Устройство отображения для телевизионного производства. (часть 1)
Леонид Чирков, Лев Ивин
Функции устройств отображения в телепроизводстве всегда были разнообразны, и роль их значительна. Сегодня конвергенцию телевидения и компьютерной техники можно считать практически состоявшейся. По крайней мере, современные компьютеры способны захватывать и с должным качеством воспроизводить видео, а телевизоры, через соответствующие интерфейсы, – электронную графику. При этом наблюдается определенная нивелировка устройств профессионального и бытового назначения в том, что относится к их основной функции. Так, по классу "персоналок" IBM-ряда можно утверждать с той или иной уверенностью, что это – профессиональный или, напротив, бытовой настольный компьютер, лишь в случае, когда известно его программное обеспечение. То же самое относится к устройствам отображения. Часто различия видны не по претензиям к основной функции, т.е. к качеству отображения, а по набору дополнительных и сервисных функций "ящика" в целом. Более того, нивелировка начинается уже с производства. Сейчас многие фирмы параллельно разрабатывают и выпускают продукцию профессионального и бытового назначения, что раньше казалось авантюрой.
Все это – тенденции, с которыми следует считаться и которые советуем иметь в виду при оценке современного состояния средств отображения. И еще, присматриваясь к тем или иным устройствам, например, с целью приобретения, полезно помнить, что фирмы-разработчики и производители зачастую придерживаются тактики умолчания некоторых, скажем, особенностей и параметров, которые могут понизить интерес к их продукции с позиций того или иного применения.
Практически всем хорошо известен, понятен и изрядно поднадоел кинескоп. И лучшие его стороны, и грехи – все знакомо. Много известно и о достоинствах жидкокристаллических и плазменных панелей. И все мы, худо-бедно, но и с ними ознакомлены. Однако лишь узкая каста специалистов знает, а не только подозревает, что в новомодных и невероятно перспективных (не только в проспектах заинтересованных фирм, но и в действительности) технологиях есть "свои скелеты в шкафу".
За 70-летнюю историю электронного телевидения было озвучено множество проектов создания устройств отображения на основе самых различных физических явлений и, подчастую, самых невероятных. Сейчас, к примеру, на рынке предлагается – и с серьезными, на этот раз, шансами на успех – одна идея из эпохи механического телевидения. Речь идет об оригинальном (за давностью "исходника") проекте устройства отображения на основе огромного числа управляемых микрозеркал. Заметим, что забытый прототип имел, почти сто лет назад, на порядки более скромные параметры и еще более скромный успех. Современные технологии, надо отдать им должное, способны и на большее.
Катодно-лучевые трубки (CRT – cathode-ray tube) неотделимы от телевидения, они были и, вероятно, останутся его символом. Телевидение уже покинули под натиском ПЗС передающие трубки, приемные пока в деле. "Кинескоп" (kinescope) – это имя отображающим (приемным) катодно-лучевым трубкам в далеком 1928 г. дал В.К. Зворыкин, основоположник электронного телевидения. До сих пор во всем мире их так и называют. В отечественной технической литературе катодно-лучевые трубки часто представляют аббревиатурой ЭЛТ (электронно-лучевая трубка).
Только во второй половине прошлого века стали появляться первые сообщения о, тогда только вероятных, ныне – серьезных и довольно настырных конкурентах кинескопов, которые противопоставили их пустотелой и достаточно массивной огромности давнюю мечту – панельное исполнение. Сначала – устройства на основе ЖК – жидких кристаллов (импортная аббревиатура LCD – liquid crystal display), затем ПП – плазменные панели (PDP – plasma display panel). Сейчас на подходе матричные панели на основе светоизлучающих диодов (LED – light-emitting diodes). В "площадном" варианте эти панели набираются из отдельных приборов. Сейчас на базе интегральных технологий разрабатываются экраны в пленочном исполнении.
 |
Диаграмма размеров по диагонали ЖК, ЭЛТ и ПП
красный-минимальная, синий-максимальная
|
Диаграмма показывает, какие интервалы возможных размеров диагонали экрана перекрывают, соответственно, ЖК, ЭЛТ и ПП. Видно, что "минималисты" – дисплеи на основе жидких кристаллов. Верхняя граница размера диагонали ЖК в настоящее время оценивается как 80 см (30…32"), нижняя – 5 см, но это не предел минимализации. ЖК, в принципе, могут "расти". Принципиальных запретов нет, хотя технологические ограничения – значительны. ЖК-устройства – легкие, скромные по запросам на электроэнергию. Технологические ограничения на размеры – примитивная однородность (гомогенность) параметров на больших (при росте вверх) и микромалых площадях экрана.
