5.1. Некоторые характеристики зрения

5.2. Вакуумные и газоразрядные устройства

5.2.1. Вакуумные люминесцентные приборы

5.2.2. Газоразрядные индикаторы

5.3. Твердотельные светоизлучающие приборы

5.3.1. Индикаторы на основе светодиодов

5.3.2. Индикаторы на основе порошкообразных электролюминофоров

5.3.3. Устройства на основе пленочных электролюминофоров

5.4. Жидкокристаллические и другие устройства

5.4.1. Жидкокристаллические приборы

5.4.2. Электрохромные индикаторы

5.4.3. Индикаторы других типов

5.5. Экраны в системах отображения информации

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

5.1. Некоторые характеристики зрения

Одним из звеньев автоматических систем управления являются оптоэлектронные устройства отображения информации. Различного рода устройства, включающие табло, мнемосхемы, экраны как коллективного, так и индивидуального пользования предназначены для решения одной и той же задачи — представления поступающей информации в визуальной форме, наиболее эффективной с точки зрения ее восприятия человеком. Основным элементом подобных устройств являются индикаторные приборы, позволяющие преобразовывать электрические сигналы в оптические.

При рассмотрении устройств отображения информации необходимо помнить, что они должны быть согласованы с человеческим глазом, который, как фотоприемник, обладает рядом особенностей.

Прежде всего для глаза характерен относительно узкий диапазон воспринимаемых длин волн, причем чувствительность глаза к разным длинам волн неодинакова. Для описания

этого свойства глаза вводится функция относительной спектральной световой эффективности f(λ) монохроматического излучения, которая определяется, как отношение потоков света с длинами волн λ и λ_т, вызывающих зрительные ощущения одинаковой силы (λ_т выбирается таким образом, чтобы максимальное значение этого отношения было равно единице).

На рис. 5.1 приведены графики функций f(λ)и f '(λ)для дневного и ночного зрения соответственно. Для яркостей L≥ 10 кд/м² максимум функции f(λ) наблюдается при λ = 555 нм (на этой длине волны 1 Вт потока излучения соответствует 680 лм светового потока). В условиях малой яркости (L ≤0,01 кд/м²) функция f '(λ) имеет максимум при λ≈508 нм.

Подобное свойство глаза объясняется наличием в нем рецепторов двух типов (палочек и колбочек), которые содержат светочувствительные пигменты двух типов (родопсин и иодопсин). Более чувствительные (палочки) работают при низких уровнях освещенности (яркости) и реагируют на свет в интервале длин волн 380—640 нм. Колбочки, реагирующие на свет с длинами волн от 410 до 720 нм, менее чувствительны. Положение максимума кривой в интервале значений яркости от 0,01 до 10 кд/м² определяется, таким образом, результатом реакции на свет рецепторов как одного, так и другого типов.

Глаз является уникальным фотоприемником, воспринимающим свет в очень широком диапазоне значений яркости. Нижний порог чувствительности глаза (минимальная яркость светового пятна, обнаруживаемого на темном фоне) составляет около 1·10^–7кд/м², верхний порог (при котором возникают болевые ощущения) равен примерно 10⁵ —10⁶ кд/м². В индикаторной технике используют излучатели, имеющие яркость 10—1000 кд/м². Так, например, яркость экрана черно-белого телевизионного кинескопа составляет 100—200 кд/м², а яркость сигнальной таблички «выход» в кинотеатрах—около 10 кд/м².

Важной характеристикой фотоприемника является его разрешающая способность. Она оценивается по минимальному углу α_m, при котором удается различить две соседние точки объекта. Так, если l₀ — расстояние до объекта (например, элемента символа, высвечиваемого индикатором), a h₀ — его высота, то для уверенного считывания должно выполняться условие

, (5.1)

где α_m —выражен в радианах.

Обзор зоны максимального разрешения глаза характеризуется углами 16—20° по горизонтали и 12—15° по вертикали. В соответствии с этим формат экрана для средств отображения информации выбирают таким образом, чтобы отношение его ширины к высоте составляло от 4/3 до 5/3.

Для уверенного считывания необходимо, чтобы яркость источника на некоторое значение ΔL_a превышала среднюю яркость L_a всего окружающего информационного поля, включающего и другие излучатели, попадающие в поле зрения (фактически L_a — это яркость, к которой адаптируется глаз). Минимальное значение отношения

, (5.2)

при котором ΔL_a еще различимо глазом при данном уровне L_a, называют пороговым контрастом. В рабочем диапазоне яркостей (10—1000 кд/м²), где k_П = 0,02÷0,05, необходимо, чтобы контраст изображения k_я (отношение яркостей объекта и фона) превосходил k_П не менее чем в 10 раз.

При построении систем отображения информации, в которых изображение возникает под действием периодических сигналов, нужно учитывать тот факт, что зрение обладает инерционностью. Существует граничная частота, при превышении которой исчезает эффект мерцания индикатора. Для индикаторов с L > 100 кд / м² критическая частота мелькания составляет примерно 50 Гц. Если частота мельканий выше критической, то кажущаяся яркость мерцающего излучателя рассчитывается как средняя за период.

Важное значение при создании систем отображения информации является обеспечение правильной цветопередачи. Способность глаза воспринимать цвет основана на том, что один из типов рецепторов сетчатки глаза—колбочки—имеют три разновидности, отличающиеся составом светочувствительного вещества и реагирующие главным образом на свет определенных областей спектра—красный, зеленый и синий. Воспринимаемая глазом многоцветная картина окружающего нас мира в результате оказывается комбинацией откликов этих рецепторов на воздействие длин волн трех основных цветов. Математически такую комбинацию можно представить в виде вектора в трехмерном пространстве, оси координат которого задаются векторами, соответствующими красному (λ_r = 700hm), зеленому (λ_G = 564,1 нм) и синему (λ_в=435,8 нм) цветам.

5.2. Вакуумные и газоразрядные устройства

5.2.1. Вакуумные люминесцентные приборы

В основе работы приборов этого типа лежит явление катодолюминесценции, возникающей при возбуждении люминофора ускоренными электронами. Если энергия электронов сравнительно невелика (до нескольких десятков электрон-вольт), то говорят о низковольтной катодолюминесценции, которая используется в вакуумных люминесцентных индикаторах. Катодолюминесценция, возникающая в электронно-лучевых трубках, характеризуется гораздо большей энергией электронных пучков (десятки килоэлектрон-вольт).

