Довгалюк Б П.. ПРИЛАДИ ВІДОБРАЖЕННЯ ТА РЕЄСТРАЦІЇ ІНФФОРМАЦІЇ : Конспект лекцій.

Для студентів вищих навчальних закладів. Дніпродзержинськ, видавництво ДДТУ, 2012. - 81 стор.

 

Конспект лекцій призначений для студентів вищих навчальних закладів, відповідає розділам навчальної програми дисципліни „ПРИСРОЇ ВІДОБРАЖЕННЯ ІНФФОРМАЦІЇ” підготовки спеціалістів та магістрів за напрямком «Електроніка».

В конспекті викладено теоретичні основи пристрої в відображення інформації Основні принципи формування і сприйняття інформаційних моделей: інформаційна модель і формування її елементів, принципи формування кольору в інформаційній моделі, основні фотометричні параметри, психофізіологічних особливостей сприйняття зорової інформації оператором, структура і основні технічні параметри засобів відображення інформації. Засоби відображення інформації з електронно-променевими індикаторами: класифікація і основні визначення; принципи формування знаків в ЗВІ телевізійного типу; функціональна схема буквено-цифрових ЗВІ телевізійного типу; Графічні ЗВІ телевізійного типу; ЗВІ поліграмно - растрового типу;

 

 

 

.

 

 

 

 

1.теоретичні основи ЗАСОБів ВІДОБРАЖЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ

Одна з характерних рис електроніки останніх десятиліть полягає в прагненні візуалізувати усі можливі види інформації, що супроводжується розвитком пристроїв відображення інформації (ПВI), сфери застосування яких винятково різноманітні.

1.1. Загальна характеристика

Визначення. У будь-якому пристрої відображення інформації виділяються дві основні функціонально різні частини: світло контрастний растр, що безпосередньо впливає на спостерігача, та схема керування, тобто комплекс засобів електронного обрамлення, які здійснюють необхідну обробку інформації, що надходить в електричній формі, і ефективне керування світло контрастним растром. Світло контрастний растр входить до складу індикатора, що у найбільш загальному сенсі являє собою прилад, який відображає хід процесу чи стан об'єкта спостереження у формі, яка є зручною для зорового сприйняття людиною. З огляду на те, що єдиною прийнятною формою інформації на вході ПВI є електрична, можна сказати, що індикатор — це оптоелектронний прилад для перетворення електричних сигналів в адекватний їм просторовий розподіл яскравості.

За родом відображуваної інформації всі індикатори можна розділити на дві великі групи:

знакосинтезуючі індикатори (ЗСI) для відтворення одиничних крапок, цифр, букв, шкал вимірювальних приладів, графіків, мнемосхем;

екрани для відтворення як перерахованої вище інформації, так і рухливих картин телевізійного типу.

Екрани нерідко називають дисплеями, хоча, строго кажучи, це поняття поєднує екран і схеми електронного обрамлення. Найпростіший елемент ЗСI чи екрана називають знакомісцем.

Провести строге розмежування між ЗСI й екраном не можна. Як правило, підкреслюється розходження в їхньому функціональному призначенні: синтез знаків - у випадку ЗСI і синтез картин - у випадку екрана. Екрани містять істотно більшу кількість знакомісць, чим ЗСI.

Для синтезування зображення в ЗСI використовується декілька способів (рис. 1.1): безпосереднє створення на поверхні растра необхідного символу, набір цифр чи букв з окремих сегментів (сегментні індикатори), набір необхідної інформації (цифр, букв, графіків, картин і т.п.) з окремих крапок, що розміщені на поверхні растра у вигляді прямокутної матриці (матричні чи універсальні індикатори). В індикаторах без фіксованих знакомісць (екран електронно-променевої трубки) символи буквально «малюються» при скануванні растра збудливою дією (електронним променем). Всі принципи синтезу зображень, що характерні для ЗСI, можуть реалізовуватися і шляхом використання набору дискретних знакомісць (наприклад, світлодіодів). Для екранів характерна матрична організація, у тому числі і без фіксованих знакомісць.

Фізіологічні основи індикаторної техніки. При виробленні рекомендацій інженерно-психологічного характеру, що поши-рюються на індикатори будь-якого виду, використовують параметри і властивості, що притаманні деякому ідеалізованому, статистично усередненому оператору — споживачу візуальної інформації індикатора.

 

Рис. 1.1. Способи синтезування зображень у ЗСI: а — фіксований символ; б - сегментне представлення (цифра 3); в — матричне представлення (буква Т)

 

Вимога до яскравості світіння змінюється в дуже широких межах у залежності від умов роботи оператора: зовнішньої освітленості, стану фону, наявності інших випромінювачів, вимог до швидкості зчитування, не стомлюваності при тривалій роботі тощо. Крайні значення яскравості 10... 30 кд/м² у напівтемряві кімнати і (2... 5)∙10⁴ кд/м² при прямій сонячної засвітці індикатора. Дуже важлива рівнояскравість сусідніх елементів індикатора: за законом Вебера—Фехнера для того, щоб не «рябило», необхідна рівнояскравість 30... 50%, а в ряді випадків і 10... 20%. Напроти, при використанні індикатора для кодування інформації варто мати на увазі, що оператор розрізняє не більш 7 - 8 градацій яскравості, при цьому досить надійно – 3 - 4, а абсолютно вірогідно - лише 2 (є світло чи нема).

Просторові геометричні характеристики об'єктів, що сприймаються (цифра, буква, елемент мнемосхеми), задаються їхніми кутовими розмірами і розташуванням у полі зору. Припустимі кути огляду у вертикальній і горизонтальній площинах 70° (30... 60°) і 90° (50... 60°). Відповідно оптимальним є подовжене в горизонтальній площині (у відношенні 4: 3) поле растра. Кутові розміри елементів індикатора не можуть бути менш 1^¢ (граничний дозвіл), практично прийнятні значення складають 8... 20¢, а для швидкого і точного сприйняття 40... 60¢. Оптимальне відношення ширини і висоти знаків індикатора 2/3... 3/5: при цьому забезпечується найкраще зчитування.

