5.5.1. Общие требования к экранам

5.5.2. Электронно-лучевые трубки

5.5.3. Электролюминесцентные экраны

5.5.4. Жидкокристаллические экраны

5.5.5. Лазерные проекционные системы

5.5.1. Общие требования к экранам

Помимо индикаторных приборов, отображающих сравнительно небольшое число знаков, на практике широко применяются экраны, позволяющие получать многоэлементное цветное движущееся изображение. Физические принципы действия таких экранов аналогичны принципам действия соответствующих индикаторных приборов. Ниже кратко рассмотрены характеристики тех из них, которые наиболее часто используются в дисплеях — приборах, объединяющих как сами экраны, так и системы управления, обеспечивающие их работу.

При создании комплексов, включающих устройства визуального отображения информации, возникает ряд специфических проблем, которые касаются согласования характеристик машины— системы отображения информации и человека — оператора. Помимо общих требований, которым должно удовлетворять рабочее место оператора, важную роль играют эргономические требования к качеству изображения на экране дисплея:

• яркость изображения должна поддаваться плавной регулировке в пределах от 0 (свечения нет) до 150—200 кд/м² (обычно работают при яркости экрана около 100 кд/м²);
• контраст изображения при освещенности 300—500 лк должен составлять от 1:8 до 1:15;
• для реализации возможностей глаза различать детали с угловыми размерами не менее минуты размеры отдельных светящихся точек экрана не должны быть более 0,3 мм, при этом на отображаемый символ по высоте должно приходиться не менее 10—12 точек, чтобы не была видна зернистая структура символа;
• для получения слитных фаз движения, зафиксированного на соседних кадрах движущегося изображения, необходимо обеспечить показ от 16 до 24 кадров в секунду (требования обусловлены инерционностью восприятия светового сигнала глазом человека);
• желательно использовать многоцветные экраны, причем рекомендуется предоставлять самому оператору выбор удобного для него сочетания цветов (когда это возможно). При использовании же монохромных экранов следует помнить, что утомляемость оператора меньше при отображении информации темными символами на светлом фоне, а не наоборот.

Учет требований эргономики, направленных на снижение утомляемости оператора и увеличение эффективности его работы, накладывает дополнительные ограничения на выбор элементной базы для экрана дисплея. Так, несмотря на большой (десятки тысяч часов) срок службы и хорошую яркость (до 200 кд/м² при контрастности 1:25), серийно выпускасмые газоразрядные индикаторные панели в качестве экранов для дисплеев практически не используются, поскольку они одноцветны, обладают невысокой разрешающей способностью (размер светящейся точки обычно составляет около 0,5 мм) и могут эксплуатироваться лишь при относительно небольших (примерно до 100 лк) уровнях внешней засветки. Кроме того, у таких устройств отсутствует возможность передачи градаций яркости, что не позволяет использовать их для передачи полутоновых картин.

5.5.2. Электронно-лучевые трубки

Наиболее широко применяемым элементом систем отображения информации в настоящее время являются электроннолучевые трубки (ЭЛТ), несмотря на то, что они требуют высоких управляющих напряжений, имеют большой объем при сравнительно ограниченном размере экрана и т. д. Тем не менее, пока именно ЭЛТ являются основой многоцветных дисплеев, обладающих требуемой яркостью. На базе существующих кинескопов (размеры шага цветных триад на экране которых удается снизить до 0,3 мм) могут быть реализованы воспроизводящие устройства с повышенной четкостью изображения — свыше 1000 линий на экран и даже больше. Картинка, получаемая на таком экране, по качеству не уступает цветному изображению на киноэкране; по-видимому, в ближайшее десятилетие подобные системы уже найдут широкое применение в телевидении. Следует заметить, что несмотря на большие надежды, связанные с использованием кинескопов со щелевыми масками, по-прежнему широко используются ЭЛТ с обычным дельтаобразным расположением источников электронов (каждый из которых ответствен за возбуждение люминофора одного из трех основных цветов свечения).

Электронно-лучевые трубки позволяют вывести на экран значительный объем информации. Так, существующие дисплеи с цветным изображением обычно высвечивают 25 строк символов, монохроматические—32 строки, а телевизионные мониторы повышенной четкости — до 80 строк. Лучшие дисплеи этого типа имеют сейчас 1280x1024 элементов отображения — цветных триад, расстояние между которыми составляет 0,15 мм.

Необходимо помнить, однако, что создание систем с повышенной четкостью изображения требует повышения частоты строчной развертки, что, в свою очередь, приводит к увеличению мощности, расходуемой на нагрев экрана, и в конечном итоге — к снижению срока службы кинескопа.

Конкуренция со стороны экранов других типов заставила предпринять шаги, направленные к изменению традиционной конструкции электронно-лучевых трубок и, в частности,— к снижению их толщины. Так, создан образец кинескопа, горловина которого и электронно-лучевая пушка расположены не как обычно (перпендикулярно поверхности экрана), а параллельно ему. Для поворота электронного луча в месте изгиба кинескопа используется специальное электростатическое отклоняющее устройство. В другом образце «изогнутый» подобным образом электронный луч периодически обегает пластину микроканального усилителя, электроны с выхода которого в свою очередь возбуждают люминофорный экран.

Несмотря на удовлетворительные результаты, получаемые в ходе разработки «плоских» ЭЛТ, экраны этого типа все же не могут иметь по-настоящему плоской поверхности, а значит,— обеспечивать большой угол обзора, одинаковые резкость и цветопередачу как в центре, так и на его периферии. Особенно заметными становятся эти недостатки в связи с попытками создания экранов больших размеров (1,5—2 м по диагонали) и малой (несколько сантиметров) толщины. Именно поэтому широким фронтом идет разработка экранов, работающих на других физических принципах.

5.5.3. Электролюминесцентные экраны

Светодиодные индикаторы являются массовым изделием современной электронной промышленности. Однако попытки объединения таких индикаторов в светодиодную матрицу, которая могла бы быть использована в качестве экрана, в настоящее время практически прекращены. Поэтому, когда говорят об электролюминесцентных экранах то, как правило, имеют в виду экраны тех двух типов, которые освоены промышленностью: тонкопленочные, возбуждаемые переменным напряжением и порошковые, работающие на постоянном токе.

Дисплеи на основе тонкопленочных электролюминесцентных излучателей выпускаются в ряде стран. Основное достоинство экранов этого типа — малая толщина, небольшая потребляемая мощность, повышенная механическая прочность. Главными проблемами на сегодняшний день являются трудности создания цветного изображения (выпускаемые экраны создают желто-оранжевое изображение) и сложность получения одинаковых по толщине пленочных слоев большой площади. Именно поэтому размеры подобных экранов, как правило, не превышают 30 см по диагонали. Типичные пленочные электролюминесцентные экраны имеют около 10⁵ элементов, яркость 100 кд/м² и разрешение 26 линий на см.

Совершенствование параметров тонкопленочных электролюминесцентных экранов продолжается. Создан, например, полноцветный экран размером 12,2x9,1 см (расстояние между элементами — триадами люминофора разного цвета свечения 0,38 мм). Имеются сведения о разработках экранов размером 40 х 40 см, содержащих 2000 х 2000 элементов отображения и потребляющих всего 50 Вт, и т. д.

Трудности, связанные с применением тонкопленочной технологии, удается во многом обойти, используя в электролюминесцентных экранах порошковые люминофоры, работающие на постоянном токе. Такие экраны оказываются дешевле тонкопленочных и, кроме того, требуют меньших напряжений для работы (факт, имеющий немаловажное значение при создании систем управления). Выпускаемые в настоящее время усгройства этого типа содержат до 640x480 элементов, способных отобразить 16 градаций яркости. Цвет свечения электролюминесцентных экранов постоянного тока—желто-оранжевый; проблема создания достаточно ярких и имеющих приемлемый срок службы многоцветных устройств, как и в случае тонкопленочных электролюминесцентных панелей, еще требует своего решения.

5.5.4. Жидкокристаллические экраны

Устройства этого типа — одни из первых, которые «попытались» составить конкуренцию электронно-лучевым трубкам в системах отображения информации. Принципиальная схема современного матричного жидкокристаллического экрана выглядит следующим образом: слой жидкого кристалла, заключенный между двумя стеклянными пластинами со взаимно перпендикулярными полосками электродов, подсвечивается расположенными сзади (в некоторых моделях — сбоку, с торца экрана) люминесцентными источниками белого света. Стекла одновременно являются поляризаторами; меняя напряжение на отдельном элементе, можно регулировать яркость прошедшего сквозь него света. На лицевой стеклянной пластине располагают триады цветных светофильтров, размеры которых близки к размерам люминофорных триад на экране кинескопа. Так, в одном из жидкокристаллических экранов изображение создается 640 х 450 х 3 элементами отображения (триады красного, зеленого и синего цветов). Ширина полосок электродов подобного экрана всего 5 мкм. Экран вполне способен заменить электронно-лучевой монитор для персональных компьютеров.

Важной проблемой на пути создания матричных экранов всех типов является эффективное управление каждой из ячеек экрана, общее число которых может достигать нескольких миллионов. Для этих целей разработана технология получения матриц пленочных транзисторов на основе аморфного кремния. Тонкопленочная технология позволяет наносить пленки аморфного кремния на стеклянные подложки, являющиеся одновременно основой для жидкокристаллического (или электролюминесцентного) слоя. Типичный жидкокристаллический экран, использующий твист-эффект, содержит по 1 млн. элементов отображения и ключевых транзисторов, имеет размеры 15,8 х 15,8 см, коэффициент контрастности свыше 50:1 при угле обзора более 50°.

Темпы совершенствования и роста производства жидкокристаллических экранов столь велики, что к концу века они должны стать основными конкурентами электронно-лучевых трубок. Пожалуй, лишь только электролюминесцентные экраны, темпы развития которых еще выше, смогут принять серьезное участие в «споре» этих гигантов оптоэлектронной техники.

5.5.5. Лазерные проекционные системы

Основной прием, лежащий в основе создания лазерных систем отображения информации,—прямая проекция изображения на обычный экран. В настоящее время для получения многоцветных изображений используют аргоновые (синего и зеленого цветов свечений) и криптоновый (красного цвета свечения) лазеры. Модуляция интенсивности, а также отклонение лучей на заданные углы осуществляются приборами, использующими акусто- и электрооптический эффекты.

Достоинством современных лазерных проекционных систем является воспроизведение изображений на экране большой (несколько квадратных метров) площади при значительной (100кд/м²) яркости, хороший контраст (до 1:100) и высокая разрешающая способность.

К недостаткам систем этого типа следует отнести в первую очередь низкий к. п. д. газовых лазеров, не превышающий десятых долей процента, что приводит к значительному потреблению энергии (несколько киловатт для высвечивания квадратного метра изображения). В совокупности с устройствами модуляции и отклонения стоимость лазерных проекционных систем оказывается довольно высокой. Возможно, различного рода технологические ухищрения в будущем позволят оптимизировать параметры элементов подобных систем и тем самым «сгладить» их недостатки. В этом случае довольно реальной может стать перспектива использования лазерных систем в быту: проекционное устройство, закрепленное под потолком и формирующее яркое цветное изображение на стене-экране может стать повседневной реальностью, потеснив обычный телевизор.

В заключение приведем сводную таблицу основных параметров экранов, использующих различные физические принципы (табл. 5.2). Таблица иллюстрирует современное состояние дел в области производства экранов для оптоэлектронных систем отображения информации (эти экраны выпускаются серийно и, естественно, их параметры уступают рекордным значениям, получаемым на экспериментальных устройствах).

Таблица 5.2. Параметры экранов для систем отображения информаци