Методы отображения информации

Реферат

 

 

На тему:

 

«Методы и средства отображения информации»

 

                                                                         

 

 

           

 

Магнитогорск 2008

 

МЕТОДЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

1.1 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Электронно-лучевые индикаторы, или, как их чаще называют, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), являются наиболее распростра­ненным и важным устройством в технике отображения информации. Работа ЭЛТ основана на создании управляемого сфокусиро­ван­ного пучка электронов, воздействующего на покрытый люмино­форным веществом экран и вызывающего свечение отдельных его участков.

Монохромные ЭЛТ. На рис. 1 приведено схематическое изо­бражение монохромной электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электромагнитным от­клонением луча. Сама трубка представляет собой узкий стеклянный цилиндр. Внутри ци­линдра встроен набор электродов, составляющих электронно-оптическую систему, на по­верхности цилиндра расположена пара отклоняющих катушек ОК. Вакуумное пространство внутри трубки, по которому распространяется пучок электронов, может быть разделе­но на три участка. Первый участок включает в себя катод К, покрытый оксидной пленкой и излу­чающий электроны при повыше­нии его температуры с помощью отдельного нагревателя. Электроны эмиттируют с катода, когда их энергия превышает работу выхода с верхних энергетических уровней атома: эта энергия зависит как от материала катода, так и от его температуры. Освобождаясь, элек­троны имеют некоторую начальную скорость (см/с), опре­деляемую по известной формуле кинетической теории газов:

,

где  — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, К; т — масса элек­трона.

Расположенный вблизи катода управ­ляющий электрод-модуля­тор М имеет потен­циал отрицательный относительно катода, по­этому через него пролетают лишь электроны, попадающие в отверстие. Этим создает­ся как бы точечный источник электронов. Управляя потенциалом на модуляторе, можно регули­ровать интенсивность пучка.

Электроны, попадающие в конце своего пути на внутреннюю поверхность экрана Э с люминофорным покрытием, должны обла­дать достаточной энергией для возбуждения люминофора. Кроме того, светящееся пятно должно быть возможно меньшего размера, чтобы обеспечить хорошую разрешающую способность изображе­ния. Это требует соот­ветствующей фокусировки луча и его ускоре­ния, что обеспечивается несколькими элек­тродами, имеющими опре­деленные потенциалы относительно катода. В основе действия этих электродов заложены принципы электронной оптики.

Электронный луч, проходящий в среде с некоторым потенциа­лом  под углом , попадая на границу среды с потенциалом , меняет свое направление, распространяясь далее под углом . Таким образом происходит преломление электронного луча, которое подчиняется уравнению, аналогичному уравнению световой оптики:

,

где  — электронный аналог показателя преломления среды.

С помощью определенной конфигурации электродов и подбора их потенциалов можно осуществлять различные электронно-оптиче­ские эффекты: фокусировку луча, рас­сеяние, отражение и т. д. Всю систему электродов на первом участке ЭЛТ, обеспечиваю­щую формирование и усиление луча, иногда называют электронной пушкой.

На втором участке кинескопа расположена отклоняю­щая система. Действие откло­няющей системы заключается в на­правленном изменении прямолинейного пути электро­нов. Для отклонения пучка электронов может использоваться как электроста­тическое поле, так и магнитное. Для создания электростатического поля внутри трубки устанавливаются две пары элек­тродов, отклоня­ющих луч во взаимно перпендикулярных направлениях. Напряже­ния на отклоняющих электродах должны быть очень высокими, причем тем выше, чем больше скорость движения электронов, т. е. яркость пятна.

При методе электромагнитного отклонения на небольшом учас­тке электронного пучка прикладывается магнитное поле, возбужда­емое двумя парами катушек, устанавли­ваемых снаружи трубки. Одна пара катушек ОК сверху и снизу трубки отклоняет луч в го­ризонтальном направлении, другая пара по бокам трубки (на рис. 1 не показана) отклоняет луч в вертикальном направлении. Электрон, попадающий в магнитное поле, начинает двигаться по дуге и покидает участок отклонения под некоторым углом к направ­лению первоначального движения. Отметим, однако, что электромагнитные отклоняющие сис­темы обеспечивают ограниченную скорость изменения направления луча. В основном это связано с реактивными параметрами катушек.

