::ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ

«Видео(от лат. Video - дословно «вижу») - под этим термином понимают широкий спектр технологий записи, обработки, передачи, хранения и воспроизведения визуального и аудиовизуального материала. Когда в быту говорят «видео» - то обычно имеют в виду видеоматериал, телесигнал или кинофильм, записанный на физическом носителе (видеокассете, видеодиске и т. п.).» 1

Обычные телевизионные видеоданные представляют собой поток аналоговых сигналов. Компьютерная обработка видеоинформации состоит в преобразовании их в цифровой формат с последующим хранением этих данных на жестком или компакт-диске или другом устройстве хранения информации. Оцифровка видеосигнала, как и оцифровка звука, включает две стадии: дискретизация данных аналогового видеопотока, т. е. снятие отсчетов с определенной частотой, и преобразование каждого такого отсчета в цифровой эквивалент или квантование.

Для ввода графических данных используют приборы с зарядовой связью (ПЗС-матрицы), а для вывода – устройства отображения информации, т.е. дисплеи на жидких кристаллах. В своей работе я подробно рассматриваю те и другие устройства.

1.1. Что такое ПЗС-матрицы?
«Впервые принцип ПЗС с идеей сохранять и затем считывать электронные заряды был разработан двумя инженерами корпорации BELL в конце 60-х годов в ходе поиска новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на ферритовых кольцах. Эта идея оказалась бесперспективной, но способность кремния реагировать на видимый спектр излучения была замечена и мысль использовать этот принцип для обработки изображений получила своё развитие.» 3

«Аббревиатура ПЗС означает "Приборы с Зарядовой Связью" - этот термин образовался от английского "Сharge-Сoupled Devices" (CCD).

Данный тип приборов в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. В быту это цифровые фотоаппараты, видеокамеры, различные сканеры.» 2

«Что же отличает ПЗС-приемник от обычного полупроводникового фотодиода, имеющего светочувствительную площадку и два электрических контакта для съема электрического сигнала?

Во-первых, таких светочувствительных площадок (часто их называют пикселами - элементами, принимающими свет и преобразующими его в электрические заряды) в ПЗС-приемнике очень много, от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч и даже нескольких миллионов. Размеры отдельных пикселов одинаковы и могут быть от единиц до десятков микрон. Пиксели могут быть выстроены в один ряд - тогда приемник называется ПЗС-линейкой, или ровными рядами заполнять участок поверхности - тогда приемник называют ПЗС-матрицей.

Рис. 1. Раcположение светоприемных элементов (прямоугольники синего цвета) в ПЗС-линейке и ПЗС-матрице.

Во-вторых, в ПЗС-приёмнике, внешне похожем на обычную микросхему, нет огромного числа электрических контактов для вывода электрических сигналов, которые, казалось бы, должны идти от каждого светоприемного элемента. Зато к ПЗС-приемнику подключается электронная схема, которая позволяет извлекать с каждого светочувствительного элемента электрический сигнал, пропорциональный его засветке.» 3

«Действие ПЗС можно описать следующим образом: каждый светочувствительный элемент - пиксел - работает как копилка для электронов. Электроны возникают в пикселах под действием света, пришедшего от источника. В течение заданного интервала времени каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света, как ведро, выставленное на улицу во время дождя. По окончании этого времени электрические заряды, накопленные каждым пикселем, по очереди передаются на "выход" прибора и измеряются. Все это возможно за счет определенной структуры кристалла, где размещаются светочувствительные элементы, и электрической схемы управления.

Практически точно так же работает и ПЗС-матрица. После экспонирования (засветки проецируемым изображением) электронная схема управления прибором подаёт на него сложный набор импульсных напряжений, которые начинают сдвигать столбцы с накопленными в пикселях электронами к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный ПЗС-регистр, заряды в котором сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем сигналы, пропорциональные отдельным зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и сообразить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.» 5

«Пожалуй, самая “базовая” характеристика ПЗС-матриц — число элементов. Как правило, подавляющее число моделей имеют стандартное число элементов, ориентированное на телевизионный стандарт: 512х576 пиксел (эти матрицы обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения) и 768х576 пиксел (такие матрицы позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала).

При производстве выход качественных приборов больших размеров очень невысок, поэтому при создании ПЗС-видеокамер для съемок крупноформатных изображений применяют другой подход. Многими фирмами изготавливаются ПЗС с выводами, расположенными на трех, двух или одной стороне (buttable CCD). Из таких приборов собирают мозаичные ПЗС. Например, фирмой Loral Fairchild изготавливается очень интересный и перспективный прибор 2048х4096 15 мкм. Выводы этого ПЗС вынесены на одну узкую сторону. Достижения российской промышленности несколько скромнее. НПП “Силар” (Санкт-Петербург) выпускает ПЗС 1024х1024 16 мкм с объемным каналом переноса заряда, виртуальной фазой и выводами на одной стороне прибора. Такая архитектура приборов позволяет стыковать их друг с другом с трех сторон.

