Устройства отображения информации

источник:   книга  "Электронная техника. Начало"

1. Индикаторы

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. Матричным называют индикатор, внутри которого выводы излучателей света объединены определённым образом в матрицу, а подавая питание на определённую строку и столбец, инициируют свечение заданной ячейки. К важнейшим параметрам индикаторов относят угол обзора, число цветов, яркость, разрешение по горизонтали и вертикали, контрастность, потребляемую мощность, время отклика и прочее.

1.1. Светодиодные индикаторы

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. Для питания светодиодных индикаторов необходимо постоянное напряжение от 1,6 до 3,5 В. Чтобы получить нужный цвет свечения, применяют светодиоды, генерирующие свет с необходимой длиной волны, или прежде чем выпустить из корпуса излучённый свет, пропускают через светофильтр.

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.

1.2. Жидкокристаллические индикаторы

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.

Схематичное изображение в разрезе жидкокристаллического индикатора (или LED), работающего на отражение, дано на рис. .1.

На рисунке цифрами обозначено:

1 – стекло или подобный прозрачный материал;

2 – плёнки прозрачных электродов, образующих матрицу;

3 – жидкие кристаллы;

4 – металлическая поверхность.

Прозрачный электрод изготавливают в форме цифр или символов, в соответствии с тем, какое изображение желают получить. Между токопроводящими плёнками нужных в данный момент прозрачных электродов и металлическим основанием подсоединяют генератор, вырабатывающий переменное напряжение амплитудой от 2 до 15 В и частотой от десятков до тысяч герц.

Достоинства жидкокристаллических индикаторов заключено в чрезвычайно низком энергопотреблении и невысоком питающем напряжении.

Недостатки состоят в малом времени наработки на отказ, в обязательном наличии источника внешнего освещения.

2. Общие сведения об электронно-лучевых трубках

Электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) называют вакуумную электронную лампу, в которой поток электронов концентрируют в луч, направленный в сторону экрана. Обычно концентрацию (фокусировку) электронов в луч осуществляют либо воздействием электрического поля, либо магнитного поля. К разновидностям ЭЛТ относят: электромагнитные, электростатические, запоминающие, индикаторные трубки, кинескопы и прочие. ЭЛТ с электростатической фокусировкой используют в осциллографах в качестве устройства отображения осциллограмм.

Рассмотрим принцип действия электростатической электронно-лучевой трубки. Упрощённое устройство и подключение электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением дано на рис. 2.

На рисунке цифрами отмечено:
1 – нить накала;
2 – катод;
3 – модулятор;
4 и 5 – первый и второй аноды;
6 и 7 – пластины отклонения луча вдоль осей Y и X;
8 – аквадаг;
9 – экран трубки.
Резистор R1 служит для коррекции яркости изображения, а резистор R3 – для регулировки его фокуса.

Электронно-лучевая трубка состоит из трёх важнейших частей – электронной пушки, системы отклонения луча и экрана.

Электронная пушка включает нить накала, разогревающую никелевый катод, испускающий в результате эмиссии электроны, которые собирает в луч модулятор, состоящий из металлического цилиндра с маленьким отверстием в центре одного из торцов.

Чтобы разогнать электроны до необходимой скорости, используют систему из двух анодов. На второй анод подают много большее напряжение (от единиц до десятков киловольт), чем на первый анод (сотни вольт). Кроме увеличения скорости потока электронов, аноды осуществляют некоторую его фокусировку, действуя как электростатическая линза. Затем электронный луч проходит между пластинами вертикального и горизонтального отклонения луча. Если приложить постоянное напряжение к одной из систем платин, то поток электронов будет смещён в сторону той пластины, к которой был подсоединён положительный полюс питания.

Внутреннюю поверхность экрана, выполненного из стекла, покрывают люминофором, т.е. веществом, попадая в которое электроны выбивают кванты света. Аквадагом именуют электропроводящее покрытие графитом поверхности колбы ЭЛТ, которое электрически подсоединяют ко второму аноду с целью поглощения вторичных электронов, которые возникают при достижении электронным лучом люминофора.

