等离子显示

等离子显示（精选6篇）

等离子显示 篇1

摘要：设计了一个用于多屏拼接等离子显示系统的专用电源。该电源采用两级变换,前级AC/DC变换采用Boost型有源功率因数校正电路,后级变换器对于不同的回路根据功率的大小分别采用全桥变换器和单端反激变换器。对传统Boost型功率因数校正电路提出了一点改进,有效抑制了传统Boost型功率因数校正电路中大功率时开关管开通时二极管上瞬时大电流。后级变换器中主回路采用一种次级无源箝位ZVZCS全桥变换器,适宜大功率的输出且有效降低了开关损耗。

关键词：等离子屏,开关电源,功率因数校正,全桥变换器,零电压零电流软开关

0引言

等离子体显示技术是利用氦、氖、氮等混合气体在密闭空间加压放电产生等离子体生成紫外线使荧光屏成像的技术。等离子显示屏(Plasma Display Panel)作为平板显示器的佼佼者,它的厚度只有普通显像管电视的1/10,重量仅为普通显像管电视的1/6,观看视角达到160°以上,画面不受磁场影响,具有较高亮度和对比度。等离子显示屏中,电源担负着所有电路和显示屏的供电。包括向驱动电路提供维持电压和扫描电压,以及控制板、接口板等部件的+5 V,+15 V电压。同时,电源还应具有针对显示屏故障的过压过流保护功能,为了保护显示屏和扫描电路,电源必须有严格的工作时序。所以对于等离子显示屏而言,电源的设计是其中举足轻重的一部分[1]。

1PDP屏专用电源的参数要求

PDP电源是一种具有保护功能的大功率电源。本设计电源用于一种由多块显示屏拼接而成的显示系统中,每块屏的大小为16英寸,整个屏幕由5×4块屏组成。每块屏的功率约为80 W,整个屏幕的功率约为1 600 W。本设计的专用电源设计输出负载要在2 kW左右。专用电源的输入电压为85～260 V,频率为50/60 Hz。

等离子显示屏有多种工作方式,这里不做赘述。本文中的显示屏为三电极表面放电方式。其驱动电压比较复杂,显示一幅画面需要经过3个时期:准备期、寻址期、维持显示期。准备期负责擦除所有点的残余壁电荷,寻址期负责在需要发光的点上积累壁电荷,到了维持期有壁电荷的点就会持续发光,形成一幅图像[2]。其驱动波形如图1所示。

但本文设计的电源只为显示系统提供大功率180 V高压和+5 V逻辑电压及+15 V驱动电压。显示屏需要的其他高压又每块显示屏的控制电路产生。表1为各种输出电压及负载能力表。

控制电源与数字电路CPU通过6针端子相连,如表2所示。

2PDP电源的工作时序

PDP电源在工作时,具有严格的开机时序和关机时序。当插上整机电源插头后,输出待机电源VSB,同时交流信号检测ACOK=1。此时按下开关。数字电路CPU向电源发出电源控制信号,使VRL=1,电源向各种逻辑电路、控制电路、保护电路提供+5 V, +15 V电源,然后将V5_ok置1。当电源检测信号V5_ok=1时,数字电路CPU向电源发出VS_on=1。PDP电源向显示系统提供180 V高压。关机时,先关掉高压电源,然后再关掉+5 V, +15 V电压[3,4,5]。工作时序如图2所示。

3电源电路设计

交流输入电压经过EMI滤波器和浪涌电流抑制电路后,送往待机电源和PFC电路,交流输入经过PFC电路后产生400 V的直流电压。其余的电路均基于此PFC电路的输出。

3.1 PFC电路的设计

全桥整流加滤波电容的AC/DC变换电路由于只有整流桥输出电压高于电容电压时才有电流给电容充电,导致输入电流波形畸变严重,使功率因数降低。

为解决这个问题,本设计中前级AC/DC变换采用Boost PFC变换器。该结构电路具有输出电流连续,电流波形畸变小,输入电流脉动小的特点。输出电压可以高于输入电压。输入电压范围为交流85～260 V,功率因数可达0.99。其拓扑结构图3所示。

图3中的二极管应该采用超快回复二极管,但当PFC电路功率较大时,二极管结温升高会使得二极管反向恢复时间变长,导致开关管导通瞬时电流很大。为了解决这个问题,在二极管与开关管之间串联了一个小电感。这个小电感可以有效的抑制由于二极管反向恢复时间变长而导致的开关管导通瞬时大电流[6]。

改进的主电路PFC拓扑结构采用了FA5502功率因数控制芯片,当输入电压在85～260 V之间变化时,输出电压可保持稳定。FA5502采用推拉输出级,输出电流可达1 A以上,因此输出的固定频率PWM脉冲可直接驱动大功率MOSFET。

3.2 开关变压器电路设计

PWM技术是指在开关变换过程中通过改变开关时间的长短来保证负载变化时负载上的电压保持不变。PWM技术以其结构简单,控制方便获得广泛应用,但是传统的开关技术中,开关管的通断控制与开关管上流过的电流和器件两端的电压无关,开关管的开通和关断是在器件上的电压和电流不为零的状态下强迫进行的,称之为“硬开关”。由于功率器件并不是理想的开关器件,器件开关时电压和电流会有一个交叠区,产生开关损耗。当器件工作频率越高,开关损耗就会越严重[7]。为了解决开关损耗问题,必须保证开关管零电压、零电流开关,同时由于本变压器功率较大,所以采用次级无源箝位ZVZCS全桥变换器。变压器副边采用中央抽头结构,全波整流方式。高压电源的电路图如图4所示。

该电路超前臂和传统的移相控制ZVS-PWM变换器一样实现零电压开关,由于输出电感参与了超前桥臂的谐振,所以在原边漏感很小的情况下也可以给超前桥臂开关管S1,S3并联电容C1,C3来实现零电压开关。辅助电路在输出滤波电感磁芯上加一个绕组,当原边向副边传送能量时,由增加的绕组经辅助回路给箝位电容Ch充电。其后当S1关断,原边电压过零期间,Ch经过二极管Dh放电,把电压折射到原边,通过箝位电容的放电,流经变压器原边的电流下降到0,为滞后桥臂提供零电流开关条件[8]。SW1～SW4为IGBT的驱动信号。各开关管的时序和整个电路的工作状态如图5所示。

3.3 关于次级箝位ZVZCS电路的几点考虑

3.3.1 关于超前桥臂的零电压开关条件分析

对于超前桥臂而言,只要与开关管并联的电容足够大就可以很好的保证开关管零电压关断。为了实现超前桥臂的零电压开通,要求有足够的能量来使超前桥臂的开关管外部并联的电容充、放电,从而让即将开通的开关管的反并联二极管自然导通。

为了获得超前桥臂的零电压开通,谐振时间和死区时间应满足:

