Плоские панели

В многолетней истории конкурирующих технологий производства экранов для компьютеров ведущей остается пока технология электронно-лучевых трубок - ЭЛТ (Cathode-Ray Tube - CRT). Мониторы с ЭЛТ оказываются дешевыми и обладают отличной производительностью, формируя устойчивые цветные изображения с высокой разрешающей способностью (resolution).

Однако наряду с достоинствами ЭЛТ обладают и очевидными недостатками: 1. Монитор с ЭЛТ потребляет значительную мощность.
2. Возможна расфокусировка электронных лучей.
3. Возможны нарушение сходимости и вариации цвета по экрану.
4. Высоковольтное напряжение и сильные магнитные поля монитора создают вредное электромагнитное излучение.
5. Мониторы с ЭЛТ имеют большие размеры.

Даже при условии значительных вложений в интенсивные разработки и исследования ЭЛТ в долгосрочном смысле неизбежна победа технологий плоских панелей (Flat Panel Display - FPD). Однако это произойдет не скоро и по оценкам экспертов только в 2004 г. на плоские панели будет приходиться примерно 50% рынка устройств отображения.

Сравнение плоских панелей и ЭЛТ

Физические размеры

Одно из главных достоинств плоских панелей заключается в том, что они компактнее и легче. Благодаря этому панели не только занимают меньше места на рабочем столе, но и могут использоваться там, где громоздкий монитор не помещается. На рисунке показано, что плоская панель 12.1" занимает всего треть пространства рабочего стола по сравнению с монитором 14".

Размер дисплея

Благодаря технологическим достижениям выпускаются цветные плоские панели, совместимые по размеру экрана с традиционными мониторами с ЭЛТ. На рисунке показано, что панель 12.1" (слева) имеет только немного меньшую площадь экрана по сравнению с монитором 14". Начинают выпускаться панели больших размеров 15", 17" и даже больше.

Цвета

Большинство мониторов с ЭЛТ способны отображать 16.7 млн цветов (TrueColor). Некоторые плоские панели могут отображать сотни или тысячи цветов, но новейшие панели отображают цвета TrueColor.

Разрешающая способность

Мониторы с ЭЛТ обычно могут работать с несколькими разрешающими способностями, а плоские панели - только с одной. Иногда можно использовать несколько разрешающих способностей, но при этом изображение не занимает весь экран или ухудшается качество изображения. Небольшие панели до 12" обычно имеют разрешающую способность 640х480 или 800х600, а большинство панелей 14" работают с разрешающей способностью 1024х768 или выше.

Яркость

Обычно яркость для мониторов с ЭЛТ не вызывает особых проблем, но жидкокристаллические панели с задней подсветкой имеют различные уровни яркости. Часто яркость панелей выражают в "нитах" (nits) и это значение составляет от 70 до 250; чем больше это значение, тем ярче отображение.

Угол обзора

Еще одна проблема для LCD-панелей связана с углом обзора (viewing angle). Экран монитора с ЭЛТ можно рассматривать под очень широким углом, практически даже с боков, но плоская панель имеет значительно меньший угол обзора и требует рассмотрения спереди. При рассмотрении сбоку изображение на панели как бы исчезает или его цвета инвертируются. По мере совершенствования технологии плоских панелей эти проблемы решаются.

Потребляемая мощность и электромагнитное излучение

Будучи компактными и удобными, плоские панели имеют еще несколько достоинств. Во-первых, панели потребляют намного меньшую мощность по сравнению с ЭЛТ, а это очень важно для портативных компьютеров. Во-вторых, в плоских панелях в отличие от мониторов с ЭЛТ полностью отсутствует электромагнитное излучение.

Жидкокристаллические дисплеи

Жидкие кристаллы (liquid crystals) были открыты в конце XIX века австрийским ботаником Friedrich Reinitzer, а само название "жидкие кристаллы" вскоре ввел немецкий физик Otto Lehmann. Жидкие кристаллы представляют собой почти прозрачные субстанции, которые обладают свойствами твердых и жидких веществ. Проходящий через жидкие кристаллы свет следует выравниванию образующих их молекул - это свойство твердого вещества. В 60-е годы прошлого века было обнаружено, что заряд жидких кристаллов электричеством изменяет расположение (выравнивание) молекул и, соответственно, способ прохождения света - это свойство жидкостей.

С момента использования в 1971 г. в качестве носителя устройств отображения жидкокристаллические дисплеи (Liquid Crystal Displays - LCD), или LCD-панели, широко применяются в миниатюрных телевизорах, цифровых камерах, видеокамерах и мониторах. Сейчас многие специалисты полагают, что технология LCD-панелей является наиболее вероятной технологией для замены монитора с ЭЛТ. За прошедшие годы технология LCD-панелей значительно усовершенствовалась и современные цветные устройства совсем непохожи на старые громоздкие черно-белые мониторы с ЭЛТ. Сейчас LCD-панели занимают ведущие позиции на рынке ноутбуков и ручных РС, для которых выпускаются два типа дисплеев:

• Относительно дешевые панели на скрученных нематических жидких кристаллах с двойным сканированием (Dual-Scan Twisted Nematic - DSTN).
• Высококачественные панели с тонкопленочными транзисторами (Thin Film Transistor - TFT).

Принципы работы

Технология LCD-панелей опирается на прохождение (пропускание) света. Дисплей работает, пропуская через активный фильтр переменные объемы белого света от задней подсветки (backlight) с фиксированной интенсивностью. Красный, зеленый и синий элементы пиксела формируются с помощью простой фильтрации белого света.

Большинство жидких кристаллов представляют собой органические соединения, состоящие из длинных "палочкообразных" молекул, которые в естественном состоянии выстраиваются так, что их длинные оси примерно параллельны. Можно точно управлять выравниванием этих молекул, размещая жидкий кристалл на поверхности с очень тонкими и точными канавками. Выравнивание молекул следует канавкам, поэтому если канавки параллельны, то и выравнивание молекул становится точно параллельным.

В естественном состоянии молекулы жидких кристаллов выстроены свободно упорядоченным образом и их длинные оси параллельны. Когда они приходят в контакт с поверхностью, имеющей канавки в фиксированном направлении, молекулы выстраиваются параллельно канавкам.

Первый принцип работы LCD-панелей состоит в размещении жидких кристаллов между двумя поверхностями с тонкимии точными канавками, причем канавки на одной поверхности перпендикулярны канавкам на другой. Если молекулы около одной поверхности выравниваются с севера на юг, а молекулы около другой поверхности выравниваются с востока на запад, то находящиеся между ними оказываются скрученными под углом 90 градусов. Свет следует выравниванию молекул и поэтому при прохождении через жидкие кристаллы также скручивается на 90 градусов. Однако сделанное в компании RCA America открытие показало, что когда к жидкому кристаллу прикладывается напряжение, молекулы выстраиваются вертикально, разрешая свету проходить не скрученным.

Второй принцип работы LCD-панелей опирается на свойства поляризующего светофильтра и самого света. Естественные световые волны ориентированы под произвольными углами. Поляризующий светофильтр представляет собой набор очень тонких параллельных прямых. Эти прямые действуют как сетка, блокируя все световые волны кроме тех, которые (случайно) ориентированы параллельно прямым. Поэтому второй поляризующий светофильтр с линиями, перпендикулярными линиям первого, будет полностью блокировать уже поляризованный свет. Свет пройдет через второй поляризатор, если только его прямые точно параллельны прямым первого поляризатора или если сам свет перекручен для соответствия второму поляризатору.