шнтересно отметить, что в настоящее время создано несколько специализированных крупноформатных светоприемников на основе ПЗС-мозаик. Так, например, из восьми ПЗС 2048х4096 компании Loral Fairchild собирается мозаика 8192х8192 с общими размерами 129х129 мм. Зазоры между отдельными кристаллами ПЗС составляют менее 1 мм. В некоторых приложениях относительно большие зазоры (до 1 см) не считаются серьезной проблемой, так как полное изображение можно получить суммированием в памяти компьютера нескольких экспозиций, слегка смещенных относительно друг друга, заполняя таким образом зазоры. Изображение, полученное мозаикой 8196х8196, содержит 128 Мбайт информации, что эквивалентно, примерно, 100-томной энциклопедии по 500 страниц в каждом томе. Хотя эти цифры и внушительны, они все же малы по сравнению с размерами и разрешением фотографических эмульсий, которые могут изготавливаться огромными листами. Даже самая крупнозернистая 35-мм пленка содержит в кадре до 25 миллионов разрешаемых зерен (пикселов).» 6

«От числа элементов ПЗС-матрицы напрямую зависит один из основных параметров телекамеры — разрешение (или разрешающая способность). На разрешение камеры в целом, кроме того, влияют параметры электронной схемы обработки сигнала и параметры оптики.

Разрешение определяется как максимальное количество чёрных и белых полос (т.е. количество переходов от черного к белому или обратно), которые могут быть переданы камерой и различимы системой регистрации на предельно обнаруживаемом контрасте.

Это означает, что камера позволяет рассмотреть N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, если в паспорте камеры указано, что её разрешение составляет N телевизионных линий. Применительно к стандартной телевизионной таблице это предполагает следующее: подбирая расстояние и фокусируя изображение таблицы, надо добиться того, чтобы верхний и нижний края изображения таблицы на мониторе совпали с внешними контурами таблицы, отмечаемыми вершинами черных и белых призм. Далее, после окончательной подфокусировки, считывается число в том месте вертикального клина, где вертикальные штрихи в первый раз перестают различаться. Последнее замечание очень важно, так как и на изображении тестовых полей таблицы, имеющих 600 и более штрихов, часто видны перемежающиеся полосы, которые, на самом деле, являются муаром, образованным биением пространственных частот штрихов таблицы и сетки чувствительных элементов ПЗС-матрицы. Такой эффект особенно ярко выражен в камерах с высокочастотными пространственными фильтрами.

За единицу измерения разрешения в телесистемах принимается ТВЛ (тв-линия). Разрешение по вертикали у всех камер практически одинаково, ибо ограничено телевизионным стандартом — 720 строк телевизионной развертки и они по этой координате не могут передать больше 720 объектов. Различие в разрешении по горизонтали — именно оно обычно указывается в технических описаниях.

На практике в большинстве случаев разрешение 380-400 тв-линий вполне достаточно для задач теленаблюдения общего характера. Однако, для специализированных телесистем и задач, таких, как телемониторинг большого пространства одной камерой, просмотр большого периметра телекамерой с переменным угловым увеличением (зумом), слежения в аэропортах, железнодорожных вокзалах, причалах, супермаркетах, системы отождествления и распознавания автомобильных номеров, системы идентификации по лицу и пр., требуется более высокое разрешение (для этого используются камеры с разрешением
570 и более тв-линий).

Разрешение цветных камер несколько хуже, чем черно-белых. Это является следствием того, что структура пиксела ПЗС-матриц, применяемых в цветном телевидении, отличается от структуры пиксела черно-белых матриц. Образно говоря, пиксел цветной матрицы состоит из комбинации трех пикселов, каждый из которых регистрирует свет либо в красной (Red), либо в зелёной (Green), либо в голубой (Blue) части оптического спектра. Таким образом, с каждого элемента цветной ПЗС-матрицы снимется три сигнала (RGB-сигнал). Эффективное разрешение при этом должно быть в раз хуже, чем у чёрно-белых матриц. Однако, у цветных матриц разрешение ухудшается меньше, так как размер их пиксела по сравнению с размером пиксела аналогичной чёрно-белой матрицы в полтора раза меньше, что в результате приводит к ухудшению разрешения всего лишь на 30-40%. Негативной стороной этого является снижение чувствительности цветных матриц, поскольку эффективная площадь регистрации элемента изображения становится существенно меньше. Типичное разрешение цветных телекамер составляет 300 — 350 тв-линий.

В настоящее время разработано много разнообразных полупроводниковых усилителей с хорошими частотными характеристиками, поэтому полоса пропускания усилителей камеры обычно значительно (в 1,5-2 раза) превосходит необходимую, чтобы ни в коей мере не повлиять на итоговое разрешение системы. Так что разрешение ограничивается именно топологией дискретности светоприемной области ПЗС-матрицы. Такой подход не улучшает собственно разрешение, таким образом улучшается только четкость передачи границ черного и белого, да и то не всегда.» 4

«Под квантовой эффективностью будем понимать отношение числа зарегистрированных зарядов к числу попавших фотонов на светочувствительную область кристалла ПЗС.

По квантовой эффективности ПЗС не имеют себе равных. Для сравнения, из каждых 100 фотонов, попадающих в зрачок глаза, только один воспринимается сетчаткой (квантовый выход равен 1%), лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность 2-3%, электровакуумные приборы (например, фотоумножители) — до 20%, у ПЗС этот параметр может достигать 95% при типичном значении от 4% (низкокачественные ПЗС, используемые, как правило, в дешёвых видеокамерах “желтой” сборки) до 50% (типичная неотобранная видеокамера западной сборки). Кроме того, ширина диапазона длин волн, на которые реагирует глаз, гораздо уже, чем у ПЗС. Так же ограничен спектральный диапазон у фотокатодов традиционных вакуумных телекамер и фотоэмульсий. ПЗС реагируют на свет с длиной волн от единиц ангстрем (гамма и рентгеновское излучение) до 1100 нм (шк-излучение). Этот огромный диапазон намного больше спектрального диапазона любого другого детектора, известного к настоящему времени.» 4

Рис. 2.Пример квантовой эффективности ПЗС-матрицы.

