（物理电子学专业论文）消除smpdp动态伪轮廓方法的研究.pdf

摘要 彩色等离子体显小屏( p d p ) 被认为是最适合作为高清晰度电视( i d t v ) 信号的彩色显不终端。它 属丁自发光犁显示器件，具有存储特性，很强的非线性电特性，高亮度等特点，这使其更适合于大 屏幕、高分辨率彩色显示。现有的土流p d p 采用表面放电结构，它能够提供良盘，的显不性能，已经 开始批阜生产。但是这种结构仍然存在着许多问题和困难，特别是制造t 艺成本高、发光效率低。 为了解决上述问题，国内东南大学捉出了一种新犁的荫罩式等离子体显示屏( s m p d p ) 。奉论史的研 究重点便是通过改进荫罩式等离子体显4 j 屏的视频驱动时序来消除动态伪轮廓( d f c ) 现象，从而提 高荫罩式等离子体显4 ：屏的i 璺| 像质帚。 本论文在分析人眼视觉系统的基础上，针对人眼观看视频图像时会利用时域和空域的亮度信号 积分来保持眼球的平滑跟随运动，利用软件对等离子体显4 ；屏的动态伪轮廓现象进行了模拟。本论 文分析了目前等离子体显不屏消除动态伪轮廓现象的几类方法，提出了一套通过子场发光积累取代 子场发光组合来实现灰度的驱动时序方法，并利用针对丁视频数据流的误斧扩散算法，解决了图像 灰度级不足的问题。为了在3 4 英寸荫罩式等离子体显示屏视频驱动系统麻用该驱动时序，本论文完 成了核心控制逻辑的修改和误差扩散算法的f p g a 设计。实验证明，本论文提出的驱动时序可以提高 荫罩式等离子体显示屏在显示运动图像时的画面质晕，消除了动态伪轮廓现象。 关键词：荫罩式等离子体显示屏，动态伪轮廓，误差扩散 a b s t r a c t p l a s m ad i s p l a yp a n e l ( p d p ) t e c h n o l o g yh a sa c h i e v e dm a n ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sa n di th a sb e e n r e g a r d e da so n eo ft h eb e s tc a n d i d a t e sf o rt h eh o m ee n t e r t a i n m e n tt e r m i n a lo fh i g h - d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ( h d t v ) p d ph a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss e l f - l u m i n e s c e n t ，s t o r e e f f e c t ，e x t r e m en o n l i n e a re l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c ，c o m p a r a t i v e l ys i m p l es t r u c t u r e ，w h i c hm a k ei ts u i t a b l ef o rl a r g es c r e e na n dh i g hd e f i n i t i o n d i s p l a ya p p l i c a t i o n t o d a y ，t h es u r f a c ed i s c h a r g es t r u c t u r ei sw i d e l ya d o p t e d ，w h i c hp r o v i d e sg o o dd i s p l a y q u a l i t ya n dh a sb e e np u ti n t om a s sp r o d u c t i o n h o w e v e rt h es u r f a c ed i s c h a r g es t r u c t u r ei ss t i l ln o tt h eb e s t o n eb e c a u s eo fs o m ep r o b l e m sa n df l a w s s u c ha s t h eh i g hf a b r i c a t i o nc o s ta n dt h el o wi u m i n a n c ee f f i c a c y t os o l v et h e s ep r o b l e m s 。