Экран ЭЛТ покрыт слоем люминофора. На нем создается изо­бражение с требуемой яркостью, временем послесвечения и цветом. Причиной свечения является передача энер­гии от ускоренных элек­тронов луча электронам, связанным с кристаллом люминофора, в результате чего последние переходят в возбужденное состояние. При их возвращении в нормальное состояние избыточная энергия выделяется в виде света. Этот физический эф­фект называют катод­ной люминесценцией. Люминофоры обычно состоят из смеси солей кальция, кадмия, цинка и некоторых других элементов. Наиболее широкое применение нашли сульфидные люминофоры. Наиболее широкое распространение в монохром­ных трубках получили белый и зеленый цвета. Время послесвечения экрана, т. е. время, необ­ходимое для спа­дания яркости свечения от номинальной до первоначальной после пре­кращения действия электронного луча, также зависит от состава входящих в люминофор компонентов и может находиться в диапа­зоне от нескольких микросекунд до десятков се­кунд.

Другим важным физическим явлением, которое должно учиты­ваться при использо­вании ЭЛТ, является вторичная электронная эмиссия. Она заключается в испускании вторичных электронов изматериала люминофора при воздействии на него пучка первич­ных электронов. По мере увеличения интенсивности пучка количество эмиттированных вторичных электронов возрастает, и при определенном уровне энергии свечение люмино­фора не увеличивается. Таким образом, существует порог максимальной яркости свето­вого пятна на экране, выше которого она не меняется с увеличением потенциала уско­ряющего электрода. Для отвода вторичных электронов на внутреннюю поверхность ко­нуса трубки наносят слой графита, находящийся под положительным потенциалом.

Цветные ЭЛТ. ВЭЛТ с теневой маской применяется метод диафрагмирования электронного луча. Маска помещена между тремя электронными пушками и трехцветным люминофором экрана. Она препятствует попаданию каждого луча на участки люмино­фора не соответствующего ему цвета.

На рис. 3 схематически показано расположение маски и экрана в цветной ЭЛТ с так называемым компланарным располо­жением пушек. Каждая из них оуществляет генерацию, фокусировку и ускорение луча. Внутри трубки пуш­ки сориентированы таким образом, что их лучи, рас­пространяясь в одной плоскости под некоторым углом друг к другу и проходя через лю­бое из отверстий в маске, попадают каждый на полоску люминофора только определен­ного цвета. Цветные пятна, возбуж­даемые лучом, благодаря близкому расположению, воспринимаются глазом как одно пятно некоторого производного цвета. Этот цвет зави­сит от пропорций основных цветов и может быть любым в об­ласти видимого спектра. Пропорции можно менять, управляя на­пряжением модулятора.

Рис. 3. Расположение электродов маски и экрана в цветной ЭЛТ с компланарным расположением пушек (К, 3, С - красный, зеленый, синий)

Цветные ЭЛТ значительно сложнее в изготовлении, чем мо­нохромные. Они требуют очень точной установки элементов в про­цессе производства. Разре­шающая способность цветных ЭЛТ ограничена количеством отвер­стий в маске.

Сложность конструкции трехпушечных ЭЛТ привела к поискам других методов реа­лизации цветных изображений на экране. Наибольшую известность здесь получили два типа трубок, так называе­мые тринитрон и элмитрон. В ЭЛТ типа «тринитрон» все элек­тронные лучи генерируются с помощью одной пушки. Она имеет три независимых катода и модулятора. В тринитроне также используется щелевая маска, однако удается получить изображение большей яркости. В обоих из описанных типах трубок предельная разре­шающая способность определяется количеством и размерами отверстий в маске. Поэтому интерес представляют цветные трубки типа «элмитрон», в которых маски не использу­ются, а цвет свечения люминофора зависит от глубины проникновения электронного луча и, следовательно, от энергии последнего.

Недостатком является то, что в схеме управления индикатором должен быть преду­смотрен быстродействующий высоковольтный переключатель. С целью избежать этого иногда используются двухпушечные ЭЛТ. Трубки типа «элмитрон» используются в тех­нике отображения, когда необходимо получить высокую разрешающую способность при ограниченном цветном диапазоне.

Запоминающие ЭЛТ, или ЭЛТ «прямого видения», используются для преобразова­ния однократно подаваемых на отклоняющую систему сигналов в видимое изображение, сохраняемое на экране в течение длительного времени. В таких трубках управляемый электронный пучок не воздействует непосредственно на люминофор экрана, имеющий небольшое время послесвечения, а создает «потенциальный рельеф» изображения на спе­циальной плоской мишени, расположенной внутри трубки.