«С понятием квантовой эффективности тесно связан другой важный параметр телекамеры — чувствительность. Потребители телевизионной техники чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте (scene illumination), при которой можно различить переход от черного к белому, или минимальную освещенность на матрице (image illumination).

С теоретической точки зрения более правильно было бы указывать минимальную освещенность на матрице, так как в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива, расстояние до объекта и его коэффициент отражения Очень сложно объективно оперировать с определением чувствительности, базирующимся на освещенности объекта. Это особенно сказывается при проектировании телесистем распознавания на больших расстояниях. Многие матрицы не могут зарегистрировать изображение лица человека, находящегося на расстоянии 500 метров, даже если оно освещено очень ярким светом.

Но пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает. Поэтому обычно указывают минимальную освещенность на объекте, измеренную в стандартизованных условиях — коэффициент отражения объекта 0,75 и светосила объектива 1,4. Формула, связывающая освещенность на объекте и на матрице, приведена ниже:

Iimage=Iscene х R/(pi х F2),
где Iimage , Iscene — освещенность ПЗС-матрицы и объекта (табл. 1);
R — коэффициент отражения объекта (табл. 2);
pi — число 3,14;
F — светосила объектива.

Значения Iimage и Iscene отличаются обычно больше, чем в 10 раз.

Освещенность измеряется в люксах. Люкс— освещенность, создаваемая точечным источником в одну международную свечу на расстоянии в один метр на поверхности, перпендикулярной к лучам света.

Таблица 1. Ориентировочная освещенность объектов.

Таблица 2.
Примерные значения коэффициентов отражения различных объектов.

Дополнительная проблема с определением чувствительности связана с тем, что единица измерения освещенности “люкс” определена для монохроматического излучения с длиной волны 550 нм. В связи с чем имеет смысл обращать особое внимание на такую характеристику, как спектральная зависимость чувствительности видеокамеры. В большинстве случаев чувствительность черно-белых камер существенно, по сравнению с человеческим глазом, растянута в инфракрасный диапазон вплоть до 1100 нм. У некоторых модификаций чувствительность в ближней инфракрасной области даже выше, чем в видимой. Эти камеры предназначены для работы с инфракрасными прожекторами и по некоторым параметрам приближаются к приборам ночного видения.

Спектральная чувствительность цветных камер примерно совпадает с человеческим глазом.

Рис. 3. Пример спектральной чувствительности цветной ПЗС-матрицы с RGB стандартными полосами.

При переходе от дневного зрения к сумеречному обычный человек теряет способность различать цвета (недаром говорят: “ночью все кошки серы”), а эффективная длина волны смещается в синюю часть, в область высокоэнергетичных фотонов. Этот эффект смещения спектральной чувствительности называется эффектом Пуркинье. Им (косвенным образом) обладают многие цветные ПЗС-матрицы, несбалансированные по RGB-сигналу на белый цвет. Это следует учитывать при получении и использовании информации о цвете в телесистемах с камерами, не имеющими автоматической коррекции белого.

Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные камеры, фактически, являющие собой комбинацию обычной камеры и прибора ночного видения (например, микроканальный электронно-оптический преобразователь — ЭОП). Подобные камеры обладают уникальными свойствами (чувствительность в 100 — 10000 раз выше обычных, причем в среднем инфракрасном диапазоне там, где наблюдается максимум излучения человеческого тела, оно само светится), но, с другой стороны, и уникальной капризностью — время наработки на отказ составляет около одного года, причем камеры не следует включать днем, рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Как минимум, следует устанавливать объективы с диапазоном автоматической диафрагмы до F/1000 или более. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, дабы избежать “выжигания” изображения на катоде ЭОП.

Для получения более высокой чувствительности в коротковолновом диапазоне часто используют покрытие ПЗС тонкими пленками веществ, которые поглощают голубые или ультрафиолетовые (УФ) фотоны и переизлучают в видимом или красном диапазоне длин волн.

Шумом называют любой источник неопределенности сигнала. Можно выделить следующие типы шумов ПЗС.

Фотонный шум.Является следствием дискретной природы света. Любой дискретный процесс подчиняется закону (статистике) Пуассона. Что такое фотонный шум, легче всего представить на примере сильного дождя: пусть в среднем каждую минуту на землю падает практически одинаковое количество капель, но каждую десятую долю секунды по поверхности ударяет разное их число. То их 35, то 3, то 19 на квадратный метр и так далее.

Шум темнового сигнала. Если на вход матрицы не подавать световой сигнал (например, плотно закрыть светонепроницаемой крышкой объектив видеокамеры), то на выходе системы получим так называемые “темновые” кадры, по-другому его называют шум-снежок. Основной составляющей темнового сигнала является термоэлектронная эмиссия. Чем ниже температура, тем ниже и темновой сигнал. Как правило, во всех используемых в системах охранного телевидения видеокамерах ПЗС применяются без активного охлаждения, вследствие чего темновой шум оказывается одним из основных источников шума.

Шум переноса.Во время переноса зарядового пакета по элементам ПЗС некоторая часть электронов теряется. Она захватывается на дефектах и примесях, существующих в кристалле. Эта неэффективность переноса меняется случайным образом.