Типичная панель на скрученных нематических (Twisted Nematic - TN) жидких кристаллах состоит из двух поляризующих фильтров, линии которых перпендикулярны; такие фильтры, как показано ранее, блокируют весь пытающийся пройти через них свет. Между поляризаторами находятся скрученные жидкие кристаллы. В результате поляризованный первым фильтром свет скручивается на 90 градусов жидкими кристаллами, что позволяет ему полностью пройти через второй поляризующий фильтр. Однако когда на жидкие кристаллы подается электрическое напряжение, молекулы выравниваются по вертикали, при этом свет проходит нескрученным и блокируется вторым поляризатором. Следовательно, отсутствие напряжения разрешает прохождение света, а подача напряжения запрещает прохождение света.

Жидкие кристаллы в LCD-панели можно альтернативно перестраивать так, что свет проходит при подаче напряжения и не проходит при отсутствии напряжения. Однако поскольку экраны компьютеров с графическими интерфейсами почти всегда светятся, можно сэкономить мощность, применяя конфигурацию "отсутствие напряжения эквивалентно прохождению света".

Характеристики

Характеристики LCD-панелей значительно отличаются от соответствующих характеристик дисплеев на ЭЛТ. LCD-панели имеют меньшие габариты, потребляют меньшую мощность, на них отсутствует мерцание, а геометрия более совершенна. С другой стороны, стоимость LCD-панелей выше, угол обзора меньше и цветопередача хуже.

Если ЭЛТ способны отображать изображения с целым набором разрешающих способностей и масштабируют изображения в соответствии с размером экрана, то LCD-панель имеет фиксированное число жидкокристаллических ячеек и может отображать изображения только с одной разрешающей способностью на весь экран, используя одну ячейку на пиксел. Можно отображать изображения с меньшей разрешающей способностью, используя только часть экрана. Например, панель, имеющая 1024x768 пикселов может отображать изображения с разрешающей способностью 640х480, используя только 66% экрана. Большинство LCD-панелей могут увеличивать масштаб изображений с низкой разрешающей способностью на весь экран с помощью пропорционального расширения. Однако этот прием лучше работает с полутоновыми изображениями, например с фотографиями, чем с текстом или детальными изображениями, на которых могут появиться искажения, например "зазубрины". Лучшие результаты получаются в LCD-панелях, которые при увеличении масштаба "пересчитывают" (resample) весь экран, но этой возможностью обладают не все LCD-панели.

В отличие от мониторов с ЭЛТ диагональный размер LCD-панели совпадает с областью просмотра (viewable area), так как здесь нет потерь на краевые участки ЭЛТ. В результате любая LCD-панель соответствует такому размеру ЭЛТ, который на 2-3 дюйма больше (см. таблицу слева). К началу 1999 г. большинство лидирующих производителей плоских панелей освоили выпуск TFT-панелей 18.1" с естественной разрешающей способностью 1280x1024.

ЭЛТ имеет три электронных пушки и формируемые ими электронные лучи должны точно сходиться для получения четкого изображения. В LCD-панелях нет проблем сходимости, поскольку каждая ячейка включается и выключается индивидуально. Это обстоятельство является одной из причин того, что текст на LCD-панели выглядит более четко. В LCD-панели не нужно беспокоиться о частотах регенерации и мерцании - LCD-ячейки либо включены, либо выключены, поэтому изображение, отображаемое с частотой регенерации 40-60 Гц не должно вызывать большего мерцания, чем при частоте регенерации 75 Гц.

Однако вполне возможно, что одна или несколько ячеек на LCD-панели окажутся дефектными. На цветной панели 1024x768 для каждого пиксела имеются три ячейки - для красного, зеленого и синего цветов, поэтому число ячеек составляет почти 2.4 млн (1024 x 768 x 3 = 2 359 296). Существует ничтожная вероятность того, что все ячейки окажутся совершенными; гораздо более вероятно, что некоторые из них будут постоянно включены (создавая дефект свечения) или выключены (создавая дефект темноты). Некоторые пользователи считают, что большая стоимость LCD-панелей гарантирует им совершенные экраны, но это, к сожалению, не совсем так.

LCD-панели имеют и другие элементы, которых нет в ЭЛТ. Панели подсвечиваются флюоресцентными трубками, которые находятся сзади экрана. Иногда панель в некоторых местах экрана отображает более яркие линии, чем в других. Кроме того, могут возникать "призрачные" элементы, когда особенно яркое или темное изображение влияет на соседние участки экрана. Наконец, фрагменты с тонкими линиями, например клишированные изображения, могут вызвать появление дрожащего муара, или интерференционного узора.

Проблемы с небольшим углом обзора в LCD-панелях возникают потому, что принцип их действия опирается на пропускающую систему, которая модулирует проходящий свет, а ЭЛТ опираются на эмиссию света. В эмиссионном дисплее на внутренней поверхности экрана имеется люминофор, излучающий свет, который виден под большими углами. В LCD-панели при прохождении через целевой пиксел излучаемый свет проходит и через другие пикселы, вызывая искажение цвета.

Раньше LCD-панели подключались к компьютеру через 15-контактный аналоговый VGA-порт и с помощью аналого-цифрового преобразователя аналоговые выходные сигналы компьютера преобразовывались в цифровые сигналы для панели. Однако Ассоциация VESA разработала спецификацию для цифрового видеопорта, поэтому сейчас LCD-панели имеют аналоговые и цифровые входы. По мере все более широкого распространения LCD-панелей компьютеры и графические карты должны иметь цифровые выходные порты.

DSTN-панели

Обычная LCD-панель с пассивной матрицей состоит из нескольких слоев. Первый слой состоит из стеклянной пластины, покрытой оксидом металла. Используемое стекло имеет высокую прозрачность, поэтому оно не влияет на качество изображения. Этот слой действует как сетка электродов строк и столбцов, в которые подается ток, необходимый для активизации элементов экрана. Поверх этого слоя нанесен полимер, имеющий параллельные бороздки для выравнивания молекул жидких кристаллов в нужном направлении. Этот слой называется выравнивающим слоем (alignment layer) и он повторяется еще на одной стеклянной пластине, которая имеет несколько буртиков, обеспечивающих постоянное расстояние между двумя пластинками, когда они складываются друг с другом.

Затем края пластин склеиваются эпоксидной смолой, но в одном углу оставляется промежуток. Через него в вакууме между пластинками вводится жидкокристаллический материал и после этого вся конструкция герметизируется. В первых моделях LCD-панелей технологический процесс был неотработан, поэтому на экранах появлялись "зависшие" или "потерянные" пикселы там, где жидкокристаллический материал не достигал всех участков экрана.

Затем на внешних поверхностях каждой стеклянной пластинки формируются поляризующие слои, соответствующие ориентации выравнивающих слоев. В DSTN-панели ориентация выравнивающих слоев изменяется между 90 и 270 градусами в зависимости от общего поворота находящихся между ними жидких кристаллов. Затем образуется подсветка обычно в виде флюоресцентных трубок с холодным катодом, которые размещаются вдоль верхнего и нижнего краев панели. Свет от этих трубок распределяется по панели с помощью пластиковых направляющих или призм.