Використання в індикаторах колірної гами істотно розширює їхні можливості. По-перше, кольором можна додатково кодувати інформацію, при цьому найбільш помітні червоний, білий, жовтий, пурпурний, зелений. Усього ж в одному ПВI може сполучатися до 7-8 кольорів. Колір може служити для підкреслення властивостей об'єкта, наприклад, при автоматизованому об'ємному проектуванні на екрані дисплея. Використання кольору виявляється найважливішою властивістю індикатора при прагненні збудити особливий психофізичний стан оператора, наприклад червоний колір - символ небезпеки. Але головне - це досягнення природності зображення індикаторами типу телевізійного екрана.

Різноманітність індикаторів. Існує ряд факторів, що обумовлюють різноманіття індикаторів. По-перше, ця безліч індиціруємих об'єктів: цифри і тексти, графіки, гістограми, мнемосхеми, двомірні картини. Зображення може бути статичним і що рухається, різким і напівтоновим, чорно-білим і кольоровим, плоским і об'ємним.

По-друге, це широта областей застосування, що відрізняються одна від одної вимогами до характеристик сприйняття, умовами експлуатації, вартості. Зокрема, істотне значення при виборі того чи іншого індикатора має його сумісність зі схемами керування, які використовуються в ПВI. Визначальним є розподіл індикаторів на пристрої колективного, групового й індивідуального користування, як характерні приклади можуть бути названі інформаційне табло стадіону чи вокзалу, екран телевізора, циферблат електронних наручних годинників чи мікрокалькулятора.

По-третє, це перевага методів неявної оцінки якості систем, що відображають, за допомогою суб'єктивних випробувань, а також ті розходження в зоровому сприйнятті, що притаманні людям.

Четверта, вирішальна обставина зв'язана з тим, що не вдається знайти такого єдиного фізичного принципу і конструктивно-технологічного рішення, що могли б задовольнити сукупність вимог, які пред’являють до індикаторів. Ці вимоги можна згрупувати за деяких загальних ознаках:

1. Якість сприйняття: яскравість світіння, контрастність, припустимий кут огляду, сприйняття в темряві і на світлі, мінімальні і максимальні геометричні розміри елементів.

2. Кольоровість: можливість генерації трьох основних кольорів R—G—B й одержання будь-якого кольору, чистота кольору, можливість керованої перебудови кольору світіння і створення багатобарвного інформаційного поля.

3. Схеми керування: спосіб зміни знака (механічний, електронний), електрична сумісність з елементною базою мікроелектроніки, форма збудливого сигналу (змінний, постійний струм), напруга, струм живлення, можливість роботи в мультиплексному режимі та мікропроцесорного керування.

4. Висока інформативність - створення екранів з великим числом розкладання: простота реалізації багатоелементних, матричних і мозаїчних структур, мала споживана потужність, відтворення градацій яскравості, півтонів; високі розв’язувальна здатність та швидкодія елементів; простота розгортки (сканування) зображення; наявність убудованої пам'яті; можливість створення екранів великої площі.

5. Експлуатаційні характеристики: діапазон робочих температур, механічна міцність (вібраційна, ударна і т.п.); вологостійкість, стійкість до проникаючої ядерної радіації, довговічність, надійність, габаритні розміри і маса; площинність (мала товщина індикатора).

6. Технологічність: забезпеченість необхідними матеріалами зі стабільними властивостями; можливість використання стандартних процесів планарної технології (епітаксії, дифузії, фотолітографії, напилювання та ін.) і групових методів обробки; простота конструкції застосовуваних деталей; мала кількість цих деталей та зовнішніх виводів; відсутність вакуумних об’ємів; низька вартість.

Оптоелектронні індикатори.Ці прилади, що відповідають функціональному призначенню індикатора і задовольняють концепціям оптоелектроніки в частині інтегріруємості, технологічності, сумісності з мікроелектронікою, почали розвиватися як альтернатива електронно-променевим трубкам (ЕПТ) з їхніми принципово непереборними недоліками: наявністю вакуумного об’єму, громіздкістю, високовольтністью, великою споживаною потужністю.

За фізичним принципом відображення інформації виділяють індикатори з активним растром, у яких використовується світлогенераційний ефект, тобто перетворення електричної енергії у світлову, та з пасивним растром, у яких керуючі електричні сигнали модулюють зовнішній світловий потік.В індикаторах першої групи застосовуються різні види люмінесценції (інжекційна, газорозрядна, катодна тощо), теплове випромінювання, лазерна генерація. Електрооптичні ефекти, на яких засновані індикатори другої групи, викликають зміну коефіцієнта відбиття чи поглинання ділянок растра, обертання площини поляризації проходящого світла, зміна кольору поверхні і т. п. Створено велику кількість різновидів індикаторів обох типів, при цьому у якості середовища світлоконтрастного растра використовуються напівпровідники (моно - і полікристали, порошки), метали, кераміка, рідини, гази.

Ретроспективний аналіз оптоелектронних індикаторів і оцінка перспектив приводять до представлення про три покоління приладів, характерних для даного напрямку оптоелектроніки.

Перше покоління представляють світодіоди, дискретні сегментні індикатори і багато розрядні монодисплеї. Основні їхні різновиди — напівпровідникові, газорозрядні і рідкокристалічні одноколірні прилади.

До другого покоління відносяться плоскі багатобарвні панелі підвищеної інформаційної ємності (до 10⁴... 10⁶ знакомісць), сполучені (електрично і конструктивно) зі схемами керування. Основні різновиди - рідкокристалічні екрани, плазміні панелі, а також електрохромні, тонкоплівкові напівпровідникові, вакуумні люмінесцентні пристрої.