Шум считывания. Когда сигнал, накопленный в элементе ПЗС, выводится из матрицы, преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания. Шум считывания можно представить как некоторый базовый уровень шума, который присутствует даже в изображении с нулевым уровнем экспозиции, когда матрица находится в полной темноте и шум темнового сигнала равен нулю. Типичный шум считывания для хороших образцов ПЗС составляет 15-20 электронов.
В лучших образцах ПЗС, изготавливаемых корпорацией Ford Aerospace по технологии Skipper, достигнут шум считывания менее 1 электрона и неэффективность переноса составляет 10-6.

Шум сброса или kTC-шум. Перед вводом в детектирующий узел сигнального заряда необходимо вывести предыдущий заряд. Для этого используется транзистор сброса. Электрический уровень сброса зависит только от температуры и емкости детектирующего узла. kTC-шум может быть полностью подавлен специальным методом обработки сигнала: двойной коррелированной выборкой (ДКВ). Метод ДКВ эффективно устраняет и низкочастотные сигналы, вносимые обычно цепями питания.

Поскольку основная нагрузка на системы охранного телевидения приходится на темное время суток (либо плохо освещенные помещения), то особенно важно уделять внимание низкошумящим видеокамерам, имеющим большую эффективность применения в условиях низкого освещения.

Даже наиболее чувствительные ПЗС-видеокамеры бесполезны для применения в условиях низкого освещения, если они имеют нестабильную чувствительность. Стабильность — неотъемлемое свойство ПЗС как твердотельного прибора. Здесь, прежде всего, имеется ввиду стабильность чувствительности во времени. Временная стабильность проверяется по измерениям потоков от специальных стабилизированных источников излучения. Она определяется стабильностью квантового выхода самой матрицы и стабильностью работы электронной системы считывания, усиления и регистрации сигнала. Эта результирующая стабильность работы видеокамеры является основным параметром при определении фотометрической точности, т.е. точности измерения регистрируемого светового сигнала.

Для хороших образцов матриц и качественной электронной системы фотометрическая точность может достигать 0,4 — 0,5%, а в некоторых случаях, при оптимальных условиях работы матрицы и применении специальных методов обработки сигнала, — 0.02%. Результирующая фотометрическая точность определяется несколькими основными составляющими:

• временной нестабильностью системы в целом;
• пространственной неоднородностью чувствительности и, прежде всего, неоднородностью высокочастотной (т.е. от пиксела к пикселу);
• величиной квантовой эффективности видеокамеры;
• точностью оцифровки видеосигнала для цифровых видеокамер;
• величиной шумов разных типов.

Даже если ПЗС-матрица имеет большие неоднородности в чувствительности, их влияние на результирующую фотометрическую точность может быть снижено специальными методами обработки сигнала, если конечно эти неоднородности стабильны во времени. С другой стороны, если матрица обладает высокой квантовой эффективностью, но нестабильность которой велика, результирующая точность регистрации полезного сигнала будет низкой. В этом смысле для нестабильно работающих приборов точность регистрации полезного сигнала (или фотометрическая точность) является более важной характеристикой, чем характеристика отношения сигнал/шум.» 6

2.1. Конструкция жидкокристаллического индикатора (ЖКИ)

«Для отображения информации в большинстве современных устройств используются дисплеи, содержащие в своей основе ту или иную вариацию жидкокристаллического вещества. Появление дисплеев на основе жидких кристаллов стало возможным благодаря работам австрийского ботаника Фридриха Рейнитзера (Friedrich Reinitzer). В ходе своих исследований в 1888 г. вещества, известного как cholesteryl benzoate, он обнаружил, что оно имеет две явные точки плавления. В своем эксперименте он увеличивал температуру твердого образца и наблюдал превращение кристалла в мутную жидкость. Дальнейшее увеличение температуры приводило к появлению чистой прозрачной жидкости, пропускающей свет. Благодаря этой ранней работе считается, что именно Рейнитзер открыл новую жидкокристаллическую фазу материи. Через много лет, в 1968 г. фирмой RCA был создан первый экспериментальный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ).» 7

«Для ясного понимания технологических особенностей создания современных ЖК-дисплеев следует коротко остановиться на основных свойствах жидких кристаллов. Жидкие кристаллы (ЖК) уникальны по своим свойствам и возможностям использования. Они представляют собой почти прозрачные субстанции, проявляющие одновременно свойства кристалла и жидкости. Есть две главные особенности ЖК, благодаря которым возможно создание на их основе устройств отображения информации: способность молекул ЖК переориентироваться во внешнем электрическом поле и изменять поляризацию светового потока, проходящего через их слои.» 8

«В основе любого ЖК-дисплея лежит конструктивный принцип, проиллюстрированный на рис.4.

Рис. 4. Прохождение света через ЖКИ.

