等离子显示器件（精选四篇）
等离子显示器件 篇1
按照行业标准复审计划,相关行业协会、标准化技术组织已完成了包装、电子等两个行业,共27项行业标准的复审工作,其中继续有效15项,拟修订11项,拟废止1项。其中,电子行业标准共19项,SJ/T 11378-2008《等离子体显示器件第3-1部分:机械接口》、SJ/T 11379-2008《等离子体显示器件第4部分:气候和机械试验方法》、SJ/T 11198-2007《显像管、显示管和电光源用玻管规范》等13项标准继续有效;SJ/T 11281-2007《发光二极管(LED)显示屏测试方法》、SJ/T 11381-2008《信息查询自助终端通用规范》、SJ/T 11380-2008《自动声纹识别(说话人识别)技术规范》、SJ/T 11387-2008《直播卫星电视广播接收系统及设备通用规范》等5项标准拟修订,SJ/T11270-2008《信息技术鼠标器通用规范》拟废止(GB/T 26245-2010《计算机用鼠标器通用规范》已经规定了相应的产品要求。因已有国家标准,故建议对该行业标准废止)。复审结论公示具体内容详见工信部网站,http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n12845605/n13916913/15947566.html。
摘要：<正>按照行业标准复审计划,相关行业协会、标准化技术组织已完成了包装、电子等两个行业,共27项行业标准的复审工作,其中继续有效15项,拟修订11项,拟废止1项。其中,电子行业标准共19项,SJ/T 11378-2008《等离子体显示器件第3-1部分:机械接口》、SJ/T 11379-2008《等离子体显示器件第4部分:气候
柔性显示器件国际标准研制进展 篇2
自柔性显示的概念问世以来, 其轻薄、可随意弯曲和卷曲的特点使之在很多领域可望得到应用, 并有可能刺激和引导新应用产生, 如便携式电子、可穿戴电子等。柔性显示技术因此而成为业界关注的热点。OLED (organic light emitting diode, 有机发光二极管) 因其全固态薄膜器件的特点, 被认为是将柔性显示从科幻变成科技最理想的技术。
2014年, 在美国San Diego召开的一年一度的国际信息显示学会 (SID, The Society for Information Display) 年会上, 年度最佳显示奖的最高奖项——金奖颁给了三星DISPLAY于2013年10月在全球首发的5.68英寸OLED的曲面屏。该屏幕被搭载在Galaxy Round手机上。虽然曲面屏的弯曲状态是固定的, 与消费者心目中可自由弯曲的柔性屏还有一定差距, 但曲面屏是显示器从平板状态向柔性弯曲状态过渡的第一步, 也是必经阶段。2014年, LG和三星推出的OLED curved TV更是在国内电视行业掀起了一阵热潮。
2 柔性显示器件国内外标准化工作
全球针对柔性标准的制定工作始于2008年, 韩国首次在国际电工委员会电子显示器件标准化技术委员会 (IEC/TC110) 年会上提出成立新的工作组, 针对柔性显示器件进行标准研制。2010年, 柔性显示器件工作组 (WG8) 正式成立。
目前, WG8已正式出版了两份国际标准:IEC62715-1-1:2013《柔性显示器件第1-1部分:术语和文字符号》和IEC 62715-6-1:2014《柔性显示器件第6-1部分:机械压力试验方法》, 并启动了环境试验方法及光学测试方法等标准的研制工作。WG8所规划的柔性显示标准体系如表1所示。
2013年10月, 海峡两岸信息产业和技术标准论坛启动了关于柔性显示器件的标准化工作, 并将启动后的工作重点放在了基础性标准制定上。经过两岸专家近一年的努力, 2014年8月21日共通标准GT 027-2014《柔性显示器件术语与文字符号》正式发布。今后, 海峡两岸还将集合两岸的科研和产业力量, 继续柔性显示器件共通标准的研制, 重点探讨柔性显示器件环境试验方法, 共同推进国际标准化, 并开展柔性显示器件光电测试方法的研究。
国内柔性显示器件标准也在研制过程中。目前, 维信诺公司已经提交了国家标准《术语与文字符号》、《环境试验方法》的立项申请, 中国电子技术标准化研究院提交了《机械耐久性试验方法》的立项建议。
3 环境试验方法国际标准化工作
3.1 标准立项
国内柔性显示技术的开发最早可以追溯到2000年, 目前柔性显示的工艺流程已成功打通, 柔性PMOLED显示器和AMOLED显示器也先后被研制出来。
在柔性显示器件的研发过程中我们发现, 柔性弯曲状态的显示器件与传统的平板显示器件相比, 在产品要求、可靠性评估方面有诸多不同, 标准研制、参与国际标准制定刻不容缓。
2011年9月, 中国代表在南京召开的IEC/TC110年会上首次提出研制柔性显示器件环境试验方法的建议, 得到了与会各国专家的认可。随后, 中国代表分别在2012年2月 (美国) 、6月 (美国) 、12月 (日本) 的国际会议上阐述了关于环境试验方法的完善建议, 从标准的范围、试验条件以及试验项目等方面逐渐丰富和完善了标准内容, 最终使该提案在日本会议上获得WG8投票通过, 正式立项为IEC 62715-6-2《柔性显示器件环境试验方法》, 预计2017年正式发布。这是中国在柔性显示领域主导制定的第一项国际标准。
3.2 提案内容