Появляющееся на экране изображение создается этим светом при прохождении им слоев панели. Когда на LCD-панель не подается мощность, свет от подсветки поляризуется вертикально задним фильтром и преломляется цепями молекул в жидком кристалле таким образом, что он проходит через передний горизонтально поляризующий фильтр. Подача напряжения перестраивает жидкие кристаллы так, что свет не проходит, и на экране появляется темный пиксел. В цветных LCD-панелях просто используются дополнительные фильтры красного, зеленого и синего цветов для трех отдельных LCD-элементов с целью создания одного многоцветного пиксела.

Однако реакция самой LCD-панели при использовании пассивной матрицы оказывается слишком медленной. Отображение содержания быстро изменяющейся сцены, например видео или быстрых движений мыши, часто получается "смазанным", так как панель не может отслеживать изменений содержания. Кроме того, при работе пассивной матрицы возникает "призрачность" (ghosting) - участок с включенными пикселами вызывает тень на выключенных пикселах в тех же строках и столбцах. Эффект призрачных изображений можно значительно уменьшить, разделяя экран на две половины и регенерируя половины независимо. Производителями разработаны и другие способы улучшения качества изображений на панелях с пассивными матрицами.

В LCD-панелях применяются новые алгоритмы, которые анализируют входные видеосигналы и корректируют искажения, вызывающие полосы - призрачные прямые, которые остаются на экране после прекращения отображения настоящих прямых. Компания Sharp, которая выпускает от 30% до 40% процентов LCD-панелей для рынка настольных и портативных компьютеров, называет этот способ Sharp Addressing и заявляет, что он применяется в большинстве новых панелей с двойным сканированием.

Другие эволюционные разработки позволяют повысить скорость и контраст панелей с двойным сканированием. В большинстве обычных DSTN-панелей применяются материалы, имеющие время реакции около 300 мс, т.е. более трети секунды. Такая медленная реакция и соответствующее время затухания являются основной причиной призрачных изображений и следов объектов при отображении быстро изменяющихся изображений. Примером могут служить заметные следы курсора мыши при быстром движении мыши пользователем. Другие жидкокристаллические материалы имеют время реакции до 150 мс, но простое использование более быстрого материала без других изменений вызывает мерцание.

Создание цвета

Чтобы создать оттенки, необходимые для получения полноцветного изображения, необходимы промежуточные уровни яркости от "полного света" до "полной темноты". Переменные уровни яркости, требуемые для создания полноцветного изображения, получаются путем изменения напряжения, подаваемого на жидкие кристаллы. Фактически жидкие кристаллы раскручиваются пропорционально приложенному напряжению, что позволяет управлять величиной проходящего света. На практике изменения напряжения современных LCD-панелей допускают создание только 64 оттенков элемента (6 битов) в отличие от полноцветных мониторов с ЭЛТ, которые могут создавать 256 оттенков (8 битов). При использование трех элементов на пиксел это означает, что цветные LCD-панели позволяют получить максимум 262 144 цветов (18 битов) по сравнению с 16 777 216 цветами (24 бита) в мониторах с цветными ЭЛТ.

По мере все более широкого распространения мультимедийных приложений отсутствие 24-битового цвета в LCD-панелях становится серьезным ограничением. Если 18 битов вполне достаточно для большинства приложений, но их недостаточно для обработки фотографий и работы с видео. В некоторых LCD-панелях глубина цвета расширяется до 24 битов, путем отображения чередующихся оттенков в последовательных кадрах при регенерации; этот способ называется управлением частотой кадров (Frame Rate Control - FRC). Но если различие слишком велико, начинает восприниматься мерцание.

Панели на тонкопленочных транзисторах

Многие компании в производстве цветных панелей используют технологию тонкопленочных транзисторов (Thin Film Transistor - TFT). В TFT-панели, называемой также активной матрицей (active matrix), к LCD-панели подключается дополнительная матрица транзисторов - по одному транзистору для пиксела каждого цвета (RGB). Эти транзисторы управляют пикселами, устраняя проблемы призрачных изображений и медленной скорости реакции обычных LCD-панелей. В результате время реакции снижается до 25 мс, контраст находится в диапазоне от 200:1 до 400:1, а яркость составляет от 200 до 250 кандел на квадратный метр.

Жидкокристаллические элементы каждого пиксела устроены так, что в их обычном состоянии (когда напряжение не подано) свет, проходящий через пассивный фильтр, поляризуется "неправильно" и потому блокируется. Но когда на жидкокристаллические элементы подается напряжение, они скручиваются на угол до 90 градусов пропорционально напряжению, что изменяет их поляризацию и приводит к пропусканию света. Транзисторы управляют степенью скручивания и, следовательно, интенсивностью красного, зеленого и синего элементов каждого пиксела, образуя цветное изображение на экране.

TFT-панели можно сделать тоньше и легче по сравнению с LCD-панелями и они работают примерно в десять раз быстрее DSTN-панелей. Для разрешающей способности VGA требуется 921 000 транзисторов (640 x 480 x 3), а для разрешающей способности 1024x768 требуется 2 359 296 транзисторов и каждый должен быть работоспособным. Всю матрицу транзисторов необходимо производить на одной дорогой кремниевой подложке и наличие всего двух дефектов заставляет выбрасывать всю матрицу. Это приводит к низкому коэффициенту выхода годных и является основной причиной высокой стоимости TFT-панелей, а также объясняет, почему на любой TFT-панели имеется несколько дефектных пикселов, транзисторы которых неработоспособны.

Имеются два обстоятельства, определяющих дефектный LCD-пиксел:

• "Светящиеся" пикселы, которые выглядят как один или несколько случайно расположенных элементов красного, зеленого и/или синего цвета на черном фоне.
• "Отсутствующий" (или "мертвый") пиксел, который выглядит как черная точка на белом фоне.

Первый дефект встречается чаще и появляется в результате закороченного транзистора, что приводит к появлению постоянно включенного (красного, зеленого или синего) пиксела. К сожалению, после сборки панели восстановить транзистор невозможно, но с помощью лазера дефектный транзистор можно удалить. Однако при этом возникают черные точки на белом фоне. Постоянно включенные пикселы являются распространенным явлением при производстве LCD-панелей и производители устанавливают предел на то, сколько дефектных пикселов допустимы для данной модели LCD-панели с учетом стоимости производства. Цель введения этих пределов состоит в том, чтобы поддерживать приемлемую стоимость панелей, вместе с тем минимизируя раздражение пользователей из-за дефектных пикселов. Например, панель с естественной разрешающей способностью 1024x768, содержащая 2 359 296 (1024 x 768 x 3) пикселов, из которых 20 пикселов дефектные, имеет частоту дефектных пикселов 20/(2 359 296)*100 = 0.0008%.

В обычной LCD-панели, когда один конец жидкого кристалла зафиксирован и подается напряжение, кристалл раскручивается, изменяя угол поляризации проходящего света. Компании Hitachi, Hosiden и NEC разработали панели по технологии плоского переключения (In-Plane Switching - IPS), которая улучшает угол обзора LCD-панелей. Здесь кристаллы являются горизонтальными, а не вертикальными, и электрическое поле подается между каждым концом кристалла. Этот способ значительно расширяет угол обзора, но на каждый пиксел требуется два транзистора вместо одного в стандартной TFT-панели. Использование двух транзисторов означает, что в пропускании света не участвует большая прозрачная площадь панели. Для повышения яркости изображения необходимо использовать более яркие подсветки, а это ведет к увеличению потребляемой мощности и делает такие панели непригодными для ноутбуков.