Основой для последующих слоев ЖКИ являются две параллельные стеклянные пластины с нанесенными на них поляризационными пленками. Различают верхний и нижний поляризаторы, сориентированные перпендикулярно друг другу. На стеклянные пластины в тех местах, где в дальнейшем будет формироваться изображение, наносится прозрачная металлическая окисная пленка (оксиды индия и олова - ITO), которая в дальнейшем служит электродами. На внутреннюю поверхность стекол и электроды наносятся полимерные выравнивающие слои, которые затем полируются, что способствует появлению на их поверхности, соприкасающейся с ЖК, микроскопических продольных канавок. Пространство между выравнивающими слоями заполняют ЖК веществом. В результате молекулы ЖК выстраиваются в направлении полировки выравнивающего слоя. Направления полировки верхнего и нижнего выравнивающих слоев перпендикулярны (подобно ориентации поляризаторов). Это нужно для предварительного "скручивания" слоев молекул ЖК на 90° между стеклами, как показано в левой части рис.4. Когда напряжение на управляющие электроды не подано, поток света, пройдя через нижний поляризатор, двигается через слои жидких кристаллов, которые плавно меняют его поляризацию, поворачивая её на угол 90°. В результате поток света после выхода из ЖК материала беспрепятственно проходит через верхний поляризатор (сориентированный перпендикулярно нижнему) и попадает к наблюдателю. Никакого формирования изображения не происходит. При подаче напряжения на электроды между ними создается электрическое поле, что вызывает переориентацию молекул ЖК (правая часть на рис.4). Молекулы стремятся выстроиться вдоль силовых линий поля в направлении от одного электрода к другому. Вследствие этого пропадает эффект "скручивания" поляризованного света, под электродом возникает область тени, повторяющая его контуры. Создается изображение, формируемое светлой фоновой областью и темной областью под включенным электродом. Путем варьирования контуров площади, занимаемой электродом, можно формировать самые различные изображения: буквы, цифры, иконки и пр. Так создаются символьные ЖКИ. А при создании массива электродов (ортогональной матрицы) можно получить графический ЖКИ с разрешением, определяемым количеством задействованных электродов.» 9

Описанная конструкция ЖКИ представляет собой пассивный вариант дисплея. В зависимости от разновидности примененных в дисплее жидких кристаллов различают следующие типы ЖКИ: TN, STN, CTN, FSTN, HTN, DSTN и ECB (VAN).

Отличительные особенности этих дисплеев отражены в таблице 3.

Таблица 3. Основные параметры и характерные особенности различных технологий изготовления ЖКИ.

2.2. TFT-дисплеи

«Для производства больших цветных дисплеев в настоящее время широко используются ЖКИ на основе TFT (тонкопленочные транзисторы). Сечение TFT-панели показано на рис. 5. В основе структуры TFT-панели содержатся жидкие кристаллы, два поляризатора и две стеклянные пластины: верхняя подложка цветового фильтра и нижняя подложка массива TFT. Жидкокристаллическое вещество впрыскивается между этими стеклянными пластинами. Регулирование светового потока осуществляется путем изменения величины входного напряжения, подаваемого на ЖК. Тем самым изменяется расположение и ориентация ЖК-молекул, что приводит к соответствующему изменению объема светового потока, проходящего через них.

Рис. 5. Сечение TFT панели.

При изготовлении такой панели с помощью высокоточных фотолитографических технологий на стеклянную подложку наносится узор для последовательного пошагового переноса изображений множества электродов ЖКИ (рис.6). Количество транзисторов на стекле TFT равно числу подпикселей дисплея, при этом генерацию цвета обеспечивает стекло цветового фильтра с нанесенным на него фильтром цвета. Движение жидких кристаллов вызывается появлением разности потенциалов между электродами, находящимися на стекле TFT и стекле цветового фильтра, и именно это движение приводит к генерации цвета и изменению яркости ЖКИ.» 10

Формирование цвета в TFT-панели происходит при прохождении светового потока через цветовой фильтр, интегрированный в верхнее цветное стекло. Каждый отдельный пиксель изображения формируется при смешивании базовых цветовых элементов RGB. Если красный, зеленый и голубой элементы пикселя выбраны в равной пропорции, будет сформирован белый свет. Путем регулировки соотношения светопропускания этих трех элементов получают необходимое количество разнообразных цветов (рис. 7).» 8

«LTPS (низкотемпературная поликремневая) технология - это новейший
производственный процесс изготовления TFT-панелей. В этой технологии используется лазерный отжиг, который позволяет производить кристаллизацию кремниевой пленки при температуре менее 400 °С. Поликристаллический кремний - материал на основе кремния, содержащий множество кристаллов кремния размером от 0,1 до нескольких микрон. При производстве полупроводников поликристаллический кремний обычно изготавливается при помощи LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition - химическое осаждение при низком давлении из газообразной фазы), а затем отжигается при температуре более 900 °С. Этот метод известен как SPC (Solid Phase Crystallization - кристаллизация твердой фазы). Очевидно, что такой метод не удастся применить при производстве индикаторных панелей, поскольку температура плавления стекла составляет 650 °С. Поэтому для создания ЖК-панелей идеально подходит новая низкотемпературная технология LTPS.

В настоящее время для формирования LTPS пленки используется несколько методов, среди которых наибольшую популярность приобрел метод лазерного отжига. В качестве источника энергии в этом случае используется эксимерный лазер. Он нагревает и расплавляет a-Si (аморфный кремний) с низким содержанием водорода, после чего кремний повторно кристаллизуется в виде p-Si (поликристаллической пленки). Подготовка LTPS пленки более сложна, чем a-Si пленки, однако LTPS TFT имеют в 100 раз большую текучесть, чем a-Si TFT, что позволяет перенести КМОП - процесс непосредственно на стеклянную подложку. В результате технология p-Si приобретает следующие основные преимущества по сравнению с a-Si технологией.