Кинескопы достигли метровой отметки (40") – и это, видимо, навсегда.
Плазменные панели – природные великаны, диагонали в 1,5 м (60") – их достойный уровень. Правда, дальнейшее увеличение диагонали хотя и не ограничено, в принципе, но сдерживается быстро нарастающим энергопотреблением и прогрессирующим нарастанием массы. И это принципиально. Плазма – энергоемкий процесс, и рост ее объема провоцирует квадратично растущий ток. Интересно, что, по крайней мере, для плазменных панелей 50…60" числовые характеристики массы в килограммах и диагонали в дюймах почти совпадают или, если и расходятся, то ненамного. Например (смотрите общую таблицу ПП), масса модели Revolution 10 фирмы Dream Vision с диагональю 61" составляет 61 кг, а GD-V500PZU фирмы JVC при диагонали 50" – 45 кг. Экспансия плазменных панелей сейчас идет вниз. Уже достигнута отметка 80 см.
Препятствием для дальнейшей миниатюризации плазменных дисплеев являются технологические трудности. В ячейках панелей, и без этого миллиметровых недорослей, при еще более малых размерах устойчивость плазмы становится проблемой. Снижение размеров усложняет и без этого трудную задачу защиты люминофоров от достаточно агрессивной плазмы. При этом бомбардировка люминофоров быстрыми электронами плазмы – малое зло. Ультрафиолет и массивные, блудные ионы – посущественнее. Следствие – постепенный уход цветовой температуры. Менее выражено теперь, но не исключено выгорание люминофоров с полным отказом. Все это и многое другое создает проблемы, во многом разрешимые, но, тем не менее, сложные. Преградой миниатюризации могут стать и ЖК, за которыми, в частности, огромные преимущества по массе приборов и их энергопотреблению. Справедливости ради заметим, что и у ПП есть свои козыри – высокие яркость и контрастность.
Устройства отображения для профессионального телевидения, в отличие от бытового телевизора, вовсе не нуждаются в высокочастотной части, обеспечивающей эфирный прием. Нет необходимости в сервисных функциях, подобных "картинке в картинке" и прочих ухищрениях. Но "джентльменский" набор входов полных и компонентных сигналов аналогового телевидения различных систем цветового кодирования, цветоразностных и RGB-сигналов, последовательных и параллельных цифровых сигналов, SDI и т.п. – неотъемлемое требование к устройству отображения информации профессионального назначения. Это принципиальная линия раздела бытовых и профессиональных отображающих устройств. Есть и другая линия раздела. В бытовом и профессиональном воспроизведении критерии оценки качества отображаемого не во всем совпадают.
Кинескопы
Вряд ли современному человеку, с малолетства торчащему у телевизора или компьютера, надо рассказывать, что такое кинескоп. Напомним лишь основные физические принципы работы и конструкции этого прибора. Для непосвященных кинескоп – это большая и тяжелая колба. Все электронные процессы в кинескопе протекают в глубоком вакууме. Колба – верный страж вакуума, противостоящая атмосферному давлению. Большие размеры квадратично ведут к разбуханию колбы, к наращиванию массы. Узкая часть колбы кинескопа – катодная, здесь размещены три электронные пушки, формирующие RGB-электронные лучи. Фокусировка и система сканирования – магнитные. Все это – электронно-оптическая часть прибора. В анодной части размещена маска, управляющая воспроизведением цветов. За маской на внутреннюю поверхность широкой экранной части колбы нанесены в виде пятен специальные электролюминесцентные вещества, которые при бомбардировке достаточно быстрыми электронами излучают свет в красной, зеленой и синей части спектра. На телевизионных экранах принято дельтаобразное расположение круглых пятен RGB-люминофоров или форма люминесцирующих пятен – прямоугольная, размеры и соотношение сторон соответствуют стандартам на дисплеи.
Электронной оптике, к сожалению, присущ не менее богатый набор аберраций, чем оптике обычной. Специалистам пришлось очень много повозиться, чтобы очистить до приемлемого уровня от аберраций телевизионный растр. По многим параметрам, важным, в частности, для ряда применений в профессиональном телевидении, устройства отображения на кинескопах превосходят своих панельных конкурентов. Это особенно важно, когда речь идет о средствах отображения, используемых в качестве видеомониторов, т.е. устройств, обеспечивающих сопоставительный анализ в режиме визуального контроля. Именно таковыми и являются, например, видеомониторы в режиссерских и технических аппаратных.