IEC 62715-6-2的主要内容为:给出评价柔性显示屏和模块的环境适应性的试验方法, 包括:高温试验、低温试验、温度变化试验、稳态湿热试验等。这里的环境指柔性显示器件使用、贮存和运输等情况下所处的环境。
通过调研传统平板显示器件的环境试验标准并充分考虑柔性显示器件实际应用的环境条件, 该标准提案中首先规定了环境试验的基本条件, 包括:设备条件、大气条件、测量条件。同时还对柔性显示器件的工作条件进行了详细要求, 将柔性显示器件的工作条件分为加电工作条件和机械工作条件, 根据显示器件的应用设置亮度水平, 并依据显示器件的工作状态设置弯曲、卷曲或扭曲的水平。
柔性显示器件为保证柔软性, 摈弃了传统平板显示器件的玻璃基板和玻璃盖封装结构。新的基板和封装方法带来的问题是, 柔性显示器件的耐受温湿度能力需要重新界定, 尤其是柔性显示器件在弯曲状态下的耐受能力。业界可以依据本国际标准中的环境试验方法对显示器件的环境适应能力进行评价, 其可对未来柔性显示产品的市场准入提供可供参考的标准。该标准的制定和实施, 将统一生产制造和终端系统开发的认识, 进而促进柔性显示产品的标准化, 加快和扩大其市场普及的速度和范围。
3.3 标准难点
柔性显示器件环境试验方法国际标准的研制, 其最大难点也是重点的地方在于如何在环境试验中体现“柔性”。在传统显示器件的环境试验中通常只考虑温度、湿度对显示器件的影响, 评估显示器件在试验前后或试验中的显示效果。然而, 柔性显示器件必须要考虑其弯曲状态的环境试验。柔性显示器件经过弯曲, 器件的膜层因弯曲产生的应力将会对器件的光电性能造成破坏。尤其是柔性显示产品处于严苛的温湿度环境的情况下, 使用过程中的弯曲将会加速显示器件的失效。因此, 本环境试验方法标准的试验条件设置显得极为重要。但是, 如果在环境试验方法中, 各种因素的相互作用机制很复杂, 如果同时考虑弯曲、温度、湿度、加载等所有因素, 将使得本标准的内容极其复杂, 不利于后续标准的实施。而这也是历次国际标准研讨会的争论热点。
笔者所在公司通过搭建柔性显示开发平台, 在实践中推动柔性显示国际标准的制定。在国际标准的制定过程中, 探索和掌握了柔性显示器件的工艺制程, 明确了柔性显示器件量产技术的关键点和难点。相应地, 也开发了适用于柔性显示器件的可靠性测试方法和相关设备。经过内部的试验验证和数据积累, 并与WG8的日韩专家充分研讨和沟通后, 2014年6月, 美国San Diego会议上决定, 环境试验方法依据器件是否加载划分为两个部分, 在标准中同时考虑弯曲、温度、湿度的作用。目前将在不加载情况下, 围绕柔性显示器件的实际应用情况, 设置高温、低温、热循环、冷热冲击、高温高湿条件进行试验, 对显示器件进行评估。
4 未来标准化工作展望
工业和信息化部科技司韩俊副司长在2014年5月全国平板显示器件标准化技术委员会 (SAC/TC547) 成立大会上指出, “标准化工作要与产业结合、与创新成果结合, 要早下手、早研究、早部署, 等到标准立项, 主要工作已基本完成。”这里的“早下手”是强调标准制定的时效性, 要求提前研究标准, 提前部署标准和技术研发, 并尽早将标准与技术创新成果进行结合。标准的发布实施需要与技术成熟度和市场接受度相匹配, 过早实施标准对培育只会适得其反。
柔性显示器件通常采用塑料作为衬底, 使之更加轻薄和柔软, 可耐受外部撞击等严苛试验。同时, 为体现其柔软可弯曲的特性, 柔性显示器件的封装方式也较传统显示器件有本质区别。未来如何通过标准去体现柔性显示器件的抗冲击能力和寿命稳定性, 将会是新的课题。
等离子显示器件 篇3
在人类生活的物理空间内, 任何物体都具有三维物理尺寸, 然而传统的二维平面显示器无法呈现出物体真实的深度信息, 只能达到“伪三维”的显示效果。体三维显示技术[1]则能在成像空间内为人们呈现完备的三维信息, 并且所显示的物体允许多人同时从任意角度裸眼观看。体三维显示技术按实现方式的不同, 可分为静态体显示技术和动态体显示技术。
最早的静态体显示技术是Swainson提出的基于固体介质能量跃迁的体显示技术[2]。此技术利用两只红外激光器同步扫描充满固体介质的三维成像空间, 在两道光线的交汇处固体介质发生能级跃迁而发出可见荧光。另一种基于能级跃迁的静态体显示技术利用气体介质构成成像空间[3], 当两束激光同时照射在同一个气体原子上时, 原子发生能级跃迁而发出可见荧光。此外, 文献[4]选用了液晶材料作为成像介质。静态体显示技术使用的激光束容易对人眼造成伤害, 并且图像的清晰度受到激光器扫描速度的限制。
最早的动态体显示技术是Ketchpel提出的基于阴极射线球的体显示技术[1]。此技术将荧光物质镀在旋转屏幕上, 利用电子射线束扫描处于真空容器中的旋转屏幕。当电子射线束的扫描时序与屏幕旋转位置同步时, 旋转屏幕构成的成像空间即可显示出三维图像。电子射线束的扫描速度、真空容器壁对光线的折射、荧光物质的发光启动时间和余晖等都是影响图像质量的重要因素。另一种动态体显示技术利用旋转发光二极管 (LED) 阵列构建成像空间[5]。当每个LED的发光时序与旋转面板的旋转位置同步时, 在成像空间内即可显示出具有真实物理深度的三维图像。LED阵列的密度限制、LED的开关时间以及成像空间内体素分布的不均匀性等构成了提高图像质量的瓶颈。Actuality公司开发的Perpecta[6]则是另外一种动态体三维显示系统。Perspecta利用SLM技术, 能以24 Hz的刷新率向高速旋转的平面成像屏投射包含多达198个二维切片的图像序列, 在直径为10英寸的柱形空间内显示出性能优异的三维图像。为克服体素重叠引起的视觉死区, Perspecta引入的转向光学部件增加了其制作难度和成本。Perspecta已在放射治疗等少数医学领域获得了应用[7], 是目前体三维显示器中的高端产品。