Третє покоління індикаторної техніки складуть універсальні багатоколірні плоскі крупно форматні (більш 1 м²) панелі надте-левізійної інформаційної ємності (більш 10⁶ знакомісць), інтегрально сполучені з мікропроцесорними схемним керування. Поява таких приладів для систем відображення інформації відноситься до початку 1980-х рр., у значної мірі воно ґрунтується на фізичних принципах приладів другого покоління.

Приведена порівняльна диференціація в значній мірі умовна, перераховані якості характеризують покоління в цілому, але не обов'язково кожен прилад. Перехід індикаторної техніки на кожен новий етап не перекреслює досягнень попереднього; практично прилади нового покоління призначаються для нових областей застосування.

 

1.2. Знакосинтезуючі індикатори

Напівпровідникові індикатори (НПI).З'явившись у промис-ловості наприкінці 1960-х рр. Вони визначили початок впровадження оптоелектроніки в системи відображення інформації. Фізичною основою НПI є інжекційна електролюмінесценція, що найбільше характерно виявляється в прямозонних потрійних з'єднаннях GaAsP і GaAlAs та в непрямозонному GaP.

Розроблено й використовуються кілька конструкцій напівпровідникових індикаторів (рис. 1.2). У мініатюрному моно-літному індикаторі сегменти створюються методом фотолітографії на GaAsP - кристалі з типовим розміром 2´3 мм. Набори таких кристалів утворюють індикатори електронних наручних годинників. Широко поширена гібридна конструкція, у якій кожен сегмент являє собою окремий випромінюючий кристал; усі сегменти монтуються на керамічну підставу і опресовуються пластмасою. Висока яскравість світіння світлодіодних кристалів дозволяє використовувати різні способи збільшення зображення: у багаторозрядних монолітно-гібридних індикаторах для цієї мети служить пластмасова моноблочна лінза; у конструкції зі світловодами кристали поміщають в основі прорізів, які конічно розширюються у пластмасовій підставі. Крупноформатні напівпровідникові індикатори групового користування (з розмірами цифр близько 100 мм) набирають з дискретних світлодіодів зі збільшеною площею світіння кожного.

Напівпровідникові індикатори знайшли широке застосування головним чином у портативній електронній апаратурі завдяки сполученню ряду корисних якостей. Насамперед, це можливість перекриття значної частини видимого діапазону спектра (від червоного до зеленого), при цьому генеруються практично спектрально чисті кольори. Друга важлива особливість полягає в повній сумісності НПI з інтегральними мікросхемами керування: напруга збудження не перевищує 1,5... 3,5 В, а споживаний струм може бути менш 10... 1 мА. Як і інші прилади на монокристалічних напівпровідниках, НПI відрізняються високою експлуатаційною надійністю і практично необмеженою довговічністю.

Удосконалювання НПI йде в декількох напрямках; поліпшення якості і зниження вартості найпростіших дискретних і семи сегментних індикаторів як приладів, що користуються найвищим попитом; створення індикаторів синього (блакитного) кольору світіння, двоколірних індикаторів і приладів з кольором світіння, що перебудовується; пошуки нових ефективних матеріалів для інжекційної люмінесценції.

Найважливіший принциповий недолік індикаторів на монокристалічних напівпровідниках - їхня безперспективність для створення крупно форматних багатоелементних екранів - основи систем відображення майбутнього.

Рідкокристалічні індикатори (РКI). Фізичну основу цих приладів складають електрооптичні ефекти в рідких кристалах (РК), іншими словами, РКI відносяться до індикаторів з пасивним растром. Рідкокристалічний стан (трактуємо як четвертий агрегатний стан речовини) характеризується одночасним сполученням властивостей рідини (плинність) і кристала (анізотропія властивостей). Такий стан виявляється для величезної кількості речовин у деякому температурному інтервалі між точкою кристалізації Т_кр (перетворення у твердий кристал) і точкою перетворення речовини в

 

Рис. 1.2. Напівпровідникові індикатори: а - монолітний безкорпусний (Аl - контактна металізація; р - світні р - області; n - кристал GaAsP); б - зовнішній вигляд і перетин 8 - розрядного монолітно-гібридного індикатора для калькуляторів (1 - металізована плата; 2 - кристал із семи сегментним рисунком; 3 - полімерна моноблочна кришка з лінзами); в - зовнішній вигляд і перетин гібридного індикатора (1 - кристал-світлодіод; 2 - пластмасовий корпус зі світлопроводами)

 

однорідну прозору рідину Т_р. У багатьох речовин інтервал Т_р ... Т_кр може складати десятки градусів, що дозволяє практично використовувати рідкокристалічний стан.

Існує три основних структурних різновиди РК: смектична, нематична, холестерична; для них характерно те, що молекули мають сильно витягнуту конфігурацію й у рівноважному стані з'являється тенденція до орієнтації цих молекул уздовж якогось переважного напрямку (рис. 1.3).

У смектичних РК молекули розташовуються паралельно їх довгим осям і утворюють у рідині шари, які чергуються, з товщиною, що дорівнює довжині молекули. У нематичному РК центри цих молекул розташовані хаотично, так що шари не утворяться. У холестеричних РК молекули також групуються в шари, причому їхні осі лежать у площинах цих шарів. Усередині кожної площини орієнтація всіх молекул однакова, а сам напрямок цієї орієнтації поступово змінюється від шару до шару, повертаючись на деякий кут.

 

 

 

Рис.1.3. Схематичне розташування молекул рідкого кристала нематичної (а), смектичної (б), холестеричної (в) структур

В індикаторах використовуються практично тільки нематичні РК, для яких характерні наступні особливості:

міжмолекулярні взаємодії дуже слабкі, тому структура рідини (характер взаємної орієнтації молекул) може легко змінюватися під впливом зовнішніх впливів;

в'язкість РК незначна, тому переорієнтація молекул відбувається за відносно короткий час;

має місце оптична й електрична анізотропія: значення показників заломлення і діелектричної проникності в напрямках уздовж великих осей молекул ( і ) і перпендикулярно їм ( і ) різні (РК кристали мають подвійне променезаломлення);

в залежності від знака величини розрізняють позитивну () і негативну () діелектричну анізотропію: при прикладанні електричного поля молекули РК першого типу орієнтуються уздовж поля, другого типу - поперек;

сильна анізотропія властивостей і можливість перебудови структури проявляються в ряді електрооптичних ефектів.