При облучении люминофора часть первичных электронов, попадающих на поверхность кристаллов, испытывает упругое или неупругое отражение, другая часть проникает в глубь люминофора на некоторую глубину, тем большую, чем больше их кинетическая энергия. Эта энергия расходуется на создание элементарных возбуждений кристаллической решетки—экситонов, электронно-дырочных пар, плазмонов (коллективных колебаний свободных электронов) и т. д., которые, мигрируя по кристаллу, могут возбуждать центры свечения. Кроме того, электроны больших энергий могут ионизировать атомы, выбивая на своем пути вторичные электроны, способные также принять участие в создании элементарных возбуждений решетки. В результате область, в которой происходит миграция экситонов и электронно-дырочных пар, а также возникает люминесценция, оказывается заметно шире области, в которую проникают электроны из падающего луча.

Зависимость яркости катодолюминесцентных устройств от условий возбуждения (плотности тока j электронного пучка и ускоряющего напряжения U) описывается соотношением

(5.3)

где U_п — пороговое напряжение, при котором начинается свечение люминофора; δ — коэффициент, зависящий как от свойств самого люминофора, так и от U. Обычно δ уменьшается с увеличением U от δ≈1,5 яй 1,5 до δ≈0,8, причем в случае низковольтной катодолюминесценции с хорошей точностью можно считать, что δ = 1.

Наличие порогового напряжения U_п вызвано возникновением потенциального барьера у поверхности зерен люминофора, связанного с появлением поверхностного заряда, который отталкивает первичные электроны. Стабильную катодолюминесценцию удается получить только при таких ускоряющих напряжениях, когда число вторичных электронов, выбиваемых из кристалла и уносящих избыток заряда, становится равным числу первичных, проникающих в глубь люминофора. У материалов, составляющих группу высоковольтных катодолюми-нофоров, U_п составляет обычно сотни вольт; в результате ускоряющее напряжение U оказывается очень высоким (5—50 кВ), что является одним из основных недостатков приборов, в которых используют такие люминофоры. Люминофоры, используемые в низковольтных катодолюминесцентных индикаторах, обладают повышенной электропроводностью, в результате заряд, скапливающийся у их поверхности, оказывается меньше, и U_B снижается до единиц вольт.

Зависимость яркости катодолюминесценции от плотности тока возбуждающих электронов линейна в широком диапазоне значений j. При больших плотностях возбуждения, однако, эта зависимость выходит на насыщение, что может быть обусловлено насыщением центров свечения, увеличением тормозящего поля, создаваемого заряженной поверхностью люминофора, а также температурным тушением (при увеличении j температура бомбардируемого электронами кристалла возрастает). Одновременно начинает падать энергетический выход— все большая часть подводимой энергии уходит в теплоту. Практически яркость свечения катодолюминесцентных устройств не превышает 200—700 кд/м², при этом рабочий диапазон изменения плотности тока составляет 0,5— 20000 мкА/см².

Основные потери энергии при катодолюминесценции связаны с тем, что возникающие в люминофоре горячие электроны и дырки быстро (за 1·10^–12 с) теряют часть энергии, превращаясь в обычные тепловые электроны зоны проводимости и дырки валентной зоны. Доля энергии, переходящей при этом в тепловые колебания решетки, довольно велика и составляет 65—70% от всей энергии. Таким образом, энергетический выход катодолюминесценции вряд ли может превышать η_е=0,35; реально достижимые значения η_е составляют 0,2—0,25 (люминофор ZnS:Cu).

Типичная зависимость энергетического выхода катодолюминесценции от ускоряющего напряжения приведена на рис. 5.2. Пока напряжения малы, функция η_е(U) растет с увеличением U—все большее число электронов достигает люминофора, преодолевая отталкивающее воздействие зарядов на его поверхности. Однако начиная с некоторого значения U подъем функции η_е(U) сменяется спадом—энергия электронов, падающих на люминофор, расходуется на создание большего числа горячих электронов и дырок, а значит, возрастают и тепловые потери энергии.

Яркость, энергетический выход, цвет свечения зависят от химического состава люминофора. В качестве примера можно привести некоторые из тех, которые выпускаются для цветных телевизионных кинескопов: люминофоры на основе ZnS:Ag (цвет свечения синий), ZnCdS:Си, А1 (цвет свечения зеленый), Y₂O₃: Еu (цвет свечения красный). Яркость свечения соответствующих устройств составляет 50—300 кд/м². В вакуумных люминесцентных индикаторах используют кристаллофосфоры на основе оксида и сульфида цинка (ZnO:Zn, ZnS:Ag, ZnS:Cu+ZnO) диоксида олова (SnO₂:Eu), смесь SnO₂ и Y₂O₃S: Еu, а также некоторые другие. Эти люминофоры характеризуются низким потенциалом начала катодолюминесценции (для ZnS он равен 6—7 В, для ZnCdS — 4—5 В), поэтому общее напряжение, прикладываемое к таким индикаторам, не превышает 50—70 В. Яркость при этом может быть довольно велика (до 1000 кд/м²).

От состава люминофора зависит и время послесвечения устройства: оно может составлять от 1·10^–5с до нескольких минут (у электронно-лучевых трубок с длительным послесвечением, используемых в запоминающих осциллографах).

Принципиальная схема вакуумного люминесцентного индикатора представлена на рис.5.3. Такой индикатор, по сути, является вакуумным диодом или триодом, причем функции анода выполняют несколько электродов, покрытых люминофором. Электроны, вылетая с катода 1, имеющего температуру 900—1000 К, ускоряются электрическим полем сетки 2 и сегментов анода 6. Достигая этих сегментов, электроны возбуждают люминофор 5, вызывая его свечение.

Для управления индикатором напряжение подается лишь на те сегменты анода, которые формируют требуемое изображение. Остальные сегменты находятся под тем же напряжением, что и катод; электроны, отражаясь от них, попадают на экран 3, соединенный с сеткой. На этот же экран попадает та часть электронов, которая не достигает положительно заряженных сегментов анода.

Сетка 2 необходима для того, чтобы поток электронов в области анода был более равномерным, ее потенциал обычно равен потенциалу анода. В исходном состоянии, когда управляющее напряжение не подано, для предотвращения нежелательного свечения сетка имеет отрицательный потенциал на несколько вольт ниже, чем катод. Всю систему электродов вместе с подложкой 4 помещают в вакуумированный стеклянный баллон.

Применение в вакуумных люминесцентных индикаторах катодолюминофоров разных типов позволяет получать свечение от синей (ZnS:Ag + In₂O₃) до красной (ZnCdS:Ag + In₂O₃) областей спектра. У некоторых люминофоров спектр излучения оказывается зависящим от ускоряющего напряжения — при больших энергиях первичных электронов возбуждаются более глубокие центры свечения. Так, при увеличении анодного напряжения от 20 до 60 В цвет свечения индикаторов с SnO₂:Eu и ZnS: Cl, Ag — люминофорами меняется от оранжевого до желто-зеленого. На практике наибольшее распространение получил сравнительно дешевый люминофор на основе ZnO:Zn, дающий интенсивное излучение в сине-зеленой области спектра (максимум спектра соответствует длине волны 510 нм). Применение специально подобранных светофильтров позволяет несколько, разнообразить цвет свечения таких индикаторов.