本文比较并借鉴国内外已有的技术成果, 提出基于DMD和旋转螺旋屏的体三维显示系统。此系统分为成像空间子系统、体素激活子系统和体素化子系统。成像空间子系统采用旋转螺旋屏构建成像空间, 克服了旋转LED阵列等旋转平板式体显示方式引起的体素分布不均匀、视觉死区大等缺点。体素激活子系统采用DMD作为SLM, 设计的DMD控制算法适于向成像屏高速投射复杂三维物体的二值切片图像序列。体素化子系统采用的BCC采样策略则用于降低体显示数据。
1 基于DMD和旋转螺旋屏的体三维显示系统
1.1 基于旋转螺旋屏的成像空间子系统
1.1.1 切片式投影
图1揭示了切片式投影的基本原理。成像屏可沿z轴在) , (maxminzz区域内作高速往复运动, 扫描出长方体形的成像空间。在成像屏沿z轴正向或逆向运动的过程中, 高速投影装置依次向成像屏投射三维物体的N个二维切片, 成像屏在沿z轴不同的位置截获这些切片图像, 在真实的三维空间形成一个包括多个切片的“切片栈”。如果成像屏往复运动的速度足够快, 而且高速投影装置投射的切片数目N足够大, 由于视觉暂留效应, 人眼便能感知到在成像空间内具有真实物理深度的立体图像。
1.1.2 基于旋转螺旋屏的成像空间子系统
切片式投影通过成像屏的高速往复运动构成成像空间, 原理简单但缺点明显:在与成像屏平行的方向易形成视觉死区, 高速往复运动易引起震动和噪声。为利用切片式投影的基本原理同时改进其不足, 本文采用旋转螺旋屏构建成像空间子系统。螺旋屏的曲面方程为
其中x∈[, 0L], θ∈[, 0180°], H和L分别为螺旋屏的高和半径且H<2L。
螺旋屏绕中心轴旋转时, 投影装置依次向其投射三维物体的N个螺旋切片, 螺旋屏在不同旋转角度截获这些切片, 显示出三维物体的轮廓。如果螺旋屏转速足够快而且切片数目N足够大, 人眼同样能在圆柱形成像空间内感知到具有物理深度的立体图像。螺旋屏的各个位置是相互平行的, 因此螺旋屏利用了切片式投影的原理, 把成像屏的往复运动转化为了螺旋屏的旋转运动。螺旋屏材质采用高强度光敏树脂, 光敏树脂对光线的透射率与反射率可以通过表面打磨进行调控, 达到半透射半反射的效果, 实现被动式发光, 构建成像空间。由于螺旋屏通过金属阶梯轴由电机带动高速旋转, 为提高运动稳定性, 最终制定的旋转屏, 采用了双螺旋面的结构, 如图2, 其中H=250mm, L=250mm, 屏厚d=3mm。为避免电机转轴等对成像空间入射光线的阻挡, 采用对单侧螺旋面底部投影的方式显示立体图像。
1.1.3 成像子空间性能分析
1) 图像刷新率
螺旋屏每转过一周, 两个螺旋面分别扫描过半柱形的立体空间一次。如果电机转速为N r/s, 则立体图像的刷新频率为2N Hz。若螺旋屏采用单螺旋面结构, 则图像刷新频率与电机转速一致。可见, 在电机转速一定时, 螺旋屏的双螺旋面结构使得图像刷新率提高一倍。
2) 体素分布
通过旋转平面屏构建成像空间, 是早期动态体三维显示系统普遍采用的方法。以旋转LED阵列系统为例, 当LED阵列绕中心轴旋转时, LED发光单元的运行轨迹是多个半径不等的同心圆, 并且越靠近转轴半径越小。因此在其成像空间内, 体素分布不均匀, 体素大小不等, 如图3所示。
假设螺旋屏的中心轴沿竖直方向, 当螺旋屏绕中心轴转过α, 则螺旋面在竖直方向的位移为Hα180/°, 同样螺旋面上每个像素在竖直方向的位移也为Hα180/°。另外当变化α时, 螺旋面上的像素数目保持不变。因此在成像空间内, 体素分布均匀、体素大小均等, 如图3所示。
3) 成像死区
对于动态体三维显示系统, 体素重叠、部件遮挡等都可能形成成像空间的死区[1]。对于旋转平面屏构建的成像空间, 由于体素分布不均匀, 在靠近转轴部分会因体素重叠造成死区。在螺旋屏扫描形成的成像空间内, 体素分布均匀、体素大小均等, 因此部件遮挡是死区的主要成因。部件遮挡包括两个螺旋面的相互遮挡、金属阶梯轴对螺旋面的遮挡。实验结果显示, 由于本文制成的螺旋屏对光线具有半透射半反射的能力, 因此螺旋面相互遮挡引起的死区对显示效果影响不大。如果提高成像空间入射光线的强度, 则可进一步降低螺旋面相互遮挡产生的死区。金属阶梯轴引起的死区则不可避免。
1.2 基于DMD的体素激活子系统
1.2.1 DMD
美国TI公司研制的DMD[8]是一种基于大规模集成电路技术和微机电系统技术的空间光调制器。DMD由高达百万个可独立寻址和转动的微型反射镜组成, 每个微镜安装在极小的铰链上, 单个微镜的尺寸为16µm×16µm, 如图4所示。DMD工作时, 图像信息转化为控制信号序列载入到RAM中, 通过CMOS驱动电路改变每个微镜的偏转状态。在基于DMD的投影装置中, 当某个微镜的控制信号为1时, 微镜绕固定轴偏转+12°, 处于“开”状态, 使得反射光线刚好沿光轴方向通过投影物镜到达成像屏。控制信号为0时, 则微型反射镜偏转-12°, 处于“关”状态, 反射光线不能到达成像屏。1和0信号的占空比, 决定了图像像素的灰阶。