В ЭЛТ с электромагнитным управлением электронный поток фокусируют не пластины горизонтального и вертикального отклонения луча, а фокусирующая и отклоняющая катушки, которые надевают на колбу трубки, порождающие взаимно перпендикулярные магнитные потоки. Аноды при электромагнитном управлении лучом служат исключительно для его ускорения.

В настоящее время электронно-лучевые трубки практически полностью вытеснены из бытовой аппаратуры. Однако их продолжают использовать в специальной аппаратуре, например, которая должна работать в условиях радиации, а также это могут быть радиолокаторы, системы наблюдения за промышленными роботами и др.

3. Жидкокристаллические дисплеи и панели

3.1. Общие сведения о жидкокристаллических дисплея
 

Жидкокристаллические (LCD) дисплеи обладают таким же светоклапанным принципом действия, как и рассмотренные выше жидкокристаллические индикаторы. Они могут работать либо на отражение, либо на просвет. 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. Нематические жидкие кристаллы нашли широкое применение в одноцветных индикаторах и чёрно-белых дисплеях.

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.

По причине того, что жидкие кристаллы не генерируют фотоны, для регистрации изображения необходим внешний источник освещения. Его располагают либо за жидкокристаллическим дисплеем, либо перед ним, и тогда обычно можно полагать, что он работает на просвет, либо сбоку дисплея, и в этом случае иногда допустимо считать, что дисплей работает на отражение. Если по конструктивным соображениям источник света размещён сбоку от дисплея, то благодаря системе зеркал излучение попадает на его рабочую зону.

3.2. Электролюминесцентная подсветка жидкокристаллических дисплеев

Электролюминесцентную подсветку жидкокристаллических дисплеев обеспечивают электролюминесцентные лампы (EL), свет которых попадает на полупрозрачный отражатель, а затем на противоположную от стороны обзора пользователем сторону дисплея. Для питания электролюминесцентной лампы необходим источник питания, вырабатывающий переменное напряжение частотой в районе 400 Гц и величиной обычно от 80 В до 100 В. При этом через лампу протекает ток примерно от десятка до нескольких десятков миллиампер. Следовательно, электролюминесцентная подсветка экономична и рекомендована для портативных устройств. Достоинства электролюминесцентной подсветки: равномерное освещение дисплея, высокая долговечность (время эксплуатации не менее 3000 … 5000 часов), толщина конструкции от 1,5 мм, типовой диапазон рабочих температур от 0 до 50 °C. Недостатки: чем выше яркость электролюминесцентных ламп подсветки, тем меньше время их наработки на отказ. А стоимость ламп весьма высока. Для питания электролюминесцентной лампы от низковольтного источника питания, например, аккумулятора или батареи, необходим импульсный преобразователь.

3.3. Светодиодная подсветка жидкокристаллических дисплеев

Светодиодную подсветку жидкокристаллических дисплеев обеспечивают наборы светодиодов (LED), излучение которых поступает на специальное устройство, проводящее и рассеивающее свет. Поступающий с него свет облучает заднюю сторону дисплея. Если необходим тонкий профиль устройства, то светодиоды крепят сбоку, а их излучение поступает к участкам дисплея по световоду. В случае большого дисплея такой способ плох появлением затемнённых участков. Чтобы этого не произошло, светодиоды размещают в виде матрицы с оборотной стороны дисплея, однако это приводит к невозможности получения сверхтонкого профиля. Для питания светодиодной подсветки берут питание от источника постоянного тока напряжением 5 В, а светодиоды включают через ограничивающие силу тока постоянные резисторы. Обычно постоянное напряжение, падающее на светодиодах подсветки, составляет 4,2 В. А сила тока лежит в пределах от 30 мА до 300 мА в зависимости от диагонали экрана. Достоинства светодиодной подсветки: низкое напряжение питания светодиодов, время наработки на отказ более 100000 часов. Недостатки: меньшая экономичность и на 2 … 3 мм большая высота профиля, чем для устройств электролюминесцентной подсветки.