$\begin{array}{l}{\rm T}{}_{\text{d}\text{e}\text{a}\text{d}}>t{}_{34}+t{}_{45}(1)\\ t{}_{34}={\rm T}{}_4-{\rm T}{}_3={\rm K}C{}_{\text{e}\text{q}}\left(\frac{V{}_{\text{Ι}}-{\rm K}V{}_{\text{Η}}}{{\rm I}{}_{\text{Ο}}}\right)(2)\\ t{}_{45}={\rm T}{}_5-{\rm T}{}_4=\frac{1}{\omega {}_{\text{b}}}\arcsin \left(\frac{{\rm K}{}^{2}V{}_{\text{Η}}C{}_{\text{e}\text{q}}\omega {}_{\text{b}}}{{\rm I}{}_{\text{Ο}}}\right)(3)\end{array}$

为了保证有足够的能量来使超前桥臂的开关管外部并联的电容充、放电。则(3)式中:

$\frac{{\rm K}{}^{2}V{}_{\text{Η}}C{}_{\text{e}\text{q}}\omega {}_{\text{b}}}{{\rm I}{}_{\text{Ο}}}<1(4)$

即必须要保证超前桥臂关断时:

${\rm I}{}_{\text{Ο}}>{\rm K}{}^{2}V{}_{\text{Η}}\sqrt{C{}_{\text{e}\text{q}}/L{}_{\text{l}\text{k}}}(5)$

虽然超前桥臂的开关管并联电容越大,零电压关断效果越好,但是过大又限制了零电压开关的负载范围。所以Ceq选择应该在开关损耗和负载两者之间折中。同时,减小K、VH,增大Llk都有利于零电压的实现,但增大Llk有恶化副边占空比的丢失。

3.3.2 关于滞后桥臂的零电流开关条件分析

要想保证滞后桥臂的零电流开关,要求在滞后桥臂关断之前原边电流下降到0。原边电流的下降主要发生在次级箝位节段,所以在次级开始箝位时Ch中的能量要能够使Llk上的储能得到全部释放。即:

$\frac{1}{2}L{}_{\text{l}\text{k}}{\rm I}{}_{\text{p}}^2<\frac{1}{2}C{}_{\text{h}}V{}_{\text{Η}}^2(6)$

此时原边电流值为:

${\rm I}{}_{\text{p}}=\frac{{\rm I}{}_{\text{Ο}}}{{\rm K}}\cos (\omega {}_{b}t{}_{m5})(7)$

由式(6),式(7)式可得:

$C{}_{\text{h}}>(\frac{{\rm I}{}_{\text{Ο}}\cos \omega {}_{\text{b}}t{}_{m5}}{{\rm K}V{}_{\text{Η}}}){}^{2}L{}_{\text{l}\text{k}}(8)$

所以Ch的大小要满足式(8),但Ch过大又增加了给Ch充电的环流,而且Ch要保证在原边向副边传送能量结束之前充电结束。所以Ch应该在保证零电流开关情况下尽可能小。

在滞后桥臂关断之前,要保证ip能够下降到0,则应该满足:

$\frac{1}{\omega {}_{\text{c}}}\arcsin [\frac{{\rm I}{}_{\text{Ο}}{\rm Z}{}_{\text{c}}}{V{}_{\text{Η}}{\rm K}{}^2}\cos (\omega {}_{\text{b}}t{}_{m5})]<\frac{{\rm T}{}_{\text{S}}}{2}(1-D{}_{\max })(9)$

所以,增大VH有利于滞后桥臂零电流的实现,但是VH不能超过输入电压折算到副边的值$\frac{V{}_{\text{Ι}}}{{\rm K}}$,而且VH增大又不利于超前桥臂零电压的实现[9]。

3.3.3 耦合输出电感及输出滤波电感与耦合电感的变比

要保证辅助电路的二极管Dc的软开关,则Ch应该在原边向副边传送能量之前充电完成。

在Ch充电时Llks与Ch谐振,谐振频率$\omega {}_{\text{s}}=1/\sqrt{L{}_{\text{l}\text{k}\text{s}}C{}_{\text{h}}}:$

$i{}_{\text{c}\text{h}}(t)=\frac{V{}_{\text{Η}}}{2}\sqrt{\frac{C{}_{\text{h}}}{L{}_{\text{l}\text{k}\text{s}}}}\sin (w{}_{\text{s}}t)(10)$

充电时间为半个谐振周期,在忽略原边漏感的情况下,充电时间要小于2TSDmin,即:

$L{}_{\text{l}\text{k}\text{s}}<(\frac{{\rm T}{}_{\text{S}}D{}_{\min }}{2\text{π}}){}^2\frac{1}{C{}_{\text{h}}}(11)$

所以,耦合电感的漏感Llks应该满足上式要求。但Llks增大又可以减少变压器原边电流、输出电压电流的纹波,所以Llks应该在满足上式的情况下尽量大。

箝位电容Ch的充电电压值满足如下关系式:

$V{}_{\text{Η}}=\frac{2}{m}(\frac{V{}_{\text{Ι}}}{{\rm K}}-V{}_{\text{Ο}})(12)$

式中:m为滤波电感与其耦合电感的变比。

为保证二极管Dh在非箝位是不导通,要求VH不能大于$\frac{V{}_{\text{Ι}}}{{\rm K}}$,则:

$m>\frac{2(V{}_{\text{Ι}}-{\rm K}V{}_{\text{Ο}})}{V{}_{\text{Ι}}}(13)$

这种次级无源箝位ZVZCS全桥变换器,由于采用了零电压和零电流软开关有效的抑制了开关损耗,提高了变换效率。采用了全桥变换器拓扑结构,可以满足大功率的需求。但这种电路结构复杂,成本高, 并且由于器件多,其可靠性也降低[10]。对于本系统的待机电源和逻辑及控制电源功率比较小,可以采用单端反激式变换器,以降低成本。由于篇幅限制这里不再对单端反激变换器进行分析。

4结语

等离子显示器与其他显示器相比,具有体积小,高亮度和高对比度的特点。但等离子显示屏与其他显示屏相比电压驱动比较复杂,所以对电源的要求比较高。对于等离子显示屏而言,电源是其中关键的一部分,要求输出电压高、输出功率大、纹波系数小和噪声低。本文所设计的PDP电源满足了以上要求。

参考文献

[1]李正军.一种等离子显示屏PDP控制电源[J].电子自动化,2005(25):48-50.

[2]王晓峰.彩色PDP显示控制电路设计[D].南京:东南大学,2005.

[3]李正军.等离子显示屏电源设计[J].电视技术,2003(5):46-48.

[4]林耀亮.应用于等离子电视智能电源的设计与研究[D].厦门:厦门大学,2008.

[5]刘云清.等离子显示屏PDP电源的设计[J].中国有线电视,2005(15):1497-1502.

[6]张厚生.单向Boost功率因数校正器的优化设计[J].电力电子技术,2005,39(3):36-37.

[7]周志军.软开关电源设计与仿真研究[D].武汉:武汉大学,2004.

[8]张谬钟.高功率因数软开关电源研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007.

[9]李明.基于Boost变换器的高功率因数软开关电源研究[D].南昌:南昌大学,2008.

[10]陈翼军.一种含负压输出的多路PDP电源设计[J].电子器件,2008,31(2):423-427.