Для видеомонитора, используемого параллельно с визуальным контролем, важна гладкость яркостной характеристики, которой на достаточно протяженном интервале следует быть линейной. Очень близко с яркостной характеристикой соприкасается и тоновая. Можно продолжить этот список параметров, которые следует выдержать на предельно высоком уровне, если устройство отображения используется в качестве профессионального видеомонитора.
Режиссеру и видеоинженеру приходится не только просматривать картинку на экранах своих видеомониторов, оценивая ее общее качество, но и через окно в студию постоянно сравнивать ее с той реальной, которую они видят в студии. Такой сравнительный анализ ситуации позволяет, к примеру, заметить тонкие различия в цветопередаче, найти причину и устранить ее. Но это возможно только в том случае, когда специалист доверяет видеомонитору в точности воспроизведения. Слежение за действом в студии, впрочем, и при натурной работе, только по монитору не дает и не может дать полной информации в процессе подготовки, а затем проведения съемок.
Следует заметить, что устройства отображения, даже самые превосходные по основной функции – качеству воспроизведения, далеко не всегда могут быть рекомендованы в качестве видеомониторв. Насыщенный цвет, хороший динамический диапазон, отличный контраст, высокая четкость и прочее – все это, безусловно, важно в просмотровой, где между реальным действием и его отображением – дистанция огромного размера. Безусловно, хорошо это и для видеомонитора. Но необходимо и важно также другое – точное соответствие, например, по названным выше параметрам, отображаемого и исходного.
Скажем, Москву-реку на экранах телевизоров мы почти всегда видим голубой, а что мы видим в жизни? Телевизионные листья всегда воспроизводятся зелеными, а не пыльными, как обычно и бывает. Такие вещи происходят не без вмешательства режиссера. Украшение действительности как художественный прием допустимо и часто необходимо, но это именно то, что в первую очередь противопоказано видеомонитору. Вот почему к нему предъявляются очень жесткие требования и, особенно, по параметру точного соответствия реалиям, иначе не определишь, кто врет. На съемочной площадке все возможно: освещение "поплыло", сбилась цветовая настройка камер и многое, многое другое. Глядя только на монитор или только на площадку, заметить предтечи брака часто невозможно. Соответствие – параметр, который никогда не приводится в проспектах на устройства отображения. Но этот параметр, пусть и не объявленный, содержится в гарантиях фирм, набивших руку на производстве именно мониторов для профессионального телевидения.
Наилучшим образом к работе в режиме визуального контроля до сих пор приспособлены именно приборы на кинескопах, причем далеко не простые. Параметр соответствия поддерживается в них сложными системами внутреннего контроля и диагностики, каких в иных устройствах отображения не отыщешь. Видеомониторы отлично делает фирма Barco. К ней следует добавить Sony, Panasonic, JVC Professional, Hitachi. Иными словами, толк в видеомониторах понимают те компании и фирмы, которые давно и успешно занимаются разработкой и производством профессиональной техники. Видеомониторы – всегда дорогие приборы. И это далеко не случайно.
Оценки международных экспертов, предсказывающих, что к 2010 г. кинескопы будут вытеснены из бытового воспроизведения, не следует продолжать на их профессиональное применение, где альтернативные устройства отображения пока не во всем убедительны.
Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы – замечательный объект природы. Интерес к ним был проявлен только в XX веке, причем в первой половине – лабораторно, во второй – практически. Первые рабочие шаги ЖК – медицина, где исключительно высокая чувствительность жидких кристаллов к температурным аномалиям сделала их эффективным средством визуализации температурных полей. Современные тепловизоры, правда, вытеснили ЖК из тепловидения. Но специалисты обратили внимание на чувствительность жидких кристаллов к электрическим полям, и вскоре они стали рабочим элементом самых разных индикаторных устройств. Теперь ЖК доминируют на обширном поле применения: от индикаторов наручных электронных часов до приборов специального назначения и, часто, особой секретности. Более четверти века назад были предприняты первые удачные попытки реализации на основе ЖК плоских, тонких и легких экранов для воспроизведения изображений. Такова предыстория.
Кристаллы – это вещества, состояние которых определяется дальним порядком. Иными словами, дальний порядок – это вариант "прописки", все молекулы должны пребывать на своих местах. Такой порядок, заметим, – основное и самое распространенное в природе состояние твердых тел. Любая молекула жидкости, в отличие от твердых тел, вольна в своих передвижениях, кроме одного – пересечения границ. Так утверждает теория агрегатных состояний веществ. Она исключает дальний порядок в жидкостях и, таким образом, жидкие кристаллы. Но сама теория сформулирована для больших объемов веществ. В стесненных обстоятельствах и поведение веществ, и поведение людей, как известно, может существенно изменяться. В случае жидких кристаллов стесненными обстоятельствами может стать пленка, достаточно тонкая, чтобы молекулы "чувствовали" не только соседей, но и границы.
 |
| Базовая конструкция ЖК-экрана
|
Жидкокристаллическое состояние возможно только в тех веществах, молекулы которых резко анизотропны по форме. Это, например, нитевидные молекулы или же гантелеобразные. Молекулы, напоминающие диски, охотно собираются в "столбики". Еще одна интересная форма молекул – гребнеобразная – также принадлежит веществам, способным образовывать жидкие кристаллы.
Чтобы плотно уложить спички в коробок необходим "дальний порядок". То же относится и к анизотропным молекулам. Силы взаимодействия заставляют их ориентироваться друг относительно друга определенным образом. Присмотревшись повнимательнее к поведению жидкостей с анизотропными по форме молекулами, ученые заметили, что даже в больших объемах молекулы жидких кристаллов собираются в небольшие группы с преимущественной ориентацией, или, по-научному, в домены. А тепловое движение вновь и вновь стремится разрушить эту постоянно возобновляемую самоориентацию.
В тонких пленках в эти процессы существенно вмешиваются границы, которые не только способны стабилизировать доменную форму, но и сами домены определенным образом сориентировать в пространстве. В результате возникает то, что уже можно называть дальним порядком, а состояние вещества – кристаллом. Жидкие кристаллы – это, в принципе, неустойчивое состояние вещества, которое находится между порядком и тепловым разрушением. Поэтому они особенно чувствительны к внешним воздействиям, вмешивающимся в их хрупкое равновесие. Эта чувствительность – огромное преимущество и одновременно существенный недостаток с позиций применения жидких кристаллов. Действительно, все внешние воздействия на ЖК, кроме основного, способны выступить в роли помех.
 |
Модуляционная характеристика
(красный - идеальная,
синий - с учетом расходимости)
|
И еще, циклические нарушения или изменения характера упорядоченности связаны с перемещением молекул, а это инерционные механические процессы. Из-за чего время релаксации в жидких кристаллах велико (несколько миллисекунд), что для некоторых применений может стать недостатком. Именно это несколько снижает ценность ЖК для отдельных применений в телепроизводстве.
Например, фирма Sharp успешно разработала камерный видоискатель на жидких кристаллах и применила его в своих видеокамерах. В журнале "625" не раз публиковались материалы о видеопроекторах D-ILA фирмы JVC, где ЖК-модули работают в качестве светоклапанных модуляторов. Эти проекторы получили самую высокую оценку. Примеры такого рода можно множить. Но не следует спешить, например, с рекомендацией ЖК на пост видеомонитора. Чувствительность ЖК к внешним условиям здесь – фактор неблагоприятный. Однако малая масса и низкое энергопотребление способны стать основным аргументом при выборе монитора, скажем, для комплекта видеожурналиста или для подобного мобильного набора для выездных работ.
ЖК-ячейка – это две прозрачные диэлектрические (например, стеклянные) плоскопараллельные пластины с нанесенными на них прозрачными проводниками. На каждой из пластин они образуют систему параллельных электродов, но относительно друг друга скрещены. Скрещенные электроды формируют сотовую структуру. Каждая ячейка (сота) – элемент экрана, три ячейки с красным, зеленым и синим фильтрами соответственно – пиксел. На электроды одной пластины последовательно подаются импульсы, соответствующие отсчетам RGB-составляющих изображения по горизонтали, на электроды другой – по вертикали. На каждом такте срабатывает одна ячейка – та, на оба электрода которой поданы импульсы. На одну из пластин (выходную) наносится RGB-фильтр, через другую – все ячейки равномерно освещаются.
Для управления экранами нужны совсем небольшие электрические потенциалы, но они способны существенно изменить физические параметры жидкого наполнителя. Фактически меняется и, достаточно существенно, все. Это – тепловая восприимчивость, коэффициент светового преломления и многое другое. Электрический импульс, в частности, может привести к хаотической переориентации молекул и, в итоге, к локальной аномалии коэффициентов преломления, поглощения и рассеяния света. В результате область под электродами, на которые подан соответствующий потенциал, становится центром диффузного рассеяния света. Именно этот эффект используется в устройствах индикации и отображения на основе жидких кристаллов. В ЖК-дисплеях применяются более тонкие эффекты фазовой модуляции света, вызванной управляемым (с помощью электрических потенциалов) изменением коэффициентов преломления света в жидкокристаллической среде. Зависимость коэффициентов преломления или, что то же самое, фазовых скоростей света называют электрооптическим эффектом.