Существуют различные типы вакуумных люминесцентных индикаторов: одно- и многоразрядные, сегментные, матричные, аналоговые и т. д. Широкое применение вакуумных люминесцентных индикаторов обусловлено их значительным—до 1·10⁴ ч — сроком службы и довольно высоким (1·10^–3 с) быстродействием. Объединив большое число многоразрядных индикаторов, удается получать экраны для отображения информации, которые к тому же могут быть многоцветными. К числу недостатков вакуумных люминесцентных индикаторов следует отнести невысокую контрастность (что особенно сказывается при больших уровнях внешней освещенности), ограниченный угол обзора и — несмотря на отмеченные выше успешные разработки в этой области — трудность получения достаточно яркого свечения синего, желтого и красного цветов.

Устройства, использующие явление катодолюминесценции, возбуждаемой электронами энергий в несколько килоэлектронвольт, принадлежат классу электровакуумных приборов, работа которых основана на формировании изображения одним или несколькими электронными пучками (лучами). Интенсивность и пространственное положение лучей задаются при помощи специальных систем управления. Среди общей массы приборов этого типа доминирующее положение занимают электронно-лучевые трубки, общим достоинством которых являются высокая (10—25 лм/Вт) световая отдача (отношение излучаемого светового потока к потребляемой мощности), простота адресации, хорошие яркость (до 300 кд/м²) и контрастность изображения, возможность широкой передачи полутонов и цвета. Основными недостатками устройств этого типа являются необходимость включения в состав соответствующих схем управления источников высокого напряжения, а также их значительные габариты. Не прекращаются активные попытки разработки плоских электронно-лучевых приборов; все они, однако, находятся в стадии совершенствования и пока не могут составить серьезной конкуренции электронно-лучевым трубкам обычным типов.

5.2.2. Газоразрядные индикаторы

Действие приборов этого типа обусловлено возникновением свечения при электрическом разряде в газовой среде. Обычно используют режим тлеющего разряда (с холодным катодом).

Стеклянный баллон индикатора заполнен инертным газом (давление—порядка 100 гПа); пока энергия электронов, вылетающих из катода, мала, в индикаторе происходят упругие столкновения этих электронов с атомами газа. Однако с повышением анодного напряжения U энергия электронов постепенно увеличивается и, наконец, достигает значений, необходимых для ионизации атомов газа. Столкновения электронов с атомами становятся неупругими; в результате столкновений образуются добавочные электроны (которые, так же как и первичные, устремляются к аноду) и положительно заряженные ионы, движущиеся к катоду и выбивающие из него электроны вторичной эмиссии. Ток через лампу при этом возрастает, однако, поскольку подвижность положительных ионов значительно меньше подвижности электронов, вокруг катода создается область положительного пространственного заряда. При этом даже уменьшение напряжения по-прежнему сопровождается ростом тока, поскольку одновременно вследствие возрастания пространственного заряда ионов у катода увеличивается прикатодное поле. В результате на вольт-амперной характеристике появляется участок, соответствующий отрицательному сопротивлению.

Газоразрядные приборы обладают значительной инерционностью. Это связано с тем, что время запаздывания импульса тока в разрядном промежутке относительно импульса управляющего напряжения определяется как статистическими закономерностями вылета электронов из холодного катода, так и временем формирования электронной лавины. В то же время после прекращения действия анодного напряжения электроны и ионы рекомбинируют не мгновенно, что обусловливает существование некоторого времени запаздывания. В результате быстродействие подобных индикаторов, как правило, не превышает 1·10^–3 с.

Основной газовой смесью, используемой в газоразрядных индикаторах, является смесь гелия с неоном (к ним иногда в малых количествах добавляют и другие инертные газы). Видимое излучение электрического разряда в этой смеси принадлежит оранжево-красной области спектра (добавление аргона приводит к сдвигу спектра в более коротковолновую область). Световая отдача индикаторов этого типа составляет 0,2—0,3 лм/Вт; в красной области спектра, где 1 Вт соответствует примерно 100 лм, энергетический выход оказывается равен 0,2—0,3%. В то же время яркость индикаторов может достигать 10000 кд/м².

Для повышения светоотдачи и обеспечения многоцветное™ в газоразрядных индикаторах часто использут фотолюминофоры, преобразующие ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимое. Аналогичный механизм формирования светового потока используется в лампах дневного света, световая отдача которых может достигать в итоге 100 лм/Вт. Световая отдача газоразрядных индикаторных приборов, использующих свечение фотолюминофоров, заметно ниже (0,5—1 лм/Вт), при этом энергетический выход не превышает 1%.

Среди существующих газоразрядных индикаторов можно выделить приборы трех типов: знаковые индикаторы, индикаторные тиратроны и газоразрядные индикаторные панели (ГИП). В свою очередь, ГИП делятся на три подгруппы: ГИП постоянного тока с внешней адресацией, ГИП постоянного тока с самосканированием и ГИП переменного тока.

В знаковых индикаторах используется слабое свечение тлеющего разряда вблизи катода (свечение покрывает весь катод, который имеет форму отображаемого символа). Система независимых катодов (рис. 5.4) позволяет получать различные изображения. Возникающее при этом излучение выходит через сетчатый анод.

В отличие от знаковых индикаторов индикаторные тиратроны имеют несколько управляющих электродов — сеток и анодов, что позволяет более эффективно управлять электрическим разрядом. В приборах этого типа ультрафиолетовое излучение газа преобразуется в видимое при помощи фотолюминофора. В одном стеклянном баллоне индикатора могут размещаться несколько ячеек, свечение люминофора в каждой из которых имеет свой цвет.

Схема конструкции ГИП постоянного тока приведена на рис. 5.5. Подобная панель по существу является совокупностью большого числа двухэлектродных газоразрядных ячеек; свечение возникает лишь в ячейках, находящихся на пересечении тех полосок электродов, на которые подано напряжение. Для повышения стабильности работы панели между верхними и нижними электродами располагается диэлектрическая пластина с отверстиями, оси которых совпадают с перекрестиями электродов; разряд происходит в пространстве, ограниченном этими отверстиями. В газоразрядных панелях может использоваться как свечение самого разряда, так и излучение слоя люминофора.