等离子显示 篇2

1993年日本富士通公司首选进行21英寸640×480像素的彩色PDP生产，接着日本的三菱、松下、NEC、先锋和WHK等公司先后推出了各自研制的彩色PDP，其分辨率达到实用化阶段。富士通公司开发的55英寸彩色PDP的分辨率达到了1920×1080像素，完全适合高清晰度电视的显示要求。近年来，韩国的LG、三星、现代，我国台湾省的明基、中华映管等公司都已走出了研制开发阶段，建立了：40英寸级的中试生产线，美国的Plasmaco公司、荷兰的飞利浦公司和法国的汤姆逊公司等都开发了各自的PDP产品。飞利浦推出的42英寸壁挂式PDP宽屏幕彩色电视机，其图像质量和伴音令人耳目一新。

近年来，PDP等离子屏显示器发展迅速，具有很大的市场发展潜力，引起了全球各大厂商的特别关注。经过多年的发展，尤其是近五年，PDP的关键技术已基本突破。目前所面临的问题是如何降低成本，提高性能，并实现大指生产。

近年来，PDP等离子屏显示器发展迅速，具有很大的市场发展潜力，引起了全球各大厂特别关注。经过多年的发展，尤其是近五年，PDP的关键技术已基本突破。目前所面临的问题是如何降低成本，提高性能，并实现大批量生产。

SONY、NEC、FUJITSU、PANASONIC等厂商纷纷开发了自己的PDP产品。但是，目前PDP价格还很高，现阶段主要用于如飞机场、火车站、展示会场、企业研讨、学术会议、远程会议等公共场所的信息显示以及自动监视系统等。

等离子显示器障壁玻璃的研究进展 篇3

等离子平板显示器(Plasma Display Panel,简称PDP)是采用了近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术的新一代显示设备,是在驱动电路控制下,利用其内充的惰性气体离子化放电激发荧光粉像素发光,从而实现显示的平面显示板。面对PDP产业化的需求,障壁玻璃成为亟需突破的一项技术。障壁玻璃的无铅化、低熔点、耐酸性等是目前研究的重点。

1 PDP结构中的障壁

1.1 障壁结构

目前PDP产品以AC型PDP为主流[1]。AC型PDP采用的是三电极面放电结构(如图1),工作时在扫描电极与数据电极之间施加电压激发单元中的Ne,Xe等惰性气体,气体放电形成离子体,同时发射出真空紫外线(VUV),转而激发荧光粉间接产生可见光[2]。

1.2 障壁玻璃材料

鉴于障壁结构的复杂性及PDP对障壁的高精度要求,国内外研究人员对障壁材料进行了诸多的尝试。

低熔点是障壁材料需要实现的一个目标。决定玻璃低熔性的组分主要是某些重金属离子、外电子层含有18个或者更多电子的离子,还有易变形的大半径离子以及带小电荷的阳离子[3]。Pb最外层电子壳为l8+2结构,易于极化,具有较高的折射率和电阻率,极化后能形成对正电核的最佳屏蔽。同时使玻璃熔化温度大为降低,黏度减小,软化点降低,料性变长,使玻璃的膨胀系数比碱金属氧化物要低,光泽度和耐水性优于碱金属氧化物。这些化学性质使铅元素成为障壁材料的首要选择。然而,铅是重金属,对人类健康和生存环境有着严重的影响,世界范围内含铅材料的应用越来越受到限制。因此,对PDP用无铅玻璃的研究势在必行。

但正是由于铅特殊的电子结构,取代铅的使用在技术上存在很大难度。2008年日本松下公司就实现了电极玻璃的无铅化生产[4]。此前国内外一系列关于障壁材料的研究也在进行,以尽早完全替代含铅玻璃[5,6]。

在无铅低熔封接玻璃探索方面,国内外都主要集中在磷酸盐玻璃体系、钒酸盐系、高铋含量硼酸盐体系,或在硼酸盐体系中加入具有降低熔点,即具有降低玻璃烧结温度作用的外层电子结构为18或l8+2的元素,如Bi、Sn、Zn等的氧化物。

2 PDP对障壁玻璃粉的性能要求

2.1 热稳定性

玻璃的热稳定性在很大程度上取决于它的热历史。在玻璃的应变点附近,玻璃的黏度—弹性特性变化很快,从而导致PDP用玻璃材料的弯曲、不规则变形[7]。对于障壁材料而言,可能产生剥落或者开裂,失去其保证单元放电空间、防止相邻单元间的光电串扰的作用。因此,障壁材料具有较高的应变点对PDP的质量起着至关重要的作用。此外,考虑到障壁浆料与基板玻璃相接触,其热膨胀系数需要与基板玻璃相匹配。

2.2 化学稳定性

采用酸刻蚀工艺制作障壁,材料必须有较强的耐酸腐蚀性,使障壁材料在酸的侵蚀下不产生明显的缺陷;同时在高温环境中,主料及填料需保持稳定状态,不易分解。在使用过程中,障壁不能与界面产生化学反应,也不能放出气体或析出其他物质,防止损坏其他部件。

2.3 电阻的要求

体电阻率是表征其绝缘性能的参数。障壁用于隔离前后基板以形成放电空间,并分隔及构成像素单元。内部放电物质通常是惰性气体。PDP工作时,是通过高压激发惰性气体,瞬间电压很高,只有障壁绝缘性能良好,才能保证工作状态下安全可靠。因此要求障壁材料有很高的体电阻率。

2.4 光学性能

由图1可知,高压激发障壁之间的惰性气体形成等离子体,辐射出紫外线。再通过紫外线光激发附着在障壁上的荧光粉从而发出可见光,实现彩色显示。因此障壁的尺寸设计要能够使得荧光粉发出的光充分反射,同时障壁底部材料需要有较高的反射率以增加画面亮度,而顶部材料需要有较低的反射率以增加画面对比度。

PDP用障壁玻璃粉对材料性能要求很高,以上所述的性能要求都建立在无铅玻璃体系的基础之上。然而由于这方面的研究起步较晚,理论及技术尚未成熟,到目前为止,市场上使用的大屏幕离子显示器大多仍含有铅。

3 基础玻璃体系的介绍

3.1 PDP用传统玻璃

3.1.1 铅系玻璃

铅玻璃是目前应用最广泛的电子集光学玻璃系统。由于PbO等组分的存在,玻璃的各项性能都得以提高。铅玻璃能在600℃的温度下烧结,其软化温度小于400℃,线膨胀系数小,长时间烘烤不易结晶,这些性能使铅玻璃能很好地应用于特殊玻璃材料行业。主要玻璃系统有PbO-B2O3-SiO2,PbO-ZnO-SiO2,PbO-B2O3-SiO2-Zn O。然而铅具有较大的还原性,在烧结过程中会与还原性小于它的金属电极材料发生氧化还原反应,使铅玻璃中的离子形式的铅变成单质铅。铅不仅对人类健康和生态环境有着严重的影响,而且,因为铅的熔点低,蒸汽压强高,这就会在障壁材料中生成气泡,降低障壁材料的黏度及障壁与其他部件的粘结强度。从而障壁材料的功能无法得到保障。

3.1.2 钒酸盐玻璃

以五氧化二钒为玻璃的主料,由于钒原子价电子构型3d34s2,与Pb外层电子结构相似,五氧化二钒能显著降低玻璃的熔化温度。在钒酸盐玻璃中,其氧化值为+5,易与其他非金属元素形成高配位数的配位体。如钒离子以VO6+八面体的形式进入到玻璃网络结构中,能与许多氧化物形成玻璃,具有比较大的玻璃形成区;阳离子V5+具有比较大的半径和未充满的最外电子层,而且钒很容易极化,有利于形成玻璃。如钒硼锌系具有特别高的化学稳定性、良好的介电性能和较大的介电常数、很低的熔融温度。但钒酸盐成本高,线膨胀系数大的缺点,且钒的氧化物有很大的毒性,不宜作为玻璃主料投入生产。

3.2 PDP用新型玻璃

3.2.1 磷酸盐玻璃

磷酸盐玻璃因具有可调整的热膨胀系数、较低的转变温度,能显著减少环境污染等优点,使其在许多领域都有广泛的应用,尤其成为近年来取代铅低熔点玻璃的最佳候选材料[8,9]。

磷酸盐系统玻璃主要包括:SnO-P2O5,ZnO-P2O5,R2O-R’O-P2O5(R为锂,钠,钾;R’为钡、钙)SnO-B2O3-P2O5等。P2O5是玻璃形成体,以[PO4]四面体形成层状或者链状结构,其中存在P=O双键结构。

磷酸盐玻璃在国外研究比较活跃,因为其熔制条件简单易行,在制备过程中可以控制基础玻璃的析晶得到结晶性玻璃,也可在基础玻璃粉末中加入其他添加物获得线膨胀系数可调的玻璃。磷酸盐玻璃大多数性能与传统铅玻璃相近,且对环境污染小。但是,磷酸盐玻璃有其致命的弱点,即化学性质不稳定,作为唯一的网络形成体的P2O5极易水解。其独特的层状或链状结构使得磷酸盐玻璃的热力学性能较差,这也是磷酸盐玻璃得不到广泛应用的主要原因。

艾传才[10]等在磷酸盐系统中添加B2O3,通过改变B2O3的量,研究了B2O3对玻璃结构的影响。研究发现当B2O3含量为某一固定值时,引入的B全部与P形成P-O-B(4)键,即以[BO4]存在,玻璃结构趋于紧凑,即体积收缩而密度增大。添加B2O3的磷酸盐玻璃可以作为障壁浆材料的使用。

3.2.2 硼酸盐玻璃

在硼酸盐系统玻璃中,B2O3具有一定的助熔作用,能降低玻璃的黏度[11]。硼存在的两种配位状态-[BO3]、[BO4]以及由此引起的硼反常现象都会对玻璃的性能产生影响。

低熔点无铅硼酸盐玻璃系统主要有:B2O3-SnO-ZnO B2O3-Bi2O3-SiO2 BaO-ZnO-B2O3 Na2O-Al2O3-B2O3等系统玻璃。

BaO-ZnO-B2O3系统是近年来报道的PDP透明介质浆料用基础玻璃系统。BaO-B2O3-ZnO三元系统玻璃可在较低熔化温度下获得,具有与PDP用基板玻璃相匹配的热、电性能[12]。

卢安贤等对BaO-ZnO-B2O3系统玻璃进行了研究,研究表明BaO-ZnO-B2O3玻璃的形成范围很广。B2O3含量在35～75%之间都可以形成玻璃。在20ZnO-(80-x)BaO-xB2O3玻璃中,热膨胀系数随着B2O3的增加而下降;当B2O3含量保持不变时,热膨胀系数随着BaO比例的增加而上升[13]。Kim等研究发现的硼钡锌玻璃系统有许多优良性能,通过对配方和工艺的调节,能够应用于PDP介质层、障壁浆料的制备。

3.2.3 铋基玻璃

Bi和铅具有相近的原子质量以及相似的物理性能。铋的熔点低,而且透明度高[14],Bi2O3在玻璃中的作用与Pb O相同,而且Bi2O3能够起到助溶剂的作用,降低玻璃熔化温度,适用于低熔点玻璃的制备,因此铋基玻璃系统已成为一种选择被作为PDP组成部件的研究材料,比如障壁浆料、绝缘封接材料等[15]。

乔文杰[16]等采用高温熔融水淬的方法制备了Bi2O3-B2O3玻璃。这种玻璃具有低熔点低膨胀特性,适用于PDP等离子显示器前后基板介质浆料和选址电极浆料。

何峰[17]等对Bi2O3-ZnO-B2O3系统玻璃进行了研究。研究表明,在Bi2O3-ZnO-B2O3结构中,主要有[BiO3]、[BiO6]、[BO3]、[BO4]等四种单元存在。这种玻璃已经成功应用于低熔点封接玻璃的制备。

3.3 碱金属填料和陶瓷填料

在上述的玻璃系统中,通常添加碱金属,以降低熔点。碱金属氧化物R2O、R’O(R、R’包括Na、K、Ca等)能够破坏玻璃网络,与网络形成离子作用,形成非桥氧,而碱金属阳离子填充在网络间隙中,从而破坏了玻璃的稳定的网络结构,能够极为有效地降低玻璃的熔点。在Hwayang-dong等的研究中,通过在铋基玻璃中添加Li2O,发现少量的Li2O能够改善玻璃的光学性能和热力学性能[18]。

武丽华等在硼酸盐玻璃中加入K2O,研究发现,K2O等碱金属氧化物具有“混合碱效应”,此效应可以使离子填充更紧密,从而降低玻璃转变温度,有效调节膨胀系数[19]。

Wookyung Sung等通过在Bi2O3-ZnO-B2O3中加入ZnO和Al2O3作为填料,并调整ZnO和Al2O3含量,使得陶瓷填料与玻璃基质反应,研究发现ZnO和Al2O3陶瓷填料对障壁玻璃的机械性能及酸刻蚀性能有良好的影响。加入陶瓷填料后,由于气孔及新晶相的产生,玻璃的维氏硬度和弹性模量下降,抗弯强度及韧性有所增强,而且刻蚀效率明显提升[15]。

SANG-GON KIM等研究了SiO2对BaO-ZnO-B2O3系统障壁玻璃的介电性和热力学性能的影响,发现SiO2陶瓷填料能够调整PDP障壁玻璃的介电常数和线膨胀系数,提高障壁玻璃的性能[20]。

根据相关资料,最近报道了ZnO、Al2O3、MgO、TiO2等陶瓷填料对障壁玻璃的光学性能、热力学性能、导电性及机械性能的影响,但是这些陶瓷填料对障壁玻璃酸刻蚀性能的影响还需要进一步研究。

4 总结

1)在传统的铅玻璃逐渐被淘汰的形势之下,能够代替铅玻璃进行障壁制作的基础玻璃还正处在研究与发现阶段。在这方面,日本松下公司等已取得一定的突破,但是要在世界范围内得到推广应用,还有很长的路要走。