Именно для того, чтобы линейный электрооптический эффект в ЖК-ячейке стал возможным, и необходимы канавки, о которых говорилось выше. В ЖК-ячейках используется так называемый продольный электрооптический эффект (электрическое поле и направление распространения света совпадают).
 |
Типичная вольт-амперная характеристика
самостоятельного газового разряда
Unp - потенциал пробоя (поджига);
аб - нормальный тлеющий разряд;
вг - дуговой разряд;
курсор - несамостоятельный разряд
|
В анизотропной среде световая волна разделяется на две составляющие с ортогональными направлениями поляризации и общим волновым вектором. Собственные направления поляризации в двулучепреломляющей среде – линейные, в оптически активной – лево- и правокруговые. Фазовые скорости таких составляющих, в общем, различны и обратно пропорциональны их коэффициентам преломления, разница которых линейно зависит от напряжения на ячейке. В итоге между составляющими при прохождении света через ячейку набегает разность фаз, пропорциональная напряжению. Эту разность фаз необходимо преобразовать в соответствующее изменение яркости. С этой целью ячейку следует разместить между скрещенными поляризаторами – линейными или круговыми. На выходе, за счет интерференции, фазовые изменения преобразуются (квадратично) в изменения интенсивности или, что почти то же самое, яркости.
Электрооптический модулятор имеет гладкую динамическую (яркостную) характеристику. Фактически это синусоида:
Y/Y0=0,5 – 0,5cosU/Uo,
где Y – текущая яркость ячейки; Y0 – максимальная; U – текущее напряжение на ячейке; U0 – напряжение максимальной яркости, оно зависит от параметров среды и длины пути света в ячейке. Представленная формула относится к идеальному случаю параллельного светового потока через ячейку. Реальный поток всегда имеет некоторый угол расходимости. Формула существенно усложняется, но синусоидальный характер кривой сохраняется. Самое неприятное в том, что с расходимостью связано появление постоянной составляющей света на выходе. Оно пропорционально квадрату угла расходимости. Именно по этой причине ЖК проблемны по такой характеристике, как контрастность воспроизводимого изображения. Эффект "просачивания" расходящегося света – принципиальный недостаток. Его, правда, можно ослабить с помощью некоторых ухищрений. Тем не менее, в гонке за высокой контрастностью ЖК – самый слабый бегун.
На рисунке представлены динамические характеристики: идеальная и с учетом расходимости света. Для того, чтобы реализовать электрооптический режим работы всего дисплея, на его входную (по свету) и выходную поверхности наклеивают специальные поляризующие пленки линейной или круговой поляризации.
В последние годы в представленную простую конструкцию ЖК-экрана вносятся существенные коррективы. Очень перспективным направлением является активное управление ЖК-ячейками с помощью тонкопленочных транзисторов – так называемая TFT-технология (thin-film transistor). Для этого на пластину предварительно наносится тонкий слой кристаллического или аморфного кремния, на котором по интегральным технологиям формируются транзисторы. Это, конечно, усложняет производство жидкокристаллических дисплеев, но и выгоды сулит немалые, поскольку позволяет существенно улучшить качество воспроизводимого изображения по многим параметрам, например, контрасту, ослабить эффект медленной релаксации, открывает перспективы увеличения размера экрана до 80 см, а в дальнейшем и больше.
В 2000 г. Toshiba Corp. и Matsushita Electric Industrial Co (торговая марка Panasonic) объединились в консорциум, основной задачей которого является создание нового поколения ЖК, в том числе на основе TFT-технологий. В этом направлении также особенно активно работает Sharp. Надо сказать, что эта компания еще в 1973 г. первой в мире занялась ЖК как перспективным направлением в области средств отображения и добилась значительных успехов. Sharp первой предложила использовать тонкопленочные транзисторы для повышения качества изображений, воспроизводимых ЖК-экранами, и сейчас развивает новое направление, связанное с цифровой обработкой изображений. Уже налажено серийное производство последних моделей – устройств отображения на основе жидких кристаллов.
В настоящее время ситуация на рынке такова: ЖК теснят и теснят серьезно кинескопы на рынке компьютерных дисплеев, они же серьезно заявили о себе на рынке телевизоров. Многие эксперты, особенно из США и Японии, полагают, что к 2010 г. во всех развитых странах ЖК практически полностью вытеснят кинескопы, с которыми фактически делят нишу устройств отображения с экранами, диагонали которых около и меньше метра.
[дальше]
«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