1.2.2 体素激活
本文采取基于点绘制的方法对DMD进行控制, 即通过寻址切片上每个像素点对应的微镜并设置其缓存单元的值, 实现对微镜的控制。DMD主要通过行寻址寄存器和列移位寄存器实现寻址, 并通过数据分路器实现位寻址, 具体步骤是如下。首先行寻址寄存器指向要访问的目标行, 数据分路器为15, 先寻址第15、31、…、1 023列;然后数据分路器置为14, 继续寻址第14、30、…、1 022列;当数据分路器为0时, 寻址0、16、…、1008列, 此时目标行对应的1024列寻址结束。行寄存器再指向下一目标行进行寻址, 如此反复直到访问完所有微镜。每行寻址需16个时钟周期, 寻址完整个DMD需768×16个时钟周期, 当时钟为120 MHz时约为0.1 ms。由以上分析可知, 物理上相邻的两个微镜在存储单元上并不相邻。当每个微镜占1位, 即显示二值图像时, 对于分辨率为1024×768的DMD, 其寻址空间为96 k字节, 每行微镜对应128 Byte。物理空间中第i行j列的微镜, 对应缓存单元的地址是第m字节n位, 其中:
对于二维切片图像, 直线采用Bresenham算法进行绘制, 曲线则通过多条直线拟合进行绘制, 离散的点则逐点绘制。以图像数据作为成像掩膜, 与对应字节进行或操作并写入相应缓存单元, 实现对微镜的“开”“关”状态设置, 从而激活体素单元。
1.3 数据体素化子系统
数据体素化子系统的任务是根据成像空间构成的特点, 通过体素化方法获得体显示数据并输出到体素激活子系统。体素化方法把三维物体的几何模型通过采样, 离散为最接近的体素模型, 进而得到体三维显示数据。根据多维信号采样[9]的研究结果, 六边形栅格是二维平面的最优采样。将六边形扩展到三维空间, 则体心立方栅格BCC是对应三维空间的最优采样。体素化与三维重构互为逆过程, 文献[10]在研究三维重构时指出, 为重构得到同样精度的三维物体, 按BCC采样策略进行体素化得到的体素数量, 仅为由笛卡尔采样得到的体素数量的70.7%。本文将BCC采样策略运用到体三维显示系统中, 用于减少体显示的数据量。以下对BCC采样策略、切片生成和体素化子系统的工作流程分别予以论述。
1.3.1 BCC采样策略
记BCC的采样矩阵[11]为
设体素空间的分辨率为Rx×Ry×Rz, 记采样点在采样空间的物理坐标为 (x, y, z) , 逻辑坐标为 (i, j, k) , 即i、j、k分别为采样点在x、y、z方向上的列、层和行的序号。其中0≤i
对于三维物体的三角面片模型, 可按以下方法确定其每个面片对应的可见体素。给定三角面片P和体素v, 记P所在平面方程为:Ax+By+Cz+D=0, v的中心点p的坐标为 (x′, y′, z′) , 过p点引P的垂线, 垂足为q, 则p到P的欧氏距离为
当d小于给定的阈值且q落在三角面片内部时, 将v标记为可见。
1.3.2 三维切片及二维切片图像的生成
遍历所有三角面片, 可得到三维物体的体素模型, 用可见体素的集合表示, 记为O。同样按上述方法, 可得到螺旋屏的体素模型。给定螺旋屏的旋转角度θ, 记其体素模型为H (θ) , 则三维切片的的体素模型为S (θ) =Ο∩H (θ) 。其中θ=2.727k, k∈[1, 132], 即用132个三维切片描述三维物体。
1.3.3 体素化子系统的工作流程
体素化子系统的工作流程是:1) 读取三维物体的三角面片模型;2) 遍历所有面片, 按BCC采样策略求得三维物体轮廓的体素模型;3) 读取螺旋屏的面片模型, 按同样方法求得其体素模型;4) 将三维物体的体素模型与螺旋屏的体素模型求交, 得到三维切片的体素模型;5) 获得不同旋转角度下三维切片模型的二维投影图像, 作为体素激活子系统的输入。
2 实验
本文样机如图5所示。样机采用明基PB6245投影仪的系统光路, 并去除了色轮。DMD芯片的尺寸、分辨率及开关偏角分别为0.7″、XGA (1 024×768) 、12°。DMD控制算法在DMD引擎上实现, DMD引擎具有1 GB的RAM, 用于缓存切片数据。选用额定转速为3 000 r/s、额定功率为0.75 k W的富士GYS电机, 其配套的伺服放大器型号为RYC751D3-VVT2。另外采用PIO-DA16作为数据采集卡, 用于采集伺服电机转角为0°和180°的信号。当投影控制板通过采集卡接收到伺服电机的信号时, 按特定间隔依次向旋转螺旋屏投射切片序列数据, 这样, 伺服电机每转过一周, 切片序列投影两次。
第一组实验比较BCC采样策略与传统笛卡尔采样方法。设定相等的采样点间隔, 当笛卡尔栅格的分辨率为R3时, BCC栅格的分辨率为2R3。在此, 将BCC栅格的采样点数目设定为笛卡尔采样点数量的70%, 分别按两种采样方法进行模型体素化。表1表明, 在体素量、时间耗费、内存耗费等方面, BCC采样策略较笛卡尔采样方法均有大幅降低, 其中体素数量减少40~50%。其中的Rabbit模型采用Stanford Bunny, 在不同角度观看的效果如图6所示。
第二组实验比较复杂模型在振镜系统样机和本文样机中的三维显示效果。振镜系统样机显示F15战机, 本文样机显示波音747客机。振镜系统样机采用全固态激光器和旋转平面, 刷新频率为10 Hz。比较图7 (a) 和7 (b) 可知, 振镜系统样机逐点扫描的体素激活方式限制了显示模型的刷新频率和切片数量, 显示出的模型轮廓较模糊且存在拖尾现象, 而本文样机显示出的模型不仅轮廓清晰, 而且机身细节清晰、亮度均匀, 具有三维立体效果。