等离子显示 篇4

PDP(Plasma Display Panel)是采用了近几年高速发展的等离子平面屏幕技术的新一代显示设备。在显示技术空前发展的今天,等离子体显示器以其卓越的性能受到了广泛关注。PDP具有视角宽、寿命长、刷新速度快、光效及亮度高、易制作、大屏幕、工作温度范围宽等很多优良特性[1]。彩色PDP器件中的障壁不仅起到分隔放电单元的作用,而且可以防止相邻放电单元之间的光串扰和电串扰,确保前基板和后基板之间保持一定的距离,提供放电发光所需空间,形成R, G, B三基色荧光粉的发光单元像素。因此,障壁的性能、规格结构、各个像素的均一性对等离子显示屏的放电发光特性都有很大的影响。目前制作障壁的工艺方法主要有丝网印刷法、喷砂法、填充法、模压法及感光浆料法等。其中,感光浆料法通过一次涂布,干燥,曝光,显影,烧结等工艺即可得到高精度的障壁结构,工序简单,成本较低,堪称理想工艺[2,3]。感光浆料主要由无机和有机两种组分组成,无机组分为玻璃粉末及碱金属的氧化物,有机组分则主要是用于光固化的有机化合物,即光引发剂、活性单体、低聚物及一些必要的有机添加剂[4,5]。本文依据感光浆料的应用需求,通过活性单体双键转化率的测定及体积收缩的正交试验确定了单体组分的最优配比,从而保证了较高的聚合速率和较低的体积收缩率。

2 实验部分

2.1 实验原料及设备

甲基丙烯酸异冰片酯(IBOA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、1,6-己二醇丙烯酸酯(HDDA)、新戊二醇二丙烯酸酯(NPGDA)、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMP(EO)9TA)、双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦(Irgacure 819)、玻璃粉末、低聚物(自制)。

Nicolet 5700型傅立叶红外光谱仪(FT—IR),美国NICOLET公司;RW-UVA182—10型UV固化机,深圳沃润机电有限公司;S—4700型扫描电镜,日本HITACHI公司;PM100行星球磨机,德国RETSCH(莱驰)公司。

2.2 感光障壁浆料的制备

根据感光浆料组成,将低聚物、活性单体、光引发剂Irgacure 819、少许溶剂混合均匀,待溶解完全后加入适量无机组分(玻璃粉末)及润湿分散剂[6],利用行星球磨机混合均匀,即可得到所需的感光障壁浆料。

2.3 障壁制作

采用感光浆料法制备障壁结构的工艺流程如图1所示。首先将制备好的浆料均匀地涂布在玻璃基板表面上,置于110~120℃烘箱中干燥,待涂层中的溶剂挥发完后冷却至室温,利用RW-UVA紫外灯对表面覆盖掩膜的感光浆料涂层进行曝光。之后,以Na2CO3水溶液为显影液,用显影机进行显影,显影完毕后对图案进行洗涤、干燥。最后放置于烧结炉中,在550~580℃下进行烧结,将图案中的有机组分全部去除,最终得到由无机组分构成的障壁结构。

3 结果与讨论

3.1 单体反应活性的研究

单体在感光浆料中的主要作用一是溶解并稀释低聚物,调节体系粘度;二是经光引发剂引发聚合,影响着固化体系的光固化速率和聚合后体系的力学性能。单体官能度不同,反应活性不同,粘度不同,稀释能力也不同[7,8],下图2为通过傅立叶实时红外光谱,比较同一引发剂下,不同官能度单体的聚合速率曲线。

由图2可以看出,对于同样的固化涂层厚度,随着官能度的提高,单体的最终双键转化率也逐步提高。对于单官能度的单体而言,IBOA的活性要高于HEMA;双官能度的单体,HDDA活性高于NPGDA;多官能度单体,TMP(EO)9TA活性高于TMPTA。而同官能度的单体之间相比较,IBOA,HDDA和TMP(EO)9TA的固化效率和双键转化率都要优于相同官能度的其他单体。

感光浆料体系具有较高的固化效率可以缩短障壁制作工艺时间,而且较高的双键转化率使固化涂层得到较高的交联密度,从而可以提高烧结前障壁结构的物理性能。所以从高双键转化率和快速聚合的设计角度来考虑,不同官能度的单体中,IBOA,HDDA和TMP(EO)9TA是相对适合的。

3.2 单体体积收缩率的研究

自由基型光固化体系缺点之一是固化过程中体积收缩率较大,由于体积收缩产生的内应力和体积上的缺陷难以消除,所以,降低单体的体积收缩率对于制备高精度的障壁结构是研究重点之一[9,10,11]。

单体体积收缩率随官能度的升高而增大,上述3种单体的体积收缩率大小顺序为TMP(EO)9TA>HDDA≤IBOA。单体的选择方向是既需要较高的反应活性和较低的体积收缩,还需要具有一定的稀释作用。因此,为了同时达到以上3个要求,可以采用不同官能度单体混合使用的方式。这样可以在不降低单体体系反应活性的前提下,还可以获得最低的体积收缩率和适当的粘度。3个因素以及3个变量使体积收缩率的测试实验复杂化。为了得到既准确又有规律的实验结果,本文采用了正交试验的方法测试最低体积收缩率。首先,固定感光浆料体系中的组分含量,只根据正交表改变单体体系中单体之间的添加比例。在体积收缩率的影响中,3种不同单体为3个影响因素,其不同配比就是水平数,这里确定3个水平分别为1、2和3,分别代表20g、30g和40g,即本设计为3因素3水平的正交实验。按照正交比例配制样品后测定混合物的体积收缩率,如表1所示。

根据上面的正交试验可以得出IBOA,HDDA,TMP(EO)9TA 3种单体的最优组合为2∶1∶1,在这种配比条件下感光浆料体系可以获得最小的体积收缩率。同时对9组正交试验样品和最佳配比的体系样品进行了双键转化率的测试,如图3所示。从图中可以看出9组样品都具有较高的双键转化率,而且单体最佳混合配比样品与转化率较高的9号样比较,同样具有很高的双键转化率和较快的反应速率。同时混合之后添加,可以使单体体系的粘度降低,得到较为合适的稀释作用,有利于后期感光浆料的混合与涂布。

3.3 障壁的制作及表征

将最佳配比的混合单体用于制备感光浆料,而后完成障壁结构的制作。经一系列制作工艺可得到高精度、图案稳定的障壁结构,下图4为障壁结构的平面及截面SEM图,从图中可看出障壁结构均一,没有出现由体积收缩带来的图案脱落和缺陷。

4 结论

对不同官能度的单体进行反应活性研究,选出IBOA、HDDA、TMP(EO)9TA三种单体,并通过体积收缩率的正交试验确定了混合单体最优配比,保证了混合单体在聚合过程中不但具有很好的聚合活性和适当的稀释作用,并能保持较低的体积收缩率。将最优化混合单体应用于感光浆料,最终制备出结构均一,高精度的障壁。

摘要：等离子显示器(PDP)障壁制作是显示器制作的关键环节,障壁不仅起到分隔放电单元的作用,而且可以防止相邻放电单元之间的光串扰和电串扰。感光浆料法是目前较为理想的一种障壁制作方法,通过一次涂布,干燥,曝光,显影,烧结,即可得到高精度的障壁图案。本文根据感光浆料的应用要求,选择多种可用于制备PDP障壁结构的活性单体,通过傅立叶实时红外光谱比较了单体的双键转化率,利用体积收缩的正交试验方法,确定了单体组分的最优比例。

关键词：等离子显示器,障壁,感光浆料,活性单体

参考文献

[1]Boeuf J P.Plasma display panels:physics,recent devel-opments and key issues[J].J.Phys.D:Appl.Phys.,2003,36:53-79.