3.4. Время отклика жидкокристаллических дисплеев и влияние температуры на их работу

Время отклика – это длительность времени, за которое при подаче питания на пиксель он успевает поменять текущий цвет на нужный цвет, допустим, в случае монохроматического дисплея, чёрный цвет на белый цвет, или белый на чёрный. Чем более коротким будет время отклика, тем лучше, т.к. тем меньше станут искажения при быстрой смене изображений.

При температуре свыше примерно +60 °C происходит необратимая деградация жидких кристаллов, приводящая к невозможности получения изображения. При температуре ниже ориентировочно –10 °C жидкие кристаллы перманентно уменьшают подвижность и от этого время отклика существенно возрастает. После увеличения температуры до уровня комнатной время отклика жидкокристаллического дисплея возрастает незначительно. Таким образом, даже после повышения температуры жидкокристаллический дисплей начнёт искажать изображения, на которых будут быстрые смены кадров.

Следовательно, для сохранения эксплуатационных качеств нельзя допускать переохлаждение и недопустимое повышение температуры жидкокристаллических дисплеев и индикаторов.

4. Плазменные панели

Плазменной панелью называют устройство, которое преобразует видеосигнал в изображение на экране, синтез которого обусловлен свечением люминофора под действием ионизации разреженного газа, вызванной холодной плазмой. Пиксель цветной плазменной панели состоит из трёх герметичных отсеков. Каждый отсек заполнен инертным газом и покрыт специальным флюоресцирующим люминофором. В каждый отсек подведены электроды, при приложении к которым переменного напряжения прямоугольной формы амплитудой в несколько киловольт происходит ионизация инертного газа и возникает плазменный разряд. При электрическом пробое газа напряжение между электродами существенно уменьшается до 100 В … 250 В. Плазма порождает ультрафиолетовое излучение, подпадающее на люминофор, которым покрыта стенка отсека, и вызывает его свечение в видимом спектре. Свечение люминофоров в каждом пикселе плазменной панели возможно красного, синего и зелёного цветов. Шины питания и шины от электродов в отсеках, образуют прямоугольную сетку, а пиксели расположены в её перекрестиях. Выводы с той стороны отсеков, которую будет обозревать пользователь, должны быть прозрачными. Чтобы токопроводящие шины были не заметны пользователю, их выполняют из почти прозрачной медно-хромовой или оловянно-хромовой плёнки, нанесённой на стеклянную плиту.

Достоинства плазменных панелей: угол обзора до 170°, яркость до 3000 кд / м2, контрастность до 30000:1, диагональ до 500 дюймов, почти на порядок ниже вероятность возникновения брака во время изготовления по сравнению с электронно-лучевыми трубками, а также незначительное мерцание изображения. В течение первых нескольких лет эксплуатации плазменные панели обычно обладают более точной цветопередачей, чем жидкокристаллические дисплеи, но меньшей, чем у дисплеев с электронно-лучевыми трубками. Время отклика плазменной матрицы меньше, чем у жидкокристаллической матрицы. Плазменные матрицы, в отличие от электронно-лучевых трубок, не чувствительны к наличию магнитных полей, например, порождённых магнитными системами динамических головок акустических систем.

Недостатки: большая потребляемая мощность, выгорание люминофора после нескольких лет непрерывной эксплуатации, невозможность выполнения пикселей меньше 0,2 × 0,2 × 0,1 мм из-за неустойчивого возникновения плазмы. Время отклика плазменной матрицы больше, чем у электронно-лучевой трубки.

5. Органические светодиодные дисплеи

Органические светодиодные устройства (OLED) выполняют на основе многослойных токопроводящих люминесцирующих сопряжённых полимеров, например, полифениленвинилена. На прозрачной подложке расположен анод, выполненный из In4Sn3O12 обычно методом золь-гель технологии, к которому подсоединяют положительный полюс источника питания. Отрицательный полюс источника питания подключают к катоду, изготовленному из алюминия. Между анодом и катодом располагают эмиссионный материал. Между катодом и эмиссионным материалом возникают слои инжекции электронов и переноса электронов. Между анодом и эмиссионным материалом будут расположены слои переноса дырок и инжекции дырок. Протекание тока обусловлено движениями дырок из анода и электронов из катода в эмиссионный слой, где происходит рекомбинация, сопровождаемая эмиссией фотонов. Органические светодиоды объединяют в группы – пиксели, в которых излучения эмиссионных слоёв попадают на светофильтры красного, синего и зелёного цветов. При обратном включении источника питания не возникает выделения фотонов в эмиссионном слое.

Выводы органических светодиодов могут быть составлены в прямоугольную сетку, подавая напряжения на строки и столбцы которой, инициируют свечение требуемых пикселей. Дисплеи, организованные по такому принципу, называют пассивными. Диагональ пассивных дисплеев обычно не превышает 10 дюймов. В активных дисплеях каждый органический светодиод соединён с соответствующим транзистором, расположенным рядом с ним, и управление транзистором требует затрат небольшой мощности. Диагональ активных дисплеев может достигать десятков дюймов, однако стоимость изготовления активных дисплеев выше, чем пассивных. Таким образом, получают элементарные органические светодиоды, объединяя которые получают органические светодиодные дисплеи.

Достоинства: отсутствие необходимости подсветки, угол обзора в 180°, весьма точная цветопередача, малые масса и габариты. Также допустимо изготовление гибких дисплеев и дисплеев с толщиной всего в несколько миллиметров.

Недостатки: деградация пикселей при прямом попадании солнечного света, выход из строя люминофоров синего цвета через примерно тысячу часов непрерывной работы.

6. Дисплеи на углеродных нанотрубках

Углеродной нанотрубкой именуют образование, имеющее длину от нескольких десятков нанометров до нескольких десятков миллиметров, похожее на полую трубу радиусом примерно в несколько нанометров, у которой стенки сформированы углеродом и обладают толщиной всего в один атом. Углеродные молекулы нанотрубок, имеющие сферическую форму, называют фуллеренами, а имеющие форму длинных трубок, концы которых имеют окончание в виде гладких полусфер, именуют тубеленами.

В вакууме, когда тубелены, длиной около десятка нанометров, с острыми, а не полусферическими, концами будут помещены в электрическое поле, на них возможно возникновение автоэлектронной эмиссии. Нанотрубки размещают на подложке, выполненной обычно из кварца или кремния, в вакууме под давлением 1,32 • 10–10 атм. Плотность тока эмиссии катодов достигает 4 мА / см2. Нанотрубки размещают в виде матрицы. Излучение нанотрубок попадает на три люминофора, которые начинают светиться красным, синим и зелёным. Этот свет с видимым глазом человека спектром проникает через прозрачную, чаще всего стеклянную пластину, который и воспринимает пользователь.

Выполненные таким образом цветные панели и дисплеи на углеродных нанотрубках обладают высокой механической прочностью, высокой яркостью вплоть до 8000 кд / м2, углом обзора до 160°, высоким быстродействием и возможностью непрерывной работы в течение многих тысяч часов. Нанотрубки, кроме того, применяют для изготовления светодиодов, транзисторов, процессоров, прозрачных электродов, люминесцентных ламп и прочих, которые могут работать в условиях радиации. Теоретически возможно создание компонентов на нанотрубках, выдерживающих нагрев до температуры примерно в 1000 °C.

7. Сенсорные экраны и классификация их типов

Сенсорным экраном называют устройство, монтируемое на обозреваемую пользователем поверхность дисплея, чувствительное к прикосновениям. При поднесении пальца, указки, электронного пера и т.п. к выбранному изображению на поверхности дисплея, специальный контроллер считывает координаты точки прикосновения, и отправляет эти сведения на последующую обработку. Отслеживание места касания может быть реализовано согласно ёмкостной, резистивной, инфракрасной, тензометрической, на ПАВ, или электромагнитной технологиям. Сокращение «ПАВ» означает поверхностные акустические волны.

Сенсорный экран, выполненный по ёмкостной технологии, состоит из стеклянной пластины, на которую сзади нанесена прямоугольная сетка из прозрачных токопроводящих электродов, к краям которой подсоединяют генераторы переменных напряжений. При прикосновении к определённой точке сенсорного экрана в её окрестности возрастает ёмкость, увеличиваются переменные токи утечки, сила которых пропорциональна расстояниям до краёв пластин. Измеряя силы токов, вычисляют положение точки прикосновения к сенсорному экрану. Достоинства: малое время отклика, составляющее обычно от 3 мс до 20 мс, число нажатий до выхода экрана из строя может превышать сотни миллионов, высокая механическая прочность. Недостаток: не реагирует на прикосновение непроводящим ток предметом.