1. Подвижность электронов в тонкопленочных транзисторах, изготовленных по технологии LTPS достигает ~200 см2/В·с, что намного выше, чем у транзисторов a-Si технологии (всего около 0,5 см2/В·с). Повышенная подвижность электронов позволяет увеличить степень интеграции формируемой на подложке ЖКИ интегральной схемы и уменьшить размеры самого тонкопленочного транзистора.
2. Достигается более высокий апертурный коэффициент (отношение полезной площади ячейки к её полной площади). Так как TFT-транзистор LTPS ЖКИ имеет меньший размер, чем транзистор a-Si, полезная площадь ячейки, а, следовательно, и апертурный коэффициент такого ЖКИ будут выше. В результате при прочих равных условиях яркость свечения ячейки LTPS-ЖКИ пропорционально возрастет.
3. LTPS технология позволяет формировать в едином цикле непосредственно на подложке ЖКИ интегральные схемы драйверов. Это позволяет существенно снизить количество необходимых внешних контактов и уменьшить размеры самой подложки, что ведет к повышению надежности устройства и снижению стоимости конечного изделия.» 8

«Сравнительно недавно на рынке появились дисплеи нового, отличного от ЖКИ типа, т.н. OLED (Organic Light Emitting Device). Дисплей OLED представляет собой электронное устройство, выполненное путем размещения ряда тонких органических пленок между проводниками. При подключении источника питания к выбранным элементам дисплея они излучают яркий свет (рис. 8).

Технология OLED идеально подходит для изготовления дисплеев, используемых в портативных устройствах, позволяя создавать легкие, надежные и малопотребляющие дисплеи. Для получения OLED дисплеев требуется меньшее число производственных этапов и более дешевые материалы, в сравнении с ЖКИ. Ведущий лидер в производстве таких дисплеев, корпорация Universal Display (UDC) полагает, что технология OLED может заменить существующие технологии создания дисплеев во многих областях за счет следующих преимуществ перед ЖКИ:

• Более высокая яркость;
• Более высокое быстродействие, улучшающее качество отображения и динамику видеоизображений;
• Расширенный угол обзора (до 180°);
• Малый вес;
• Меньшее энергопотребление;
• Более широкий диапазон рабочих температур;
• Меньшая совокупная стоимость.

Столь впечатляющие характеристики своих OLED дисплеев компания UDC достигла благодаря разработке особого семейства высокоэффективных OLED-материалов. Их ключевой особенностью является использование для излучения света процесса электрофосфоресценции. В традиционных OLED-дисплеях излучение света основано на флуоресценции - переходе от одного возбужденного состояния материала. В соответствии с теоретическими и экспериментальными оценками максимальная эффективность OLED с добавлением флуоресцентных материалов может составить около 25%. Это ограничение практически снимается при использовании в качестве добавок электрофосфоресцентных материалов компании UDC, которым присуще как одиночное, так и тройное возбужденное состояние. Учитывая, что эффективность таких материалов приближается к 100%, компания UDC работает над созданием и продвижением на рынок электрофосфоресцентных устройств, оптимизируя такие их характеристики как чистоту цвета, надежность функционирования и механическую прочность.

OLED-дисплеи могут быть выполнены на основе пассивной или активной матрицы.

Пассивная матрица дисплея состоит из массива отображающих элементов и пикселей, расположенных на поверхности по строкам и столбцам (рис. 9). В OLED-дисплее каждый пиксель является органическим светодиодом, образованным на пересечении каждой линии строки и столбца. Первые OLED, так же как и первые ЖКИ адресовались как пассивная матрица. Это означает, что для активизации пикселя необходимо приложить напряжение к линиям строки и столбца, на пересечении которых находится нужный пиксель. Чем больший ток протекает через каждый пиксель, тем больше яркость наблюдаемого свечения.
В дисплее с активной матрицей массив также разделяется на строки и столбцы с пикселями, образуемыми на пересечении линий строк и столбцов. Однако здесь каждый пиксель состоит из органического светодиода (OLED), включенного последовательно с тонкопленочным транзистором (TFT), выполняющим функцию коммутатора, регулирующего уровень тока через OLED (рис. 10).
В активной матрице OLED-дисплея (AMOLED) информация посылается микротранзистору каждого пикселя, задавая яркость его свечения. TFT-транзистор запоминает эту информацию и плавно регулирует ток через OLED. На рис.11 показан образец таких дисплеев.
Компания UDC предлагает несколько разновидностей OLED-дисплеев:

• TOLED - прозрачные органические светоизлучающие устройства;
• FOLED - гибкие органические светоизлучающие устройства;
• SOLED - сложенные органические светоизлучающие устройства.

