安防视频监控系统等离子体(PDP)显示技术

等离子是电子、自由离子和中性粒子构成的混合体(宏观上说,它是中性的),由于它的正电荷和负电荷相等,因而称为等离子。等离子体状态是物质存在的基本形态之一,它是固态、液态和气态之外的另一种物质形态,通常称之为物质的第四态。

PDP是Plasma Display Panel的简写,也就是等离子体显示器,是继LCD后发展的等离子平面屏幕技术的新一代显示器,它是利用气体放电原理实现的一种发光型平板显示技术,故又称为气体放电显示。PDP的出现,使得中大型尺寸(40~70英寸)显示器的发展应用产生极大变化,以其超薄体积与质量远小于传统大尺寸CRT电视,在高解析度、不受磁场影响、视角广及主动发光等胜于TFT-LCD的特点,完全符合多媒体产品轻、薄、短、小的需求,被视为未来大尺寸电视的主流。

一、PDP的结构、原理与类型

(1)PDP的结构及显示原理。PDP主要由等离子显示屏体、屏蔽玻璃、电源、接口电路、信号存储控制驱动电路、XYZ三极低压驱动电路、外壳构成。信号存储控制将接口送来的数字图像信号进行场分离,实现灰度控制。

PDP采用等离子管作为发光元件,显示屏中有大量等离子管,每一个等离子管对应•个像素。等离子管之间由100~200pm的玻璃基板相隔,四周经气密性封装,形成放电小室,其中充有Ne-Xe或He-Xe混合惰性气体作为工作媒质,在两块玻璃基板的内侧涂有金属氧化物导电薄膜作为激励电极。当在等离子管电极间加足够的电压后,混合惰性气体会产生等离子体放电(也称为雪崩/电浆效应)。随着放电的进行,电子被加速,加速的电子碰撞Xe原子,Xe被激发至更高能级,形成不稳定的激发态Xe,这种激发态最终跃迁至Xe的基态,产生波长为147nm的真空紫外光。当使用涂有三原色(也称为三基色)荧光粉的荧光屏时,紫外线激发荧光屏,荧光屏发出的光则呈红、绿、蓝三原色。当每一原色单元实现256级灰度后再进行混色,便实现了彩色图像的显示。

也就是说,PDP是一种利用气体放电激发荧光粉发光的显示装置,其发光过程由气体的电离放电和荧光粉发光两部分组成(类似于日光灯的发光原理),其原理如图1所示。

图1 PDP的结构及原理示意图

显然,PDP和LCD的成像原理截然不同,液晶是通过一个大的背光灯照亮画面的,而等离子则每个像素都在发着光。实际上,等离子屏幕中的每个像素都是由3个玻璃气室组成的,在每个玻璃气室当中都含有惰性气体,通过大量的玻璃气室组组成了一个平板。一个像素的3个气室会分别涂有红色、绿色和蓝色荧光粉。然后通过电极导线在驱动电路的控制下对每个气室放电,在气室中的惰性气体中放电导致离子体发射出紫外线,紫外线再激发荧光粉发光,这就实现了等离子成像。等离子的亮度与导线放电频率有关,通过驱动电路的控制,放电频率越快,亮度就越大。由于是通过高温放电来实现成像的,所以每个气室像素必须有一定间距,这也就是PDP的分辨率无法做得很高的原因。

(2)PDP的类型。PDP按其工作方式,可分为电极与气体直接接触的直流型PDP,以及电极上覆盖介质层的交流型PDP两大类。目前研究开发的彩色PDP的类型主要有三种:单基板式(又称为表面放电式)交流PDP、双基板式(又称为对向放电式)交流PDP和脉冲存储直流PDP等。

①DC-PDP。放电气体与电极直接接触,电极外部串联电阻做限流之用,其发光位于阴极表面,且与电压波形一致的连续发光。PDP按直流驱动式可分为刷新型和自扫描型。

②AC-PDP。放电气体与电极由透明介质层相隔离,隔离层为串联电容,做限流之用,放电因受该电容的隔直流通交流作用,需用交变脉冲电压驱动。因此,无固定的阴极和阳极之分,其发光位于两电极表面,且是交替呈脉冲式发光。PDP按交流驱动式可分为刷新型和存储效应型;AC-PDP又可分为表面放电式和对向放电式。目前的产品多以交流型为主,并可按照电极的安排区分为二电极对向放电(Column Discharge)和三电极表面放电(Surface Discharge)两种结构。

③SM-PDP。这种类型以金属荫罩代替传统的绝缘介质障壁,它具有制作工艺简单,易于实现大批量生产的特点;并且,还具有放电电压低、亮度高、响应频率高的优点。

二、交流PDP显示板结构

由于表面放电式AC-PDP结构简单、易于制作、放电效率较高,几乎为所有公司采用,是目前批量生产和研究开发的主流技术。

交流等离子体显示板结构按颜色显示方式可分为单色和彩色两种。单色PDP板利用Ne-Ar彭宁气体在电场作用下放电发橙红色可见光进行单色显示;彩色PDP板利用Ne-Xe等彭宁气体在电场作用下放电产生真空紫外光,来激发涂敷在放电单元内的三基色荧光粉获得红、绿、蓝三基色,三基色经时间调制和空间混色实现彩色显示。

单色和彩色PDP板基本结构是相同的,所不同的是单色显示由一个放电单元显示一个像素,而彩色显示由R、G、B三个单元显示一个像素。交流等离子体显示板按电极结构的不同可分为对向放电型和表面放电型两种。图2为表面放电型彩色交流等离子体显示板的基本结构示意图,其中图2(a)为结构图,图2(b)为放电单元发光示意图,其中下基板旋转了90°。

图2 表面放电型彩色交流等离子体显示板的基本结构

表面放电型结构有许多种,图2为最典型的。大多数制造公司采用的三电极表面放电型AC-PDP结构,它是富士通公司的技术。现在也有许多在该结构基础上改进的新型结构出现,如先锋公司的华夫饼式(Waffle)结构。由图2(a)可看到,在三电极表面放电型AC-PDP结构中显示电极(X电极和Y电极)成对地平行制作在前基板上,电极由透明电极(ITO)和汇流电极组成。对于107cm(42英寸)PDP,显示电极宽度为200~300μm。由于透明电极电阻较大,电极长度可达Im,汇流电极的加入可减少相应的电阻,从而降低因透明电极电阻压降引起的驱动电压衰减,使相应电极所对应的各放电单元电压具有较好的一致性。在显示电极上覆盖透明介质层,该介质层把电极与放电等离子体隔开,起到保护电极的作用。一方面由于它可限制放电电流的无限增长,因此无须制作限电流电阻,使得结构较DC-PDP板简单;另一方面,放电时在该介质层表面有壁电荷积累,正是这些壁电荷使得AC-PDP板具有存储功能,并降低放电维持电压。介质层厚度通常在30μm左右,介电常数为10~15。由于介质材料的抗离子轰击能力差,因此在其表面覆盖一层抗轰击、二次电子发射系数较高的MgO保护膜。MgO层厚度为0.5~1.0μm,这样可延长显示板寿命、增加工作电压的稳定性以及降低着火电压。在实际PDP板放电单元中,由于MgO的高二次电子发射系数,放电可在170V左右维持。寻址电极制作在后基板上,宽度在80μm左右。寻址电极和显示电极相互正交。在寻址电极上制作条状介质障壁,将相邻放电单元隔开,起到光隔离和电隔离的作用。介质障壁高度通常为100~150μm,障壁节距由屏的大小和显示分辨率决定。

三、PDP显示器的优缺点

(1)PDP显示器的优点如下。

•薄型大面积显示,宽视角,可做壁挂;

•屏幕不存在聚焦,图像惰性小,响应速度快;

•可实现全色彩显示,图像清晰,色彩鲜艳;

•屏幕亮度非常均匀,无图像畸变,即使边缘也无扭曲失真;

•PDP是自发光,具有存储功能,其显示亮度高、对比度高;

•不受磁场影响,环保无辐射,对人眼无伤害:

•结构整体性好,抗震与抗电磁干扰能力强,适合恶劣环境下工作;

•工作于全数字化模式,有双稳态特性,便于数字化信号处理;

•可实现2000线以上选址,有齐全的输入接口,应用较广。

(2)PDP显示器的缺点如下。

•功耗大,要注意散热;

•显示屏玻璃极薄,要防止重压与大气压;

•只能做大屏,不能做小屏;

•不能在海拔2000m以上使用;

•制造成本偏高;

•寿命比LCD短。

由上述缺点可看出,它还有比LCD差的,因而还不能取代LCD。但彩色PDP在大屏幕(对角线1~1.5m)显示方面具有明显的优势。目前,PDP的关键技术已基本突破,彩色PDP除用于普通彩电及计算机终端显示外,还推出用于军事指挥中心的显示军用地图、部队部署状况及敌我双方作战态势等的彩色显示屏,并且还研制生产了专门用于工业生产过程监控、航天发射状况监控及HDTV等的彩色PDP。彩色PDP的发展方向是实现全色、提高发光效率、提高使用寿命、扩展存储容量、降低功耗与成本、并实现大批量生产。

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