В середине 1997 г. компания Fujitsu выпустила LCD-панель с новым жидкокристаллическим материалом, молекулы которого в естественном состоянии горизонтальны. В результате удалось достичь такого же эффекта, что и в технологии IPS, но без введения дополнительных транзисторов. Такие LCD-панели выпускаются до сих пор, поскольку они обеспечивают угол обзора в 140 градусов, обладают улучшенным временем реакции и имеют коэффициент контраста 300:1 без необходимости расходования дополнительной мощности.

В середине 1997 г. компания Sharp показала новые возможности технологии TFT, объединив две LCD-панели 29" в одну экспериментальную панель 40". Однако промышленное производство таких панелей не было освоено. Примерно в то же время компания NEC выпустила LCD-панель 20" по обычной технологии TFT. Эта панель LCD2000 способна отображать 1280x768 пикселов с 24-битовым цветом и наглядно иллюстрирует, как совершенствование технологии и рыночная конкуренция влияют на ценовую политику. Несмотря на то, что панель LCD2000 довольно дорога, но стоимость ее оказалась такой же, как у модели 15". Таким образом, достигнуто увеличение площади экрана на 75% без увеличения стоимости.

Однако при разработке больших панелей с активной матрицей возникает еще одна серьезная проблема. По мере повышения разрешающей способности увеличивается число соединений. Например, для управления матрицей из 1024х768 пикселов требуются два набора соединений: 1024 соединения для столбцов и 768 для строк. В результате к матрице необходимо провести почти 2000 проводников от схемы контроллера. В долгосрочной перспективе планируется интегрировать электронику контроллера с электроникой TFT-матрицы для снижения стоимости и улучшения технологичности.

Новые типы панелей

Несколько компаний пытаются разработать панели, занимающие промежуточное место между DSTN- и TFT-панелями. В гибридных пассивных панелях (Hybrid Passive Display - HPD), разработанных компаниями Toshiba и Sharp, применяется другая консистенция жидкокристаллического материала, что обеспечивает некоторое повышение качество изображений при незначительном повышении стоимости. Жидкие кристаллы с пониженной вязкостью могут быстрее переключаться из одного состояния в другое и наоборот. Совместно с увеличенным числом управляющих импульсов, подаваемых в каждую строку пикселов такая новинка означает, что производительность LCD-панели по технологии HPD превосходит DSTN-панель и приближается к производительности LCD-панели с активной матрицей. Например, время реакции ячеек DSTN-панели составляет 300 мс, TFT-панели 25 мс, а HPD-панели 150 мс. Коэффициент контраста повышается с обычного значения 40:1 до 50:1.

В еще одном способе, который называется многострочной адресацией (multiline addressing), производится анализ входного сигнала и переключение панели так быстро, как позволяет конкретное изображение. Компания Sharp разработала собственный вариант этого способа под названием Sharp Addressing и теперь он применяется в мониторах и ноутбуках. Такая панель нового поколения не образует призрачных изображений и формирует изображения, качество и углы обзора которых приближают ее в TFT-панелям. Вариант рассмотренного способа, разработанный компанией Hitachi, называется высокопроизводительной адресацией (High Performance Addressing - HPA).

Компания Canon успешно производит разновидность LCD-панелей с использованием ферроэлектрических кристаллов. Если традиционные DSTN-панели имеют время реакции 300 мс, то время реакции ферроэлектрических LCD-панелей примерно в 1000 раз меньше. Эти панели обладают еще одним уникальным свойством - они бистабильны, т.е. пиксел не требует непрерывного питания для поддержания его во включенном или выключенном состоянии; питание требуется только для изменений состояния. Данное свойство потенциально позволяет снизить потребляемую мощность. Однако технология таких панелей сложнее технологии обычных LCD-панелей.

В конце 90-х годов прошлого века группа японских компаний решила по-новому взглянуть на отражающие LCD-панели. В прошлом отражающие монохроматические LCD-панели не получили широкого распространения, что заставило перейти на производство панелей с подсветкой и активными матрицами. Однако объединение технологии пассивной матрицы с подсветкой несколько противоречит самой идее плоской панели. LCD-панели без подсветки могут быть тоньше, легче и экономичнее, что очень важно для ручных компьютеров и субноутбуков.

Были поставлены конкретные цели по разработке отражающих LCD-панелей: увеличение срока службы батарей и достижение качества отражательности, соответствующего качеству печати газет. Ожидается, что такое качество обеспечит коэффициент контраста 5:1.

Поликремниевые панели

Тонкопленочные транзисторы, которые управляют отдельными ячейками в традиционной LCD-панели с активной матрицей, формируются из аморфного кремния (a-Si), осаждаемого на стеклянную подложку. Достоинство аморфного кремния заключается в том, что он не требует высокой температуры, поэтому в качестве подложки можно использовать дешевое стекло. Однако некристаллическая структура аморфного кремния препятствует быстрому движению электронов, поэтому для управления требуется довольно мощная схема драйвера.

Еще в первых исследованиях плоских панелей было открыто, что гораздо лучшим материалом оказывается кристаллический или поликристаллический кремний. К сожалению, для использования этих материалов требуется очень высокая температура - более 1000 градусов Цельсия. В свою очередь, чтобы подложка выдержала такую температуру, необходимо использовать кварцевое или специальное стекло. Однако в конце 90-х годов прошлого века были разработаны низкотемпературные (температура около 450 градусов) поликремниевые (p-Si) TFT-панели. Первоначально они применялись только в таких устройствах, где нужен небольшой экран, например в проекторах и цифровых камерах.

Одним из самых дорогих элементов в стандартной TFT-панели оказываются схемы внешнего драйвера, которая требует много внешних соединений к стеклянной панели, так как для каждого пиксела требуются свои выбирающие проводники. Для этого требуются дискретные логические элементы на печатных платах вокруг периферии панели, которые ограничиваются размером корпуса. Основная привлекательность технологии p-Si заключается в том, что повышенная экономичность транзисторов позволяет сделать схемы драйверов и периферийной электроники составной частью панели. При этом значительно сокращается число компонентов для конкретной панели; по оценкам специалистов компании Toshiba число компонентов сокращается на 40%, а число соединений составляет только 5% соединений обычной панели. Технология позволяет производить более тонкие и легкие панели и "втиснуть" в существующие корпуса панели с большей разрешающей способностью. Большая прочность панелей на основе p-Si позволит использовать для портативных компьютеров более дешевые пластиковые корпуса.

В 1999 г. компания Toshiba выпустила первые в мире коммерческие низкотемпературные поликремниевые (Low-Temperature p-Si - LTPS) панели 8.4" и 10.4" для ноутбуков. Ожидается, что технология позволит разработать LTPS-панели, в которых тонкопленочные транзисторы осаждаются на гибкую пластиковую подложку - в перспективе просматриваются сворачивающиеся панели для ноутбуков!

Сравнение характеристик панелей и ЭЛТ

В следующей таблице приведены характеристики LCD-панелей 13.5", имеющих пассивную (PMLCD) и активную (AMLCD) матрицу, с монитором 15" на ЭЛТ:

Коэффициент контраста показывает, насколько ярче выход чистого белого цвета по сравнению с выходом чисто черного. Чем выше контраст, тем резче изображение и тем более чистым будет выход белого света. По сравнению с LCD-панелями коэффициент контраста у ЭЛТ намного больше.