Сенсорный экран, выполненный по резистивной технологии, имеет жёсткую пластину, покрытую резистивным веществом, перед которой располагают пластиковую мембрану, также покрытую резистивным веществом. Материалом пластины обычно выступает стекло или полиэстер. Между пластиной и мембраной размещают изолирующие гранулы. К краям пластины и мембраны подключают внешние источники питания. При нажатии на резистивный экран мембрана продавливает слой изоляции, что приводит к её соприкосновению с пластиной. Токи, потребляемые от генераторов, будут пропорциональны расстояниям до точки прикосновения. Резистивные покрытия и мембраны и пластины необходимы для отслеживания положения точки и по горизонтали, и по вертикали. Достоинства: низкая стоимость, чувствительность экрана к прикосновениям и проводящим, и диэлектрическим предметом. Недостатки: число нажатий до разрушения обычно на порядок меньше, чем у сенсорных экранов по ёмкостной технологии, а также ниже механическая прочность.

В сенсорном экране, выполненном по инфракрасной технологии, сетка инфракрасных волн образована инфракрасными светодиодами, размещёнными с одной стороны экрана по вертикали и горизонтали, и принимаемая фототранзисторами, установленными с другой стороны экрана. Если любой непрозрачный для инфракрасных волн предмет будет поднесён достаточно близко к сенсорному экрану, и поглотит или отразит падающее на фототранзистор излучение, то система отреагирует и определит координаты точки прикосновения. Достоинства: чувствительность экрана к прикосновениям любым предметом, задерживающим инфракрасное излучение. Недостатки технологии: большое время отклика, высокая стоимость, возможность использования лишь для плоских дисплеев, низкая разрешающая способность.

Сенсорный экран, выполненный по технологии ПАВ, обладает стеклянной плитой, по которой пропускают от источников к приёмникам колебаний поверхностно-акустические волны с частотой в несколько мегагерц. Источники и приёмники ПАВ – это пьезоэлектрические преобразователи, выполняемые обычно в виде плёнок сульфида кадмия, установленные по краям экрана. Излучённые поверхностно-акустические волны достигают противоположной стороны экрана и отражаются обратно, где попадают на датчики. Если осуществить прикосновение к экрану, то поверхностно-акустические волны будут частично поглощены и преломлены, что зарегистрируют датчики. Полученную информацию сравнивают с заранее записанной информацией о всевозможных распространениях волн и на этой основе формируют сигнал не только о положении точки касания в пространстве, но и силы, с которой оно было произведено. Достоинства: наработка на отказ сенсорного экрана на основе ПАВ обычно в несколько раз превышает наработку на отказ экрана по резистивной технологии. Недостатки: высокая стоимость, низкая разрешающая способность, ограниченная стоимостью изделия, чувствительность к механическим колебаниям, получение ошибочной информации при воздействии вибраций.

8. Голографические системы

Голографической называют систему, в которой представление определённой оптической информации обеспечено интерференцией двух волн: отражённой от объекта и когерентной с ней волны. Источником когерентного излучения служит специальный лазер. Волну, которая отражена от объекта, называют объектной или предметной, а когерентную волну называют опорной. При наложении объектной и опорной волн на определённых участках происходит пространственное сложение их амплитуд с учётом фаз. В этих участках пространства интенсивности амплитуд, которые имеют световые волны, могут лежать в диапазоне от их взаимной разности до их взаимной суммы. Все участки пространства, на которых появляются интерференции, образуют интерференционную картину. Если в месте образования интерференционной картины поместить плоскую фотопластинку, то изображение, возникающее на этой пластинке, называют голограммой.

Голограммы позволяют полностью воссоздать изображение исходного объекта, так как содержат информацию и об амплитудах, и о фазах волн; в том числе они могут дать изображение обратной стороны наблюдаемого объекта.