Синтезовані і РК, які використовуються, представляють собою суміші складних органічних сполук з дуже високим питомим опором

 

Рис. 1.4. Ефект динамічного розсіювання в рідкому кристалі: а - вихідний стан; б - орієнтація молекул поперек поля при малій прикладеній напрузі; в – виникнення турбулентності при великій напрузі

 

(до 10¹⁶ Ом∙см). Уведення спеціальних добавок («легування» РК) дозволяє знизити цю величину до 10⁸ … 10¹⁰ Ом∙см. Граничні нижнє і верхнє значення робочої температури звичайно лежать в інтервалах

-30... 0 °С і +50... +80 °С.

Історично першим ефектом. що використано у РКI, став ефект динамічного розсіювання (рис. 1.4). Якщо до шару слабко проводящого РК із негативною діелектричною анізотропією прикласти електричне поле, то молекули орієнтуються поперек поля, а потік іонів прагне.

порушити цю орієнтацію. При деякій густині струму провідності виникає стан турбулентності (безладного коливання молекул), що руйнує раніше упорядковану структуру РК і зовні виявляє як помутніння.

Твіст-ефект спостерігається в шарі РК, підданому спеціальній попередній технологічній обробці (рис. 1.5). У зазорі між двома пластинами різними способами досягають «скручування» структури РК, тобто такого розташування молекул, коли їхні великі осі паралельні обмежуючим поверхням, а напрямки цих осей поблизу пластин взаємно перпендикулярні. У товщі рідини орієнтація

 

Рис. 1.5. Твіст-ефект у рідких кристалах: розташування великих осей молекул поблизу границь при відсутності (а) і прикладанні (б) електричного поля

 

молекул поступово міняється від верхньої граничної орієнтації до нижньої. Технологічно скручування досягається багатьма способами: натиранням скляних пластин у взаємно перпендикулярних напрямках, косим напилюванням плівок монооксидом кремнію чи германію, нанесенням шарів органічних поверхнево-активних покрить, що поверхнево-орієнтують, і т. п. Шар скрученого нематичного РК повертає площину поляризації проходящого світла на . Якщо до комірки прикласти електричне поле, то за умови позитивної діелектричної анізотропії РК усі молекули зорієнтуються уздовж поля, ефект скручування пропаде і зміни поляризації світла не відбудеться. При поміщенні на вході і виході РК комірки поляризатора й аналізатора модуляція поляризації перетвориться в амплітудну. Твіст-ефект на відміну від ефекту динамічного розсіювання є чисто польовим, а не струмовим. Це дає істотний виграш в енергоспоживанні. Крім того, при твіст-ефекті істотно більші кути огляду і вища роздільна здатність.

Ефект «гість–хазяїн» проявляється в тонких шарах нематичного РК (з позитивною діелектричною анізотропією), легованого домішками барвника (рис. 1.6). Під час відсутності поля суміш гомогенна й ефективне поглинання поляризованого світла комплексом молекула нематика («хазяїна») — молекула барвника («гість») додає шару забарвлення, характерне для барвника. Прикладання поля змінює орієнтацію молекул нематика так, що поглинання світла слабшає і шар стає безбарвним (чи слабко пофарбованим). Цінність даного ефекту для РКI полягає в можливості відображення кольорових зображень, причому свобода у виборі кольору практично безмежна.

Термооптичний ефект фазового переходу полягає в наступному. Пропускання імпульсу струму через визначену ділянку РК смектичного типу приводить до його локального нагрівання і переходу в ізотропну чи безладно орієнтовану фазу. Під час наступного різкого охолодження (після припинення імпульсу) при переході через деяку температуру РК здобуває нематичну структуру, при цьому орієнтація його молекул виявляється чуттєвою до впливу електричного поля: охолодження в присутності поля повертає речовину в прозорий стан, охолодження без поля — у сильно деформовану непрозору текстуру. Ці стани зберігаються досить довго (запам'ятовуються), завдяки чому не потрібно регенерації зображення, що в кінцевому рахунку спрощує схему керування. Стирання непрозорого стану здійснюється шляхом пропущення додаткового токового імпульсу локального нагрівання. Ефект цікавий наявністю пам'яті, що відіграє вирішальну роль при організації схем керування великими екранами.

Відомий ряд інших електрооптичних ефектів у РК, але вони значно рідше застосовуються в індикаторах. Помітимо на закінчення, що, говорячи про орієнтацію молекул, варто мати на увазі статистичний характер цього процесу; у теорії використовується вектор переважної орієнтації (директор), що усереднено характеризує розглядаємий мікрооб’єм (див. рис. 1.3).

Будова РКI досить проста (рис. 1.7): крім двох скляних пластин, між якими поміщений шар РК, у конструкцію входять елементи герметизації, плівкові прозорі електроди, що визначають конфігурацію відображуваних фрагментів, зовнішні виводи, пластини поляризатора й аналізатора (коли це необхідно). Найчастіше РКI працюють на відбиття, іноді - на просвіт.

До переваг РКI відносяться: мала споживана потужність (до 10 мкВт/см²); низька напруга збудження (2... 20 В) і, як наслідок, сумісність із МДН - мікросхемами; високий контраст в умовах сильної зовнішній засвітки; простота реалізації як малих (1,5... 3 мм), так і великих (до 500 мм) знаків; панельна плоска конструкція; широкий вибір вихідних РК; простота технологічного процесу і низька вартість.

