Методы и средства отображения информации

1.3. Светодиодные  индикаторы

Светоизлучающие диоды (СИД) представляют собой твердотельные приборы, работающие на р-п-переходах, образованных в полупроводниковом материале. В их основе лежит принцип инжекционной люминесценции. Эксплуатационные достоинства СИД способствовали их широкому использованию в вычислительной и другой аппаратуре в качестве дискретных индикаторов.

Рассмотрим коротко физические основы работы светоизлучающих диодов. Известно, что в полупроводниках внешние оболочки атомов, создающих кристаллическую структуру, в результате значительного сближения образуют определенные энергетические зоны. В так называемой валентной зоне располагаются электроны, обеспечивающие связь атомов в кристалле. Отдельные электроны под воздействием тепловой энергии могут переходить в другую зону, называемую зоной проводимости. При этом переходе образуется свободное энергетическое состояние, получившее название дырка. Электроны и дырки рассматриваются как частицы, имеющие соответственно отрицательный и положительный заряды. Введение в материал полупроводника определенных примесей создает избыток электронов или дырок, образуя область проводимости п- или p-типа. Когда области обоих типов выполнены в одном кристалле, они образуют р-п-переход. Через него могут диффундировать заряды, образуя так называемые неосновные носители, т. е. носители зарядов, имеющих знак, противоположный основным (электроны в р-области и дырки в п-области). Диффузия продолжается до тех пор, пока не установится потенциальный барьер, препятствующий движению носителей заряда.

Обычно возвращаемая энергия  выделяется в виде теплоты, однако при  определенных условиях (сохранение энергии и импульса при рекомбинации) происходит излучение фотона. В зависимости от материала полупроводника и концентрации примесей излучение имеет определенную длину волны, что позволяет создавать СИД с различным цветом свечения. Так как переход электронов осуществляется не с дискретных уровней, а с зон разрешенных состояний, имеющих определенную ширину, то излучение не является монохроматическим.

Рис. 9. Конструкция светоизлучающего диода:

1 – полупроводниковый  слой p-типа; 2 – прозрачная подложка; 3 – полупроводниковый слой п-типа; 4 – керамический корпус; 5 – электрод

Изготавливаются СИД в виде дискретных элементов  отображения (рис. 9), в виде монолитных полосково-сегментных приборов, а также в виде небольших матриц с - адресацией. В настоящее время промышленностью выпускаются в основном приборы, излучающие в красном, зеленом и желтом диапазонах при яркостях примерно в 100 кд/м². Монолитные кристаллы СИД имеют площадь не более 1 – 2 см², однако уже длительное время ведутся работы по созданию на их базе плоских цветных телевизионных экранов.

1.4. Газоразрядные индикаторы

В принципе любой  газоразрядный прибор представляет собой заполненную инертным газом изолированную от внешней среды ячейку, внутри которой на близком расстоянии друг от друга расположены два электрода. Широкое распространение в технике получили газоразрядные приборы типа неоновых ламп, тиратронов тлеющего разряда, линейных газоразрядных индикаторов и пр. Их область применения ограничена в основном сигнализацией состояния различных устройств и объектов.

В простых устройствах  отображения цифровой и знаковой информации нашли применение индикаторные лампы тлеющего разряда. Их особенностью является наличие нескольких фигурных катодов в одном баллоне.

Значительно расширилась  область применения газоразрядных  индикаторов с появлением матричных цифровых панелей (плазменных панелей). Они представляют собой плоский экран, на котором любое изображение создается большим числом светоизлучающих газоразрядных элементов, образованных на пересечениях горизонтальных и вертикальных электродов.

Существуют  два основных типа плазменных панелей: постоянного тока с внешней адресацией и переменного тока с запоминанием информации. Панели постоянного тока имеют плоскую трехслойную конструкцию, в которой между двумя стеклянными пластинами с нанесенной на их внутреннюю поверхность системой взаимно перпендикулярных полупрозрачных электродов расположена перфорированная изолирующая матрица. Отверстия в матрице заполнены газом и размещаются в местах пересечения электродов. Свечение возникает при подаче на соответствующую пару электродов напряжений. Для получения устойчивого изображения необходимо последовательно подавать высоковольтное напряжение на требуемые точки.

Более широкое  распространение получили газоразрядные  панели постоянного тока с самосканированием, которые хотя и значительно сложнее по конструкции, но свободны от некоторых недостатков, в частности, в них имеется возможность параллельного ввода информации во все строки, что значительно упрощает управляющие цепи.

Газоразрядная ячейка переменного тока отличается от ячейки постоянного тока тем, что ее электроды гальванически изолированы от газовой смеси диэлектрическими прокладками и по существу ячейка представляет собой конденсатор.

Рис. 11. Общий  вид (а) и поперечное сечение (б) фрагмента конструкции плазменной панели переменного тока

Конструкция панели переменного тока показана на рис. 11. На двух стеклянных подложках 3 расположен набор параллельных проводников, вертикальных 2 и горизонтальных 4, покрытых слоем прозрачного диэлектрика 1. Между обкладками с помощью герметизирующей рамки 5 образуется камера, заполненная газовой смесью 6. Наборы проводников взаимно перпендикулярны и в точках их пересечения образуются газоразрядные элементы. При зажигании элемента создается светящаяся точка. Наборы точек обеспечивают отображение необходимой информации. Яркость светящихся точек достаточно высока и не зависит от размерности матрицы.

.Ряд важных преимуществ плазменных панелей – плоскостность экрана, высокая разрешающая способность (уже созданы панели с матрицей 1024 1024 точки), возможность работы в непрерывном режиме без мерцания и искажения изображения, хорошая видимость при ярком освещении – делает их одними из наиболее перспективных индикаторов для использования в системах отображения высокой информативности.

1.5. Жидкокристаллические  индикаторы

Жидкие кристаллы  – это сложные органические соединения, характеризующиеся сочетанием свойств жидкости (например, текучестью) и кристалла (оптической анизотропией). Среди множества веществ такого типа для индикаторов выбирают те, которые сохраняют свои свойства в достаточно широком диапазоне температур (обычно 0—70° С). Наличие анизотропии и возможность управляемой перестройки структуры жидкого кристалла дают возможность использовать два типа оптических эффектов: изменение коэффициента отражения света (при его пропускании) и изменение характера поляризации лучей при отражении света. Таким образом, в отличие от описанных индикаторов жидкокристаллические ячейки требуют обязательной внешней подсветки, выполняя роль модуляторов при пропускании или отражении света.

Широкое распространение  для целей индикации получило использование в жидких кристаллах так называемого «твист-эффекта». В ячейке, получаемой в результате заполнения жидкокристаллическим веществом полости между двумя стеклянными пластинками, на внутренней поверхности которых нанесены прозрачные электроды (рис. 13.), ориентация молекул постепенно меняется от верхнего слоя к нижнему. Это достигается с помощью определенной технологии изготовления ячейки. При наложении электрического поля молекулы раскручиваются и ориентируются в направлении вектора напряженности электрического поля. Фаза света при прохождении через ячейку в этом случае не меняется. Помещая на входе и выходе ячейки пленочные поляризаторы, обеспечивают блокировку света определенной фазы и пропускание его при повороте плоскости поляризации на 90°. Тем самым задаются включенное и выключенное состояния приборов. Малая потребляемая мощность, плоскостность конструкции и невысокая стоимость делают жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) одним из самых удобных средств отображения знаковой информации в малогабаритных электронных устройствах (часы, калькуляторы, измерительные приборы и пр.). Однако широкое применение этих индикаторов ограничено рядом принципиальных недостатков. Отметим среди них относительно невысокий коэффициент контраста (не более 20 в лучших образцах). Этот коэффициент значительно падает при отклонении утла наблюдения от нормали (обычно допустимый угол обзора не превышает 45°). Жидкокристаллические приборы очень инерционны, время их переключения составляет десятки и даже сотни миллисекунд и зависит от температуры.

Рис. 13. Конструкция  жидкокристаллического индикатора:

1 – прозрачные электроды; 2 – жидкокристаллическое вещество; 3 – стеклянные пластины; 4 – герметизирующая рамка

Серийно выпускаемые  ЖКИ выполнены в виде единичных знаковых модулей либо в виде небольших табло из наборов этих модулей.

1.6. Принципы  отображения информации на больших экранах

Для отображения  информации, используемой одновременно группой людей, применяются экраны больших форматов с рабочей поверхностью от одного до десятков квадратных метров. Преобразование информации, выводимой на большой экран, основывается на самых различных принципах. Множество известных устройств работает с промежуточным носителем информации: фотопленкой, фотополупроводниковой пластиной и т. д. Полученное на таком носителе изображение проецируется с помощью оптической системы на экран. При хорошем качестве отображения все эти устройства в принципе не могут работать в реальном масштабе времени с системой, включающей ЭВМ, ввиду чего область их применения ограничена.

Проекционные  ЭЛТ, известные достаточно давно, в последние годы значительно усовершенствованы. Основные требования к таким трубкам - повышенная яркость при малых габаритных размерах. Это достигается применением люминофоров с высокой светоотдачей и увеличением анодного напряжения (до 40—80 кВ). При относительно небольших размерах трубки с ее поверхности удается получить световой поток порядка 1000 лм. На базе такой ЭЛТ строятся системы с экраном размером до 3 3 м. Ввиду большой мощности электронного пучка здесь возникает необходимость использовать принудительное охлаждение трубки и специальную защиту от рентгеновского излучения. Другим недостатком является чувствительность к уровню внешней засветки экрана, что ограничивает область применения таких устройств.

Светоклапанные  проекционные системы обеспечивают значительно лучшее качество изображения в условиях внешней засветки и большие размеры экрана, хотя они и сложнее по конструкции, чем системы с проекционными ЭЛТ. Под общим термином «светоклапанные» объединены все устройства, которые модулируют свет внешнего источника, меняя параметры пропускающей его среды. Наиболее распространены устройства, в которых изменяющейся средой является тонкая масляная пленка с определенными оптическими и электрическими характеристиками. Принцип работы светоклапанного устройства отображения упрощенно показан на рис. 14. Свет от мощного источника с линзовой оптикой 1 обеспечивающей равномерность потока, попадает на щелевое зеркало 2 и отражается им на сферическое зеркало 6, покрытое масляной пленкой 7. Зеркала сориентированы таким образом, что при гладкой пленке свет, отражаясь, возвращается в направлении к источнику, а экран 4 остается незасвеченным. Деформация пленки в какой-либо точке вызывает отклонение отражающегося от нее луча, который, проходя через щель зеркала 2, попадает с помощью проекционной оптики 3 в определенную точку экрана. Яркость свечения пятна на экране определяется степенью деформации пленки, которая, в свою очередь, зависит от величины заряда, устанавливаемого на ее поверхности электронным пучком. При снятии заряда пленка достаточно быстро приходит к исходному состоянию. Скорость процесса деформации и восстановления зависит от вязкости пленки и температуры. Электронная пушка 5, генерирующая электронный пучок, заключена в общую со сферическим зеркалом стеклянную оболочку, в которой поддерживается вакуум. Пучок фокусируется, отклоняется электромагнитной системой и модулируется по мощности аналогично тому, как это происходит в обычных ЭЛТ. Отображение информации осуществляется растровым способом по телевизионному стандарту. В некоторых устройствах достигается и более высокая разрешающая способность (до 1000 строк).

Рис. 14. Упрощенная схема расположения элементов светоклапанного  устройства

Для поддержания  работоспособности описанного устройства необходим ряд мер, усложняющих его конструкцию. В частности, требуется поддерживать постоянный химический состав и температуру пленки, удалять примеси и остаточные заряды, обеспечивать работоспособность катода и т. д.

Описаны также проекционные системы, работающие на пропускание света, в которых модулятором является ЖК панель. Участки панели меняют коэффициент пропускания под воздействием оптических или электрических сигналов.

Лазерные средства отображения на большой экран находятся в настоящее время в стадии эксперимента, однако важные достоинства — высокая разрешающая способность, быстродействие, возможность цветных изображений, отсутствие необходимости в промежуточных носителях — позволяют считать их наиболее перспективными из имеющихся средств коллективного пользования. Используемые для этой цели лазеры имеют непрерывный режим работы со стабильной выходной мощностью. Это обычно криптоновые ионные лазеры, излучающие красный цвет, и аргоновые, излучающие синий или зеленый цвет.

Наиболее развиты  методы, при которых изображение  создается непосредственно лучами лазера, направляемыми на экран. В упрощенном виде схема лазерного устройства отображения приведена на рис. 15. Электрооптический модулятор работает на принципе вращения плоскости поляризации. На выходе модулятора действует анализатор, пропускающий амплитуду когерентного излучения, пропорциональную косинусу угла поляризации. Угол поляризации меняется в зависимости от приложенного к модулятору электрического напряжения. Управляя поляризацией луча воздействием напряжения на кристалл (вводя фазовое запаздывание на 180°), можно обеспечить его распространение в одном из двух фиксированных направлениях. В принципе, имея набор аналогичных переключателей, через которые последовательно проходит луч, можно дискретно управлять его проекцией на экран.

Рис. 15. Схема  лазерного устройства отображения:

1 – лазер; 2 –  электрооптический модулятор; 3 –  отклоняющая система (дефлектор); 4 – управление модулятором и  дефлектором; 5 – экран

Основные трудности  в развитии лазерных устройств отображения в настоящее время заключаются в высокой сложности управляющих электрооптических блоков, обеспечении стабильности их работы в обычных условиях. Проблемой является также достижение достаточной яркости изображения на большом экране, так как излучение лазеров имеет значительно более низкую световую отдачу, чем излучение обычных источников.