Особенностью ГИП постоянного тока с самосканированием является наличие внутренней развертки. Вдоль каждой строки такой панели периодически пробегает разряд, проводящий предварительную ионизацию газового промежутка ячеек; свечение самого разряда незаметно оператору. Если теперь на какую-либо из ячеек подается и управляющее напряжение, то возникает разряд. К достоинствам панели этого типа относятся большая однородность и стабильность возникающего разряда, относительная простота системы управления.

В отличие от панелей рассмотренных типов, электроды ГИП переменного тока покрывают тонким слоем диэлектрика, в связи с чем через панель может протекать лишь переменный ток. На поверхности диэлектрика, осуществляющего емкостную связь между электродами и газом, способен накапливаться заряд; напряженность возникающего за счет этого электрического поля может быть как параллельна, так и антипараллельна напряженности электрического поля, прикладываемого к соответствующему элементу ячейки. Если возбуждающее напряжение U складывается с разностью потенциалов U_н, создаваемой накопившимся зарядом, в ячейке возникает электрический разряд, который в итоге приведет к локальной перезарядке диэлектриков. Общее напряжение уменьшится при этом до значения U— U_н (при соответствующем выборе U таком, чтобы U<U_T<U+U_н где U_T—напряжение зажигания тлеющего разряда) и разряд погаснет. После перемены полярности напряжения U процесс повторится, в результате ячейка будет периодически испускать импульсы света. В то же время те ячейки, которым не было предварительно сообщено напряжение U_н, не будут зажигаться вовсе. Таким образом, рассматриваемая ГИП обладает свойством запоминать информацию, что оказывается важным при конструировании матричных экранов. В заключение добавим, что газоразрядные индикаторы обладают значительным (порядка 10 000 ч) сроком службы, который может быть еще повышен, например, введением в состав газовой смеси паров ртути. В последнем случае, однако, несколько сужается температурный диапазон работы приборов, составляющий обычно (без добавок Hg) от —60 до +70° С.

5.3. Твердотельные светоизлучающие приборы

5.3.1. Индикаторы на основе светодиодов

Успехи в разработке технологии получения светодиодов привели к созданию индикаторов, излучающих в красной, оранжевой, желтой и зеленой частях спектра. Основными материалами для подобных приборов являются GaAs_1-хР_х (варьируя х от 0,4 до 1 удается менять цвет излучения индикатора от красного до зеленого), GaP (при легировании его азотом возникает зеленая люминесценция, а при легировании цинком и кислородом — красная), а также SiC (желтое свечение). До недавнего времени наибольшие трудности вызывало изготовление светодиодов, обладающих более коротковолновым излучением. Тем не менее индикаторы на основе SiC, излучающие свет в голубой области спектра, уже начали выпускать серийно, причем по мере совершенствования технологии производства их стоимость все больше снижается, приближаясь к стоимости светодиодов других цветов свечения.

Общим преимуществом полупроводниковых индикаторов перед индикаторами других типов является низкое рабочее напряжение, что позволяет непосредственно стыковать светоди-оды с интегральными полупроводниковыми схемами управления. У светодиодов большой срок службы (до 1·10^б ч), высокое быстродействие (10^–8 —10^–9 с), широкий диапазон рабочих температур (от —60^о до +125° С).

Разработаны полупроводниковые индикаторы с управляемым цветом свечения. Так, на основе GaP изготавливается прибор с двумя р-п-переходами, легированными различными акцепторными примесями. Каждый р-п-переход имеет отдельные выводы, что позволяет регулировать воспринимаемый глазом цвет свечения от зеленого до красного. Существуют и другие способы вариации цвета свечения полупроводниковых индикаторов: встречно-параллельное включение двух светодиодов, излучающих в разных областях спектра, использование антистоксовых люминофоров (преобразующих инфракрасное излучение одного из светодиодов в видимое), изготовление р-п-переходов, спектр излучения которых имеет не один, а два максимума, причем отношение интенсивностей этих полос определяется протекающим через переходом током.

В зависимости от требуемых размеров полупроводниковые индикаторы изготавливают в монолитном или в гибридном исполнении. В первом случае знаковые индикаторы с размерами символов до 3 мм представляют собой блок светодиодов, выполненный на одном полупроводниковом кристалле. Для создания панелей больших размеров используют гибридную технологию, при которой осуществляют сборку отдельных светоизлучающих диодов в пластмассовом (полимерном) корпусе (рис. 5.6).

Поскольку размеры излучающей области светодиодов малы (около 0,3×0,3 мм²), в полупроводниковых индикаторах широко используют светорассеивающие пластмассовые среды, а также линзы и рефлекторы. Это позволяет не только увеличить размеры светящегося знака (до 10 мм), но одновременно резко снизить потери на внутреннее отражение при выходе излучения из индикатора.

Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична вольт-амперной характеристике полупроводникового диода. Допустимое обратное напряжение, подаваемое на светодиод, невелико (не более 3—7 В). Постоянное прямое напряжение, прикладываемое к светодиоду, обычно равно 1—2 В.

Яркость светодиода зависит от его конструкции, тока через прибор. Обычно яркость изменяется от 10 до 50 кд/м², хотя имеются сведения о разработке излучателей с яркостью 250 кд/м² и выше. В зависимости от цвета свечения световая отдача серийных полупроводниковых индикаторов составляет 0,1 — 1 лм/Вт, энергетический выход оказывается при этом равен 0,1— 0,5%. Перспективы повышения к. п. д. светодиодов определяются решением задачи увеличения доли излучательных рекомбинаций в светодиодной структуре. Реально достижимый внешний энергетический выход составляет десятки процентов. Это соответствует световой отдаче 300—500 лм/Вт—для светодиодов с зеленым и 100 лм/Вт — с красным цветами свечения.

Набор выпускаемых полупроводниковых индикаторов чрезвычайно велик. Среди изделий этого типа — одиночные светодиоды, сегментные и матричные индикаторы, мнемосхемы и др. Большое распространение получили светодиодные цифровые индикаторы для микрокалькуляторов и электронных часов.

На основе светодиодов выпускают модули для экранов систем отображения информации. Число светящихся элементов в таких излучателях может достигать 100 х 100 и больше. В то же время вследствие достаточно высокой крутизны вольт-амперной характеристики светодиода, а также из-за сильной зависимости яркости от температуры особую остроту приобретает задача обеспечения идентичности параметров всех излучателей модуля. Трудности обеспечения однородности параметров отдельных светодиодов модуля существенным образом сказываются на его стоимости, в результате она оказывается заметно выше стоимости экранов, работа которых основана на иных физических принципах. Кроме того, световая отдача существующих светодиодных экранов невелика (менее 1 лм/Вт), и поэтому рассеиваемая такими экранами мощность (даже без учета затрат на функционирование системы управления) оказывается выше, чем у экранов практически всех других типов (кроме газоразрядных).

