Лекция – 4. Электронно-оптические преобразователи

Устройства отображения телевизионных сигналов

Кинескопы черно-белого телевидения.

Цветные кинескопы.

Жидкокристаллические панели – LCD.

Плазменные панели – PDP.

Дисплеи на основе органических светодиодов – OLED.

Устройства отображения телевизионных сигналов

Для обратного преобразования телевизионного сигнала в оптическое изображение необходимы устройства отображения или воспроизведения ТВ изображения – Рис. 4.1.

 

Рис. 4.1 Устройства отображения ТВ изображения

 

Все существующие устройства ТВ отображения можно разделить на два класса – устройства прямого наблюдения и проекционные.

 

Проекционные устройства основаны на оптическом проецировании сформированного ТВ изображения на обычный экран, и обычно используются для формирования изображений большого размера. Эти устройства требуют применения достаточно сложных в производстве и дорогих оптических систем проецирования, и поэтому не получили широкого распространения, хотя и имеют ряд достоинств.

 

Гораздо более распространенными являются устройства прямого наблюдения - черно-белые (монохромные) и цветные электронно-лучевые трубки (кинескопы), жидкокристаллические и плазменные панели.

 

 

Основными требованиями, которые предъявляются к устройствам воспроизведения ТВ изображения являются: необходимый размер экрана, высокая яркость изображения, высокая контрастность изображения, высокая разрешающая способность, позволяющая различать на изображении мелкие детали, отсутствие или минимум геометрических искажений изображения, размеры и вес устройства, потребляемая мощность, долговечность и стабильность характеристик, сложность и технологичность производства, стоимость.

Кинескопы черно-белого телевидения

Исторически, первыми современными телевизионными электронно-оптическими  преобразователями были черно-белые кинескопы.

Кинескоп – это приемная электронно-лучевая трубка с люминофорным экраном, преобразующая мгновенные значения сигнала в световые импульсы, положение которых на экране соответствует закону развертки, и совокупность которых образует ТВ изображение.

 

Принцип действия кинескопа основан на возбуждении свечения люминофорного экрана сфокусированным электронным лучом, который под действием отклоняющей системы описывает на экране точку за точкой телевизионный растр. Электронный луч кинескопа фокусируется электронным прожектором и модулируется по интенсивности телевизионным электрическим сигналом. Яркость свечения люминофорного экрана пропорциональна интенсивности электронного луча. Таким образом, на экране получается черно-белое телевизионное изображение. Устройство черно-белого кинескопа изображено на Рис. 4.2.

 

 

Рис. 4.2. Устройство черно-белого кинескопа

Конструктивно кинескоп состоит из 4-х основных частей: стеклянной колбы – 6, электронного прожектора, формирующего электронный луч – 1, отклоняющей системы – 9, и люминофорного экрана – 5.

 

В  вакуумной стеклянной колбе – 6 располагается электронный прожектор – 1 и люминофорный экран 5. Внутренняя и внешняя поверхности колбы покрыты токопроводящими слоями 3 и 8. Отклонение электронного развертывающего луча – 2 осуществляется отклоняющей системой – 9 расположенной на горловине стеклянной колбы. Для крепления кинескопа в корпусе телевизионного приемника и придания дополнительной жесткости стеклянной колбе используется бандаж – 4.

 

Электронный прожектор (пушка) состоит из нити накала – 10, катода – 11, управляющего электрода (модулятора) – 12, ускоряющего электрода – 13, первого – 14 и второго – 15 анодов. Питание всех электродов прожектора, кроме второго анода, осуществляется через цоколь горловины колбы. Высокое питающее напряжение второго анода (около 20 кВ) подается через вывод колбы - 7, электрически соединенный с внутренним проводящим покрытием. Люминофорный экран представляет собой пленку алюминия, покрытую люминофорным составом.

 

Электронный прожектор формирует луч с током в несколько сот мкА и диаметром луча в плоскости экрана не более 0,5 мм, а также модулирует ток луча видеосигналом изображения.  Прожектор работает следующим образом.

Эмитируемые с поверхности катода электроны попадают в электрическое поле, создаваемое ускоряющими электродами и анодом трубки, и устремляются к экрану кинескопа. Этот пучок нужно сфокусировать таким образом, чтобы на подходе к плоскости экрана он имел как можно меньший диаметр (его диаметр будет определять размер пикселя изображения).

 

Фокусировка луча может осуществляться как электромагнитными, так и электростатическими полями. В большинстве современных кинескопов используется электростатическая фокусировка, чтобы отказаться от дополнительных фокусирующих катушек.