[2]Masaki T,Iguchi T,Kim S J.Barrier rib forming byphotosensitive paste for plasma display panel[J].AZoJournal of Materials Online,2006,2:1-7.

[3]Kim Y,Park S.The relationship between the barrier–rib height of AC-PDP and address discharge characteris-tics[J].Displays,2006,27:62-68.

[4]Jeong S W,Kim W S,Lee D H,et al.Photosensitivebarrier rib paste for plasma display panel and photolitho-graphic process[J].J.Appl.Polym.Sci.,2002,85:2092-2099.

[5]Lee S W,Park M Y,Hwang S J.Shape change of Ag e-lectrode with shrinkage difference between electrode anddielectric in PDP[J].Displays,2008,29(4):345-350.

[6]Chu Z,Cheng L,Wang J,et al.Studies on a NovelDeep UV Positive Photoresist Material[J].Photograph-ic Science and Photochemistry,2006,24(5):377-381.

[7]Bao R,Jnsson S.Using a new approach to analyze adepth profile of double bond conversion in model formu-lations[J].Progress in Organic Coatings,2008,61(2-4):176-180.

[8]Lovell L G,Newman S M,Donaldson M M.The effectof light intensity on double bond conversion and flexuralstrength of a model,unfilled dental resin[J].DentalMaterials,2003,19(6):458-465.

[9]Amel A K,Mohamed M,David C W.Effects of mono-mer ratios and highly radiopaque fillers on degree of con-version and shrinkage-strain of dental resin composites[J].Dental Materials,2009,25(11):1411-1418.

[10]Cao X,Lee J.Control of volume shrinkage and residualstyrene of unsaturated polyesterresins cured at low tem-peratures.II.Effect of comonomer[J].Polymer,2003,44:1507-1516.

等离子显示 篇5

目前等离子体电视(PDP)的主要技术瓶颈之一是发光效率不高,整机功耗过大。PDP的发光效率比较低,仅有1～2 lm/W,主要是放电单元电能到紫外光能转化效率很低,只有3%～5%。近些年来,为了提高PDP的显示效率,很多机构做了深入研究并取得了一些成果,包括对PDP的显示单元结构,放电气体组分,激发放电机理和电压驱动方式等方面的研究。其中在改变驱动方式的研究中,主要是改变驱动电压的幅值、波形、频率等参数[1]。

紫外灯与PDP放电机理同属于介质阻挡放电原理。具有较快电压上升沿的脉冲源驱动紫外灯已经被证明可以改善介质阻挡放电中加热阳离子的热效应,从而显著提高光效和能效[2]。在类比紫外灯气体放电原理的基础上,利用快脉冲驱动PDP,寻求电压电流上升沿和脉宽对发光效率的影响,以期提高PDP光效。

1 快脉冲上升沿提高PDP光效的理论依据

1.1 PDP放电单元结构

如图1所示,PDP每一彩色像素包括一对ITO透明电极。ITO电极之上制作有金属电极,像素之间,与电极平行方向制作有黑色介质条。介质和黑条之上,是透明介质,最上层是用于降低工作电压和对介质进行保护的MgO层。后基板上,最下层是选址电极,每个像素包括3条电极,与前基板电极呈空间正交状态,2条电极之间障壁的底部和侧面涂覆的是真空紫外光致发光荧光粉,相邻3个障壁内分别涂RGB三基色荧光粉,形成一个彩色像素,充入的是Ne-Xe潘宁工作气体Ne-Xe混合气体。

1.2 放电气体密度分析

PDP单元内部为低气压下的Ne-Xe混合气体,在一定的外部电压作用下产生介质阻挡放电。对于共面电极,原子态Xe激发出现的位置远离荧光粉,它产生的147 nm的紫外辐射几乎全部被捕获在放电单元内部;而Xe*2的有效寿命很长,如图2所示(图2中的Xe*2值为实际计算值乘以100所得)。由Xe*2二聚态产生173 nm VUV射线激发荧光粉发光[3]。因此,改进PDP单元效率的方式之一就是选择驱动方式,将更多的能量引向Xe${}_2^{[4-5]}$。

PDP单元中的放电等离子体是一种典型的非平衡等离子体。快脉冲上升沿可能使电子温度和离子温度差增大,从而发生更多的有效碰撞,粒子能够被更有效地激发。而且快脉冲过程中,离子被加热时间变短,吸收能量和辐射红外光的现象都会得到改善,从而提高电能到紫外光能的转化效率[6]。提高PDP驱动电压上升沿,能够有效激发产生更多高能电子同时维持Ne,Xe等离子在较低温度,使三体碰撞过程更有效,有利于Xe*2的产生。

2 PDP纳秒脉冲电源装置

自主研发的PDP纳秒脉冲驱动测试平台如图3所示,纳秒脉冲驱动源如图3黑框内所示,由控制信号电路、信号隔离放大电路和高压脉冲主电路3个部分组成。其中控制信号电路是由隔离开关电源给CPLD供电,控制信号由VIOLOG语言实现。信号放大电路通过具有很强的隔离干扰的光纤收发光信号,隔离电气连接,再进行信号放大驱动MOSFET。

高压脉冲主电路拓扑如图4所示,工频交流经可调变压器和倍压整流电路输出直流高压,再经过全桥功率MOSFET输出300 V高频脉冲信号,脉宽和电压上升沿随具体实验条件设定而变。

电源输出参数为:电压0～400 V,上升沿45～500 ns,电流0～30 A,上升沿30～300 ns。

扫描频率50～1 000 kHz,子场频率0～200 Hz,产生PDP分子场维持期驱动波形,在一个扫描周期内仅在维持期工作,表现为周期性脉冲阵列的形式。典型驱动波形如图5所示。

3 快脉冲驱动PDP实验测量光效实验结果与讨论

3.1 快脉冲驱动PDP实验简述

由于本研究侧重于提高PDP的白光光效,因此简化了PDP的驱动方式,截取了ADS分子场驱动中维持期驱动部分,而且脉宽和上升沿的改变必然改变功率和光效。因此在该驱动方式下测得的功率和光效反应的是趋势和变化率,不可与ADS驱动方式直接比较。在本文中,功率、光通量、光效都转化成单位“1”的参考量。从图6可以看到PDP放电特性类似于介质阻挡放电,放电电流出现在外加电场发生突变的时候,随着时间的推移低气压腔室绝缘恢复后电流振荡趋于零。通过XY端采集的电压电流数据通过orgin积分可以得到输入功率相对值(input power)。通过光电倍增管开窗测得PDP稳定工作在维持驱动期的白光输出光强。单个脉冲同步产生短波紫外光,但是短波紫外经荧光粉转化白光脉宽因余晖效应严重展宽形变。因此该驱动方式下测得白光信号为重频产生的光信号叠加所得的类似包络线的图形。图7所示为与光强等比例的电压信号,通过软件积分得到平均输出光通量相对值(luminous flux)。两者相对值的比值就是该工作模式下PDP的光效能(luminous efficacy)。测量在不同上升沿工作情况下的电压上升沿,获得输入电功率,输出光功率和相对光效,研究其变化规律。