Конструкция запоминающей ЭЛТ схематично представлена на рис. 4. Запоминаю­щая поверхность состоит из тонкой металлической сетки, на которую со стороны экрана осажден слой диэлектрика. Внутри колбы размещены две электронные пушки: записы­вающая, которая формирует модулируемый и адресуемый отклоняющей системой высо­коэнергетический пучок, и воспроизводящая, в которой создается интенсивный расходя­щийся пучок электронов с невысокой энергией. Специальные кольцевые электроды, рас­положенные на стенках трубки и находящиеся под определенным потенциалом, создают электростатическое поле, благодаря которому медленные электроны двигаются перпенди­кулярно мишени, равномерно распределяясь по ее поверхности.

Рис. 4. Схематическое изображение конструкции запоминающей трубки:

ЗП – записывающая пушка; ВП – воспроизводящая пушка; ОК – отклоняющие ка­тушки; К – коллекторная сетка; С – сетка мишени; Д – диэлектрик; КЭ – кольцевые элек­троды; АЭ – алюминированный экран.

Основным преимуществом запоминающей ЭЛТ является простота индикаторов, соз­даваемых на их базе отсутствие мерцания и высокая яркость. Разрешающая способность экрана в них также достаточно высока и определяется размером и количеством отверстий в сетке мишени. Однако важным недостатком индикаторов на запоминающих трубках, ограничивающим их использование во многих областях, является невозможность избира­тельного стирания информации. Применяются они в основном в качестве устройства вы­вода графических данных из машины и в радиолокационных системах.

Электролюминесцентное излучение возникает в результате при­ложения электриче­ского поля к люминофорному материалу. Интен­сивность излучения зависит от напряжен­ности ноля, а также часто ты его изменения, если поле переменное. Свечение связано с ускоре­нием движения носителей зарядов в люминофоре, для чего требуется достаточно высокая напряженность поля (порядка 10³- 10⁶ В/см). Наиболее распространенным люми­нофором является сульфид цинка (ZnS) с примесями меди, марганца и некоторых других элементов. От типа люминофора и количества примесей зависим цвет излучения, пере­крывающий практически всю видимую область спектра.

Распространение в области отображения информации получили два основных типа электролюминесцентных индикаторов (ЭЛИ): построенных на основе порошковых люми­нофоров, возбуждаемых постоянным напряжением, и с использованием люминофоров в виде тонкой пленки, возбуждаемых высокочастотным переменным напряжением.

Основой электролюминесцентного элемента постоянного тока является порошкооб­разный люминофор, кристаллы которого вместе с примесями распределены в связующем веществе. Этот состав наносят на прозрачную пластину с проводящим покрытием (обычно используется слой оксида олова). С другой стороны к люминофору приклады­вают тонкую металлическую пластину (фольгу). Вся конструкция размещена в пластмас­совом корпусе и герметизирована (рис. 5.).

Рис. 5. Конструкция электролюминесцентного элемента постоянного тока:

1 – люминофорный слой; 2 – металлический электрод; 3 – выводные контакты; 4 – герметический корпус; 5 – прозрачный электрод (); 6 – стеклянная подложка

Важным преимуществом электролюминесцентных элементов является их малая толщина, позволяющая конструировать компактные индикаторы. Управляются они на­пряжениями порядка 50 — 100 В, однако по яркости и контрастности уступают многим другим типам излучающих элементов.

В среднем для ЭЛИ постоянного тока при питающем напряже­нии около 100 В яр­кость свечения составляет примерно 300 кд/м². Характерным для этих элементов является уменьшение их световой Мощности в процессе эксплуатации, что связано с миграцией примесей в люминофоре в зонах контакта с электродом. Срок службы элементов может быть увеличен, если осуществить их питание импульсным напряжением. Отметим также важную для некоторых применений способность ЭЛИ менять цвет излучения в зависимости от приложенного напряжения.

Тонкопленочные индикаторы переменного тока являются наибо­лее перспективными приборами, реализующими принцип электролюминесценции. Слой люминофора разме­щают между слоями диэлектрика, обеспечивающими гальваниче­ское разделение его с электродами (рис. 6.). Все слои создаются с помощью технологии напыления в вакууме на стеклянную подложку. Долговечность таких ЭЛИ значительно выше, чем порошковых, питающее их высокочастотное напряжение составляет 150 — 250 В.

Рис. 6. Структура слоев тонкопленочного электролюминесцентного индикатора пе­ременного тока:

1 – прозрачный электрод; 2 – пленка люминофора; 3 – металлический электрод; 4 – светопоглощающий диэлектрик; 5 – прозрачный диэлектрик; 6 – стеклянная подложка

 

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.

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: