Электронные приборы для передачи и воспроизведения изображений

 
 
 

 
 
 
 

В. Н. ЛЕУХИН 

 

 
 
 
 

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ  

И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ  

 
 
 
 

Конспект лекций 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2018 

 

УДК 621.396.6: 621.397 
ББК  32.85 

Л 52 

 
 
Рецензенты: 

главный инженер филиала ФГУП Радиотелевизионного передающего центра РМЭ Ю. Г. Большаков; 
профессор кафедры проектирования и производства электронновычислительных средств Поволжского государственного технологического университета Ю. В. Захаров 

 
 

Печатается по решению  

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 

Леухин, В. Н.  

Л 52     Электронные приборы для передачи и воспроизведения изобра
жений: конспект лекций / В. Н. Леухин. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный  технологический университет, 2018. – 136 с. 
ISBN 978-5-8158-2035-7 

 

Приведены теоретические сведения о принципах действия и кон
струкции различных видов приборов для передачи и воспроизведения 
изображения: твердотельным фотоэлектрическим преобразователям на 
основе ПЗС- и КМОП-матриц, устройствам воспроизведения на основе 
жидкокристаллических и плазменных панелей, проекторов на основе 
LCD- и DLP-матриц, лазерных проекторов, элементной базе для создания 
больших экранов. Рассмотрены вопросы передачи изображения, создания 
3D-изображения. Представлены последние разработки в области дисплеев 
на квантовых точках, телевидения формата 8К, средств отображения виртуальной реальности.  

Для студентов направления подготовки 11.04.03 «Электроника и 

наноэлектроника». 

УДК 621.396.6: 621.397 
ББК  32.85 

 
ISBN 978-5-8158-2035-7 
© Леухин В. Н., 2018  
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие .................................................................................................. 5 
Список сокращений ...................................................................................... 7 
Введение ........................................................................................................ 8 
1 Преобразователи оптического сигнала в электрический ....................... 9 

1.1 Твердотельные фотоэлектрические преобразователи 

на основе ПЗС-структур ................................................................. 10 
1.1.1 Обеспечение переноса зарядов в ПЗС-матрицах ................ 14 

1.2 КМОП-матрицы ................................................................................... 17 
1.3 Сравнение КМОП-матриц с приборами на основе ПЗС-матриц ... 22 

Контрольные вопросы ................................................................................ 24 
Список литературы .................................................................................... 24 
2 Средства передачи изображений ........................................................ 25 

2.1 Коаксиальный кабель ..................................................................... 26 
2.2 Кабель типа «витая пара» .............................................................. 31 
2.3 Волоконно-оптический кабель ...................................................... 34 
2.4 Беспроводные линии связи ............................................................ 37 
2.5 Телефонные линии и компьютерные сети ................................... 38 

Контрольные вопросы ................................................................................ 39 
Список литературы .................................................................................... 39 
3 Устройства воспроизведения изображения на дисплеях ................ 40 

3.1 Общие принципы формирования изображения ........................... 40 

3.1.1 Физические принципы формирования цветного  

изображения ........................................................................................ 42 

3.2 Классификация дисплеев ................................................................ 43 
3.3 Устройства отображения информации на основе ЭЛТ ............... 45 
3.4 SED-, FED- и NED-дисплеи ........................................................... 47 
3.5 Устройство и принцип работы ЖК-дисплея ................................. 50 

3.5.1 Модуль подсветки ЖК-экрана ............................................... 57 

3.5.1.1 Модуль подсветки на базе флуоресцентных ламп ... 57 
3.5.1.2 Модуль подсветки на основе светодиодов ............... 59 

3.5 Плазменные панели ......................................................................... 60 
3.6 OLED-экраны................................................................................... 62 

3.6.1 Принцип действия OLED-дисплеев ...................................... 62 
3.6.2 Производство OLED-дисплеев .............................................. 64 

Контрольные вопросы ................................................................................ 67 
Список литературы .................................................................................... 68 
4 Устройства воспроизведения на дискретных индикаторах .......... 69 

4.1 Светодиод LED ................................................................................ 70 
4.2 SMD-светодиод ............................................................................... 71 
4.3 Кластеры .......................................................................................... 72 
4.4 Трехцветные RGB-светодиоды ...................................................... 73 

4.5. Принципы создания пикселей ....................................................... 76 