В дисплеях TOLED используется прозрачная основа, что позволяет создавать дисплеи с излучением только вверх, только вниз или в оба направления. Технология TOLED позволяет получать высококонтрастные изображения, что улучшает читабельность дисплея при ярком солнечном свете. Поскольку TOLED имеет 70%-ную прозрачность в выключенном состоянии, он может быть интегрирован в автостекла в качестве табличек или указателей. Прозрачность дисплеев TOLED дает возможность использовать их с непрозрачными подложками из металла, фольги или кремниевого кристалла, что позволяет создавать дисплеи с отображением только вперед. Простой TOLED дисплей может быть потенциально встроен в будущие динамические кредитные карты. За счет использования поглотителя с низким коэффициентом отражения (черный фон) позади верхней или нижней поверхности TOLED, контрастное отношение может быть значительно улучшено по сравнению с отражающими ЖКИ и OLED. Это особенно важно в приложениях, работающих при дневном свете, например в мобильных телефонах и кабинах авиационной техники.
Встраивая органическую пленку в гибкую поверхность, производители получают исключительные по своим качествам гибкие дисплеи - FOLED (рис. 12). Плоские отображающие панели традиционно выпускаются на стеклянной основе вследствие структурных ограничений и/или ограничений технологического процесса. Гибкие материалы обладают существенными преимуществами в сравнении со стеклянной основой. Впервые дисплеи могут быть выполнены на разнообразных типах подложек: от прозрачных тонких пленок до отражающей металлической фольги. Эти материалы позволяют изгибать и скручивать дисплеи, приспосабливая их к любой поверхности. Это означает, что FOLED-дисплей можно встроить в шлем, в рукав рубашки солдата, в приборную панель самолета или на стекло окна автомобиля. Использование тонких пластиковых подложек также существенно уменьшает вес тонких отображающих панелей в сотовых телефонах, портативных компьютерах и, особенно, в массовой сфере настенного телевидения. Дисплеи FOLED обладают повышенной стойкостью к изломам, устойчивостью к внешним воздействиям и более длительным сроком службы по сравнению с аналогами на стеклянной основе. По заявлениям компании UDC, её партнеры по исследованиям в области технологии производства FOLED разработали эффективный процесс фазового смещения органического пара (OVPD), позволяющий создавать FOLED в технологическом цикле "рулон к рулону". Этот процесс отвечает потребностям массового производства и позволяет выпускать дисплеи на основе OLED наименьшей стоимости по сравнению с большинством плоских отображающих панелей, изготовленных по другим технологиям.
Дальнейшее развитие OLED-дисплеев привело к появлению т.н. "сложенных OLED" (SOLED). В них используется принципиально новая архитектура организации пикселя, разработанная компанией Universal Display. В дисплеях SOLED пиксель представляет собой вертикальную структуру расположенных друг над другом красного, зеленого и синего подпикселей, что отличается от расположения подпикселей в одной плоскости один возле другого, как в обычных дисплеях на основе ЭЛТ или ЖКИ. Это улучшает разрешающую способность
дисплея в три раза и повышает качество цветопередачи. Для раздельной регулировки цвета и яркости каждый красный, зеленый и синий (R-G-B) подпиксельные элементы управляются индивидуально. Задание цвета выполняется за счет регулировки уровня тока в этих трех элементах. Регулировка яркости осуществляется путем изменения общего тока через сток ячейки. Получение градаций серого выполняется за счет широтно-импульсной модуляции сигналов, подаваемых на подпиксели. Технология SOLED компании UDC является первой демонстрацией вертикально-интегрированной структуры, в которой цвет, яркость и шкала серого могут настраиваться независимо, обеспечивая полноцветное изображение с высоким разрешением. Важной особенностью SOLED является очень высокий коэффициент заполнения, достигающий 100%. Например, когда у классического полноцветного дисплея устанавливается зеленый цвет, красный и синий подпиксели отключаются. Напротив, при тех же условиях у структуры SOLED все пиксели станут зелеными. Это означает, что архитектура SOLED обеспечивает лучшую цветопередачу и качество отображения. Еще одной особенностью SOLED является равномерность цветопередачи при увеличении размера пикселя. Это важно для больших дисплеев, в которых пиксели имеют достаточные размеры, чтобы их можно было увидеть с малого расстояния. В традиционных ЭЛТ и ЖКИ дисплеях глаз с близкого расстояния может увидеть раздельные красный, зеленый и синий цвета вместо эквивалентной смеси. У SOLED-дисплеев каждый пиксель излучает желаемый цвет, и поэтому цвет пикселя правильно воспринимается независимо от его размера и расстояния, с которого он наблюдается.» 8
Впечатляющие достижения в области создания новейших дисплейных технологий демонстрирует южнокорейская компания Samsung Electronics. В 2008 году компания Samsung «представила светодиодную панель с длиной диагонали 40 дюймов. Панель имеет физическое разрешение 1920 x 1080 пикселей (Full HD), контраст 1000000:1 и покрывает 107% цветового диапазона NTSC. Яркость составляет 200 кд/кв. м (600 кд/кв. м – пиковая). Толщина панели равна 8,9 мм.
Электрический слой панели изготовлен с применением низкотемпературной поликремниевой технологии, а фосфоресцирующий слой нанесен методом химического напыления. Как рассказали в Samsung, такая технология позволяет изготавливать панели массово, но их диагональ не может превышать 31 дюйм. Представленная на выставке панель является опытной. "Массовое производство таких панелей пока невозможно". Впервые о разработке 40-дюймовой панели на светодиодах компания заявила в 2005 г. Тогда ее разрешение составляло 1280 x 800 пикселей. Ее контраст также был существенно ниже: всего 5000:1 вместо миллиона к одному теперь.» 11

Устройства ввода графических данных – ПЗС-матрицы – в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. В быту это цифровые фотоаппараты, видеокамеры, различные сканеры.

Область использования дисплеев очень широка: от банального отображения информации в телевизорах, компьютерах, мобильных телефонах и т.д. до совершенно фантастической интеграции дисплеев в автостекла в качестве табличек, приборную панель самолета, шлем и рукава формы солдата.