 

Рис. 1.6. Ефект «гість–хазяїн»: а - орієнтація молекул під час відсутності поля (1 - молекула барвника; 2 - металеві контакти; 3 - скляні пластини; 4 - поляризатор; 5 - молекула РК); б - орієнтація молекул після прикладання напруги; в, г - спектри поглинання в не збудженому і збудженому станах

 

До числа недоліків РКI відносяться вузький діапазон робочих температур, складність мультиплексного режиму роботи (через відносно повільну переорієнтацію молекул), необхідність зовнішньої засвітки, невеликий кут огляду.

Основні напрямки розвитку РКI зв'язані зі створенням великих екранів (див. § 1.3), забезпеченням багатоколірності, поліпшенням експлуатаційних властивостей.

Вакуумні люмінесцентні індикатори (ВЛI). Фізичною основою

роботи цих приладів служить явище низьковольтної катодолюмінісценції (НВК), тобто світіння люмінофора при його бомбардуванні повільними електронами (з енергією до 100 еВ). На відміну від високовольтної катодолюмінісценції добре вивченої і широко використовуваної в ЕПТ, при НВК електрони гальмуються і поглинаються в тонкому поверхневому шарі. При цьому має місце кілька механізмів передачі енергії електрона кристалу: взаємодія з валентним електроном і його перевід на верхні рівні вільної зони

 

 

Рис.1.7. Будова РКI: 1 - поляроїдні пластини; 2 - прозорі електроди; 3 - обмежувач-фіксатор; 4 — скляні обкладки

 

(утворення «гарячих» електронів), взаємодія з кристалічними ґратками і збудження пружних коливань в об’ємі (об'ємні плазмони) і на поверхні (поверхневі плазмони); взаємодія з окремими атомами кристалічних ґраток практично без втрат енергії. Плазмони вкрай недовговічні (близько 10^-15 с), при їхньому загасанні в результаті внутрішньої конверсії утворяться вільні електрони. Граничні енергії утворення плазмонів складають 10... 20 В, збудження валентних електронів вимагає ще меншого потенціалу.

 

 

Рис. 1.8. Будова однорозрядного вакуумного люмінесцентного індикатора: 1 - плата; 2, 7 - провідні шари; 3 - вивід; 4 - люмінофор; 5 - екрануючий електрод; 6 - сітка: 8 - катод

 

Вільні носії, що утворилися, стікають у глибінь люмінофора, тому процес їхньої рекомбінації йде так само, як при високовольтній

катодолюмінісценції (спектри випромінювання практично збігаються). Граничний ККД також не може бути більш 30%, квантовий вихід люмінесценції не перевищує 1. Це вимагає для ефективного протікання НВК істотно великих густин струму і менших шаруватостей.

Отже, поріг НВК близький до 10 В; при перевищенні порога яскравість росте пропорційно і напрузі, і струму.

У якості низьковольтних катодолюмінофорів може бути використаний ряд широкозонних напівпровідників, головним чином ZnS, ZnO, CdS. На відміну від традиційних катодолюмінофорів необхідні добавки металів (Zn, Al, Eu, Ag та ін.) для надання електропровідності: у ВЛI струм електронного бомбардування протікає через люмінофор, при цьому не повинно відбуватися великого спадання напруги, що «запирає» поверхню.

Будова ВЛI традиційна для електровакуумних приладів (рис. 1.8). У циліндричному чи плоскому вакуумному балоні монтується керамічна плата, на якій розміщені контактні площадки (у формі сегментів) із плівкою люмінофора. Іноді на тій же платі розташовується керуюча МДН - мікросхема. Емісія електронів здійснюється прямонакальним оксидним катодом, їхнє прискорення - позитивною напругою на керуючій сітці. Вакуумні люмінесцентні індикатори випускаються у вигляді одно - чи багаторозрядних цифрових і буквених індикаторів, лінійних шкал, спеціалізованих екранів середньої інформаційної ємності.

Превагами вакуумних люмінесцентних індикаторів є відмінні ергономічні властивості: висока яскравість, приємний для ока зелений колір світіння, широкий кут огляду, відсутність паразитної засвітки; повне сполучення з МДН - мікросхемами по рівнях напруги і струму; можливість виготовлення знакомісць практично будь-якого розміру; гарні експлуатаційні властивості, можливість роботи в умовах екстремальних кліматичних і механічних впливів; технологічність і низька вартість, основані на використанні автоматизованих складальних ліній електровакуумного виробництва і відсутності дефіцитних і дорогих матеріалів.

Інші різновиди індикаторів. Розглянуті рідкокристалічні, вакуумні люмінесцентні, напівпровідникові прилади фактично складають основу сучасної техніки знакосинтезуючих індикаторів сфери малоформатних систем відображення інформації. Величезний промисловий потенціал кожного з цих напрямків служить заставою того, що подібне положення збережеться довгий час. Однак специфіка споживчого попиту виправдує існування інших типів ЗСI, а також пошуки нових рішень у цій області.

Газорозрядні індикатори використовують люмінесценцію газового розряду. Основу будь-якого приладу цього класу складає елементарний газорозрядний проміжок (рис. 1.9), заповнюваний

 

 

Рис. 1.9. Газорозрядний проміжок із внутрішнім (а) і зовнішнім (б) електродами і його умовна позначка (в): 1 - діелектрик; 2 - метал; 3 - газове середовище

 

звичайно неоном (жовтогаряче світіння), а іноді гелієм (жовте), аргоном (фіолетове) чи іншими газами і їх сумішами. Використовується і подвійне перетворення енергії: наприклад УФ -випромінювання розряду в ксеноні, впливаючи на фотолюмінофор, викликає світіння у видимій області. При збудженні розряду постійним струмом має місце небажане розпилення матеріалу катода, тому більш перспективна робота на змінному струмі.