第三组实验比较Perspecta系统与本文样机的技术参数。由表2可知, 本文样机在成像空间大小、体素数目、刷新频率和最大切片数等方面低于Perspecta系统, 在切片分辨率方面超过了Perspecta系统。另外Perspecta系统采用3块DMD芯片分别调制彩色图像的R、G、B分量, 实现了彩色图像的显示。本文系统目前仅支持二值图像的显示。
3 结论
本文设计并实现的体三维显示系统, 通过采用双螺旋旋转屏结构、底部投影、半柱形空间被动式发光等方法, 构建了体素分布均匀的成像空间, 降低了视觉死区, 提高了系统刷新频率;通过设计DMD控制算法, 实现了二值体素切片的快速激活;通过BCC采样策略, 降低了体三维显示数据量。针对BCC采样策略和复杂三维模型设计的各组实验, 验证了本文设计的有效性。下一步的工作重点是彩色图像的体三维显示和面向体三维显示系统的人机交互。
摘要：研究了一种新型体三维显示系统。利用数字微镜设备 (DMD) 作为高速空间光调制器 (SLM) , 将三维物体的面片模型经过体素化而获得的螺旋切片序列投射到旋转螺旋屏上, 基于视觉暂留效应, 按时序高速变化的切片序列被人眼感知为具有真实物理深度的三维图像。重点阐述了基于旋转螺旋屏的成像空间构成方法, 分析了基于体立方 (BCC) 采样策略的体素化方法, 设计了针对二值切片图像的DMD控制算法。实验结果表明, BCC采样策略减少了40%以上的体显示数据, DMD的高速响应能力使得原理样机较基于振镜的设计更具显示复杂物体的能力, 在500mm×250mm的半圆柱形成像空间内显示的三维图像可以选择任意视点直接观看。
关键词：体三维显示,数字微镜器件,视觉暂留,体立方栅格
参考文献
[1]Bundell B G, Schwarz J A.Volumetric Three-Dimensional Display Systems[M].John Wiley&Sons, 2000.
[2]Downing E, Hesselink L, Ralston J, et al.Three-Color, Solid-State, Three-Dimensional Display[J].Science (S0036-8075) , 1996, 273 (5279) :1185-1189.
[3]Kim I I, Korevaar E, Hakakha H.Three-dimensional volumetric display in rubidium vapor[J].Proc.of SPIE (S0277-786X) , 1996, 2650:274-284.
[4]Refai Hakki H.Static Volumetric Three-Dimensional Display[J].Journal of Display Technology (S1551-319X) , 2009, 5 (10) :391-397.
[5]林远芳, 刘向东, 刘旭, 等.基于二维旋转屏的体三维显示系统像素属性分析[J].光子学报, 2004, 33 (4) :476-487.LIN Yuan-fang, LIU Xiang-dong, LIU Xu, et al.The analysis of voxel attributes in three-dimensianal volumetric display system based on the rotation of a two-dimensional display panel[J].Acta Photonica Sinica, 2004, 33 (4) :476-487.
[6]Favalora G E.Volumetric3D Displays and Application Infrastructure[J].IEEE Computer (S0018-9162) , 2005, 38 (8) :37-44.
[7]Zhang Chu Y, Yurkewicz K, Khan A, et al.3D Display of Treatment Planning and Anatomy Data:Initial Observation Using a Promising Technical Advance[C]//IFMBE Proceedings, World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering2006, Seoul, Korea, August27-September1, 2006:1729-1732.
[8]Meier Robert E.DMD Pixel Mechanics Simulation[J].TI Technical Journals (S0893-7877) , 1998, 15 (3) :64-74.
[9]Dudgeon D E, Mersereau R M.Multidimensional Digital Signal Processing[M].Englewood Cliffs, New Jersey:Prentice-Hall, 1984.