Стандарты цифрового видео модифицируются так быстро, что уже очень скоро (через 5-10 лет) мы будем смотреть высококачественное телевидение, основанное не только на новых технологий сжатия видео, но и на новых широкоформатных дисплеях, созданных по совершенно новым технологиям. Уже сейчас разрабатываются КМОП-сенсоры, которые в будущем могут полностью вытеснить ПЗС-матрицы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Википедия – свободная энциклопедия // Видео: эл. энциклопедия. Дата обновления: 20.05.2010 г. url: http://ru.wikipedia.org/wiki/Видео(дата обращения: 21.05.2010);
2. Википедия – свободная энциклопедия // ПЗС-матрица: эл. энциклопедия. Дата обновления: 5.05.2010 г. url: http://ru.wikipedia.org/wiki/ПЗС-матрица(дата обращения: 21.05.2010);
3. Шеленберг В. Принципы работы и устройство приемников света на ПЗС. // <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">StartCopy.<span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">Net-СтартКопи-Да!: сайт. StartCopy Corp. 2007. <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">URL: http://www.startcopy.net/notes/ccd.shtml(дата обращения 21.05.2010);
4. Брейверм Б. Подробная информация о ПЗС-матрицах цифровых видеокамер. // Цифровое видео: <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-weight: normal;">digital<span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-weight: normal;"> <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-weight: normal;">video<span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-weight: normal;"> <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-weight: normal;">online: электрон. журнал. 2003. №3. <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-weight: normal;">URL: <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-weight: normal;">http<span lang="ru" xml:lang="ru">://www<span lang="ru" xml:lang="ru">.divi<span lang="ru" xml:lang="ru">.ru<span lang="ru" xml:lang="ru">/text<span lang="ru" xml:lang="ru">/a<span lang="ru" xml:lang="ru">-video<span lang="ru" xml:lang="ru">16.shtml (дата обращения 21.05.2010);
5. Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. Приборы с зарядовой связью. Устройство и основные принципы работы. // «Специальная техника»: электрон. журнал. 1999. №4. <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">URL: http://ess.ru/publications/articles/nikulin2/nikulin.htm(дата обращения 21.05.2010);
6. Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. Приборы с зарядовой связью – основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС. // «Специальная техника»: электрон. журнал. 1999. №5. <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">URL: http://ess.ru/publications/articles/nikulin2/nikulin.htm(дата обращения 21.05.2010);
7. Википедия – свободная энциклопедия. // ЖК-дисплей: эл. энциклопедия. Дата обновления: 21.05.2010 г. url: http://ru.wikipedia.org/wiki/ЖК-дисплей(дата обращения: 22.05.2010);
8. Гаврилюк Д. Дисплеи на основе жидких кристаллов. // Самый информированный сервер микроэлектроника: сайт. (Дата обновления: 19.03.2005) <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">URL: <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">http<span lang="ru" xml:lang="ru">://www<span lang="ru" xml:lang="ru">.gaw<span lang="ru" xml:lang="ru">.ru<span lang="ru" xml:lang="ru">/html<span lang="ru" xml:lang="ru">.cgi<span lang="ru" xml:lang="ru">/txt<span lang="ru" xml:lang="ru">/publ<span lang="ru" xml:lang="ru">/lcd<span lang="ru" xml:lang="ru">/oled<span lang="ru" xml:lang="ru">.htm<span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;"> (дата обращения 22.05.2010);
9. Компания Гамма Санкт-Петербург. Заказные индикаторы. // Самый информированный сервер микроэлектроника: сайт. (Дата обновления: 15.01.2009) <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">URL: <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">http<span lang="ru" xml:lang="ru">://www<span lang="ru" xml:lang="ru">.gaw<span lang="ru" xml:lang="ru">.ru<span lang="ru" xml:lang="ru">/html<span lang="ru" xml:lang="ru">.cgi<span lang="ru" xml:lang="ru">/txt<span lang="ru" xml:lang="ru">/publ<span lang="ru" xml:lang="ru">/lcd<span lang="ru" xml:lang="ru">/custom<span lang="ru" xml:lang="ru">_lcd<span lang="ru" xml:lang="ru">.htm<span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">

(дата обращения 22.05.2010);

1. Ракович Н.Н. <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">TFT-дисплеи – информативно, функционально, просто. // Самый информированный сервер микроэлектроника: сайт. (Дата обновления: 23.01.2006) <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%;">URL: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/lcd/tft.htm(дата обращения 22.05.2010);
2. Samsung представил самый большой OLED-дисплей. // <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-family: 'Times New Roman'; font-weight: normal;">HDTV.<span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-family: 'Times New Roman'; font-weight: normal;">ru: сайт. (Дата обновления: 5.11.2008) <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-family: 'Times New Roman'; font-weight: normal;">URL: <span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-family: 'Times New Roman'; font-weight: normal;">http<span lang="ru" xml:lang="ru">://www<span lang="ru" xml:lang="ru">.hdtv<span lang="ru" xml:lang="ru">.ru<span lang="ru" xml:lang="ru">/news<span lang="ru" xml:lang="ru">/5393-samsung<span lang="ru" xml:lang="ru">-predstavil<span lang="ru" xml:lang="ru">-samyjj<span lang="ru" xml:lang="ru">-bolshojj<span lang="ru" xml:lang="ru">-oled<span lang="ru" xml:lang="ru">.html<span lang="en-us" xml:lang="en-us" style="font-size: 14pt; line-height: 150%; font-family: 'Times New Roman'; font-weight: normal;"> (дата обращения 22.05.2010).