3.2 调节脉冲电源输出电压上升沿测光效实验结果

在图4中的全桥开关电路的输出端串入合适的可调电感,不引入损耗的条件下利用电感调节XY电极间加高压驱动的上升沿。图8所示为调节上升沿电路局部图。图9反应在该组试验下不同上升沿情况下光效的变化值。

串入可调绕线电感调节电压电流上升沿的实验表明:如图9中输入功率曲线所示,随着电压上升沿从170 ns到290 ns,PDP消耗的电功率先增后减,并在上升沿为220 ns时出现峰值。影响电功率的因素有放电时间、等离子体温度和密度、放电特性等。随着上升沿的增加,等离子体温度升高,更多的能量用于加热稀有气体离子,这种影响使得输入电功率增大。在220 ns以后而上升沿的持续变缓会影响放电的有效性,更少的气体原子被电离,等离子体密度降低,因此放电腔的等效阻抗增大,功率减小。

如图9中光通量曲线所示,总体光通量的测量呈线性下降的趋势,在测量范围内下降率为9%/100 ns。可以认为在此范围内影响紫外光效的因素是脉冲上升沿变缓,使得电子和离子相对有效碰撞减少,并且高能电子的碰撞截面较小,导致Xe不能被有效激发。最后得出图9所示光效曲线,是总体下降趋势的平滑曲线,快上升沿对光效的提高显著。

3.3 实验讨论

通过改变mosfet门极驱动信号改变输出高压的脉宽,同时保证脉冲数和上升沿相同,测量输出光效。

改变脉宽测量光效的实验表明:脉宽对PDP发光效率的影响是比较大的,而且两者的相关关系式较复杂。如图10所示,在单个电压脉冲的上升沿和下降沿均存在放电对应电流出现峰值。由图11可发现,实验测得的光通量和电功率均在脉宽<800 ns的情况下较小并且存在峰值,对应于峰值为效率极低点,应当避免PDP工作在此脉宽情况下;而当脉宽>800 ns则光通量和电功率均直线上升。以上变化可以从PDP一次放电过程中得到解释:在一次放电前,放电单元中存储有记忆壁电荷,形成壁电场,且电场方向与放电所加外场方向一致。当外加电压与内建壁电压叠加值超过点火电压时,该单元产生放电而发光。新的壁电荷逐渐产生,电场与外加电场相反,经几百纳秒后其合成电场已不足以维持本次放电,放电终止。如图11所示,550 ns之前壁电荷还未形成,放电时间太短,所以出光量和电功率都较低。550～800 ns壁电荷逐渐形成,存在壁电荷阻碍放电发展和在壁电荷形成期气体放电消耗能量相抗衡的过程。在700 ns左右认为壁电荷完全形成,一次放电中的气体放电辐射紫外光的值达到最大,此时放电过程完整。在700～800 ns出现电功率极小值的原因暂时无合理解释。在900 ns以后,波长为173 nm的真空紫外线也是产生可见光的重要来源。在一个脉宽范围内,电压上升沿放电熄灭后,作为储存库,内吸入能量产生Xe*2,增加了单元中Xe*2的有效寿命达数微秒,因此在这个阶段对可见光有着重要贡献,甚至远大于Xe*谐振态的贡献。因而此时的紫外发光量和电功率都有持续增加,而折合光效并未有较大变化,因为此时亚稳态Xe*的密度由前次放电决定,不受脉宽持续时间影响。如脉宽继续增加,则可能发生变化。从800～1 050 ns光通量增加50%,光效变化不大,较为稳定。图11中光效曲线给出折合光效,可以看到在800 ns以后,脉宽对光效的影响逐渐变小。

4 小结和展望

本文概要介绍了PDP显示发光和驱动原理,提出了利用快脉冲上升沿驱动提高PDP发光效率的思路并给出实验结果。本文给出不同上升沿、脉宽与光效和能效的对应关系,以及硬开关阶段上升沿参数的选取的实验结果分析。综合对PDP单元放电机理分析和试验研究表明,快上升沿脉冲驱动能够显著地改善PDP的发光效率,在试验范围内,提高光效达13%/100 ns。PDP的脉宽应选择在800 ns或以上,避开短脉冲低光效区。

驱动电路是PDP技术中难度最大的部分,目前,对PDP的驱动技术研究虽然取得了很大的成绩,但是PDP的技术指标还不尽如人意。本文对于快脉冲作用的结论可以应用于现有的PDP维持驱动电路的硬开关部分设计,以期进一步降低整机功耗,最终提高可见光效。

摘要：目前等离子体显示平板(PDP)主要问题是光效不高。基于快脉冲驱动能显著提高介质阻挡放电光效的理论基础,提出了快脉冲驱动提高PDP光效的新思路。利用CPLD可控编程控制技术,通过控制快速开关MOSFET开通、关断,实现正负几百伏双极纳秒脉冲输出,使PDP工作在维持驱动期。实验测量了输入电功率及发光效率。给出不同上升沿、脉宽与光效的对应关系,分析硬开关阶段上升沿参数选取的参考值。试验表明,快上升沿脉冲驱动能够显著地改善PDP的发光效率。

关键词：快脉冲,上升沿,光效

参考文献

[1]张瑞华,谢智波,陆光华.一种新型的AC-PDP能量恢复电路[J].光电子技术,2002,8(2):139-140.

[2]陈古源,刘克富.纳秒脉冲电源驱动提高KrCl*准分子灯辐射效率的实验研究[J].2011,22(5):7-10.

[3]耿艳霞,王建琪,何锋,等.彩色PDP发光效率的分析及改善方法[J].真空电子技术,2004(1):41-44.

[4]MEGRATH R T,VEERASINGARN R,HUNLER J A,et al.Measure-ments and simulations of VUV emissions from plasma flat panel displayPiXel microdischarges[J].IEEE Trans.Ptasma.Sci.,1998,6(5):1532-1542.

[5]HASHIGUCHI S,TACHJBANA K.Improvement of efficiency of ultravio-let radiation in a plasma display panel with a complex buffer gas[J].JpnAppl Phys,2001,40(3):1448-1465.