[10]Theussl T, Moller T, Groller M E.Optimal regular volume sampling[C]//IEEE Visualization2001, San Diego, California, USA, October21-26, 2001:91-98.
等离子显示器件 篇4
多年以来,NHK科学与技术研究实验室一直专心致力于超高清晰度(以下简称超高清)电视系统(UHDTV,NHK将其命名为Super Hi-Vision)的研究,其分辨力为7 680×4 320,是当前高清电视像素的16倍,如图1所示。该系统的分辨力是根据水平视角效果评估实验的结果来决定的。举一个实验中的例子,由于受一个投影在大屏幕上的广视角影像的影响,受测人员自身会被影像诱导产生身体倾斜(重心摇晃)的现象。根据这个实验,水平视角在20°左右效果就开始显现,在80°~100°时趋于饱和,最终得出的结果是,使临场感达到饱和状态的水平视角为100°左右[1]。
研究人员认为对于超高清等离子显示器(Plasma Display Panel,PDP),尺寸在70~150 in(1 in=2.54 cm)是比较合适的。由于目前已经开发出了85 in的超高清液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD),而PDP在尺寸方面更容易做大,最终研究人员将目标尺寸定在100~150 in。另外,对于更容易做得超轻超薄的有机发光二极管显示器(Organic Light-Emitting Diode,OLED)来讲,虽然大尺寸研发上取得了一些进展,但要实现超高清仍然还有很多难题需要攻破。
如图2所示,在100~150 in之间的超高清显示器的像素点距(以下简称点距)范围在0.29~0.43 mm之间,这对于PDP来说要实现起来是极为困难的[2]。因为显示单元微小,使荧光体发光的紫外线的发光效率也很低,会造成耗电量增加。并且电极的电阻与电感也会随着屏幕尺寸增大而增加,从而使面板内显示单元的电压波形不一致,使放电产生偏差。为了对显示单元的放电特性以及对面板内的放电偏差进行分析,研究人员进行了模拟实验并在放电理论和电路分析上进行了探讨和研究。本文主要是由这些理论所构成,并详细介绍了大尺寸超高清PDP的试制过程。
2 PDP的构造与特点
图3是一个典型的三电极表面放电型PDP构造图。在2块玻璃板之间形成了构成面板上像素的显示单元,各色的发光区域由障壁分隔开来。显示单元的电极由前面基板上形成的一对平行电极(扫描电极和维持电极)以及为了进行像素选择而在背面基板上形成的地址电极所构成。为了使显示单元平稳地放电,充入了总计约半个大气压的包含氖气(Ne)和氦气(He)之类的惰性稀有气体,其中还包含了约10%的氙气(Xe)用来产生紫外线。
PDP有3个显著的优点:一是色彩还原性和在动态画面上的响应速度(指显示图像所耗费的发光时间,越短越好)极好,优于LCD;二是由于是自发光显示,所以可视角度广且灰阶显示比较自然;三是面板构造简单,容易制作出大型的面板。使用脉冲型驱动方式(显示的图像会在短时间内消失的方式)的PDP的发光时间虽然相比同样采用脉冲型驱动方式的阴极射线管(Cathode Ray Tube,CRT)要长,但是远远短于采用Hold型驱动方式(显示的图像在被下一幅图像覆盖之前会一直维持的方式)的LCD。
由于目前还没有对超高清PDP动态画面响应进行评估,因此在这里拿普通高清PDP作为例子来介绍。次世代PDP开发中心(Advanced PDP Development Center Corporation,APDC)定义了“Full HD动态画面解像速度”,这是一个在Full HD分辨力(分辨力为1 920×1 080,因为扫描线数在650线以上都可以称为高清,为了进行区分所以加上Full)下能够确保正常显示的最大解像速度(物体在画面中横向移动而不留残像的最高移动速度)的评估方法,并公布了以这个定义为基准的结果,见表1。
例如当解像速度是1 200 pixel/s(像素/秒)时则代表横穿过画面花费了(1 920/1 200 s)=1.6 s。这意味着即便是对象物体在1 s间横向移动了2/3个屏幕的距离,仍然可以得到稳定无残像的图像。时间之所以这么短是由于采用了具有短光残留时间特性的荧光体[3]。普通的荧光体的光残留时间则根据不同制品之间的差异,速度在400~800 pixel/s之间。
3 微型超高清PDP的试制
3.1 高精细点距的探索
早在2006年6月,先锋发布了全球第一台50 in Ful HD PDP,型号PDP-5000EX,点距为0.59 mm。2007年9月松下发布了全球第一台42 in Full HD PDP,型号TH-42PZ700E,点距为0.48 mm。
而要实现100 in的超高清显示,点距需要达到0.3 mm这样的超高精细程度,如前文所述难度是相当高的。研究人员从电子与离子的移动、因电子撞击而使受激原子(因为放电之类得到能量进入激发态的原子,恢复到基态时会放出紫外线)产生、用来分析紫外线发射的放电模拟技术[4]以及用于分析吸收激光而产生能够发射紫外线的受激原子的等离子诊断技术[5]等方面入手,对受激原子的生成效率、在单元壁面上的损失以及升高气压对紫外线发光的影响这几个方面进行了研究,得出以下几个帮助高精细化与高效率化的观点[6]:
1)由于放电单元变小会导致放电单元壁面受激原子损失变大,如果将充气压力提高到接近大气压程度的话,就能够减小这种损失。