5.3.2. Индикаторы на основе порошкообразных электролюминофоров

В индикаторах на основе порошкообразных электролюминофоров используется явление предпробойной электролюминесценции, при которой электроны, попадающие в область сильного поля, ускоряются до энергий, достаточных для начала ударной ионизации атомов кристаллической решетки и примесей.

Различают порошкообразные электролюминофоры, работающие на переменном и постоянном напряжениях. Общим для этих люминофоров является наличие в их составе меди, роль которой двояка: во-первых, она может входить в состав центров свечения и, во-вторых, способствовать образованию энергетических барьеров, в которых происходят концентрация электрического поля и ускорение электронов. В большинстве случаев эти барьеры формируются на границе раздела фаз ZnS и Cu_xS, где Cu_xS— фаза нестехиометрического состава, образующаяся на поверхности зерен люминофора в процессе его синтеза (значение х колеблется от 1,75 до 1,96). Проводимость фазы Cu_xS гораздо выше проводимости ZnS, поэтому электрическое поле в зерне люминофора концентрируется в барьерной области сульфида цинка, прилегающей к поверхности раздела фаз.

Принципиальная конструкция электролюминесцентного конденсатора изображена на рис. 1.18, а. Типичные параметры люминофорно-диэлектрического слоя: толщина 50 — 80 мкм, материал диэлектрика — легкоплавкое цинковоборосиликатное стекло, органические лаки (например, ВС-530 на основе цианэтилового эфира поливинилового спирта), эпоксидные лаки (например, ЭП-96); весовое соотношение люминофор — сухой остаток диэлектрика от 1:1 до 2:1.

Защитно-отражающий слой, назначение которого—предохранять конденсатор от пробоя и отражать часть излучения люминофора, с тем чтобы оно выходило сквозь прозрачный электрод, состоит из порошка ТiO₂, диспергированного в диэлектрике, и имеет примерно такую же толщину, что и люминофорно-диэлектрический слой.

Если связующим служит стеклоэмаль, то непрозрачным электродом обычно является металлическая (стальная, никелевая) подложка, на которой формируется вся структура.

Вольт-яркостная характеристика конденсатора на основе порошкообразного электролюминофора изображена на рис. 5.7,а (кривая 2). Согласно формуле (1.17) L = L₁ (f)U^п,где L_l(f)~f^m. Здесь L — яркость индикатора, U и f —соответственно амплитуда и частота возбуждающего напряжения; п и т — коэффициенты, причем п = 3—4, т = 0,7—0,8.

Люминофоры ZnS, легированные медью, имеют зеленый или голубой (в зависимости от условий изготовления) цвет свечения. Порошки, легированные марганцем, имеют оранжево-желтый цвет свечения, определяющийся переходами внутри иона Мn⁺². Красный цвет свечения получается при использовании в качестве основы материала смешанного состава типа (Zn, Cd) (S, Se), имеющего более узкую, чем ZnS, запрещенную зону. Легирующая примесь и в этом случае — медь.

Спектры электролюминесценции ряда промышленных люминофоров представлены на рис. 5.8. Типичные значения яркости индикаторов в стандартном (220 В, 400 Гц) режиме возбуждения составляют 10—50 кд/м². Меньшую яркость имеют излучатели с красным и голубым, большую — с желтым и зеленым цветами свечения.

Максимум зависимости L(Т) у промышленных люминофоров лежит в области комнатных температур; при дальнейшем увеличении Т яркость индикаторов падает. Одновременно снижается и энергетический выход, который обычно составляет 1—3%.

В случае порошковых люминофоров постоянного тока фаза Cu_xS, находящаяся на поверхности зерен в большем количестве, чем у люминофоров, возбуждаемых переменным напряжением, обеспечивает протекание по слою люминофора постоянного тока. Свечение возникает одновременно с процессом ударного возбуждения ионов Мn⁺². Энергетический выход при этом невелик —сотые, десятые доли процента. Типичные значения плотности тока через такие ячейки составляют 5 мА/см², прикладываемое напряжение — порядка 100 В. Цвет свечения — оранжево-желтый, хотя легирование люминофора не марганцем, а редкоземельными ионами позволяет получать и другие цвета (например, ZnS:Сu, Еr имеет зеленый цвет свечения). При этом, однако, снижаются как к. п. д. люминесценции, так и яркость свечения индикаторов.

Сравнительно простая технология изготовления (люминофорно-диэлектрический и защитно-отражающий слои можно формировать, например, методами полива, пульверизации, осаждения) позволяет получать панели, обладающие значительными (до 1×1 м²) размерами при хорошей равномерности свечения; подобным образом можно получать, в частности, многоцветные мнемосхемы. Электролюминесцентные знаковые индикаторы и мнемосхемы выпускаются промышленностью; на основе порошковых электролюминофоров постоянного тока разработан плоский экран, который может быть использован для получения телевизионного изображения.

Существенным недостатком рассматриваемых индикаторов является их старение—постепенный спад яркости в процессе работы. Срок службы (время, за которое яркость уменьшается вдвое) не превышает 3 тыс. ч., причем он сильно снижается при увеличении f, U и особенно Т. Причиной старения является электромиграция ионов меди в сульфиде цинка, а поскольку медь входит в состав всех люминофоров этого типа, то в результате этот недостаток порошкообразных электролюминофоров устранить не удается.

5.3.3. Устройства на основе пленочных электролюминофоров

Тонкопленочные электролюминесцентные излучатели — одни из самых перспективных для целей создания плоских экранов систем отображения информации. Конструкция излучателя подобного типа представлена на рис. 1.18, а. На стеклянную подложку с прозрачным электродом в вакууме последовательно напыляются: слой диэлектрика (Al₂O₃, Y₂O₃, BaTiO₃ или другие), слой люминофора (ZnS, легированный марганцем или редкоземельными элементами), еще один слой диэлектрика и непрозрачный пленочный электрод (А1). Толщина каждого из слоев диэлектрика — 200—500 нм, толщина слоя люминофора—300—1000 нм. В ряде случаев между слоем диэлектрика и непрозрачным электродом вводится дополнительный светопоглощающий слой, способствующий повышению контраста высвечиваемой индикатором картины.

Люминофор в излучателях этого типа не содержит меди, излучение является внутрицентровым и возникает вследствие переходов в возбужденных электронами ионах Мn⁺² или редкоземельных элементов (Тb⁺³, Еr⁺³, Рr⁺³ и т. д.). В область сильного поля (которая при достаточно больших напряжениях может распространяться на всю толщину пленки люминофора) электроны туннелируют из ловушек на границах раздела люминофор—диэлектрик. И структура пленок, и параметры ловушек непосредственно влияют на яркость свечения индикаторов, которая может быть весьма значительной (до 10³—10⁴кд/м²).