Время реакции измеряется в миллисекундах и показывает временной интервал, который требуется каждому пикселу для реагирования на команду от контроллера панели. Время реакции является характеристикой только LCD-панелей из-за того способа, как они формируют свой сигнал. Панель с активной матрицей имеет намного лучшее время реакции, чем панель с пассивной матрицей. Понятие времени реакции для мониторов с ЭЛТ отсутствует (электронный луч практически мгновенно возбуждает люминофор).

Имеется много разных способов измерения яркости. Чем выше уровень яркости (показанный в приведенной таблице большим числом), тем ярче отображение белого цвета. Долговечность LCD-панелей показана в таблице как среднее время между отказами. Например, при непрерывной работе панель будет иметь среднюю долговечность в 60 000 часов (примерно 6.8 лет) до выхода из строя. Долговечность ЭЛТ намного больше. Но если панель просто выходит из строя, то ЭЛТ со временем "тускнеет" и на практике примерно через 40 000 часов работы не обеспечивает яркости, соответствующей стандарту Международной Организации по Стандартизации.

Цифровые панели

Важное различие между мониторами с ЭЛТ и LCD-панелями заключается в том, что первые для формирования изображения требуют аналоговые сигналы, а вторые - цифровые сигналы. Это усложняет настройку LCD-панели для получения высококачественного изображения и создает трудности для панелей, которые не имеют средств автоматической настройки и требуют производить ее вручную.

Проблема возникает потому, что большинство панелей спроектированы на использование с современными графическими картами, которые имеют аналоговые выходы. В этой ситуации внутри РС формируются цифровые сигналы, графическая карта преобразует их в аналоговые сигналы, они подаются в LCD-панель, где вновь преобразуются в цифровые сигналы. Для правильной работы оба преобразования необходимо настроить так, чтобы их генераторы синхронизации работали с одинаковыми частотами и фазами. Обычно для этого требуется настроить частоту и фазу для преобразователя в LCD-панели так, чтобы они соответствовали параметрам графической карты.

Проще и эффективнее управлять LCD-панелью, если убрать двухэтапный процесс преобразования и управлять панелью прямо цифровыми сигналами. Рынок LCD-панелей расширяется с каждым месяцем и он оказывает все большее давление на производителей графических карт, чтобы они выпускали карты с цифровым выходом.

Работы по определению и стандартизации цифрового интерфейса для видеомониторов, проекторов и панелей начались еще в 1996 г., но продвигались очень медленно, заставляя производителей разрабатывать собственные интерфейсы. Одним из первых стал широко применяться цифровой интерфейс низковольтной дифференциальной сигнализации (Low-Voltage Differential Signaling - LVDS). Этот низковольтный и низкоскоростной протокол оптимизирован на кабели ультракороткой длины и сигналы очень малой мощности, характерные для лаптопов. Усилия по распространению этого протокола на внешние настольные панели провалились, когда конкурирующие производители микросхем - компании Texas Instruments и National Semiconductor - решили продвигать свои несовместимые варианты интерфейса FPD-Link и Flat-Link. Не были признаны на уровне стандарта и другие разработки, например Digital Flat Panel (DFP) компании Compaq, Plug and Display Ассоциации VESA и OpenDL компании National Semiconductor.

Наконец, в сентябре 1998 г. Рабочая Группа по цифровым дисплеям (Digital Display Working Group - DDWG) совместно с Форумом Intel Developer Forum решили совместно "с нуля" разработать интерфейс цифровых дисплеев. Пытаясь устранить существующую путаницу в стандартах цифровых дисплеев, Рабочая Группа DDWG, в которую входили такие крупные и известные компании, как Intel, Compaq, Fujitsu, Hewlett-Packard, IBM, NEC и Silicon Image, решила разработать универсальную и подходящую для всех спецификацию. Группа надеялась, что мощь фирмы Intel поможет установить промышленный стандарт примерно так, как она смогла "победить" шину VL Bus своей шиной PCI.

В апреле 1999 г. Рабочая Группа DDWG утвердила первый вариант спецификации цифрового визуального интерфейса (Digital Visual Interface - DVI). Эта спецификация приблизила реализацию элегантного высокоскоростного полностью цифрового интерфейса для дисплеев, который оказался довольно дорогим.

Цифровой визуальный интерфейс (DVI)

Технической основой сигнального протокола DVI послужила технология PanelLink компании Silicon Image. Эта технология реализует высокоскоростной последовательный интерфейс, который для передачи данных в монитор использует дифференциальную сигнализацию с минимизацией переходов (Transition Minimised Differential Signalling - TMDS). Поскольку интерфейсы DFP и VESA Plug and Display также используют PanelLink, интерфейс DVI может работать с этими прежними интерфейсами с помощью кабелей-адаптеров.

Термин "минимизация переходов" (transition minimised) означает уменьшение числа переходов сигнала от высокого уровня к низкому и от низкого уровня к высокому. Термин "дифференциальная" описывает метод передачи сигнала с использованием пары взаимно дополнительных сигналов. Этот интерфейс формирует сбалансированную по постоянному току последовательность символов с управляемыми переходами из входной последовательности байтов данных. При этом селективно инвертируются длинные цепочки единиц и нулей, чтобы поддерживать уровень напряжения постоянного тока сигнала центрированным относительно порога, который определяет, является ли принятый бит данных уровнем напряжения 1 или уровнем напряжения 0. Кодирование использует алгоритм минимизации числа переходов, что помогает избежать чрезмерных уровней электромагнитных помех (ElectroMagnetic Interference - EMI) в кабеле, что позволяет повысить скорость передачи и улучшить точность.

Архитектура TMDS-линии состоит из TMDS-передатчика, который кодирует и последовательно передает поток данных по TMDS-линии в TMDS-приемник. Каждая линия образована тремя каналами данных для информации RGB, причем каждый канал имеет свой кодер. В операции передачи каждый кодер формирует один 10-битовый закодированный в TDMS символ либо из двух битов управляющих данных, либо из восьми битов пикселных данных, обеспечивая непрерывный поток последовательных TMDS-символов. Первые восемь битов представляют собой закодированные данные, девятый бит идентифицирует метод кодирования, а десятый бит используется для балансировки по постоянному току. Сигнал синхронизации обеспечивает эталон скорости символов для TDMS, который позволяет приемнику сформировать сигнал скорости опроса битов для поступающих последовательных потоков данных.

На приемной стороне TMDS-приемник самосинхронизируется по границам символов в каждом из последовательных потоков данных, а затем восстанавливает и декодирует TMDS-символы. Вся необходимая для синхронизации приемника информация содержится в потоке TMDS-данных.

Известный физический принцип "медный барьер" (Copper Barrier) ограничивает объем данных, который можно "втиснуть" в один медный проводник. Предел примерно соответствует ширине полосы пропускания 165 МГц, что соответствует 165 млн пикселов в секунду. Таким образом, полоса пропускания конфигурации DVI с одной линией может передавать изображения Ultra XGA (1600х120 пикселов) с частотой регенерации 60 Гц. Фактически DVI допускает до двух линий TMDS, предоставляя полосу пропускания, достаточную для передачи цифровых изображений с разрешающей способностью HDTV (1920x1080), QXGA (2048x1536) и даже выше. Две линии разделяют одну и ту же синхронизацию, поэтому полосу пропускания можно разделить между ними поровну. Система допускает работу с одной или обеими линиями в зависимости от возможностей монитора.