4.5.1 Конфигурация пикселей  ........................................................ 77 

4.6 Светодиодные ленты  ...................................................................... 79 

Контрольные вопросы ................................................................................ 80 
Список литературы .................................................................................... 81 
5 Принципы отображения информации на больших экранах ......... 82 

5.1 Модульные экраны .............................................................................. 83 
5.2 Медиофасады ................................................................................... 88 

Контрольные вопросы ................................................................................ 94 
Список литературы .................................................................................... 94 
6  Проекторы ................................................................................................... 95 

6.1 Трехлучевые ЭЛТ-проекторы  ....................................................... 96 
6.2 Технология LCD .............................................................................. 98 
6.3 DLP-проекторы ............................................................................. 101 
6.4 Технология LCоS (D-ILA)  .......................................................... 103 

6.5 Получение изображения с помощью  
лазерных проекторов .................................................................... 105 
6.5.1 Технология LDT  ................................................................. 106 
6.5.2 Лазерные проекторы 1LPT  ................................................ 107 
6.5.3 Лазерные проекторы от компании Sony  ........................... 107 
6.5.4 Лазерные проекторы от компании Epson .......................... 109 

6.6  Сравнительные характеристики проекторов  ........................... 110 

Контрольные вопросы ............................................................................. 112 
Список литературы ................................................................................. 112 
7 Особенности формирования 3D-изображения  ................................. 113 

7.1 Технология воспроизведения 3D  ............................................... 114 

7.1.1 Технология анаглиф  ........................................................... 115 
7.1.2 Активная затворная технология 3D  .................................. 116 
7.1.3 Пассивная поляризационная технология 3D ..................... 118 
7.1.4 Технология воспроизведения 3D без очков ...................... 121 

Контрольные вопросы ............................................................................. 123 
Список литературы ................................................................................. 123 
8 Новые направления и достижения в устройствах 
воспроизведения изображения ............................................................ 124 

8.1 Дисплеи на квантовых точках  .................................................... 124 
8.2 Очки виртуальной реальности  ................................................... 126 
8.3 Телевизоры с разрешением 8К  ................................................... 128 
8.4 Интерактивный проектор  ........................................................... 129 
8.5 Прозрачная электроника  ............................................................. 131 

Контрольные вопросы ............................................................................. 133 
Список литературы ................................................................................. 133 
Заключение ............................................................................................... 135 

 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Дисциплина «Электронные приборы для передачи и воспроизведе
ния изображений» обеспечивает базовую подготовку студентов, обучающихся по направлению 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», по 
вопросам функционирования и схемотехнического построения электронных средств (ЭС) для передачи и воспроизведения изображений. 

Целью освоения дисциплины «Электронные приборы для передачи 

и воспроизведения изображений» является изучение принципов действия, конструкции и характеристик электронных приборов и устройств 
для передачи и воспроизведения изображений. 

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование у обу
чающихся необходимых компетенций и достижение следующих результатов образования: 

знания:  
- принципов построения и основных характеристик электронных 

устройств, используемых для передачи и воспроизведения изображений;  

- области применения приборов для передачи и воспроизведения 

изображений;  

- конструктивно-технологические особенности приборов передачи и 

воспроизведения изображений;  

умения: 
- объяснить принцип действия и конструкцию приборов, используе
мых для отображения информации; 

- моделировать процессы, происходящие в приборах при преобразо
вании электрических и оптических сигналов; 

- определять и собирать необходимую исходную информацию в об
ласти применения средств передачи и воспроизведения изображения; 

владения: 
- информацией о физических процессах, происходящих в приборах 

для передачи и воспроизведения изображений. 

Предлагаемый конспект лекций состоит из 8 разделов. 
В первом разделе рассмотрены принципы преобразования оптиче
ского сигнала в электрический, принципы работы видикона и плюмбикона, особенности конструкции и функционирования современных преобразователей на основе ПЗС и КМОП матриц. 

Во втором разделе представлены различные средства передачи 

изображения при помощи коаксиального и волоконно-оптического кабеля, беспроводные линии связи; приведены их сравнительные характеристики. 

В третьем разделе обобщены принципы работы устройств воспроиз
ведения изображения на различных видах дисплеев – жидкокристаллических, OLED, SED, FED, плазменных панелях. Подробно освещены 
вопросы получения цветного изображения. 