У газорозрядних ЗСI використовується як пакетна конструкція (балон, що містить набір з десяти ізольованих катодів, що фіксовано висвічують різні цифри), так і більш сучасна — сегментна. Запалювання і підтримка газового розряду вимагає високої напруги (до сотень вольтів), прилади складні і громіздкі, відрізняються невисокими ергономічними властивостями. Практично газорозрядні ЗСI використовуються в застарілій апаратурі, у нових розробках їх цілком витиснули ВЛI. Лише створення крупно форматних плоских екранів з газорозрядним світінням відкрило перед цим напрямком нові широкі перспективи.

Вакуумні розжарювальні індикатори так само, як і газорозрядні, відносяться до числа старих «дооптелектронних» приладів. У вакуумному скляному балоні з вольфрамових ниток сформовані цифри, які висвічуються при пропусканні через них струму. Цим приладам притаманні всі недоліки теплового випромінювання, вони громіздкі і складні, однак рекордно висока яскравість і відмінні експлуатаційні властивості (температурна і радіаційна стійкість, довговічність) обумовлюють їх позаконкурентність у ряді спеціальних областей застосування. Перспектив удосконалювання і розвитку цей напрямок, очевидно, не має.

Електролюмінісцентні (порошкові) індикатори, засновані на предпробійній люмінесценції і що використовують у якості елементарного фрагмента електролюмінісцентну комірку, одержали помітне поширення завдяки таким властивостям, як можливість висвічування дуже великих площ (десятки квадратних метрів), багатоколірність, простота виготовлення. Однак мала світловіддача і дуже низька яскравість, складність збудження (змінна напруга 220 В частотою до 1000 Гц), недовговічність (як правило, 3... 5 тис. годин) визначили обмеженість застосування цих індикаторів.

Принципово по - іншому електролюмінесценція проявилася в тонкоплівкових напівпровідникових індикаторах, що послужило основою розвитку одного з напрямків створення крупноформатних екранів.

Електрохромні індикатори (ЕХI) нерідко розглядаються як можлива альтернатива РКI. Основа їхньої дії - електрохромний ефект, тобто оборотна зміна кольору матеріалу при протіканні електричного струму, виявляється в одній із двох форм (рис. 1.10). У тонкоплівковій структурі на основі триоксиду вольфраму при подачі на верхній електрод негативної напруги в електрохромний матеріал інжектуються електрони і у ньому виникають центри фарбування: колір плівки стає густо-синім. При зміні полярності шар діелектрика перешкоджає інжекції електронів знизу і раніше введені електрони екстрагуються анодом - фарбування зникає. Інший електрохромний ефект зв'язаний із процесом відновлення - окиснення таких органічних сполук, як фіологени. У фіологенній комірці електроди виконані з окиснів перехідних металів, а електроліт між ними може бути твердим (наприклад, перхлорат літію в органічному розчиннику), рідким (кислота в суміші з гліцерином чи гліколем), пористим (на основі натрію й оксиду алюмінію). При прикладанні напруги (1…2 В) між електродами в залежності від полярності відбувається або фарбування ділянки електрода (осадження «пофарбованих» молекул на катоді), або їхнє знебарвлення.

Відмінні риси ЕХI - це економічність (малі напруга і заряд перефарбування), великий кут огляду, широкий діапазон робочих температур (до 150 °С) і сама головна - наявність пам'яті: записаний стан може зберігатися роками при відімкненому живленні. До їхніх недоліків відносяться насамперед деградаційні ефекти (корозія електрохромного матеріалу), а також значна інерційність перефарбування (секунди) і складність матричної адресації через неграничний характер перемикання.

 

 

Рис. 1.10. Комірки електрохромних індикаторів: а - тонкоплівкового (1 - скляна підкладка; 2 - прозорий електрод; 3 - триокис вольфраму; 4 - діелектрик; 5 - непрозорий електрод); б - з фіологенним середовищем (1 - активна плівка; 2 - прозорі електроди; 3 - ізолятор; 4 - керамічна прокладка; 5 - електроліт; 6 - скляні підкладки)

 

До деякої міри подібні ЕХI електролітичний і електрофоретичний індикатори: у першому при прикладанні напруги йде гальванопластичне осадження металу на катоді, що змінює його відбиваючі властивості; у другому під дією поля в рідині відбувається переміщення заряджених пігментних (пофарбованих) частинок.

Сегнетокерамічні і магнітооптичні індикатори за принципом дії, використовуваним матеріалам та будовою відповідають керованим оптичним транспарантам. Для цих індикаторів характерна мікро секундна швидкість перемикання (що важливо для організації мультиплексного збудження), наявність пам'яті, висока робоча температура (більш 100 °С), стабільність властивостей, яка властива твердотільним приладам.

Відзначимо також перспективність твердотільних блинкерних індикаторів, заснованих на тих же принципах, що й оптичні транспаранти мембранного типу.

На закінчення ще раз підкреслимо, що незважаючи на інтенсивні пошуки (і знахідки) нових індикаторних засобів, домінуючими в цій області техніки залишаються вакуумні люмінесцентні, напівпровідникові й особливо рідкокристалічні знакосинтезуючі індикатори.

 

 

1 .3. Екрани

 

Успіхи мікроелектроніки, створення апаратури на основі мікропроцесорів особливо контрастно виявили протиріччя між пристроями обробки інформації і її відображення на дисплеях і в телебаченні (ТБ). Недоліки ЕПТ, відсутність принципових шляхів їхнього подолання фактично визначають неможливість комплексної мікромініатюризації в цій області техніки. Питання про недосконалість колишніх засобів індикації виникло після появи транзисторів: саме невідповідність мініатюрних, низьковольтних, твердотілих транзисторів, з одного боку, і громіздких високовольтних газорозрядних і розжарювальних індикаторів - з іншої, стимулювало дослідження, які привели в кінцевому рахунку до появи НПI, РКI, ВЛI, що вдало доповнили транзисторну електроніку.