Интерфейс DVI также воспринял положительные свойства других средств, встроенных в имеющиеся стандарты дисплеев. Например, он поддерживает спецификации канала данных дисплея (Display Data Channel - DDC) и расширенных данных идентификации дисплея (Extended Display Identification Data - EDID) Ассоциации VESA. Эти спецификации позволяют монитору, графическому адаптеру и компьютеру взаимодействовать и автоматически конфигурировать систему на поддержку различных возможностей, имеющихся в мониторе.

Новый цифровой интерфейс для дисплеев поставил классическую проблему "курицы и яйца". Производители графических карт не могут выбросить аналоговый кабель для ЭЛТ в миллионах имеющихся РС, а производители LCD-панелей не могут перейти на цифровой интерфейс, если его не поддерживают графические карты. Эта проблема решена в DVI с помощью двух типов разъемов:

• DVI-Digital (DVI-D) - поддерживает только цифровые дисплеи.
• DVI-Integrated (DVI-I) - поддерживает цифровые дисплеи и обратную совместимость с аналоговыми дисплеями.

Разъемы тщательно спроектированы так, что только цифровое устройство нельзя подключить к только аналоговому устройству, но оба устройства можно подключить к разъему, который поддерживает оба типа интерфейса. Цифровой разъем использует 24 контакта, которых достаточно для двух полных каналов TMDS, а также поддержки спецификаций VESA DDC и EDID. Фактически разъемы DVI для одной линии реализуют только 12 из 24 контактов, а разъемы для двух линий реализуют все 24 контакта. Интерфейс DVI-D предназначен для 12- или 24-контактной вилки разъема DVI от цифровой плоской панели. Интерфейс DVI-I рассчитан на 12- или 24-контактную вилку разъема DVI или новый тип аналогового разъема, который использует четыре дополнительных контакта и вилку земляной плоскости для поддержания постоянного импеданса для аналоговых RGB-сигналов. Розетка DVI-I имеет отверстие, напоминающее знак плюс, для реализации аналогового соединения; розетка DVI-D такого отверстия не имеет. Вместо стандартных цилиндрических штырьков обычных разъемов штырьки DVI сплющены и перекручены для создания соединения типа Low Force Helix (LFH), которое обеспечивает более надежное и устойчивое соединение между кабелем и разъемом.

Конечно, появление широко распространенного чисто цифрового интерфейса также ставит вопросы о защите авторского права, так как пираты могут использовать интерфейс для создания совершенных копий защищенного материала из сигналов DVD и HDTV. Для решения этой проблемы фирма Intel предложила спецификацию шифрования под названием зашита широкополосного цифрового содержания (High-Bandwidth Digital Content Protection - HDCP). Используя специальные схемы в графическом адаптере и мониторе, HDCP будет шифровать данные в РС до передачи в устройство отображения, где данные будут дешифроваться. DVI-карты со схемами HDCP будут способны определять, подключено ли к ним устройство отображения, оснащенное средствами HDCP. Если таких средств не обнаруживается, карта сможет защитить отображаемое содержание, несколько понижая качество изображения.

Спецификация HDCP на практике понадобится тогда, когда РС будут использоваться для вывода изображений на телевизоры высокой четкости HDTV и другие потребительские устройства. Возможно, что в будущем при первом показе фильмы будут доставляться прямо в дома пользователей и отображаться с помощью РС, подключенного к телевизору HDTV. Вполне очевидно, что без средств типа HDCP для защиты содержания Голливуд будет противиться распространению фильмов таким способом.

Плазменные панели

Плазменная панель (Plasma Display Panel - PDP) похожа на ЭЛТ тем, что она излучает свет с помощью люминофоров, и похожа на LCD-панель тем, что в ней используется сетка электродов по осям X и Y, разделенных диэлектрическим слоем из MgO и окруженных смесью инертных газов, например аргона, неона или ксенона, для адресации отдельных элементов изображения.

Работа плазменной панели основана на том, что при подаче высокого напряжения на разреженный газ излучается свет. По существу, PDP-панель можно считать матрицей крошечных флюоресцентных трубок со сложными схемами управления. Каждый пиксел, или ячейка, содержит небольшой конденсатор с тремя электродами. Электрический разряд через электроды заставляет находящийся в ячейке разреженный газ при ионизации переходить в состояние плазмы. Плазма представляет собой электрически нейтральную сильно ионизированную субстанцию, которая состоит из электронов, положительных ионов и нейтральных частиц. Будучи электрически нейтральной, она содержит равные числа электронов и ионов и по определению является хорошим проводником. Активизированные ячейки плазмы освобождают ультрафиолетовый (UltraViolet - UV) свет, который затем возбуждает красный, зеленый и синий люминофоры на передней стороне каждого пиксела, вызывая их свечение.

Внутри каждой ячейки фактически имеются три субячейки, которые содержат красный, зеленый и синий люминофоры. Для получения цветовых оттенков необходимо независимо управлять видимой интенсивностью каждого RGB-цвета. Если в ЭЛТ для этого модулируются электронные лучи, что приводит к изменению яркости излучаемого света, то в PDP-панелях применяется импульсно-кодовая модуляция (Pulse Code Modulation - PCM). При разделении одного поля на восемь подполей и взвешивания для каждого ширину импульса соответственно битам в 8-битовом слове, можно установить ширины адресующих импульсов из 256 значений. Поскольку глаз намного медленнее, чем PCM, он интегрирует интенсивность со временем. Модуляция ширин импульсов рассмотренным способом дает 256 различных интенсивностей каждого цвета, а общее число цветовых комбинаций составляет 256 x 256 x  256 = 16 777 216.

Тот факт, что PDP-панели являются излучающими и используют люминофоры, означает, что они имеют хороший угол обзора и отличную цветопередачу. Вначале у PDP-панелей были проблемы с интерференцией между PCM и быстрыми движущимися изображениями, но они были преодолены с помощью точной настройки схемы PCM. Обычные плазменные экраны традиционно имеют малый контраст. Это объясняется необходимостью "подготовки" ячеек подачей постоянного небольшого напряжения на каждый пиксел. Без такой подготовки плазменные ячейки имели бы такое же плохое время реакции, как осветительные флюоресцентные трубки, и применять их на практике было бы нельзя. Однако в результате пикселы, которые должны быстро переключаться, даже в выключенном состоянии излучают некоторый свет, что приводит к ухудшению контраста. В конце 90-х годов прошлого века компания Fijitsu решила эту проблему новой технологией управления, которая повышает коэффициент контраста с 70:1 до 400:1. Некоторые производители обещают в будущем довести коэффициент контраста до 500:1.

Самое большое препятствие, которое должны преодолевать плазменные панели, связано с невозможностью плавного перехода от полностью белого к полностью черному. Особенно заметно небольшое число оттенков серого, поэтому при просмотре фильмов или другого видео с темными сценами заметен эффект растеризации. В техническом плане эта проблема вызывается недостаточным квантованием, или оцифровкой, уровней яркости. Поэтому до сих пор отображение черного остается проблемой для плазменных панелей.

Производственный процесс PDP-панелей проще по сравнению с LCD-панелями, а их стоимость сравнима со стоимостью ЭЛТ. Если при производстве TFT-панелей применяются фотолитографические и высокотемпературные процессы в чистых помещениях, то PDP-панели можно производить в менее чистых помещениях с использованием низкотемпературных и дешевых процессов прямой печати. Однако приходится учитывать сравнительно небольшой срок службы панелей примерно 10 000 часов и удельная стоимость, приходящаяся на час, оказывается довольно высокой.