Так же как индикаторы на основе порошкообразных люминофоров, возбуждаемых переменным напряжением, тонкопленочные излучатели являются электролюминесцентными конденсаторами, рабочие напряжения и частота которых обычно составляют соответственно 100—200 В и 1—5 кГц. Вольт-яркостная характеристика тонкопленочного электролюминесцентного конденсатора представлена на рис. 5.7, а (кривая 1), из которого следует, что она имеет участок гораздо большей крутизны, чем аналогичная характеристика порошкообразных люминофоров. На таком участке зависимость L(U) описывается формулой вида (1.17), в которой п=10÷30. Наличие хорошо выраженного порогового напряжения зажигания (при котором начинается эффективное ускорение электронов и ударное возбуждение ионов активатора) и большая крутизна вольт-яркостной характеристики имеют важное значение при создании систем управления подобными индикаторами.

Наибольшее значение яркости и энергетического выхода (реально до 0,5% при световой отдаче около 2 лм/Вт) получается у индикаторов, люминофорный слой которых активирован марганцем. Цвет свечения таких индикаторов — оранжево-желтый. Для получения излучателей других цветов сульфид цинка активируют тербием (зеленое свечение), эрбием (красное), празеодимом (белое). При этом, однако, снижаются яркость и световая отдача, падает срок службы (до сотен часов вместо 1·10⁴ ч для ZnS:Мn). Наибольшую остроту эта проблема имеет для образцов с голубым свечением (ZnS: Tm); один из способов ее решения—переход к люминофорам на другой основе (например, SrS: Се).

Важной особенностью тонкопленочных ZnS: Мn-конденсаторов является возможность получения петли гистерезиса на вольт-яркостной характеристике (рис. 5.7, б). Наличие или отсутствие петли определяется материалом диэлектрика и технологией изготовления индикатора. Петля имеет место на участке наибольшей крутизны вольт-яркостной характеристики; ее ширина составляет обычно 10—20 В.

Наличие гистерезиса означает, что подобная структура обладает способностью запоминать информацию (что существенно упрощает систему управления подобными экранами), повысить воспринимаемую среднюю яркость при построчном режиме возбуждения (поочередном высвечивании строк). У тонкопленочного экрана с памятью напряжение с амплитудой, близкой к пороговому напряжению зажигания, одновременно подается на все строки сразу, а построчное управление производится импульсами около 20 В (несколько больше ширины петли гистерезиса). Даже после перехода к очередной строке возбужденные элементы предыдущей продолжают светиться (находиться в «верхнем» состоянии на петле гистерезиса вольт-яркостной характеристики), а значит, средняя яркость экрана оказывается гораздо более высокой. Запоминание происходит в тех случаях, когда управляющие импульсы складываются с непрерывно подаваемым U, стирание — когда эти импульсы вычитаются. Практическое использование тонкопленочных устройств с гистерезисом вольт-яркостной характеристики затруднено тем, что он пропадает через несколько десятков или сотен часов непрерывной эксплуатации. В то же время известны экраны, у которых гистерезис вольт-яркостной характеристики сохранялся более 1000 ч.

В настоящее время главной областью применения тонкопленочных электролюминесцентных излучателей являются экраны дисплеев микроЭВМ. Предполагается использование подобных индикаторов и в виде сигнальных индикаторов, световых шкал и т. д. Совмещение в одном приборе излучающих и фотопроводящих (например, CdS) пленок позволит создать преобразователи излучения и изображения, обладающие высокой разрешающей способностью и большой крутизной передаточной характеристики.

5.4. Жидкокристаллические и другие устройства

5.4.1. Жидкокристаллические приборы

Жидкий кристалл (ЖК)— это агрегатное состояние вещества, в котором оно обладает как свойствами жидкости (текучестью, вязкостью, поверхностным натяжением), так и твердого тела (анизотропией оптических и электрических параметров). Подобные свойства обусловлены, с одной стороны, тем, что оси или плоскости соседних молекул ЖК оказываются практически параллельными, но, с другой стороны, центры масс этих молекул не образуют периодической решетки, а располагаются хаотичным образом в пространстве и при этом могут свободно перемещаться.

Упорядоченность расположения соседних молекул обусловлена существованием слабых сил электрического (дипольного) взаимодействия, влияние которых становится заметным, если молекулы жидкости имеют не строго сферическую форму, а, например, вытянутую в одном направлении или, наоборот, уплощенную. Именно это и имеет место в ЖК — в большинстве случаев их молекулы имеют сигарообразную форму. Повышение температуры способствует усилению хаотического движения молекул, в результате чего их взаимная ориентация нарушается и ЖК превращается в обычную жидкость.

Различают три основные фазы ЖК: смектическую, нематическую и холестерическую. Смектическая характеризуется наибольшей упорядоченностью расположения молекул —их оси не только параллельны, но, кроме того, их центры масс лежат в одной плоскости. В результате в веществе образуются слои одинаково ориентированных молекул, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. В нематических ЖК общая ориентация осей молекул сохраняется, но центры их тяжести уже не лежат в одной плоскости, а расположены в пространстве хаотически. У холестерических ЖК оси молекул, лежащих в одной плоскости, направлены в одну сторону, однако оси молекул в соседней, параллельной плоскости повернуты относительно них на некоторый угол. Таким образом, холестерический кристалл состоит из отдельных слоев, взаимная ориентация молекул в которых монотонно меняется при переходе от слоя к слою.

ЖК являются диэлектриками (их удельная проводимость зависит от наличия примесей и обычно равна 10^–6— 10^–9 Ом^–1·м^–1), обладающими анизотропией диэлектрической проницаемости и показателя преломления. Если учесть, что ориентация молекул может меняться под действием внешнего электрического поля, становится понятно, что жидкокристаллические вещества могут быть использованы в устройствах с электрическим управлением параметрами светового луча (см. гл. 3).

Использование электрооптических эффектов лежит и в основе работы жидкокристаллических индикаторов и экранов. Отметим, что такие индикаторы являются пассивными, так как они воздействуют на внешний световой поток. В связи с этим их преимуществом являются очень малые потребляемые мощности. Очевиден и один из их основных недостатков:

при малой освещенности и в темноте они становятся неработоспособными.

Типичный жидкокристаллический индикатор (рис. 5.9) содержит два электрода, оба прозрачные, если индикатор работает на просвет (2 на рис. 5.9, а), или прозрачный 2 и зеркальный 5 (если индикатор работает на отражение — рис. 5.9, б). Электроды, между которыми располагается ЖК (3 на рис. 5.9), нанесены на стеклянные подложки 1; межэлектродный зазор создается при помощи герметизирующих прокладок 4.