Необхідність заміни ЕПТ оптоелектронним аналогом збіглася за часом з висуванням нових перспективних вимог до дисплеїв і ТБ -екранам, що визначають майбутнє цієї області техніки. Сукупність цих вимог для екрана представляється в такий спосіб. Екран повинен забезпечити його справжню комфортність, збільшені (у порівнянні з існуючими ТБ - приймачами) габаритні розміри (понад 1,5 м по діагоналі), передачу і прийом об'ємних зображень. Установлено, що деяке наближення до відчуття об'ємності дає «ефект присутності», який забезпечується крупноформатним екраном.

Наступна вимога - уже прийнята для телебачення підвищеної чіткості - полягає в доведенні числа елементів розкладання до (1200´1200). Це автоматично веде до підвищення тактової частоти сканування до декількох десятків мегагерц, стосовно до оптоелектронного екрана необхідна відповідна зміна організації схеми керування. Крупноформатний екран повинен являти собою матрицю з фіксованими знакомісцями - при цій умові забезпечується необхідна різкість по всьому полю. Обов'язковою є вимога кольоровості, а також відтворення необхідної кількості градацій сірого. Виняткове значення здобуває сумісність растра великого екрана з мікроелектронними схемами керування: малі напруги і струми збудження, можливість мультиплексного режиму, наявність пам'яті у світлоконтрастних комірках, граничний характер вольтів - яскравої характеристики світіння.

Іншим важливим стимулом створення екранів високої інформаційної ємності є прогрес в області дисплеїв, покликаний забезпечити «комп'ютеризацію» усіх видів людської діяльності. Тому зрозуміло, що їхньою якістю в значній мірі будуть визначатися і продуктивність праці, і задоволеність людини цією працею.

Історично першим кроком при створенні оптоелектронних екранів з'явилася розробка газорозрядних індикаторних панелей (ГIП), які називаються також плазмовими панелями. Основу конструкції такої найпростішої панелі (рис. 1.11) складає центральна мозаїчна пластина, що служить для ізоляції розрядних проміжків один від одного. Відстанню між сусідніми осередками визначається роздільна здатність екрана (звичайно 10... 20 лін/см). Електроди до комірок виконуються у вигляді системи двох взаємно ортогональних

 

 

Рис. 1.11. Улаштування плазменної панелі змінного струму:1 - захисна плівка; 2 - центральний діелектрик з комірками; 3 - системи верхніх і нижніх електродів; 4 - склоцемент; 5 - скляні пластини; 6 - зовнішній вивiд; 7 - фіксатор; 8 - штенгель

 

дротових і тонкоплівкових наборів. Схеми керування розташовують на задній стороні панелі.

У деяких різновидах ГIП, переважно малої і середньої інформаційної ємності, використовується принцип самосканування. Для цього в центральній пластині роблять спеціальні отвори, що з'єднують певним чином сусідні комірки. Тоді запалений стан, створений в одній комірці, послідовно переміщається по всіх комірках

даного рядка. Виготовляють панелі постійного і змінного струмів, причому останні одержали більше поширення через меншу напругу запалювання розряду, наявності внутрішньої пам'яті в комірках, більшій довговічності. Розроблені ГIП характеризуються кількістю знакомісць 10⁴… 10⁶, високою контрастністю (до 90%), можливістю висвічування будь-яких за розміром знаків від 3 до 100 мм і, найголовніше, придатністю для виготовлення табло колективного користування площею до декількох квадратних метрів. Практично ГIП поза конкурентні серед інших дуже крупно форматних плоских екранів для відображення цифро-буквеної і графічної інформації. Разом з тим у ГIП не вдається реалізувати яскравість, кольоровість, передачу півтонів, необхідних для телебачення.

Найбільші успіхи в створенні плоских ТБ - екранів досягнуті при використанні рідких кристалів. Основна причина цього - мала споживана потужність, що дозволяє різко спростити схеми керування; крім того, РК - екрани конструктивно прості, мало чим відрізняються від елементарної комірки. Особливо привабливий цей напрямок тим, що він відкрив принципову можливість інтеграції відображального растра і схеми керування. Найбільш перспективна для цього технологія аморфного кремнію. На скляній підкладці створюється плівка а — Sі_1-хН_х, яка за допомогою лазерного відпалу по периферії перетворюється в полікристалічну. У цих областях створюються швидкодіючі зсувові регістри, у центральній частині — МОП (метал - окисел - провідник) - ключі матричної адресації. Поверх плівки наливається шар рідкого кристала, зверху він обмежується скляною пластиною із загальним прозорим електродом. Завершальна стадія виготовлення екрана - герметизація структури по утворюючій. Схема комутації може виготовлятися і на основі ПЗС, у яких просто реалізується порядкове сканування. Принципова перевага аморфного кремнію перед монокристалічним полягає в можливості покриття дуже великих площ і в тім, що для створення транзистора необхідна всього одна додаткова операція фотолітографії.

При виготовленні кольорових екранів на верхній обкладці створюються тонкоплівкові оптичні фільтри, при цьому ділянки червоного, зеленого і синього кольорів групуються в тріади. Малі розміри ділянок (100´100 мкм²) і їхнє щільне компонування приводять до того, що навіть на невеликій відстані (десятки сантиметрів) спостерігається змішання кольорів. Подібні інтегровані пристрої називають рідкокристалічними екранами з активною (що адресує) матрицею (підкладкою).

Інше вирішення проблеми інтеграції зв'язано з використанням у схемі керування напилених тонкоплівкових транзисторів на основі селеніду кадмію CdSe. Перевагою цього матеріалу в порівнянні з кремнієм є більш висока рухливість носіїв заряду і відповідно більша тактова частота регістрів зрушення в схемі розгорнення. Фрагмент такого інтегрованого екрана (рис. 1.12) демонструє технологічну гармонію відображального растра і схеми керування. Використання інтегрованих екранів виключає необхідність мультиплексування завдяки елементам локальної пам'яті. Тим самим переборюються основні труднощі збудження рідкого кристала, що в остаточному підсумку спрощує рішення проблем передачі півтонів і забезпечення кольоровості.