Однако самым серьезным ограничением плазменных панелей является размер пиксела. Современный уровень технологии не позволяет получить размеры пикселов менее 0.3 мм и перспективы также неутешительны. Поэтому маловероятно, что PDP-панели будут в массовом порядке применяться в настольных РС. Однако их целесообразно применять при отображении данных на большие экраны размером от 25" до 70".

Продолжительное время лидерами на рынке плазменных панелей были японские компании Fujitsu и Hitachi. Однако в последнее время было запатентовано несколько новинок в технологии их производства и сейчас многие крупные компании считают, что плазменные панели превратятся в массовый потребительский продукт в 2002 г. По экспертным оценкам в этом году будет выпущено более 360 тыс устройств, что соответствует увеличению производства в семь раз по сравнению с 1998 г.

Панель ALiS

Компания Fujitsu разрабатывает новый тип плазменной панели, в котором преодолеваются ограничения малой разрешающей способности обычных PDP-панелей. Технология этой панели называется чередующейся подсветкой поверхностей (Alternate Lighting of Surfaces - ALiS) и в ней вместо прогрессивного сканирования применяется чересстрочное сканирование. Разработка данной панели стимулируется развитием цифрового телевидения. Чтобы плазменные панели могли конкурировать на этом новом и потенциально выгодном рынке, они должны поддерживать разрешающую способность примерно 900 строк.

Преимущество панели ALiS заключается в том, что она требует только половину схем драйверов по сравнению со своими предшественниками. Кроме того, черные полосы между элементами экрана стандартной PDP-панели отсутствуют, поэтому изображение оказывается намного ярче.

Панель PALCD

Интересным гибридом PDP- и LCD-панелей является жидкокристаллическая панель с плазменной адресацией (Plasma Addressed Liquid Crystal Display - PALCD). Компания Sony совместно с компанией Tektronix разрабатывает PALCD-панель для потребительского и профессионального рынков.

Вместо формирования изображения с помощью ионизации газа в PALCD-панели активная матрица TFT-панели заменяется сеткой анодов и катодов, которые используют плазменный разряд для активизации элементов экрана LCD-панели. Остальные компоненты панели для получения изображения опираются на технологию стандартных LCD-панелей. Отметим, что рассматриваемая технология не предназначена для рынка настольных РС, а ориентируется на большие экраны размером 42" и больше. Отсутствие в панелях полупроводниковых схем управления позволяет производить их в менее чистых помещениях, что способствует снижению стоимости. Сообщалось, что PALCD-панель будет ярче типичных плазменной панели или LCD-панели, но по-прежнему останется тонкой.

Панели с полевой эмиссией

Некоторые специалисты считают, что технология панелей с полевой эмиссией (Field Emission Display - FED) представляет собой серьезную угрозу доминированию LCD-панелей на рынке плоских панелей. Технология FED-панелей опирается на отработанную технологию "катод-анод-люминофор" полноразмерных ЭЛТ и использует ее совместно с точечно-матричной сотовой конструкцией LCD-панелей. Вместо применения одной громоздкой трубки в FED-панели используется крошечная "минитрубка" для каждого пиксела, а саму панель можно конструктивно оформить примерно с такими же размерами, как и LCD-панель.

Каждый красный, зеленый и синий субпиксел представляет собой миниатюрную вакуумную трубку. Если ЭЛТ использует одну электронную пушку для всех пикселов, пикселная ячейка FED-панели имеет сзади тысячи четких катодных точек. Они выполнены из такого материала, например молибдена, который легко испускает электроны при воздействии разности напряжения; электроны попадают на участки красного, зеленого и синего люминофоров, находящиеся спереди ячейки. Цвет отображается по порядку (field sequential colour), т.е. панель вначале покажет всю "зеленую" информацию, затем отобразит "красную" и после этого "синюю".

По некоторым характеристикам FED-панели превосходят LCD-панели. Так как в FED-панели свет формируют только "включенные" пикселы, потребляемая мощность зависит от отображаемого содержания. Это следует считать улучшением по сравнению с LCD-панелью, где свет создается задней подсветкой, которая включена всегда независимо от фактического изображения на экране. Сама задняя подсветка в LCD-панели ставит проблемы, которые отсутствуют в FED-панели. Свет от подсветки проходит на видимый экран через матрицу жидких кристаллов. LCD-панель действует по принципу пропускания, поэтому расстояние подсветки до экрана вызывает суженный угол обзора. С другой стороны, в FED-панели свет формируется спереди пиксела, поэтому угол обзора достигает 160 градусов по вертикали и горизонтали.

В саму конструкцию FED-панели встроена избыточность, так как для каждого пиксела используются тысячи электронных эмиттеров. Если в LCD-панели всего один дефектный транзистор приводит к появлению на экране "всегда включенного" или "всегда выключенного" пиксела, то по заявлениям производителей FED-панелей ухудшения яркости не происходит даже в том случае, когда 20% эмиттеров оказываются дефектными.

Рассмотренные достоинства FED-панелей совместно с их меньшим временем реакции и высококачественным воспроизведением цвета как в ЭЛТ делают технологию FED-панелей весьма перспективной. На рисунке слева показан освоенная промышленностью FED-панель. Конечно, у этих панелей имеется и серьезный недостаток - трудности массового производства. Если ЭЛТ имеет только одну вакуумную трубку, то FED-панель с разрешающей способностью SVGA требует 480 000 трубок. Чтобы выдержать разность между внутренним вакуумом и внешним давлением воздуха FED-панель должна быть механически очень прочной и тщательно герметизированной. В конце 90-х годов прошлого века выпускались FED-панели 6" и велись разработки панелей 10".

Экраны ThinCRT

Американская компания Candescent Technologies называет свою реализацию технологии панелей с полевой эмиссией ThinCRT ("тонкая ЭЛТ"). Основой этой технологии служат те же принципы, которые используются в стандартных ЭЛТ для мониторов настольных компьютеров и телевизоров. Потоки ("лучи") электронов испускают отрицательно заряженные электроды (катоды) в вакуумной стеклянной трубке. Электроны ударяют по люминофору впереди трубки, вызывая его свечение и формирование изображения с высокой разрешающей способностью.

Специалисты компании Candescent Technologies заменили электронные пушки, отклоняющие катушки и теневую маску обычной ЭЛТ на перфорированную проводящую пластинку, через которую проходят конические катодные эмиттеры, называемые Spindt Cathodes. Пропускание тока через проводящую пластинку заставляет катоды эмитировать поток электронов, который вызывает свечение люминофора так же, как в обычной ЭЛТ.

Если обычная ЭЛТ имеет большую колоколообразную форму, то ThinCRT использует плоскую трубку толщиной всего 3.5 мм. Эта плоская трубка состоит из двух стеклянных пластин, разделенных промежутком в 1 мм. Внутренние компоненты дисплея поддерживают очень тонкие стенки (около 0.05 мм), изготовленные из фирменного керамического материала. Стенки достаточно прочные, чтобы выдержать внешнее атмосферное давление и механические операции в процессе производства, но и достаточно тонкие, чтобы не влиять на электронные лучи. Внутренняя поверхность покрывается обычными для ЭЛТ алюминизированными цветными люминофорами.

Вместо одного большого катода обычной ЭЛТ имеются миллионы микроскопических эмиттеров электронов, которые изготовлены на базовой пластине по технологии тонких пленок, аналогичной технологии производства LCD-панелей. Катоды очень малы (всего 200 нм) и для активизации пиксела на экране используется несколько катодов, что допускает относительно высокую частоту отказов (по сообщению разработчика - 20%) до визуально заметного ухудшения изображения. Это делает ThinCRT более эффективными в плане производства по сравнению с LCD-панелями и намного более компактными по сравнению с обычными ЭЛТ - толщина всего дисплея составляет около 8 мм.

Эта технология относится к классу технологий с холодным катодом, так как электроны эмитируются при комнатной температуре без нагрева, необходимого в обычных ЭЛТ. Эмиттеры потребляют только незначительную часть мощности, используемой для традиционных ЭЛТ с горячим катодом, поэтому дисплей оказывается весьма экономичным. Дальнейшая экономия мощности получается из-за отсутствия теневой маски, как в обычных ЭЛТ, которая расходует до 80% мощности.

Компания Candescent Technologies считает, что почти 80% инструментальных средств, оборудования и технологических процессов можно заимствовать из имеющихся средств производства ЭЛТ, LCD-панелей и полупроводников, а это позволяет значительно сократить расходы на производственные линии. В конце 1998 г. совместно с компанией Sony было объявлено о намерении выпустить в 2001 г. дисплей 14.1", стоимость которого будет сравнима со стоимостью TFT-панели.

Светоизлучающие полимеры

Пластиковые материалы (пластмассы) заменили такие традиционные материалы, как естественные полимеры, например дерево, металлы, керамику и стекло во многих применениях благодаря своим великолепным физико-механическим свойствам. Пластики обладают легким весом и физической прочностью, а также допускают простую обработку, например отливку в формах и штамповку. С 70-х годов прошлого века наблюдается повышенный интерес к использованию этих характеристик полимерных материалов совместно с некоторыми электрическими свойствами, выходящими за пределы чисто изолирующих свойств пластиковых материалов. Класс пластических материалов, которые обладают свойствами металлов и полупроводников, называются сопряженными полимерами (conjugated polymers).

Сопряженные полимеры уже применяются как проводники в электродах батарей, в прозрачных проводящих покрытиях, в электролитах конденсаторов и при металлизации отверстий двухсторонних печатных плат. Когда специалисты компании Cambridge Display Technology (CDT) открыли, что некоторые сопряженные полимеры, например полифениленвинилен (PPV) и циано-PPV (CN-PPV), наряду с проводимостью тока могут излучать свет, родилась идея создания на основе этих свойств устройства отображения, т.е.дисплея.

Дисплей на основе светоизлучающего полимера (Light-Emitting Polymer - LEP) напоминает светоизлучаюший диод (Light-Emitting Diode - LED), но если в светодиоде свет излучает полупроводниковый материал, то в LEP-дисплее для достижения аналогичного эффекта применяется специальный полимер. Попросту говоря, сопряженные полимеры, например полианилин, являются пластиковыми материалами, физические свойства которых обладают проводимостью. Когда через ячейку такого материала пропускается ток, молекулярная структура полимера возбуждается, создавая эмиссию света. Эффективность по выходу этого процесса была за последние годы значительно повышена и была зарегистрирована эмиссия света практически во всем видимом спектре от синего до инфракрасного.

В производственном отношении полимеры совсем несложно получать, а схемы управления оказываются не сложнее схем, которые уже применяются в LCD-панелях. Однако по сравнению с LCD-панелями технология LEP-дисплеев имеет много преимуществ: требуется только один лист пластика вместо двух стеклянных пластин, для LEP-дисплея не нужна задняя подсветка, что способствует снижению потребляемой мощности, а поскольку свет излучает поверхность пластика, угол обзора оказывается достаточно большим. Более того, можно изготовить очень большие поверхности, а поскольку пластик имеет гибкую субстанцию, дисплей также можно сделать гибким.

С учетом этих преимуществ компания CDT считает, что LEP-экраны в ближайшие годы заменят LCD-панели. Однако практические результаты пока довольно скромные - компания CDT продемонстрировала монохроматические лабораторные образцы (впечатляет толщина экрана - всего 2 мм), а экраны для ноутбуков будут выпущены только в 2004 г. Тем не менее, первые образцы LEP-экранов оказались настолько впечатляющими, что к разработке подключилась фирма Intel. Некоторые специалисты полагают, что LEP-экраны окажутся конкурентоспособными не только по сравнению с LCD-панелями, но и по сравнению с мониторами на ЭЛТ.

Цифровые световые процессоры

Разработанный компанией Texas Instruments цифровой световой процессор (Digital Light Processor - DLP), называемый также зеркальным чипом (mirror chip), является самой впечатляющей новинкой технологии дисплеев. В своей основе зеркальный чип представляет собой стандартную статическую память. Биты хранятся в кремнии как электрические заряды в ячейках. Поверх ячеек был нанесен изолирующий слой с зеркалом, а затем с помощью травления были образованы отдельные подвижные плоские квадратики. Когда бит памяти установлен, заряд в ячейке притягивает один угол квадратика. При этом изменяется угол зеркальной поверхности и посредством отражения света можно сформировать изображение.

Требуется довольно сложная оптика для преобразования изображения размером с почтовую марку в изображение приемлемого размера. Неизбежно выделение тепла, так как для получения достаточно яркого окончательного изображения на чип фокусируется сильный свет. Для охлаждения необходима сильная вентиляция, которая вызывает шум, но в новейших проекторах микросхема заключена в шумопоглощающий корпус.

Сложности вызывает и формирование цветного изображения, так как чип позволяет реализовать монохроматическое устройству. Для решения этой проблемы можно использовать три отдельных устройства, каждое из которых освещается первичным цветом. Возможна также реализация, когда одно устройство помещается позади вращающегося цветового колеса и чип последовательно отображает красную, зеленую и синюю компоненты. Чип оказывается достаточно быстродействующим для этого и цветное изображение имеет высокое качество, но все же остаются проблемы с отображением движущихся изображений.

Разработка DLP продолжается и текущие проблемы, по всей вероятности, будут преодолены в будущем. Несмотря на то, что пока зеркальный чип доступен только в проекторах, он появится в настольных дисплеях с обратным проецированием.

Голографические экраны

Все рассмотренные ранее дисплеи имеют одну общую характеристику - они являются двумерными. Однако английская компания Reality Vision начала переговоры с несколькими другими компаниями о разработке технологии голографического автостереоскопического дисплея (Holographic Autostereoscopic Display - HAD). Ожидается, что в 2005 г. на потребительском рынке появятся трехмерные голографические экраны.

HAD-экран получается в результате простого усовершенствования технологии LCD-панелей путем замены задней подсветки на голографический оптический элемент (Holographic Optical Element - HOE). Он разделен на два набора горизонтальных полосок, соответствующих каждому глазу. В результате левый глаз видит одно изображение, а правый глаз - другое, чем и достигается эффект трехмерности.

Поскольку основным применением такого экрана будут игры, HAD-экран рассчитан на простое переключение между двумерным и трехмерным режимами работы путем удаления или вставки одной из полос; при удалении ее оба глаза видят одно и то же изображение. Основной недостаток HAD-экрана состоит в том, что при повороте головы изображение искажается. Чтобы устранить этот недостаток, компания Reality Vision предусмотрела систему, которая поворачивает экран синхронно с движениями головы наблюдателя; для этого наблюдатель должен надеть небольшое устройство слежения за движениями головы.