 

Для управления величиной тока электронного луча по закону принимаемого ТВ сигнала (величина тока определит яркость соответствующей точки на экране), между катодом и управляющим электродом прикладывают отрицательное напряжение, обратное ТВ видеосигналу. Эту процедуру называют модуляцией электронного луча. Чем больше отрицательное напряжение на модуляторе, тем меньше ток луча, и тем менее яркой будет точка на экране, и наоборот. Процедура электростатической фокусировки и модуляции электронного луча в кинескопе иллюстрируется Рис. 4.3.

 

 

Рис. 4.3. Электростатическая фокусировка и модуляция электронного луча

Для преобразования электрического сигнала – тока пучка, в световое изображение используется явление люминесценции, заключающееся в способности некоторых веществ испускать свет при их бомбардировке электронными пучками. Люминофоры, используемые для экранов кинескопов, могут быть различного химического состава, но обычно это окислы или сульфиды цинка, кадмия, магния, кальция.

Важнейшими характеристиками люминесцентного экрана являются цвет свечения, инерционность и световая отдача.

Цвет свечения определяется типом выбранного люминофора, так в черно-белых телевизорах часто используется люминофор из смеси сульфида цинка (ZnS(AgZn) – 47%) и сульфида кадмия (Cd(Ag) – 53%), имеющий голубоватый оттенок свечения. Поэтому и говорят – “голубой экран”.

Инерционность определяет длительность возгорания (начала свечения) и послесвечения люминофора. Длительность возгорания достаточно мала, поэтому основной составляющей инерционности является длительность послесвечения (время, в течение которого яркость уменьшается до 1% максимальной после прекращения возбуждения). В телевизионных системах стремятся, чтобы время послесвечения было примерно равно времени передачи кадра. При этом уменьшается заметность мельканий. Дальнейшее увеличение этого времени нежелательно, так как может привести к размытости (смазыванию) изображений движущихся объектов (изображение следующего кадра будет накладываться на еще не погасшее изображение предыдущего).

Светоотдача экрана – эффективность преобразования энергии электронов в световое излучение, определяется как отношение силы света, излучаемой экраном, к мощности электронного луча.

Цветные кинескопы.

 

При переходе от черно-белого телевидения к цветному возникла необходимость в разработке устройств отображения цветных ТВ изображений. Их работа и конструкция основывается, как уже ранее отмечалось, на трехкомпонентной теории цветового зрения, утверждающей, что любой цвет можно синтезировать из трех независимых основных цветов – R, G и B методом пространственного смешения цветов. С учетом этого цветной кинескоп содержит в себе как бы три монохромных, с тремя достаточно хорошо совмещенными монохромными растрами, отображающими в одном пикселе цветного изображения три одноцветных пикселя – R, G и B.

 

Конструкция цветного кинескопа – Рис. 4.4 очень похожа на конструкцию черно-белого кинескопа. Основное различие состоит в электронном прожекторе, в структуре люминофорного покрытия экрана, каждая точка которого состоит из трех точек люминофора с различным цветом свечения, и в наличии так называемой теневой маски, предотвращающей попадание электронных лучей “не на те точки экрана”, тем самым, исключая искажения цветового фона.

 

Рис. 4.4 Конструкция масочного цветного кинескопа

В отличие от черно-белого кинескопа в цветном электронные лучи формируется с помощью трех электронных прожекторов - 1, отдельно для красного, синего и зеленого цветов. Эти лучи фокусируются системой магнитной фокусировки – 5, сводятся системой сведения лучей таким образом, что в отверстиях теневой маски все три луча сходятся в один пучок, а потом снова расходятся, попадая на люминофорное покрытие в трех различных точках.

Люминофорное покрытие цветного кинескопа состоит из чередующихся элементов с красным, синим и зеленым цветами свечения. Одна группа, состоящая из разных элементов, называется триадой.

По геометрии расположения электронных пушек и люминофорных групп различают дельта-кинескопы, где пушки и люминофоры расположены в вершинах равностороннего треугольникаи на компланарные, где пушки и люминофорные группы находятся в одной плоскости.

Дельта-кинескоп с теневой маской.  Это самая первая, и наиболее распространенная конструкция цветного кинескопа. Принцип работы такого кинескопа поясняется  Рис. 4.5.

Рис. 4.5 Цветной дельта-кинескоп с теневой маской

Электронные пушки дельта-кинескопа – 1 расположены в вершинах равностороннего треугольника, сведение электронных пучков – 2, их фокусировка и отклонение по закону развертки производится с помощью магнитных фокусирующей – 3, и отклоняющей – 4 систем.