等离子显示 篇6

等离子体显示屏是一种基于气体放电的显示屏。在充有一定压强的某种气体的容器内有二个电极, 当施加一定的电压时就会产生放电。在放电间隙的某些区域内会有发光, 一个是靠近阴极的辉光区域, 发出的可见光的波长依赖于所充气体的种类, 含氖气体混合物的发光为橙色, 另一个区域为阳极正柱区, 那里的辐射以紫外线为主, 可用来激发发光。这两种形式的发光都可以用于等离子体显示屏[1]。

等离子体显示屏的基本构造如图1所示。它由三块薄的平板玻璃组成, 中间一块称为孔板, 上面开有排成矩阵形式的许多小孔。孔板紧贴着夹在两侧的二块玻璃中间。图中为了便于看清屏的结构, 把三块玻璃板分开画了。孔板中的小孔被抽成真空, 再装入一定压强的气体 (比如氖和氮的混合气体) 。两侧玻璃板的外表面都有平行透明的导电电极。一块玻璃上的电极与另一块上的电极相垂直, 并且都正好盖在小孔上面。因而每个充气小孔与两边的电极一起构成一个放电单元。在这种结构的屏里, 电极与气体被玻璃隔开, 互相绝缘, 因而只能用交流供彩色等离子体电视机。

彩色交流等离子体显示器采用了子场技术来实现灰度的显示, 希望用较少的子场进行显示, 这样可以减少用于寻址的时间, 增加维持显示的时间[2]。用较少子场或灰度级显示高灰度等级图像时, 如果不采用图像增强技术会出现明显的假轮廓现象, 尤其在大面积均匀区域, 通常采用误差扩散方法。可以用较少的子场数显示较高的灰度等级图像。

将数字图像处理的技术应用于彩色等离子体显示器 (AC2PDP) , 采用基于误差扩散算法的边缘检测技术可以实现用较少的灰度级显示高灰度级图像。减少了用于寻址的时间, 增加维持显示的时间。

1数字图像处理的基本原理及应用

在进入图像处理之前, 我们首先对图像做一个概略性的讨论。所谓“图像”泛指所有实际存在含有某种信息的信号, 如含有人事物等的照片, 而红外线摄影所获得的信号, 则表示某些物体的温度分布。

数字图像是物体图像的数字表示, 数字图像信息可看成是一个二维数组f (xy) , 它是时间和空间的非连续函数, 是为了便于计算机处理的一种图像的表示形式。因此它是离散单元、量化的灰度-像素的集合。数字图像是一个被采样和量化后的二维函数, 因此, 一副数字图像是一个被量化的采样数值的二维矩阵, 所谓图像数字化是将一副图像从原来的模拟图像转换为数字形式的处理过程。

一般的图像都是模拟图像, 即图像上的信息是连续变化的模拟量。对于这种模拟图像只能采用模拟处理方式进行处理, 对于这类连续图像, 即空间分布和亮度取值均连续的图像, 计算机无法接受和处理, 只有将连续的模拟信号变为离散的数字信号, 或者说将模拟图像变换为数字图像方能接受。图像的数字化表达实际就是图像的数字化过程, 在计算机对其处理之前, 首先用图像传感器将光信号转换成与其成比例的电信号, 再经过A/D转换器, 量化为离散的数字信号, 即将电信号转换成一个整数, 这一过程称为图像的采集。这样我们将模拟图像经过采样, 分层, 量化, 编码等步骤变成数字图像后才能送入计算机进行处理[3]。因此, 常将计算机图像处理称为数字图像处理。

2基于边缘检测的动态误差扩散算法

在前面介绍了等离子体的物理工作原理, 采用了X与Y向寻址的方式, 在实际工作中, 我们要利用等离子体显示器传输一幅256级灰度的图像时往往要将它转换成16级灰度。这样可以用较少的子场来实现高灰度级图像, 这样可以减少用于寻址的时间, 增加维持显示的时间。如图2 (a) 、 (b) 所示, 将256级灰度图像不经过任何处理技术直接转换成16级灰度的图像, 由图2 (b) 所示, 出现了明显的假轮廓。为解决这一问题, 引用了一种误差扩散算法, 基于MATLAB图像处理技术, 可以用于改善和增强图像的显示质量, 不仅能够减少因较少子场引起的假轮廓, 同时还可以较好地避免轮廓细节的损失。图2 (c) 为采用误差扩散算后转换而成的16级图像, 图2 (c) 效果明显好于图2 (b) 。

检测技术是所有基于边界分割的图像分析方法的基础, 首先检测出图像局部特性的不连续性, 再将它们连成边界, 这些边界把图像分成不同的区域, 检测出边缘的图像就可以进行特征提取和形状分析。我们对边缘检测图像中的每一点周围的小领域内的像素进行特征分析。并采用一定的边缘检测算法来对一副数字图像各点的灰度值进行处理[4]。误差扩散算法是在数据处理中经常碰到的, 尤其是用于图像处理中, 误差扩散, 就是将色彩深度降低时, 将像素颜色的变化误差, 扩散开去。这使得肉眼在观察图片的时候, 相邻的像素点集合整体的误差变小。引用下面三张图像来说明采用这一数字图像处理技术的应用效果。

上面三幅图像中, 图2 (a) 为256灰度级图像, 图2 (b) 为不采用任何处理方法, 简单将图像转换成16级灰度。虽然这样可以占用较少的子场数来显示图像, 减少了等离子体显示器中用于X和Y向寻址的时间。但处理后的图像出现了明显的假轮廓。这是因为较少的子场数而引起的图像轮廓的失真问题。图2 (c) 是采用了数字图像处理技术中的边缘检测的原理, 采用了误差扩散算法对图像进行处理。从图像中可以看出, 图2 (c) 的效果明显好于图2 (b) 。

3关于MATLAB的图像处理技术的实现

MATLAB是一种基于向量 (数组) 而不是标量的高级程序语言, 因而从本质上就提供了对图像的支持。由前面介绍可知, 数字图像实际上就是一组有序的离散数据, 使用MATLAB可以对这些离散数据形成的矩阵进行一次性的处理。MATLAB的软件功能十分强大, 可以应用于数字图像的变换技术、图像与处理与增强、图像压缩与编码、图像分割与特征提取、及彩色图像处理[5]。

在等离子体显示器中, 将256级灰度级转换成16级灰度级时, 可以引用边缘检测的工作原理, 利用MATLAB软件对图像进行处理, 每一幅数字图像就是一组离散数据, 在这一离散矩阵中, 每一个像素点都具有对应的灰度值。利用MATLAB编程软件, 可以采用误差扩散的算法, 选择一定的误差扩散系数, 将这一组离散数据值进行处理和改变。从而改变了图像的显示效果。将色彩深度降低时, 将像素颜色的变化误差, 扩散开去。这使得肉眼在观察图片的时候, 相邻的像素点集合整体的误差变小。减少了因子场较少而引起的假轮廓, 很好地改善了图像的显示质量。

参考文献

[1]马腾才.等离子体物理原理[M].北京:中国科学技术大学出版社, 1988.8.

[2]Park C H, Ki m D H, Lee S H, et al.A New Methodto Reduce Addressing Ti mein a Large AC Plasma Dis-play Panel[J].IEEE Transaction on Electron Devices, 2001, 48 (6) :1082-1086.

[3]余程波.数字图像处理及MATLAB实现[M].重庆:重庆大学出版社, 2003.6.

[4]黄贤斌, 王加俊, 李家华.数字图像处理与压缩编码技术[M].北京:电子科技大学出版社, 2000.