Матричні екрани середньої інформаційної ємності (до 10⁴ ... 10⁵ знакомісць) виготовлені на основі НВК, електрохромних ефектів, електролюмінесценції в порошкових люмінофорах. У цих пристроях в основному повторюються переваги і недоліки відповідних ЗСI.

 

Рис. 1.12. Фрагмент інтегрованого рідкокристалічного екрана:1 - загальний електрод; 2 - рідкий кристал; 3 - діелектрик; 4 - ізолятор місць перетинання; 5 - запам'ятовуючий конденсатор; 6 - вихідна контактна площадка; 7 - електрод стоку; 8 - селенід кадмію; 9 - електрод затвора; 10 - поляризатор; 11 - скляні пластини; 12, 13 - дифузійний відбивач

 

Після майже чвертьвікових досліджень отримані оптимістичні результати в розробці тонкоплівкових напівпровідникових індикаторів. У приладах постійного струму інжекція зарядів у люмінесцірующу плівку здійснюється шляхом створення гетеропереходу чи МДП (метал-діелектрик-провідник)- структури з тунельно - тонким діелектриком. Спадання напруги на структурі лежить у межах від одиниць до декількох десятків вольтів, при цьому яскравість досягає 10² ... 10³ кд/м², що значно більше, ніж у порошкових ЕЛІ. Однак у тонкоплівкових індикаторах постійного

струму не вдається цілком перебороти деградаційні процеси в напівпровіднику, що обумовлено міграційними ефектами під дією температури, електричного струму чи напруги.

Реальним рішенням проблеми деградації з'явилося створення тонкоплівкових індикаторів змінного струму (рис. 1.13). Тут активний шар напівпровідника «затиснутий» між двома діелектричними шарами і не взаємодіє з металевими електродами. Таким чином, комірка представляє МДПДМ (метал – діелектрик – провідник –діелектрик - метал) - структуру, механізм світіння багато в чому подібний описаному для ЕЛІ.

Основний напівпровідник - це ZnS(Mn), як діелектрики використовуються SiO₂, Аl₂О₃, TiO₂, Y₂O₃ і ін.; основний метод нанесення - вакуумне випаровування та іонно - плазмене розпилення.

 

 

Рис. 1.13. Фрагмент тонкоплівкового напівпровідникового індикатора змінного струму:1 - сегментний електрод; 2, 4 - діелектрик; 3 – напів-провідник; 5 - загальний прозорий електрод; 6 - скляна основа

 

Особливості тонкоплівкових індикаторів полягають у високій яскравості, широкому виборі можливих кольорів світіння, різко вираженому порозі і суперлінійності вольт-яскравісної характеристики, відносній простоті виготовлення, можливості одержання великих світних площ. У цих приладах використовуються практично ті ж люмінофори, що й у ЕПТ, тому принципово можуть бути досягнуті й аналогічні ергономічні параметри. Основний недолік - складність керування, очевидно, може бути переборений при використанні інтеграції зі схемою керування (так само, як у РК - екранах).

Успіхи в розвитку оптоелектронних екранів привели до нових ідей у традиційної ЕПТ -техніки: створений ряд конструкцій плоских кінескопів. В одному з них (рис. 1.14, а) спеціальний пристрій, що відхиляє, згинає траєкторію променя; в іншому (рис. 1.14, б) скануюча і збуджуюча функції електронного променя розділені - для збудження використовується мікроканальна пластина; на рис. 1.14, в гібридно об'єднані елементи ГIП і ЕПТ.

Отже, оптоелектронні екрани можуть бути розділені на три групи приладів:

1. Матричні універсальні індикатори, функціонально подібні ЗСI для відображення значних масивів цифро-буквеної, символьної, графічної інформації. Серед них домінують ГIП (крупно форматні екрани), ВЛI і РКI (екрани малих і середніх розмірів).

2. Екрани, що виконують функції портативних дисплеїв універсального призначення, придатних для відображення символьної і образної інформації. Вони виготовляються головним чином на основі РК.

3. Крупноформатні екрани телевізійного призначення. Можливе їхнє одержання у вигляді інтегрованих РК - екранів або у вигляді тонкоплівкових напівпровідникових панелей змінного струму.

 

 

 

Рис. 1.14. Плоскі ЕПТ -індикатори: а - зі скривленим електронним променем (1 - люмінофор; 2 - електронний промінь; 3 - система, що відхиляє; 4 - напрямок спостереження); б - з мікроканальним множенням (1 - лінза, що повертається; 2 - електронний промінь; 3 - мікроканальна пластина; 4 - система, що відхиляє; 5 - електронна гармата); в - з газовою плазмою (1 - область газового розряду; 2 - катод; 3 - люмінофорний екран; 4 - область електронного потоку; 5 - керуючий матричний електрод

 

 

Контрольні запитання

 

1. Розкрити способи синтезування зображень у ЗСI.

2. Розкрити фізіологічні основи індикаторної техніки.

3. Пояснити будову напівпровідникових індикаторів (НП I).

4. Пояснити будову рідкокристалічних індикаторів (РКI).

5. Пояснити будову однорозрядного вакуумного люмінесцентного індикатора.

6. Пояснити будову газорозрядних індикаторів.

7. Пояснити будову вакуумних розжарювальних індикаторів.

8. Пояснити будову електролюмінісцентних індикаторів.

9. Пояснити будову електрохромних індикаторів (ЕХI).

10.Пояснити будову сегнетокерамічних і магнітооптичних індикаторів

11. Пояснити будову плазменної панелі змінного струму.

12. Пояснити будову фрагмента інтегрованого рідкокристалічного екрана.

13. Пояснити будову тонкоплівкового напівпровідникового індикатора.

14. Пояснити будову плоских ЕПТ -індикаторів.