2)放电单元变小会使放电电压上升,但同时与发射紫外线有关的受激原子密度也会上升,受激原子的生成效率几乎可以和以前的单元等效。
就这样,用理论与实验相结合的方式解开了微型单元内部放电发光的规律后,确认有超高精细化成功的可能性之后才开始进行实际试制。
3.2 点距0.3 mm小型实验面板的试制
在点距0.3 mm面板的试制过程中,研究人员对于比较难以形成的障壁使用了屏幕印刷法(孔板印刷的一种,在板上开孔,然后在其中注墨进行印刷的方式)来生成。在探讨了包括印刷膏与印刷条件在内的各种因素之后,成功试制出了约1 in的小型面板[7]。为了涂布荧光体的微细单元,也基于荧光体微小粒子膏化后分散性的考虑。往试制面板中冲入Ne与Xe的混合气体,气压高达93 k Pa。不但对红、绿、蓝三色的单元同时施以15 k Hz的重复脉冲使其发光产生白光,还因为气体中混入了15%的Xe使得面板亮度高达约1 200 cd/m2,该面板于2005年公开展示,如图4所示。在2005年,当时市面上在售的50 in PDP的点距为0.9 mm左右,而超高精细化的试制面板像素面积仅为其1/9。点距0.3 mm的小型面板的试制成功是现在研究大尺寸超高清PDP的第一步。
紧接着2006年成功试制了6.5 in的0.3 mm点距面板[8]。在这之后,在6.5 in的面板上进行了电极形状改良、障壁高度的优化、发光面的均匀化使得发光效率提高了近1.5倍,这一成果也在2007年进行了公开展示。
4 大尺寸PDP的试制
4.1 大尺寸PDP的动向
松下在2006年1月举行的CES国际消费电子展中展示了世界上最大的103 in Full HD PDP。夏普在2007年CES上展示了108 in的LCD,创造了全球平板显示设备(Flat Panel Display,FPD)的最大尺寸记录。松下随后又在2008年CES上展示的152 in的PDP则是又刷新了最大尺寸的记录。
这样的大尺寸是由一枚大型玻璃上切割出大量小型玻璃达成的,是一种追求产能以及降低成本的方法。也就是说,用一块能够制作4块50 in面板的玻璃基板来作为103 in面板的玻璃基板,用能制作9块50 in面板的玻璃基板作为152 in面板的玻璃基板来实现大尺寸面板。152 in大约有1.8 m高,几乎可以显示一个人等身大的画面,未来可以用在公众场所。
4.2 面板放电模拟分析
对于高精细度的大型面板来说,面板内部的电压波形会因为单元之间的差异性而在放电时产生离散性。图5表示了面板内部由于单元位置不同而出现的电压与电流波形的差异。
以往通用电路模拟分析的基本方式是将每一个放电单元近似的看作1个电阻,假设这个电阻的电导率随时间变化来分析这个单元的构造以及电源条件。但图5所示的模拟分析方式,则是为了探明其放电机理,运用了单元放电模拟与电路模拟相结合的动态分析。
4.3 58 in PDP(点距0.33 mm,2 160线)的试制
通过进行放电模拟分析,得出了点距0.33 mm的58 in面板的特性。图6即是充入气体中Xe的比例(横轴)与发光效率(左纵轴)以及亮度离散性(右纵轴)之间的关系。随着Xe比例的增加,发光效率增加,亮度离散性也随之增加。根据图6,亮度离散性小发光效率又高的区域,也就是处在图6中“既明亮且亮度显示又均匀”区域的Xe混合比例是非常合适的。
4.4 103 in PDP(点距0.591 mm,2 160线)的试制
研究发现,如果沿用现有的50 in高清面板的单元构造与电极构造等参数,对于2 160线扫描线的100 in面板(面积是50 in面板的4倍)来说面板内电压与电流波形的离散性都会增大,显然亮度显示就不均匀了。电极的电阻与电感之类需要进一步减小,才能够满足大型、高精细化指针的设计要求。经过分析表明,更改电极构造,并且增大电极的宽度,同样可以使放电的离散性达到与50 in面板相同到几乎没有影响的程度。电极的宽度增大后,虽然电压波形等的离散性会减小,但单元内发出的光会因为电极的遮挡而变暗。另一方面,电极加厚同样能够减小电感值,制作工艺中却有着无法随意变更电极厚度这一制约。因此需要对以上因素进行综合考虑判断才能够更加高效地开发面板。
5 制作大尺寸超高清PDP所面临的课题
5.1 用于多像素面板的驱动技术
前面所述的2种2 160线的PDP都已经试制成功,但这仅仅只是实现了一个中期目标,最终目标是实现100~150 in 4 320线的PDP。本章主要是对超高精细点距和大尺寸面板驱动技术相关内容进行说明。
首先要说明的是PDP的驱动方式。PDP的灰阶表示并非是控制发光强度而是控制脉冲放电的发光回数。因此,普通的高清PDP广泛采用的是如图7a所示的基于子场(SF)驱动的寻址与显示分离(Address Display Separation,ADS)驱动。这种方法是将画面的一个场周期分割为多个子场周期,同时,在分割出来的子场周期中,将沿着画面的垂直方向逐线进行像素寻址的周期与用于灰度显示的周期分离。例如,将1个场周期分割为8个子场周期后,就能根据2的阶乘得到灰度值为1,2,4,8,16,32,64,128的发光周期,再根据时间对人眼的积分效应就能得到256级灰度显示。
对于扫描线是普通高清4倍的超高清而言,电极寻址花费的时间同样也是4倍,造成驱动过程会超过包含了显示周期在内的1个子场周期的时间,从而无法达到与普通高清相同的扫描速度。另一方面,提高扫描速度的话也会因为每条扫描线上的寻址时间变短而引起地址放电不稳定。基于这种情况,研究人员开发出在一部分的子场周期上使用在复数扫描线上进行同时扫描的方式(多线同时扫描方式)[9]。例如图7b所示,在SF1~SF3上进行双线同时扫描(实线斜线),子场周期4以上使用逐线扫描的方式(虚线斜线)。多扫描线同时进行扫描虽然会使画面的垂直分辨力变低,但研究人员也在多线扫描子场周期的选择方法和像素值的决定方法上下了一番工夫,结果就是在仍然能够维持一定程度的画质基础上,将整体的寻址时间缩短了25%[10]。