Работа жидкокристаллических индикаторов основана на следующих эффектах.

При подаче на электроды напряжения, достаточного для преодоления дипольного взаимодействия между молекулами нематика, их ориентация нарушается, приобретая хаотический характер. Вследствие этого резко возрастает рассеяние света жидким кристаллом—соответствующий эффект получил название эффекта динамического рассеяния.

Преимущественную ориентацию молекул нематика можно задать, используя подложки с выделенными направлениями полировки поверхности. В частности, если в готовой ячейке подложки развернуты таким образом, что эти направления составляют угол 90°, то концы векторов , описывающих направления осей молекул ЖК, в пространстве между электродами располагаются по спирали, а ориентация молекул нематика от слоя к слою меняется так, как это показано на рис. 5.10, а. Подавая напряжение на электроды, можно разрушить эту спираль, заставив молекулы сориентироваться вдоль силовых линий электрического поля (рис. 5.10, б). Описанный эффект носит название твист-эффекта; именно он лежит в основе работы большинства выпускаемых жидкокристаллических индикаторов. Практическое использование этого эффекта основано на том, что нематик, заполняющий межэлектродное пространство, способен поворачивать плоскость поляризации проходящего сквозь него света на угол, равный углу разворота молекул между электродами. В готовой ячейке обе подложки являются одновременно и поляризаторами, оси которых взаимно перпендикулярны и совпадают с выделенными направлениями полировки, а следовательно, и с осями прилегающего слоя молекул нематика. В отсутствие электрического поля, несмотря на то, что поляризаторы являются скрещенными, свет проходит сквозь ячейку, поскольку на пути от электрода к электроду испытывает поворот плоскости поляризации. Если же на такой индикатор подать напряжение, достаточное для появления твист-эффекта, то оси молекул жидкого кристалла развернутся вдоль поля, поворота плоскости поляризации происходить уже не будет, и свет сквозь такую ячейку пройти не сможет.

В индикаторах на твист-эффекте из-за использования поляризатора и анализатора теряется свыше 50% падающего света. Кроме того, меньшим (чем у ячеек на эффекте динамического рассеяния) у них оказывается и угол обзора. В то же время такие индикаторы имеют и преимущества—они характеризуются меньшей плотностью тока через ячейку (около 3 мкА/см² вместо 10 мкА/см²), что, в свою очередь, приводит к увеличению срока их службы и снижению до 5—10 В (вместо 15—40 В) их рабочего напряжения.

Перспективными являются индикаторы на эффекте гость — хозяин. В таких индикаторах в состав жидкокристаллического вещества (хозяин) введены молекулы красителя (гость). Молекулы ЖК и красителя ориентируются в одном направлении (параллельно поверхности стекол). Свет, поляризованный вдоль этого направления, поглощается красителем и не выходит из ячейки (рис. 5.10, в). Внешнее электрическое поле, подаваемое на индикатор, поворачивает молекулу жидкого кристалла, вслед за ними поворачиваются и молекулы красителя, в результате чего свет начинает проходить через ячейку (рис. 5.10, г).

Одним из основных параметров жидкокристаллических индикаторов является яркостный контраст k_я , который обычно довольно значителен: 0,85—0,9 и выше. Контраст, однако, зависит от угла наблюдения и от приложенного напряжения. Поэтому, так же как и на другие типы индикаторов, в паспорте на такие приборы обычно указывается допустимый угол обзора и приводятся вольт-контрастные характеристики, подобные изображенным на рис. 5.11 (кривая 1—для угла наблюдения 0°, кривая 2 — 45°).

Возможности получения цветного изображения в жидкокристаллических индикаторах связаны с рядом эффектов, среди которых можно отметить уже упомянутый эффект гость—хозяин и эффект избирательного отражения света холестерическими кристаллами. Так, если в ячейке, работающей на эффект гость—хозяин, растворить сложный краситель или несколько разных, то можно добиться того, чтобы при включении напряжения менялись как интенсивность проходящего света, так и его цвет. Что касается холестерического кристалла, то при отражении света от тех плоскостей, молекулы в которых ориентированы одинаковым образом, возникает интерференция, в результате которой усиливается отраженный свет с длиной волны, равной шагу спирали холестерика. При этом такой кристалл кажется окрашенным; управляя электрическим полем шагом спирали холестерика, можно непрерывно менять цвет окраски индикатора.

К недостаткам жидкокристаллических индикаторов следует отнести то, что они плохо работают при пониженных температурах. Уменьшение Т сопровождается резким снижением быстродействия приборов (которое и так невелико и составляет обычно порядка 0,1 с), поскольку оно определяется вязкостью ЖК. Срок службы жидкокристаллических индикаторов — около 1·10⁴ ч; для его увеличения ячейки рекомендуется возбуждать переменным напряжением (при этом предотвращаются возможные электрохимические процессы).

Одним из основных преимуществ индикаторов рассматриваемого типа является малая потребляемая мощность, что способствует их широкому применению в часах, микрокалькуляторах и многих других устройствах. На основе ЖК разработаны многоэлементные экраны для отображения информации (в частности, экраны для портативных телевизоров). При этом в конструкцию экранов зачастую приходится вводить компактные источники подсветки (например, на основе гибких электролюминесцентных панелей), которые увеличивают затраты энергии на работу экрана. Кроме того, при работе в телевизионном режиме из-за значительной емкости жидкокристаллических матриц (порядка 10 мкФ/м²) довольно высокой оказывается мощность, затрачиваемая на коммутацию строк (до 1 кВт/м²).

5.4.2. Электрохромные индикаторы

К этому классу относятся индикаторы, в которых наложение внешнего электрического поля приводит к изменению цвета активного материала. В качестве веществ, меняющих свой цвет, могут использоваться триоксид вольфрама (WO₃), иридиево-оксидные пленки, ряд других неорганических оксидов, кроме того, в этих целях могут использоваться и некоторые органические вещества — виологены, биперилловые соли, некоторые жидкие кристаллы. Схематическое изображение электрохромного индикатора представлено на рис. 5.12. Слой WO₃ толщиной 0,1 — 1 мкм создается на стеклянной подложке—он наносится на прозрачный электрод (пленку In₂О₃ толщиной 0,1 —0,2 мкм), например, путем термического напыления. Поверх активного слоя напыляют слой диэлектрика (например, SiO₂ толщиной 0,05 мкм) и затем—пленочный электрод (золото, толщина пленки 0,01 мкм).

