Методы и средства отображения информации

Методы и средства отображения информации

Реферат

ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет  им. Г. И. Носова

Магнитогорск 2008

Методы отображения информации

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 из материала 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. В ЭЛТ 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

1.3. Светодиодные индикаторы

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

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

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

Рис. 9. Конструкция светоизлучающего диода:

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

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

1.4. Газоразрядные индикаторы

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

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

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

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