an o v e lc o l o rp l a s m ad i s p l a yp a n e lw i t hs h a d o wm a s k ( s m p d p ) i si n v e n t e db y s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t h em e t h o d st or e d u c et h ed y n a m i cf a l s ec o n t o u rf d f c ) o ns m p d pa l ed i s c u s s e di n t h i sp a p e f c o n s e q u e n t l y , t h ei m a g eq u a i l t yi sg r e a t l yi m p r o v e d a f t e rt h ea n a l y s i so fh u m a nv i s u a ls y s t e m ，h u m a ne y e sw o u l du s et h ei n t e g r a lo fb o t ht e m p o r a la n d s p a t i a lf i e l d st om a i n t a i nt h es m o o t hp u r s u i te y em o v e m e n tw h e np e r c e i v i n gt h em o v i n gi m a g e so nt h e s c r e e n b a s e do nt h ea n a l y s i s ，as o f t w a r em o d e li sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h ed f co np d eb yc o m p a r i n g t h ea v a i l a b l em e t h o d st or e d u c et h ed f c ah o v e ld r i v i n gs c h e m es u i t a b l ef o rs m p d ph a sb e e np r o p o s e d i tr c a l i z e st l l em u l t i g r a y 1 e v e ld i s p l a yb yt h ea c c u m u l a t i o no fs u b - f i e l di n s t e a do ft h ec o m b i n a t i o no f s u b f i e l d t os o l v et i l ep r o b l e mo fs m p d p sp o o rg r a yl e v e l s 。t h ee l r o rd i f l u s i o na r i t h m e t i ci su s e d ，w h i c h f o c u so nv i d e os i g n a lp r o c e s s i n g t ou s et h ed r i v i n gs c h e m eo n3 4 一i n c hs m p d et h i sp a p e ra c c o m p l i s h e s t h em o d i f i c a t i o no ft h ec o r ec o n t r o l1 0 9 i ci ns m p d pa n dt h ea p p l i a n c eo ft h ee l f o rd i f l u s i o na r i t h m e t i c r e a l i z e db yf p g a b yt h ee x p e r i m e n t s ，t h i sp a p e rp r o v e st h a tt h ei m a g eq u a i l t yo ns m p d pi sg r e a t l y i m p r o v e db yt h ed r i v i n gs c h e m ea n dt h ed f ca l ee l i m i n a t e d k e y w o r d s ：p l a s m ad i s p l a yp a n e lw i t hs h a d o wm a s k ，d y n a m i cf a l s ec o n t o u r , e l l o rd i f f u s i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印什和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：薹盔导师签名： 第亭绪论 第一章绪论 在人的各种感觉器官中，视觉是人炎扶得外界信息的重要器官，研究表明，人炎有近6 0 的信 息是通过视觉获得的。二十l 眭纪显1 ：技术的发展，更是推动了信息和知识的传播，推动人类文明以 前所未有的加速度向前发展。作为显小终端的显小器件也经历了一个从c r t 到半板显小的发展过程。 在2 0 世纪显示器件的发展过程中，i i f 极射线管( c r t ) i 据了绝对的统治地位。盲到今天，彩 色电视机、计算机显示器仍然剑处可见c r t 的踪影，并且i 据了大部分市场份额。c r t 能取得如此 成绩得益丁萸成熟的t 艺、低廉的成本、出色的刚像显爪效果以及商可靠性( 口前c r t 的t 作寿命 已经达到i o 万小时) 。但是c r t 的缺点随着科学技术的发展变得日益突出：笨重、需用高屯压、有 x 射线辐射、图像闪烁感强等。随着高清晰度电视( h d t v ) 的即将推广，人们埘显j 、器平面尺寸、 分辨率的要求小断提高，传统的c r t 技术已经无法满足人们对大屏幕、薄犁化日益增长的要求。从 而使c r t 在小屏幕和大屏幕显小器件上的表现都小如其它的后起之秀，即平板显示器件。 在2 0 世纪的最后二十年，各种平板显小器件得到了飞速的发展。在目前研究较多的平板显示器 件中，等离子体半板显示屏( p l a s m a d i s p l a y p a n e l ，p d p ) 显j 、器具备许多独特的优点：( 1 ) 等离 子体显示属于自发光犁显尔，可以产生单色光和彩色光，具有较好的发光效率和亮度：( 2 ) 具有记 忆特性，可实现大屏幕显示；( 3 ) 视角可达1 6 0 度以上；( 4 ) 响麻速度快，灰度可超过2 5 6 级，色 域与c r t 相近；( 5 ) 制作丁艺简单、投资小：( 6 ) 寿命氏；( 7 ) 环境性能优异等。尤其9 0 年代初， 在亮度、灰度级、寿命等关键技术上的突破，使p d p 技术又迎来了一个新的发展阶段。在家庭娱乐 大屏幕显示器件方面，p d p 凭借其大屏幕、真彩色、视角大、高对比度、厚度薄、分辨率佳、体积 小、重阜轻等诸多优点，被认为是最有前途的超大屏幕岛清晰发电视( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ， 皿t v ) 接收机之一，代表了未来显小器的发展趋势。 目前，全眦界有很多j 家在研究和制造p d p ，大部分制造商生产的p d p 都采取表面放电犁交流 共面p d p ( a 1 t e r n a t i n gc u r r e n tc o p l a n a rp l a s m ad i s p l a yp a n e l ，a c c p d p ) 的结构。然而，a c c p d p 有几个缺点：首先，由丁a c c p d p 内部采取的障蔽作为放电单元之间的分界线，在大屏幕情况下， 很难将绝缘材料的障蔽做得宽度、高度一致，而且特别还要求在比较狱窄的情况下，这就导致了低 产量、高成本；其次，由丁二扫描电极和公共电极宽度的限制，很难提岛p d p 平板垂育方向上的分辨 率。为了解决上述问题，国内东南大学提出了一种新型的高性价比的荫罩式等离子体显小屏( s h a d o w m a s kp 1 a s m ad i s p l a yp a n e l ，s m p d p ) 的结构，s m p d p 采取网孔状金属材料c r t 上的荫罩代替传统 的障蔽，作为个公共电极夹在p d p 的上下基板中间，在基板上各有一组相互垂直的电极被用来作 为寻址电极和扫描电极。s m p d p 的这种结构有助丁提高分辨率、亮度，可以迅速提高屏的制造成品 率，降低成本，延长寿命。s m p d p 采取传统的荫罩代替a c c p d p 制作复杂而昂贵的障壁，有利丁降 低成本，但是由于s m p d p 采用了传统的寻址与显示分离( a d d r e s ss e p a r a t ed i s p l a y ，a d s ) 驱动 方式，有在一些和a c c p d p 一样的问题，尤其是运动图像的伪轮廓现象的问题。 1 1 等离子体显示屏( p d p ) 概述 1 1 1p d p 的发展历史 p d p 是利用惰性气体在一定屯庠下产生气体放电( 形成等离子体) 而直接发射可见光，或发射 真空紫外线( v u v ) 转而激发光致荧光粉而间接发射可见光的一种发光犁( 主动型) 平板显示技术。 显q 屏由许多微小放电单元矩阵式排列组成，通过选卅使放电单元产生放电。 查堕查兰壁丝塞 国卧上对气体放电的研究可以追溯到1 9 世纪，但真正开始对p d p 显示技术进行深入的研究升始 于2 0 世纪6 0 年代中期。 1 9 6 6 年，美国i l l i n o i s 大学的b i t z e r 和s l o t t o w 教授发明了交流等离子体显示板a c p d p ：1 9 6 8 年，荷兰p h i l i p s 公刊发明了直流等离子体显示板d c p d p ；1 9 7 0 年，美国布劳斯公司义研制成功了 自扫描等离子体显刁板，从而逐步推动了等离子体显小器的发展。进入2 01 i 纪9 0 年代以后，等离 子体显水板的发展非常迅速，p d p 被公认为是最适合作为i 岛清晰度电视( h d t v ) 的大屏幕彩色显，j 终 端技术。1 9 9 3 年，日本的高士通公司采用表面放电式结构率先实现了5 4 c m 的彩色p o p 旨产：1 9 9 6 年被称为“等离子体电视时代”的起点，从1 9 9 6 年开始，多家公司相继推出了大屏幕的彩色等离子 体电视产品，包括日本的n e c 、九锋、松下等多家公司的产品开始市场化。韩国的二星、l g ，0 r i o n ， 法国的t h o m s o n 等都加速了开发和规模生产的步伐，投资兴建p d p 生产线的资金累t l 已超过2 0 亿 美元。其中，三星更是已经推出了l o o 英寸以上的超大尺寸高分辨率p d p 产品。 1 1 2p d p 基本工作原理 1 气体放电过程 彩色等离子体显示屏利用气体放电产生的紫外线激发荧光粉从而产生彩色光，图卜1 1 所示为 一般气体放电的组成和伏安特性。如图卜卜l ( a ) 中所示，气体在放电过稃中产生了两个区域：负 解区和正柱区。其中负辉区是小可压缩的，而正柱区可以随着放电空间长度的变化而变化，气体在 放电过程中产生的辉光主要集中在正柱区。对丁等离子体显不屏来说，放电空间距离非常的短，通 常只有0 1 5 n ，因此等离子体显示屏在胺电过程中一般只出现负辉区。图卜卜l ( b ) 中伏宜曲线表 示当加在气体两端的电压达到某个数值时，气体开始出现电离，电离后的电子和离子则分别向两极 运动，在电子和离子的运动过程中它们会碰撞其它的气体分子并促使该中性分子产生屯离，并且这 些岛能状态下的一次粒子在轰击同体表面时会导致二次电子发射，当碰撞产生的空间带电粒子逐渐 增多时进而会产生雪崩效应，此时大晕的气体分子被电离并在外电场的作用下向两极运动。对于等 离子体显示屏的放电单元而言，其放电过程主要是介丁稳定和非稳定的拼光放电之问。 ( a ) 删电 f正柱区 莲垫 觳j 二一 警l 二型 带哗爿卞万爿 电 流 i - v 特性 图卜1 1 气体放电的特性曲线 2 笙：! 堑笙 2 潘宁效应 在等离子体显不屏的放电单元中，通常允的是混合的惰性气体，如氖气或氦气加上少帚的 i j t 气。 在放电的初始阶段，放电空间的少晕电子在电场的作用下作迁移运动，在迁移运动的过稃中，电子 会碰撞到氖、氚的廉子，并促使它们电离产生电子、离子对，电子在单位移动距离上碰撞产生的电 子、离子埘通常记为a 。电离产生的离子在外电场的作用下会向阳极运动，同样在离子的运动过稃 中由丁i 碰撞会激发新的电子和离子对，离子在单位移动距离上碰撞产生的电子，离子对通常记为y 。 通过小断的碰撞，电场空间的电子会小断的增加，并进而产生放电的电流。 产生上述的放电过稃的条件之一，是外加的电压必须满足气体放电所需的着火电压。氤气的着 火电压比氖气要高许多，但是在氖气里加少许氙气，可以大大的降低氖气的着火电压。这一现象是 潘宁所发现，故此命名为潘宁效应”。等离子体显示屏正是利用这一现象来降低放电空间的着火电 压，在早期氙气的浓度大约在5 左右。但为了提高发光效率，日酊氙气的浓度已经普遍提j 岛剑接近 2 0 。 着火电压的降低也可以通过提高_ 次电子的发射来实现，目前等离子显示屏的放电单元普遍在 介质层上加上了一层m g o 层，l , l g o 层除了能保护介质层免受离子轰击外，它具有较高的_ 次电子发 射系数。因此e l 前等离子体显示屏的着火电压已经降低剑2 0 0 v 左右。 3 紫外线的产生 在等离子体显示单元的放电过稃中。氖氙潘宁混合气体会产生大帚的激发态和q p 稳态原子以及 激发态二聚物分子等多种粒子，其中激发态的粒子很不稳定，会自动还原到稳定的原子状态，并将 多余的能晕以紫外光的方式向外界辐射。图1 - 1 2 列出了主要的一些碰撞电离反应，以及激发态恢 复成原子所产生的紫外线。 0 + o 日 + o + o + o 日+ o 日o ( 1 4 7r i m ) + ，、i 、 ip 日o + o 图l l - 2 氖氙潘宁混合气体的主要电离过程 ( 1 7 3n m ) + ，、 ，、 从上图中可以看出，1 4 7 - r i m 的紫外线是激发态的氙原子通过共振辐射反府( r e s o n a n c e r a d i a t i o n ) 产生的，而1 7 3 一n m 的紫外线则是通过激发态二聚物氚分子的激发辐射反应( e x c i m e r r a d i a t i o n ) 产生的。等离子体显不屏利用这两个波长的紫外线来激发荧光粉，从而产生人眼可见的 亮度信号。对于某个放电单元而言，当放电空间产生气体放电后，紫外线的激发随之很快便达到了 最高值，此后便早指数衰减，在l o o n s 时衰减剑一半，l u s 时紫外线的激发基本停止。 3 尔南大学硕十论义 1 1 3 等离子体显示屏的典型结构 等离子体显_ i 屏按照放电单元的结构来划分，有二种典犁的结构：直流放电掣、交流对向放电 型和交流表面放电犁”。二种结构的截面图如图卜1 3 所小，图中上半部表4 水平方向的截面图， 下半部表小对廊的乖直方向的截面图。 ：。i 。二：。；一 ( a ) 直流放电( b ) 交流对向放电( c ) 交流表回放电 图卜1 3 二种典型的放电单元结构 图卜1 3 ( a ) 中所月i 直流放电型结构相对比较简单，每个放电单元有两个交叉的行列电极相对 虑，当两个电极的电压差达剑菜个数值时，气体产生放电，并进一步激发荧光粉发出亮光。在直流 型结构中，为了限制放电过程的电流，通常在每个放电单元都串接一个电阻，对于整屏所有的像素 而言电阻的相对误筹必须小于0 5 ，而这一过稃在大规模的生产过程中比较难控制。由于直流放电 结构的p d p 在亮度和效率方面的4 i 足，日前已经基奉消失，市场上大部分等离子体显示屏采用的都 是鱼流结构，奉论文在下面也将主要讨论交流犁结构的工作原理，戈于直流犁放电过程的t 作原理 可以参考 4 1 。 图卜1 3 ( b ) 所示为交流埘向放电犁单元的结构图，与直流型相比，交流对向放电犁在前后基 板的电极上增加了介质层。在放电过程中介质层上将由于放电电流而小断积累肇电荷，随着壁电荷 的进一步积累，放电空间的场强被逐步减弱，并最终导致放电的停止。因此为了使放电过稃不断继 续，极性相反的电压必需交替的加载在行列电极的两端，这个交替的电压就是后面将要介绍的维持 电压。另外由于壁电荷的积累，使放电空间产生维持放电所需的电压幅值也会有所下降。 图卜1 3 ( c ) 所示交流表面放电犁结构与对向放电犁结构的区别在于，在自口基板每个象素拥有 两个半行的行电极，维持电压就加载在前基板的两个电极之上。这是目前绝大多数等离子体显示屏 所采用的结构。它与对向放电犁相比，优势在于放电集中在前基板的表面，而荧光粉涂敷在后基板 之上，冈此离子对荧光粉的轰击要弱许多，从而可以提高荧光粉的寿命。 1 1 4 寻址与显示分离( a d s ) 驱动方式 对于小同结构的等离子体显4 j 屏来说，具电极上所加的驱动电压波形是不相同的，本文仪以目 前占主流的交流表面放屯犁结构为例来介绍a d s 驱动方式的实现。 4 第亭绍硷 gbg b 图卜卜4 交流表面放电式电极结构 图卜1 4 中为常见的交流表面放电式结构的电极结构示意图。图中y ，和x 为导电率较高的前基 板电极，在这两个电极之上还有一层透明的i t o 膜。维持电压的波形就加载在x y ，电极之上。寻址 电极a 为后基板电极，它与y 。电极共同完成放电单元的寻卅功能。 x y 擦除期 扫描期维持期 皿衄皿 一_ nnn 墨nf rnn 几 l 堇i1 - 1 5 各个电极之上的电压波形 等离子体显示屏采用脉冲个数调制方式来实现不同灰度等级的图像，例如将每帧时间分成8 个 子场，每个子场维持期脉冲的个数各小相同，高位子场是兑前一级低位子场的两倍。1 。图卜卜5 给 出了某个子场的各个屯极所加电压波形的示意图。图中屯极a 。只有在扫描期才加载电压波形，其它 时间保持在零电付。电极x 和y ，是共同t 作的，在擦除期两个电极所加载电压波形将使放电单元积 累的肇电荷清除干净；在扫描期a t 和y 。共同作用的结果是在对麻的放电单元产生一定的肇电荷积累， 从而使该单元在后续的维持脉冲作用下小断地产生放电；在维持期x 和y 。电极轮流加载高电平，从 而使扫描期积累肇电荷的放电单元能小断地产生放电，激发出紫外线。 5 尔南人学研l 论卫 1 2 等离子体显示屏存在的问题 随嵩我嗣数字r 乜桃标准的逐步制定完成，未来家庭高清晰娱乐显小终端的竞争将更加剧烈。目 前加入剑竞争行列的平板显小器件有：液晶显小屏( l c d ) ，等离子体显小屏，大屏幕背投显小屏等。 与其他显小器件相比，等离子体显小屏所具有的优势在丁，主动式发光、| 岛亮度和大尺寸显小面积。 但同时，等离子体显小屏也存在着一些问题，土要包括： 小能承厍，功耗大。由丁是大刈超薄半板硅小器，结构l 小能承压，驱动电压高，功耗大。 免b 乏低。虽然ji 。c d 相比，p d p 的亮度姓商r i ， 多，仙作为晕持式的显小器件具亮度仍需要进 一步提局。 发光效率低。由丁p d p 利用的是辉光放电的负辉区，效率比较低。 成本高。要降低成奉，必须降低材料成小，简化制造过稃，提岛成品率，这样才可以降低屏的 成奉，改善：i i 水屏的1 _ 作特性，降低对驱础的要求，从而降低驱动电路的成奉。 显小质帚有 捉岛。如存在串扰，在分辨率、对比度、动念| 墨| 像伪轮廓( d f c ) 等方面，仍需要 进一步的捉商。 以上所有罗列的问题中，成本问题是最天键的。对于4 2 英寸的等离子体显爪屏而言，具进入中 国家庭必须跨越弗机单价l o o o 美冗的价格天口。为降低生产成本，创新是唯一的出路，这其中包括， 捉出新璋i 的放电单元结构并带幼着火电压的下降、设i f 和优化显_ ：屏的生产工艺流程，降低大规模 生产的成术，同时等离子体显小屏还需要进一步设i l 和优化带能阜恢复的电源驱动模块以降低帮机 功耗、以及设i l 和优化视频驱动模块并改进显示的图像质晕等。 为解决上述问题，一些新掣的驱动方式被提出来，如a w d 驱动方式”】，a l i s 驱动方式”j 、c l e a r 驱幼方式“l 、p l a s m aa i p l 驱动方式等；同时一些新犁的放电单冗和解结构被创造性地提出了，如d e l t a 结构、t u b e a r r a y 结构】、w a f f l e 结构、s m 结构等；为改善图像质量，带运动估计的 补偿方法也被采用剑等离子体显4 ：屏的视频驱动系统之中。 1 3 荫罩式等离子显示屏( s i p d p ) 结构和驱动方法 国内东南大学提出了荫单犁等离子体显珂i 屏( s m p d p ) 结构，该结构与传统a c c p d p 结构相比，用 成熟的荫革替代障蔽结构，从而简化了生产工艺流程，带动了整屏成本的降低。 本论义针对s m p d p 的结构，研究具等效电路模犁来对该新犁显小屏工作特性进行分析，并借助 于等效电路模犁来优化驱动电路设计，旨在提高显_ ：屏显小亮度、降低罄机功耗。下一节将介绍这 种新犁s m p d p 的缔构和驱动方法。 前面捉剑，口| i 等离子体显尔屏土要存在二大问题：莽机成本高、功耗大和图像质量不够好。 为解决上述问题，东南大学提出了新犁的荫罩犁等离子体显爪屏( s m p d p ) ，区别丁以往的结构，荫 罩犁等离子体显小屏采用荫单来替代传统的障蔽，从而简化了显小屏的制作流程，并且由丁荫罩奉 身的特性，经过优化设讨，荫罩犁等离子体显示屏可以具有较高的显，j 效率，进而带动整机功耗的 下降。 1 3 1s m p d p 基本结构 图1 - 3 - 1 所小为荫掣式等离子体显_ 屏的二维结构目i 意图。从图中可以看出，荫罩式等离子体 显小屏采用了交流对象式放电结构，即每个放电单元的寻址和维持都是通过上基板的行电极和下基 6 第事绪论 板的列咆极n d 完成的。在荫罩的设i f 过程t 扣，采用1 r 一种碗状的结构1 1 4 j ，荧光粉涂敷在碗状结构 的内肇，碗状结构的底部是开通的没柯荧光粉涂敷。可以看出，荫革式结构传统的空流对象式放 电结构相比较，荧光粉小易受到离子的轰击- 。 图1 - 3 - 1 荫罩式等离子体显爪屏二维模拟图 荫罩式结构与其它结构的最大区别在于中问障蔽所采用材料的不同，荫罩式结构采用的是导电 的金属材料，图卜3 2 所小为放大的荫罩结构图片，对丁挚屏所有的显示单冗而言相当丁：一个公用 的公共电极，如果将荫单引出，则可以在扫描期和维持期给荫单加载不同的电压波形，从而进一步 优化放电过稃，提高显4 i 的效率。并且由于金属材料的特性，荫罩犁等离子体显示屏在e m i 和散热 等方面也优丁传统障蔽型结构的等离子体显不屏“l 。 图卜3 2 曲罩式等离子体显小屏所采用的舶掣放大图 金属材料的荫罩对放电空间的电场分布会产生一定的影响，模拟t f 算表明1 4 1 1 1 5 】f ，放电的初始 阶段，在荫罩边缘处的场强最强，因此荫单犁等离子体显示单冗的放电过稃是从荫罩与上基板接触 的边缘处开始的，如图卜3 3 所示。随着碰撞屯离产生的电子的增多，放电过稃逐步的向放电单元 的中间扩散，当电子和离子以及各种激发念粒子的浓度增加到一定的数值，在上下基板的电极之间 7 为、南大学硕十论文 便产生雪崩效应的放电过稃，并激发出大帚的紫外线，随着放电过稃的小断继续，放电电流在上下 基板的介质层上逐渐的积累起肇电荷，肇电1 岢产生的电场与上下基板电极所产生电场的极性正女，相 反，因此壁电荷的积累会逐渐的降低放屯空间的场强，并最终导致放电的结束。图卜3 3 描述了放 电的四个过程。 + - 艮鬻舅 ：2 0 扩散 + - + 0 、7 i 黪霭 艮一 放电 停止 图卜3 3 荫罩式等离子体显尔屏放电过程不意图 由于荫罩式等离子体显示屏放电单元的电场分布与传统结构放电单元电场分靠卜同，在荫罩的 边缘处场强比较高，从而可以在较低的外加电压情况下，快速的产生放电过程。图卜3 - 4 所示为通 过数值模拟计算产生的电子平均浓度随时间的变化曲线，图中分别列出了荫罩式等离子体显示屏和 传统表面放电型等离子体显示屏放电过稃的模拟结果，比较图中的两条曲线可以看出，荫罩式等离 子体显不屏在外加电压改变以后很快便产生雪崩的放电过程，而传统结构达到平均电子浓度最大所 需的时间接近荫罩式结构的二倍。j 茎i 卜3 4 所示的结果表明，荫罩式等离子体显不屏结构所需的放 电寻址电压的脉宽比传统结构窄许多，采用窄的放电寻址电压意味着寻址所需时间的减少，从而可 以增加维持脉冲的个数来提岛显示的效率。 电 子 均 浓 度 一p d p f ：o d k b 缸一 f 1 j f f厂 j f f r o】l o 一 f 一! l f ln ，? 时间 图卜3 4 荫罩式与传统表面放电型放电速度的比较 8 ”k”，0矿0喈。矿蝣 0 铂n九九九九九九 第章绪论 通过前面的讨论町以看出，采用荫罩式等离子体显小屏结构所带来的最商接灯处是带动了挚机 成本的下降，首九是复杂的障肇生产下艺和流稃因为采用简单的荫罩而简化了，其次荫罩式结构可 以采用较低的着火电压从而带动驱动芯片成本的降低。对于等离子体显水屏存在的功耗问题，荫罩 式结构可以提高显不的放光效率，但要将上白凡的功耗降低剑家庭可以接受的标准，能量恢复电路 是必小可少的，此外还可以采用自动功耗调整( a u t op o w e rc o n t r o l ，a p c ) 方式以及松下公司提出 的p 1 a s m aa i 9 1 等方式来降低整机的最大输出功耗。 荫罩式等离子体显示屏的放电单元炎似于交流对向放电式结构，可以采用a d s 驱动方式。冈此 荫罩式等离子体显小屏和其他一切采用a d s 方式的等离子体显小屏一样，在运动图像的显小上存在 一些问题，包括：运动图像的模糊( m o t i o nb l u r r i n g ) n 7 】，动态伪轮廓( d y n a m i cf a l s ec o n t o u r ， d f c ) i ，i 回面闪烁( f l i c k i n g ) 0 9 和长时间图像的水纹印( i m a g es t i c k ) 2 0 i 等。 等离子体显示屏所出现的运动图像显示问题与它的视频驱动方式是相关的，如动态伪轮廓的产 生就是由于等离子体显示屏a d s 驱动方式下子场的分别显小造成的，因此改善等离子体显不屏的图 像质晕，需要对等离子体显示的驱动方式进行改进和优化。对于等离子体显示这一类的平板显示而 言，由丁采用了行列共同寻址的方式来实现每个象素的点亮，即平板显小通常采用数字视频信号来 驱动，故此可以在等离子体显不的视频驱动模块中加入相应的数字视频处理功能来改进和优化其驱 动方式，从而提高显示的图像质量。 l3 2s m p d p 驱动方法 荫罩犁等离子体显示屏的驱动电路系统主要包括四个部分：视频采集、逻辑控制、高压驱动和 电源部分，如图卜3 5 所示。 _ 翮t v 燃- 。列錾纂一触动一 篓：。凋詈| | ：。十一| | 驴”嘲臻艘、拜 一 一t l 。 鼍黑燃铡罢篓戮黝一 视频图 d c d c 转换器 一 电压转换器 图卜3 5s m p d p 驱动模块设计图 1 视频采集 图像采集包括常规模拟视频信号的数字化、存储、针对p d p 显示所做的图象处理，其中常规视 频信号包括v i d e o s v i d e o 以及v g a 信号。目前市场上能够购买成熟的相应专用芯片，例如飞利浦 的s a a t l l 0 和s a a 7 1 1 4 系列。在图象数字化后，必须将信号存储下来，由tp d p 是子场显示方式， 9 身、南大学硕十论文 因此必须存储历帧以上的图像，以便尉每帧图像划分子场。针对p d p 显小的特殊性，还必须对图像 进行处理，消除数字显小带来的视觉误差、提高显水质母。 2 控制模块 控制模块是p d p 显不驱动的核心模块，它产生p d p 正常t 作所必需的同步信号、图像存取信号、 电源控制信号和岛压驱动所需的控制波形。这一部分功能的实现通常采用可编稃逻辑器件( p l d ) 。 3 岛压驱动 由y - p d p 的t 作电压较高，因此具选址t 作必须采用专用的低压控制高压输出的芯片。例如可 采用了n e c 公一j 的p d p 专用芯片，该芯片可同时驱动4 0 路，电压可达到2 0 0 伏。 4 电源 在p o p 中存在着备种电压幅度，因此其电源的设计也是十分重要的。由于p d p 是电容性器件， 因此其正常工作时瞬间电流较高，为了降低p d p 的功耗，必须采用能量复得电路，利用电感将能黾 返回电源，从而可以解决岛功耗的问题。 5 驱动波形 荫罩型等离子体显示屏的可以用多种驱动方法来驱动，下面介绍其中一种比较简单的驱动方案， 该方案采用了a d s 驱动时序。如图卜3 6 所示，图中斜线代表逐行扫描寻址，即寻址期；灰块代表 高频率维持脉冲，即维持期；通常在维持期之后要对全屏进行擦除，以消除上次放电对下一子场的 影响。采用a d s 驱动方式能允分利用交流p d p 具有存储功能这一特性，从而能够抉得较高的亮度。 i 帧 扫描电极1 扫描 扫描电极n s f 2s f 3 。f 4 i 。，s f 7s f 8 s u b f i e l d l 扫描脉冲 寻址期维持期 子场1 ( s f i ) 图卜3 6p d p 的a d s 驱动方案爪意图 单个子场的驱动波形如图卜3 7 所示，每一子场包括寻址期、维持期和擦除期。 对于现在流行的a c c p d p 结构，由于每一放电单元中存在着三个电极，为了能够显示，在寻址 之前必须对所有单元进行初始化，通过在前基板上的平行电极间施加高压脉冲进行一次强放电，再 通过与后基板的寻址电极进行放电来使所有单元的肇电荷一致，之后爿+ 能实现寻址。这一有发光的 初始化过稃在每一子场均为必须的，因此对每帧图像都会产生不可消除的背景光，这就严重影响了 图像的对比度；而两电极的s m p d p 小需要这一过程，因此在对比度上要高于a c cp d p 。目前通过采 用斜坡擦除可以达剑较好的擦除效果。 1 0 ： 兰二主堑堡 n n + l 行 荫罩 寻址列 未寻址列 图卜3 7s m p d p 子场驱动波形 在p d p 驱动设计的过稃中，还有一点十分关键，就是电磁兼容性( e m c ) 问题。由于受高压放电 的影响，p o p 系统线路中存在着较严重的电磁干扰，若处理小当，其干扰信号的幅度甚至可能超过 低压电源幅度，严重影响低压逻辑控制部分的正常丁：作，因此必须严格控制，在制电路板、装配等 过稃中要尽可能消除电磁干扰。而s m p d p 由于障肇本身是金属，放屯单元被金属包围，本身就具有 降低电磁干扰的功能，因此能够有效的降低驱动设计的难度。 1 4 课题主要工作及意义 正如| ；i f 面所叙述的，等离子体显不器在进入2 l 世纪后已经确立了其在大屏幕高清晰度显不领域 的重要地位，但是目前仍然有许多需要改进的地方，如效率、功耗、成本等。荫罩式等离子体显示 屏的出现为进一步捉高等离子体显不屏分辨率、亮度以及提高屏的制造成品率，降低成奉，延长寿 命提供了可能。目前，荫罩式等离子体显示屏已经基本完成了实验室阶段研究，无论从理论分析， 还是从实验、样屏等角度，均已成功的证明了这种技术的可行性与优越仕。 然而，由于s m p d p 采用了a d s 驱动方式，存在一些和a c c p d p 一样的问题，尤其是运动图像的 伪轮廓现象的问题。解决这个问题的方法大体分成三类：改进的_ 进制编码法、非- ：进制编码法和 运动补偿的方法1 。改进的_ 进制编码法和非二进制编码法是日前等离子体显不屏所普遍采用的方 法，但这两种方法只是部分的改进了剧像的质量；运动补偿方法从理论上可以消除上述显尔运动图 像时出现的问题，但由于算法及实现的复杂一直停留在实验室阶段。 本课题是国家8 6 3 项目，即荫罩犁彩色等离子体显月屏研制项目的一部分，旨在通过改进s m p d p 的a d s 驱动时序来消除d e c ，并在s m p d p 系统上运用该方法。整个课题设计由于既有理论的研究， 义有最终的具体实现，冈此具有较大的工作帚。针对实际情况，课题主要侧重丁具体实现，冈此具 体的t 作帚主要集中在s m p d p 驱动时序的f p g a 设i f 和系统优化上，特别是对于s m p d p 图像显示质甓 的捉商，这需要大量的时问和精力。 东i 人学顾i 论文 第二章d f c 现象产生原因及消除方法研究 等离子体显小屏( p d p ) 单个像素的点亮都是通过彳列相麻的电极来其同寻奸的，即其像素的排 列成矩阵的形式，这种矩阵的排列方式使它非常适合作为未来数字显1 i 的终端。但由于其特殊的视 频驱动时序导致了幼态伪轮廓( d y n a m i cf a l s ec o n t o u r ，d f c ) 现象的产生。目莉解决这个问题的 主要方法是优化等离子显小屏的视频驱动时序，或者通过后期的视频信号处理来进行相应的补偿。 本萏将土要讨论等离子显小屏上动态伪轮廓现象的产生原冈，并比较现有的几种消除动态伪轮廓方 法。 2 1d f c 现象产生原因 等离子体显小屏具有记忆效应，即通过放电在每个显，下单元的介质层上积累肇电荷。等离子体 显不屏正是利用这种记忆效应实现具显小i 冬i 像的小同灰度级，目鲋普遍采用的实现方法即前面讨论 过的a d s 驱动时序。在a d s 驱动时序中，小嗣的子场经过一定的排序依次在屏上显示，冈此不同子 场的显小时间被分在小同的时间段。当人眼存观看带有运动i 皿面的视频图像时，眼球会随着运动画 面中的运动物体一起运动，这种半滑跟随运功导致了视心膜在一帧时间里连续扫描了几个象素，而 在一帧时间里，这些象素代表了一帧静i r i 匝i 面的小同部分，由此就产生了等离子体显示屏所特有的 动态伪轮廓现象。在分析动态伪轮廓现象产生原冈之前，奉义有必要先分析人眼的视觉特性。 2 l 1 视觉的传输过程 外界物体土要是通过眼球映射入人眼视觉系统，在某种稃度上，可以将眼球看作是一个光学摄 像系统，具基本的构造如图2 - 1 - 1 所禾。 ，r h i z m t * 4 图2 一卜1 眼球的结构图 从上图2 1 1 中可以看出，外界光线进入人眼视觉系统必须依次通过角膜、水状体、晶状体、 玻璃体，最后落在视嘲膜上。视 。4 膜伸于眼球的后肇，约- 眼球内表面的2 3 ，包含有感光细胞( 杆 体细胞和锥体细胞) 、双极细胞和神经节细胞，因此相对丁i 一个摄像系统而言，视嗍膜类似丁| 光学感 光胶片，而其前面的各种组织则炎似丁光学透镜系统。但是，视删膜光学感光胶片存在很大的区 别，光学感光胶片是被动接收系统，而视网膜由丁包含丰高的神经组织，它会主动的对映射在其上 1 2 第一幸d f c 现象产牛原因及消除方法研究 的亮度信号进行分析，如加强某些信息或者忽略某些信息，这种处理过稃o j 人炎的进化是相父联的， 视剐膜总是将我们牛存相天的紧要信息传送剑后续的中枢神经系统之中o “。视叫膜由二层细胞组 成，第一层是杆体细胞和锥体细胞；第层是双极细胞；第二层是神经节细胞，其细胞的视觉纤维 直接连接剑大脑中枢。正是由丁视删膜包含有丰富的神经细胞，映射在视嘲膜上映象的色彩、运动 和对比度等信息将在视网膜完成初步的分析，并将分析后的复杂信思传送到大脑。图2 一卜1 中 ! ! i ! 嘲 膜黄斑是人眼视觉最敏锐的地方，通常为了看清物体，我们需要转动眼球是物体的影像落在视网膜 黄斑区域。 从视网膜传出的神经节细胞进过视丘神经细胞进一步将视觉信息传送剑大脑皮层，其结构如下 图2 - 1 2 所示。 人脑皮质崖 图2 - 1 2 大脑视觉传输过程 如i 奎| 2 - 1 2 中所爪，从左右眼视网膜引出的视觉神经分别传送剑了左右大脑皮层，视觉心理过 稃的大部分工作便在大脑皮层中完成。图中视觉神经进入大脑皮层之前进过一个节点，在节点处视 觉神经程辐射状传输，即视觉信号被传输到大脑皮层的许多区域，这些丰富的大脑皮层区域将参与 视觉信号的综合、记忆和其他的感知过程。 2 1 2 视觉的心珲过程 前面讨论的视觉系统给出了外界映像进入大脑的传输过稃，这一过稃是人眼感知外部舭界的物 理平台，人眼视觉系统还包括另外一个更重要的过程，即视觉的心里感知过程。外部映像是各种物 理结构对光反射形成的，它们是静止的、平面的，但是它们在大脑中却形成了动态的、立体的外部