В четвертом и пятом разделах рассмотрены элементная база для со
здания больших экранов и собственно большие экраны в виде модульных экранов и медиофасадов. 

Материал шестого раздела составляют вопросы получения изобра
жения при помощи различных видов проекторов (LCD, DLP LCoS), а 
также лазерных, основанных на технологиях LDT и LPT. 

Седьмой раздел посвящен способам получения объемного изобра
жения. Рассмотрены способы создания 3D-изображения с использованием очков различного вида (анаглиф, поляризационных активных и 
пассивных), а также воспроизведение с помощью объемного дисплея. 

В восьмом разделе приводится информация о новых направлениях и 

достижениях в устройствах воспроизведения изображения: дисплеях на 
квантовых точках, телевизорах с разрешением 8К, интерактивных проекторах и прозрачных дисплеях. 

Автор будет признателен читателям за все замечания по содержа
нию и оформлению издания, которые следует направлять по адресу: 
424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3, ПГТУ (кафедра КиПР). 

 
С целью обеспечения сквозной подготовки специалистов техниче
ского профиля схемотехнической и конструкторской направленности 
оформление настоящего конспекта лекций (рубрикация, названия таблиц, рисунков и т.д.) выполнено в соответствии с требованиями ГОСТ 
2.105-95. Текстовые документы. Правила оформления. 

 
 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

 

CCFL – флуоресцентная лампа с холодным катодом  
CCM (Color Changing Media) – преобразование цвета 
CRT (Cathode Ray Tube) – электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) 
D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier) – прямое управление светоусилением изображения 
DLP (Digital Light Processing) – цифровая обработка света 
EL (Electro Luminescence) – электролюминесцентный дисплей 
FED (Field Emission Display) – дисплей на полевой эмиссии 
LCD (liquid crystal display) – жидкокристаллический дисплей 
LCоS (Liquid Crystal On Silicon) – жидкие кристаллы на кремнии 
NED (Nanotube Emissive Display) – дисплей на нанотрубках 
OLED (organic light-emitting diode) – органический светодиод  
PDP (Plasma Display Panel) – плазменный дисплей 
RGB (аббревиатура английских слов red, green, blue) – красный, зеленый, синий  
SED (Surface-conduction Electron-emitter Display) – дисплей с поверхностным излучением электронов 
TFT (Thin Film Transistor) – тонкопленочный транзистор 
АХ – апертурная характеристика  
АЦП – аналого-цифровой преобразователь 
ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи 
КМОП – комплементарный металл-оксид полупроводник (CMOS – 
Complementary Metal-Oxide Semiconductor)  
МОП-структура – металл-окисел-полупроводник 
МФ – медиафасад 
МЭМС – микроэлектромеханическая система  
ПЗС – прибор с зарядовой связью 
ТВЛ – телевизионная линия  
ФЭП – фотоэлектрический преобразователь  
ЭО – элемент отображения 
ЭС – электронное средство 
ЭСОИ – электронные средства отображения изображений  
  
 

ВВЕДЕНИЕ  
 
В жизни современного человека информация играет особую роль, 

являясь связующим звеном между человеком и окружающей средой. 
О внешнем мире человек получает 80 % информации через зрительный 
канал, и только оставшиеся 20 % – при помощи других органов чувств 
(обоняние, осязание, слух). Именно зрение дает человеку полное представление о каком-либо объекте (размер, цвет, местоположение), которое в совокупности позволяет произвести более глубокий анализ и получить дополнительные сведения о свойствах данного объекта.  

Использование электронных средств отображения информации 

очень многообразно: информационные и рекламные табло, телевизоры, 
мониторы компьютеров и т. д.  

Составной частью электронных средств отображения изображений 

(ЭСОИ) являются электронные приборы, осуществляющие визуализацию электрических сигналов – это дискретные индикаторы (полупроводниковые, газоразрядные), жидкокристаллические, плазменные и 
OLED панели, электронно-лучевые трубки, а в настоящее время – 
устройства с использованием лазерного луча.  

Современные тенденции развития систем отображения информации 

связаны с использованием новейших электронных приборов для передачи и воспроизведения изображения.  

