Шпаргалка по "Физике"

К источникам света  оптоэлектроникой предъявляются такие  требования, как миниатюрность, малая  потребляемая мощность, высокие эффективность  и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в виде интегральных устройств.

29. Источники  отображения информации

Устройства  отображения информации обеспечивают преобразование носителей электронной информации. Современные устройства отображения информации можно классифицировать по:

• Принципу светоотдачи: активные и пассивные.

• По физическим эффектам, лежащим в основе работы устройств: накаливаемые, газоразрядные, люминесцентные, ЖКИ.

• По способу воспроизведения сигнала: нашкальные, аналоговые, дискретно-аналоговые, цифровые, знакосинтезирующие.

Активные  устройства отображения информации обеспечивают превращение электрической энергии в световую, а пассивные лишь моделируют световой поток, изменяя под действием электрического поля или тока оптические показатели среды.

Для воспроизведения мнемонических символов, букв и цифр используют буквенно-цифровые индикаторы. Единичным называют индикатор, который отражает один символ или одну цифру. Одноразрядным называют индикатор, у которого выводы всех излучателей света не соединены друг с другом и выведены из корпуса для подключения к устройству управления. Сегментным называют индикатор, состоящий из нескольких излучателей, в котором отображение одного знака или символа обеспечивает один источник света.

 К важнейшим  параметрам индикаторов относят угол обзора, число цветов, яркость, разрешение по горизонтали и вертикали, контрастность, потребляемую мощность, время отклика и прочее.

Светодиодные  индикаторы выполняют из ряда размещённых  определённым образом отдельных  светодиодов. Подавая питание на некоторые полупроводниковые кристаллы светодиодных структур индикатора, получают излучение нужных светодиодов. Оно попадает непосредственно на прозрачный участок корпуса индикатора, или сначала на отражатели, свечение которых имеет вид знака или символа.

Достоинства светодиодных индикаторов состоят в чёткой форме символов и знаков, в низком напряжении питания, в небольшой потребляемой мощности. Недостаток заключён в малой яркости и довольно большом потребляемом токе.

30. Люминисцентные  устройства отображения информации

Наиболее широкое  распространение в качестве электролюминесцентных  источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости. В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости - заполнение состояния (электроны проводимости). Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее при этом в р-n-переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией.

Фотон, испускаемый при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости в свободную часть валентной зоны, вызывает индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону. Однако фотон такой же энергии (от ∆E=E2-E1 до ∆E=2δE) не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно (в нем нет электронов), а верхнее состояние уже заполнено.

Это означает, что p-n-переход прозрачен для фотонов  такой энергии, т.е. для соответствующей  частоты. Наоборот, фотоны с энергией, большей ∆E+2δE, могут поглощаться, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. В то же время для таких энергий индуцированное испускание фотонов невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а нижнее состояние заполнено. Таким образом, вынужденное излучение возможно в узком диапазоне около частоты, соответствующей энергии запрещенной зоны ∆Е с шириной спектра δE.

 

31. ЖКИ-устройства отображения информации

Жидкие  кристаллы – это вещества, молекулы которых обладают высокой подвижностью, и склонны к упорядоченной ориентации в электрическом поле. Удельное сопротивление жидких кристаллов велико и достигает от 106 до 1011 Ом. При комнатной температуре в отсутствие электрического поля ориентация молекул жидких кристаллов хаотична, ввиду чего вещество не прозрачно. При возникновении электрического поля происходит упорядочивание молекул, и в результате вещество становится оптически прозрачно.

Жидкие кристаллы  можно отнести к одному из трёх видов: смектическим, нематическим или холестерическим.

Смектические жидкие кристаллы формируют слои, в которых молекулы имеют упорядоченное положение.

Нематические жидкие кристаллы обладают хаотичным расположением молекул и непрозрачным для проходящего света дисплеем лишь до тех пор, пока молекулы не будут помещены в электрическое поле.

Холестерические жидкие кристаллы под воздействием электрического поля формируют слои, в которых молекулы смещены на один и тот же угол в пространстве. Это обстоятельство позволяет при наличии источника белого света получать цветное изображение на экране дисплея. Таким образом, в цветных жидкокристаллических дисплеях применяют холестерические жидкие кристаллы.

Преимущества: жидкокристаллические дисплеи не создают вредного для здоровья пользователя излучения, наиболее экономичны в потреблении энергии, обеспечивают хорошее качество изображения.

Недостатки: такие дисплеи достаточно дороги, если смотреть на экран сбоку, то почти ничего нельзя разглядеть.

 

32. Преобразователи  оптического изображения (видикон).

Видикон — передающая телевизионная трубка с накоплением заряда, действие которой основано на внутреннем фотоэффекте. Наиболее распространенный тип передающей трубки в телевизионных передающих камерах до появления полупроводниковых матриц. Изображение в видиконе проецируется на плоскую мишень из полупроводникового материала, на котором накапливается потенциальный рельеф. Мишень сканируется электронным лучом, подключающим считываемый участок к нагрузке. Рельеф при этом разрушается и восстанавливается к моменту следующего прохода луча.

Видиконы создают  видеосигнал при минимальной  освещённости мишени от десятых долей  до десятков люкс, обеспечивая разрешающую  способность от 400 до 10000 линий. Светочувствительность передающих камер на видиконе ограничена только шумами видеоусилителя и растёт при их уменьшении.

В цилиндрической трубке размещён электронный прожектор, создающий электронный пучок  небольшого диаметра (15—30 мкм) при токе порядка долей или единиц микроампер. Для фокусировки и отклонения электронного луча в видиконе используются электростатические или магнитные поля. Одним из важнейших узлов видикона является фотопроводящая мишень, которая содержит т. н. сигнальную пластину и расположенный на ней со стороны объектива фотопроводящий слой.

Элементарные  участки мишени, равные по площади сечению луча, заряжаются лучом в моменты их коммутации. В остальное время — до следующего прохода луча в ходе развёртки (то есть практически в течение всего кадра) — данный участок мишени разряжается. Скорость разряда зависит от освещённости. Чем больше освещённость участка изображения, тем меньше электрическое сопротивление фотопроводника и тем быстрее происходит его разряд.

33. ПЗС. Принцип работы.

ПЗС — прибор с зарядовой. Общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объеме полупроводника.

Наиболее ярким  представителем приборов данного класса является ПЗС-матрица.

Название ПЗС  — прибор с зарядовой связью —  отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого  от кремниевой подложки, у которой  при подаче напряжения через поликремневые  затворы изменяются электрические  потенциалы вблизи электродов. Один элемент  ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется  в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд  из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного  обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.

Для использования  ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается  прозрачной.

 

 

34. ПЗС-матрицы  и их характеристики

Основой современной  видеокамеры является ПЗС-матрица - прямоугольная светочувствительная  полупроводниковая пластинка с отношением сторон 3:4, которая преобразует падающий на нее свет в электрический сигнал. ПЗС-матрица состоит из большого числа фоточувствительных ячеек (пикселей - элементов изображения). Видеокамеры характеризуются специальным параметром, который называется формат ПЗС-матрицы - это округленное значение длины диагонали ПЗС-матрицы, выраженное в дюймах. Знание формата ПЗС-матрицы необходимо для выбора подходящего объектива - диаметр окружности, в которой отображается сфокусированное объективом изображение, по сути, является диагональю матрицы.

Основные производители  матриц Sony, Sharp, Panasonic, Samsung, LG, Hynix. Обычно разница между камерами, основанными  на матрицах разных производителей, проявляется  в сложных условиях освещения.

Пожалуй, самая  “базовая” характеристика ПЗС-матриц — число элементов. Подавляющее  число моделей имеют стандартное  число элементов, ориентированное  на телевизионный стандарт: 512х576 пиксел (эти матрицы обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения) и 768х576 пиксел (максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала).

От числа  элементов ПЗС-матрицы напрямую зависит один из основных параметров телекамеры — разрешение (или разрешающая способность). На разрешение камеры в целом, кроме того, влияют параметры электронной схемы обработки сигнала и параметры оптики.

Разрешение - максимальное количество чёрных и белых полос (т.е. количество переходов от черного к белому или обратно), которые могут быть переданы камерой и различимы системой регистрации на предельно обнаруживаемом контрасте. За единицу измерения разрешения в телесистемах принимается ТВЛ (тв-линия).

 

35. Основные направления  оптоэлектроники

Оптика - раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.

Оптическое  излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика — часть общего учения об электромагнитном поле. Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны излучения, а также использование приёмников света, действие которых основано на его квантовых свойствах.

Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части:

-геометрическая  или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах;

-волновая оптика, изучающая явления, в которых  проявляются волновые свойства  света;

-квантовая оптика, изучающая взаимодействие света  с веществом, при котором проявляются  корпускулярные свойства света.

Основные законы геометрической оптики:

-Закон прямолинейного распространения света:

-Закон отражения и преломления света

-Закон независимости световых пучков

 

 

36. Оптические  волоконные системы

Как правило, оптоволоконная система включает передатчик видеосигнала,  преобразующий электрические видеосигналы в оптическое излучение, приемник видеосигнала, преобразующий оптическое излучение обратно в электрические видеосигналы и собственно оптическое волокно, соединяющее передатчик и приемник. Обладая чрезвычайно низкими потерями, оптоволоконные системы могут передавать  видеосигналы на расстояния до нескольких десятков километров без использования промежуточных усилителей, намного превосходя по этому параметру коаксиальные и проводные системы передачи видеосигналов. Другой особенностью оптоволоконных систем  является их высокая пропускная способность.

Оптические  элементы – это составные части оптической системы, преобразующие электромагнитное излучение в видимом или близких диапазонах (ультрафиолетовый, инфракрасный). В них преобразование пучков света происходит за счёт преломления и отражения света, его дифракции и поглощения.

Базовые оптические элементы: линзы; призмы; зеркала; cветофильтр.

Современное оптоволокно, используемое в оптоволоконных системах,  представляет собой прозрачные стеклянные волокна, которые проводят свет от одного конца до другого с минимальными потерями, благодаря эффекту полного внутреннего отражения. Конструктивно, такое оптоволокно состоит из ядра, оптической оболочки и защитной оболочки.