Теневая маска дельта-кинескопа – 8 состоит из металлической пластины с круглыми отверстиями – Рис. 4.6, которые занимают примерно 25% площади всей пластины. Большинство теневых масок изготавливают из инвара – материала с очень низким термическим расширением, что предотвращает изменение геометрии маски при ее нагревании падающим электронным лучом. Отверстия в металлической маске работают как своеобразный прицел, обеспечивая попадание на каждую цветную точку R, G и B люминофорного покрытия экрана только “своего” электронного луча.

Рис. 4.6. Теневая маска цветного дельта-кинескопа

Кинескопы с теневой маской обладают рядом недостатков, обусловленных именно наличием самой маски.

Во-первых, это малое соотношение пропускаемых и задерживаемых маской электронов (только около 20-30% проходит через нее, остальная часть падает на саму маску). Это в свою очередь требует применения люминофоров с большой светоотдачей, а они обладают худшей монохромностью свечения и меньшим диапазоном цветопередачи. 

Во-вторых, поскольку большая часть лучей от электронно-лучевой пушки попадает на теневую маску, происходит ее нагрев и деформация. Возникающее при этом смещение отверстий теневой маски приводит к возникновению эффекта смещения цветов RGB.  

В-третьих, из-за того, что электронные лучи R, G и B находятся не в одной плоскости, при отклонении всего пучка системой развертки, каждый из лучей пучка отклоняется по разному, что приводит к нарушению цветопередачи  и требует так называемого “статического и динамического сведения лучей” - установки магнитов чистоты цвета – 7 и 8, корректирующих неточность установочных углов пушек, положение отклоняющей системы и магнитного поля Земли, устройства статического и динамического сведения лучей – 5 и 6, обеспечивающие точность сведения лучей в центре и по краям экрана.

Компланарный кинескоп с апертурной решеткой.  Конструкция компланарного кинескопа – Рис. 4.7. в целом такая же, как и кинескопа с теневой маской. В компланарных кинескопах, так же, как и в масочных кинескопах,  имеется три лучевые пушки, три катода и три модулятора. Но они расположены не в виде треугольника, а в одной плоскости – по горизонтали. 

Апертурная решетка – это тип маски, представляющей из себя не металлическую решетку с отверстиями, как в случае с теневой маской, а  решетку из вертикальных металлических струн – Рис. 4.8.

 

 

 

И, наконец, вместо точек с люминофорными элементами трех основных цветов, люминофорное покрытие компланарного кинескопа состоит из вертикальных полос с цветами свечения R, G и B.

Рис. 4.8 Апертурная решетка и люминофорный слой планарного кинескопа

Основные преимущества планарного кинескопа:

–  расположение прожекторов в одной плоскости упрощает механизм динамического сведения лучей, поскольку отклонения растров симметричны и совмещать их нужно только в горизонтальной плоскости;

–  гораздо меньшие потери энергии электронного пучка на теневой маске, а значит большая эффективность преобразования сигнала в свет, большая яркость (коэффициент пропускания у щелевой маски составляет около 80%, против 30% у теневой маски),

–  лучше чистота цвета, так как «чужой» луч может попасть на другую полосу только в горизонтальном направлении;

–  более высокая разрешающая способность по вертикали, которая определяется уже не геометрическими размерами RGB триады, а только степенью фокусировки луча.

Существует еще один тип кинескопов, в которых объединены лучшие стороны теневых масок и апертурных решеток. Это так называемые щелевые маски. Технология представляет собой комбинацию теневой маски и апертурной решетки. Люминофорные элементы в таком кинескопе расположены в отдельных (как в кинескопе с теневой маской) вертикальных эллиптических ячейках, а сама маска сделана из вертикальных линий (как в кинескопе апертурной решеткой).  На рисунке Рис. 4.9 приведена структура светоизлучающих покрытий экранов для перечисленных типов цветных кинескопов.

Рис. 4.9 Типы масок цветных кинескопов.

Различные типы кинескопов цветного изображения доминировали на рынке телевизионной техники с момента возникновения цветного телевидения – начала 50-х годов прошлого столетия до середины 90-х годов, когда были созданы первые жидкокристаллические и плазменные телевизионные экраны. Начиная с этого момента производство электронно-лучевых приборов стало резко падать, и они повсеместно начали заменяться плоскими экранами на основе жидкокристаллических, плазменных и лазерных технологий.