В ряду дискретных индикаторов появились полимерные индикато
ры, значительно превосходящие существующие типы дискретных индикаторов по световой эффективности, потребляемой мощности и конструктивным особенностям, позволяющие создавать системы отображения информации с изменяемой пространственной конфигурацией.  

Большой интерес представляет создание 3D-изображения, в том 

числе с использованием средств голографии, очков виртуальной реальности. 

Принцип действия перечисленных средств, их характеристики, па
раметры, области применения и методы управления ими рассматриваются в читаемом курсе лекций, конспект которых предлагается вниманию читателей. 

 
 
 

1 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ОПТИЧЕСКОГО 

СИГНАЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

 

 
Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) предназначен для фор
мирования электрического сигнала, соответствующего оптическому 
изображению, спроецированному на его экран или матрицу. Преобразование световой энергии в электрический сигнал происходит на основе 
фотоэффекта. Фотоэффект бывает внутренний и внешний.  

Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) – это испускание 

электронов веществом под воздействием электромагнитного излучения. 
На основе этого эффекта созданы фотодиоды, фотоумножители и некоторые виды передающих телевизионных трубок. Фоточувствительные 
поверхности этих приборов называются фотокатодами. Между фотокатодом и коллектором (анодом) таких приборов создается электрическое 
поле, отбирающее все вылетевшие из катода электроны, которые образуют 
фототок во внешней цепи прибора. Величина фототока пропорциональна 
освещенности фотокатода. Внешний фотоэффект используется в ряде телевизионных ФЭП (диссектор, иконоскоп, ортикон, суперортикон). 

При внутреннем фотоэффекте фоточувствительный слой изменяет 

электрическую проводимость под действием падающего света. При 
этом за счет поглощения энергии излучения увеличивается энергия отдельных электронов и нарушаются их связи с ядром своего атома. Электроны не покидают вещество, как при внешнем фотоэффекте, а остаются внутри его. Внутренний фотоэффект положен в основу работы ряда 
телевизионных ФЭП (видикон, плюмбикон, кремникон, твердотельные 
преобразователи). 

Фотоэлектрические преобразователи бывают мгновенного действия и 

с накоплением зарядов. В ФЭП мгновенного действия электрический 
сигнал пропорционален световому потоку, который воздействует на элемент фоточувствительного слоя в момент его коммутации развертывающим элементом преобразователя. Такие преобразователи обладают высокой линейностью световой характеристики, высокой разрешающей способностью, но низкой чувствительностью. Примером ФЭП мгновенного 
действия может служить передающая телевизионная трубка – диссектор. 
Такая трубка применяется в ТВ системах, обеспечивающих автоматизацию, контроль и управление производственными процессами, в устройствах чтения микрофильмов, чертежей и графиков. Однако диссектор не 
пригоден для передачи натурных сцен из-за малой чувствительности. 

ФЭП с накоплением зарядов накапливают электрические заряды в 

течение периода кадровой развертки, а считывание этих зарядов происходит в момент коммутации элемента фоточувствительного слоя развертывающим элементом. Такие преобразователи могут использовать 
как внутренний фотоэффект (видикон, плюмбикон, кремникон), так и 
внешний (иконоскоп, ортикон, суперортикон). Эти преобразователи 
обладают высокой чувствительностью, обеспечивают высокое качество 
изображения и находят широкое применение в аппаратуре вещательного телевидения. 

Качество изображения во многом определяется характеристиками 

ФЭП. К таким характеристикам относят: чувствительность, световую 
характеристику, 
спектральную 
характеристику, 
апертурную 
ха
рактеристику, инерционность. 

Чувствительность – величина освещенности экрана преобразова
теля, обеспечивающая на выходе преобразователя заданное отношение 
сигнал/шум. 

Световая характеристика – зависимость величины тока на выходе 

преобразователя от освещенности его экрана. 

Спектральная характеристика преобразователя – зависимость ве
личины тока на выходе преобразователя от длины волны электромагнитного излучения, падающего на экран преобразователя, при постоянной мощности излучения. 

Апертурная характеристика (АХ) – зависимость глубины модуля
ции сигнала преобразователя от относительных размеров деталей изображения. АХ определяется при проецировании на экран преобразователя оптического изображения в виде чередующихся вертикальных 
белых и черных полос равной ширины (деталей изображения). Такое 
изображение называется штриховой мирой.  