这种驱动技术与数据压缩技术一样,在尽量避免画质下降的同时,尽可能地减少寻址时间。这样节省出的时间就可以并入用来显示画面的时间中,同时能够借此提高亮度与刷新率,从而提高画质,降低耗电量。
5.2 大尺寸、超高清面板的制作
如果能够将4块点距0.33 mm的58 in面板(2 160线)拼接成一块整体面板的话,就成了116 in的超高清面板。但是,点距0.33 mm、100 in级大型面板制作工艺的开发仍是今后的课题。如同以往的试制、开发一样,仍需要使用放电理论以及放电模拟等辅助工具,探索其开发方针。而且,对于面板的试制来说,也并非是仅需改进现有的制作工艺那么简单,而是可能需要重新开发新的适合超高精度与大尺寸的制作工艺,并且还需要提高面板制作成品率。今后模拟与开发制造的紧密结合对于研发来说是十分重要的。
5.3 超高清电视系统的应用
如果具有高临场感的超高清电视系统能够在大众群体中得到广泛应用的话,那么图8所示的内容就是非常令人期待了。即便是在视频会议中也能具有真正面对面的氛围,在旅游节目中也感觉到像是在实地旅游一般,医疗机构也期待着远程医疗能够借助于超高清电视显示更加清晰的影像。
某医疗单位曾在一起手术中实际测试使用了超高清系统,其采用超高清摄像机对兔子的肝脏手术进行全程拍摄,并使用103 in和58 in 2 160线的PDP来进行评估实验,内脏组织的微小变化在PDP上被清晰地反应出来[11]。
6 结语
虽然PDP要实现高精细点距相当困难,但目前成功试制出众多产品也证明了超高清显示是能够在100 in的PDP上实现的。笔者期待着未来超高清电视能够提供给主刀医生以及手术组成员更加准确的判断依据,而且如果能有更多的医生能够对手术的整体情况进行观察,那么手术的安全性也能得到相应的提高。另外如果有着超高清的病例诊断录像,会对超高清电视系统的发展以及医学的进步有很大贡献。
摘要：超高清晰度电视系统的像素是目前普通高清的16倍,是一种典型的大尺寸屏幕显示技术。相对于LCD以及OLED显示器而言,PDP更容易将尺寸做大。给出了等离子显示器的构造与特点,讨论了微型超高清PDP和大尺寸PDP的试制过程,最后介绍了制作大尺寸超高清PDP面临的问题以及应用前景。
关键词：超高清晰度,等离子显示器,大尺寸屏幕
参考文献
[1]邹霁.22.2声道环绕声系统的测试及运用[J].电声技术,2012,36(5):69-73.
[2]打土井正孝,佐藤陽一.PDPテレビの性能向上技術と各種デイスプレイへの優位性[J].月刊ディスプレイ,2005,11(11):31-42.
[3]川原功,笠原光弘.PDPの超高画質化技術.高効率化技術[J].パナソニック技報,2011,56(4):260-264.
[4]HIRANO Y,ISHII K,MOTOYAMA Y,et al.Analysis of the dis charge and VUV radiation characteristics of a ultra-high-resolution PDP cell by3-D computer simulation[C]//Proc.the26th Internation al Display Research Conference.Ohio:[s.n.],2006:282-285.
[5]ISHII K,HIRANO Y,MURAKAMI Y,et al.Spatiotemporal behavior of exited atoms in a discharge cell of a high-resolution AC PDP[C]//Proc.the12th International Display Workshops in conjunction with Asia Display.Kagawa:[s.n.],2005:1491-1494.
[6]村上由紀夫,石井啓二,平野芳邦.スーパーハイビジョンに向けた超高精細プラズマディスプレイの開発[J].NHK技研R&D,2007,103:4-13.
[7]村上由紀夫.スーパーハイビジョンに向けた超高精細PDPの開発[J].月刊ディスプレイ,2005,11(11):11-17.
[8]ISHII K,HIRANO Y,MURAKAMI Y,et al.Development of0.3mm pixel pitch high-resolution AC-PDP for super hi-vision broadcast ing system[C]//Proc.the26th International Display Research Confer ence.Ohio:[s.n.],2006:199-202.
[9]薄井武順,石井啓二,平野芳邦.主観評価によるマルチライン同時走査を用いたPDPの画質[C]//Proc.電子情報通信学会技術研究報告,2009:53-56.
[10]薄井武順,石井啓二,平野芳邦.PDPのマルチライン同時走査駆動法における画素値決定法に関する検討[C]//Proc.映像情報メディア学会冬季大会講演予稿集.[S.l.]:映像情報メディア学会,2010.