или иначе, ступеньки исчезли и больше, будем надеяться, не появятся.

Постепенно совершенствовалась не только сама панель, но и алгоритмы обработки сигнала: масштабирования, прогрессивного преобразования, компенсации движений, подавления шумов, оптимизации цветосинтеза и пр. У каждого производителя плазмы появился свой набор технологий, частично дублирующий чужие под другими названиями, но частично и свои. Так, почти все использовали алгоритмы масштабирования и адаптивного прогрессивного преобразования DCDi Faroudja, в то время как некоторые заказывали оригинальные разработки (например, Vivix у Runco, Advanced Video Movement у Fujitsu, Dynamic HD Converter у Pioneer и т. д.). В целях повышения контрастности вносились коррективы в структуру управляющих импульсов и напряжений. Для увеличения яркости в форму ячеек вводились дополнительные перемычки для увеличения покрытой люминофором поверхности и снижения засветки соседних пикселей (Pioneer). Постепенно росла роль «интеллектуальных» алгоритмов обработки: вводилась покадровая оптимизация яркости, система динамического контраста, продвинутые технологии цветосинтеза. Корректировки в исходный сигнал вносились не только исходя из характеристик самого сигнала (насколько темным или светлым являлся текущий сюжет или насколько быстро движутся объекты), но и из уровня внешней освещенности, который отслеживался с помощью встроенного фотосенсора. С помощью продвинутых алгоритмов обработки удалось достичь просто фантастических успехов. Так, компания Fujitsu путем интерполяционного алгоритма и соответствующих доработок процесса модуляции добилась увеличения количества градаций цвета в темных фрагментах до 1019, что намного превышает собственные возможности экрана при традиционном подходе и соответствует чувствительности человеческого зрительного аппарата (технология Low Brightness Multi Gradation Processing). Эта же компания разработала метод раздельной модуляции четных и нечетных управляющих горизонтальных электродов (ALIS), который затем использовался в моделях Hitachi, Loewe и др. Метод давал повышенную четкость и уменьшал зубчатость наклонных контуров даже без дополнительной обработки, в связи с чем в спецификациях использовавших его моделей плазмы появился необычный показатель разрешения 1024 × 1024. Такое разрешение, конечно, являлось виртуальным, но эффект оказался весьма впечатляющим.

Достоинства и недостатки плазмы

Парадокс в том, что когда  цены на плазму были поистине пугающими  при весьма и весьма посредственном качестве изображения, у нее не было конкурентов (проекционные телевизоры в силу своей громоздкости достойной альтернативы не представляли). Вот тогда-то, по логике вещей, и нужно было срочно развивать ЖК-технологию. Но то ли повезло, то ли, напротив, все продумано, этот конкурент появился, уже когда плазма твердо стояла на ногах. Причем появился он в таком же сыром и неубедительном виде, как когда-то плазма. Первый блин, как известно, комом, да и дисплей, очевидно, тоже. Сегодня уже можно говорить о соревновании более или менее на равных, хотя плазма, начав раньше, все же и успела гораздо больше, чем ЖК-дисплеи, которым еще есть, куда развиваться, чтобы достичь схожего с плазмой статуса.

Какие же у плазмы преимущества и  недостатки по сравнению с ЖК? Несомненно, и этого никто отрицать не осмелится, качество изображения у плазменных дисплеев гораздо лучше. Глубже черный цвет, выше разрешение в темных сценах, в то время как на ЖК-экране все довольно быстро скатывается в кромешную черноту (точнее, темно-серую массу, поскольку остаточная засветка здесь весьма значительна). Не лучше обстоит дело и с белым: наиболее яркие фрагменты изображения частенько выбеливаются до состояния однородного пятна. Для плазмы все это досадные подробности далекого прошлого.

Угол обзора

Одной из слабых сторон жидких кристаллов, как известно, традиционно являлся ограниченный угол обзора. Поляризованный свет излучается в основном под прямым углом к поверхности экрана, если не считать рассеивание в экранном покрытии. Правда, в последнее время этот недостаток в значительной степени преодолен, но по сравнению с плазмой все же ощутим. Плазма — это дисплей, который, подобно кинескопному телевизору, не использует светоклапаны, а излучает уже модулированный свет непосредственно фосфорными триадами. Это в определенной степени роднит плазму с электронно-лучевыми трубками, столь привычными и доказавшими свою состоятельность на протяжении нескольких десятилетий.

Цветопередача

У плазмы заметно более широкий  охват цветового пространства, что также объясняется спецификой цветосинтеза, который формируется «активными» фосфорными элементами, а не путем пропускания светового потока лампы через светофильтры и светоклапаны. Чистота цвета и разрешение по оттенкам безоговорочно лидирует у плазменных дисплеев: ЖК-экраны то и дело «сглаживают», а то и размазывают, деликатные цветовые градации до степени одноцветного пятна, что особенно заметно на лицах киногероев и задних планах, которые часто размываются буквально до какой-то аморфной массы, в то время как плазма демонстрирует отличную глубину резкости и объемность картинки.