 
1.1 Твердотельные фотоэлектрические  

преобразователи на основе ПЗС-структур 

 
В настоящее время для преобразования оптического сигнала в электри
ческий нашли широкое применение твердотельные ФЭП на базе приборов 
с зарядовой связью (ПЗС) и КМОП датчики изображения [1]. Основой ПЗС 
является конденсатор МОП-структуры (металл-окисел-полупроводник). 
Одной обкладкой конденсатора является очень тонкий и прозрачный электрод (из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова), 
а второй – полупроводник. Диэлектриком между этими обкладками служит 
тонкий слой окисла полупроводника (рисунок 1.1а). 

Если между электродом и полупроводниковой подложкой, например 

р-типа, приложить напряжение +U, то в результате действия электрического поля дырки (основные носители) полупроводника, находящиеся под электродом, отойдут в толщину слоя полупроводника. При 
этом под электродом образуется область, обедненная основными носителями, – потенциальная яма. Изменяя величину напряжения +U, можно управлять глубиной потенциальной ямы. 

 

 
     
 

                                 а) 
б) 

Рисунок 1.1 – Конденсатор МОП-структуры: 

1 – фотоны света, прошедшие через объектив камеры; 
2 – микролинза субпикселя; 
3 – R – красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера; 
4 – прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и 

оксида олова; 

5 – оксид кремния; 
6 – кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей – зона внутреннего 

фотоэффекта; 

7 – зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны 

генерации носителей заряда; 

8 – кремниевая подложка p-типа. 

 
В образовавшейся потенциальной яме происходит накопление не
основных носителей электронов, которые могут образовываться как за 
счет полезного эффекта (например, фотоэмиссии), так и за счет термоэлектронной эмиссии. Типичное устройство ПЗС (рисунок 1.1а): на полупроводниковой поверхности находится тонкий (0,1-0,15 мкм) слой 
диэлектрика (обычно окисла), на котором располагаются полоски проводящих электродов (из металла или поликристаллического кремния). 
Эти электроды образуют линейную или матричную регулярную систему, причем расстояния между электродами столь малы, что существен

ными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов. Микролинзы и светофильтры располагаются над каждым субпикселем. 

Принцип работы ПЗС основан на возникновении, хранении и 

направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах, образующихся в приповерхностном слое полупроводника при приложении к 
электродам внешних электрических напряжений [2]. 

На рисунке 1.1б символами С1, С2 и С3 обозначены МОП
конденсаторы (металл-окисел-полупроводник). Если к какому-либо электроду приложить положительное напряжение U, то в МДП-структуре возникает электрическое поле, под действием которого основные носители 
(дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходят от поверхности полупроводника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, 
толщина которого составляет доли или единицы микрометра.  

Неосновные носители (электроны), генерированные в обедненном 

слое под действием каких-либо процессов (например, тепловых) или попавшие туда из нейтральных областей полупроводника под действием 
диффузии, будут перемещаться (под действием поля) к границе раздела 
полупроводник-диэлектрик и локализоваться в узком инверсном слое. 
Таким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они скатываются из обедненного слоя под действием поля. Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под 
действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника.  

В течение заданного интервала времени каждый пиксель постепенно 

заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в 
него света. По окончании этого времени электрические заряды, накопленные каждым пикселем, по очереди передаются на «выход» прибора 
и измеряются.  

Фотон от объекта съёмки, пройдя сквозь фильтр Байера, то есть цвето
фильтр типа RGBG, или фильтр RGBW и собирающую микролинзу, попадает на светочувствительный полупроводниковый материал. Поглощаясь, 
фотон порождает электро-дырочную пару, которая в ячейке под действием 
внешнего электрического поля «разделяется», и электрон «отправляется» в 
копилку – потенциальную яму, где он будет ожидать «чтения». 

Рассмотрим принцип организации ПЗС-линеек [3]. ПЗС-линейка – 

это устройство для хранения и передвижения зарядовых пакетов вдоль 
нее. Линейка состоит из последовательно расположенных электродов на 
общей подложке (рисунок 1.2). 

Расстояние между электродами настолько мало, что обедненная об
ласть под одним электродом практически простирается до соседних 
электродов. Поэтому если под одним из n-х электродов, к которому 
приложен потенциал +U, будет накоплен заряд, образованный, на