Если на прозрачный электрод такой ячейки подается отрицательный потенциал, из него в WO₃ будут инжектироваться электроны. В результате на катоде происходят реакции образования вольфрамовой бронзы и в активном слое возникают центры окрашивания: цвет пленки становится синим. Реакция образования вольфрамовой бронзы обратима: при перемене полярности питающего напряжения индикатор восстанавливает начальный цвет (инжекции электронов из пленки золота препятствует слой SiO₂). Рабочее напряжение подобных индикаторов составляет доли вольт, контраст 2:1 достигается примерно за секунду.

Важной особенностью электрохромного индикатора является наличие памяти: окраска активного слоя может сохраняться в течение многих часов, до тех пор, пока не будет подан импульс стирающего напряжения противоположной полярности. Заряд, требуемый для изменения цвета индикатора, оказывается очень малым (до 5 мКл/см² ). Таким образом, приборы этого типа являются еще более экономичными, чем жидкокристаллические.

Основные недостатки электрохромных индикаторов: инерционность (время переключения может достигать 1 с) и недостаточная долговечность. Они выдерживают не более 1·10⁷ переключений, а это означает, что если их использовать, например, в часах для высвечивания секундной цифры, то их срок службы составит не более 3000 ч. Быстродействие можно увеличить, используя в качестве активного материала не твердое вещество, а жидкость, однако срок службы при этом еще больше снижается (внутри ячейки могут происходить неконтролируемые химические реакции); слабее в последнем случае оказывается выражен и эффект памяти.

В целом, однако, электрохромные индикаторы вполне пригодны для высвечивания медленно меняющейся информации, когда отчетливее выявляются их достоинства — экономичность и высокий (не хуже, чем у жидкокристаллических индикаторов) контраст. Температурный же диапазон работы электрохромных индикаторов даже более широк (от —20 до +70°С), и вдобавок информация может считываться при больших углах обзора, чем с жидкокристаллических.

5.4.3. Индикаторы других типов

Использование технологии, разработанной для производства изделий микроэлектроники, открыло новые возможности для создания вакуумных накальных индикаторов, нагрев отдельных элементов которых — вольфрамовых нитей — позволяет высветить требуемый символ. Согласно закону Стефана — Больцмана для теплового излучения, яркость таких индикаторов определяется температурой Т (обычно Т= 1200÷1300° С) вольфрамовой нити и может достигать 10 000 кд/м², что существенно выше, чем у индикаторов других типов. Подложка, на которой расположены светящиеся нити, обычно чернится, что позволяет получать, кроме того, очень высокую контрастность изображения. Срок службы вакуумных накаливаемых индикаторов составляет 10⁴—10⁵ ч, цвет свечения — белый (применение цветных светофильтров позволяет обеспечить многоцветность при достаточно высокой яркости). Зависимость яркости от напряжения хорошо описывается выражением вида L~U⁷.

Принципиальным недостатком вакуумных накаливаемых индикаторов является их низкий к. п. д. (единицы процентов), поскольку при той температуре, которую имеет вольфрамовая нить, основная доля ее излучения принадлежит инфракрасной области спектра; невысоким оказывается и их быстродействие (1·10^–2с).

Явление электрофореза (направленного движения заряженных частиц одного цвета, взвешенных в диэлектрической жидкости другого цвета) используется в работе электрофоре-тических индикаторов. В зависимости от полярности приложенного напряжения электрическое поле перемещает частицы пигмента (чаще всего — порошка TiO₂) к одному или другому электроду ячейки. Порошок TiO₂ имеет белый цвет, в результате на прозрачном электроде появляется или исчезает светлое изображение. Типичные характеристики электрофоретических индикаторов: в элементе толщиной 50 мкм напряжение - 30 В перемещает частицы при плотности тока 1 мкА/см² приблизительно за 100 мс. Ресурс работы составляет 10⁷ — 10⁸ циклов, рабочий диапазон температур—от –15 до +50° С. Индикаторы обладают памятью (изображение сохраняется и после выключения напряжения). Подбор пигментов и диэлектрической жидкости может обеспечить большой набор сочетаний цветов. К недостаткам электрохромных индикаторов надо отнести сравнительно большое (десятки вольт) управляющее напряжение и малое (0,1 — 1 с) быстродействие.

В основе работы электролитических индикаторов лежат процессы обратимого осаждения на поверхности электрода пленки металла (пленка образуется в результате электролиза раствора, находящегося между двумя электродами, один из которых — прозрачный). При осаждении металла (как правило, серебра) образующаяся на прозрачном электроде тонкая (около 1·10^–2) пленка поглощает падающий на нее свет, в результате чего элемент отображения такой ячейки кажется темным на общем светлом фоне. Приложение напряжения обратной полярности приводит к просветлению электрода. Рабочее напряжение таких ячеек — единицы вольт, ресурс работы—около 1·10⁷ циклов, рабочий диапазон температур—от – 40° до + 60° С. Изображение может сохраняться в течение нескольких суток. В то же время индикаторы этого типа обладают сравнительно большой инерционностью (время записи и стирания составляет 0,2—1 с).

В качестве пассивных индикаторов могут использоваться электрически управляемые оптические транспаранты, описанные в п. 3.3.1 (например, на основе кристаллов KDP, DKDP, ADP ЦТСЛ-керамики и т. п.).

Ведутся работы и по созданию индикаторов, работающих на других принципах, например использующих мелкие магнитные шарики, которые в зависимости от ориентации индукции внешнего магнитного поля поворачиваются то одной (окрашенной), то другой стороной; фотохимических, в которых для записи информации используется инфракрасное излучение (оно меняет проводимость отдельных участков фоторезистив-ного слоя, тем самым регулируя скорость протекания электрохимических реакций вблизи этих участков), и т. д.

В заключение приводим сводную таблицу основных параметров некоторых типов выпускаемых индикаторов (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Основные параметры индикаторов, используемых в системах отображения информации

Типы индикаторов	Яркость, кд/м2	Цвет свечения	Время переключения, с	Управляющее напряжение, В	Расходуемая мощность на знак, мВт	Угол обзора
Активные
Вакуумные накальные	500 – 20000	Желтый	10-2 – 10–1	5	50 – 1000	±60о
Вакуумные люминесцентные	30 – 1000	Синий
		Зеленый	10–3	50 – 70	100	±45о
		Желтый
		Красный
Газоразрядные	50 – 900	Зеленый	10–4 – 10-3	70 – 300	30 – 500	±45о
		Желтый
		Красный
Светодиодные	10 – 400	Красный	10–8 – 106	1,5 – 10	10 – 700	±50о
Электролюминесцентные (порошковые)	10 – 70	Голубой
		Зеленый	10–2	115 – 220	5	±80о
		Желтый
		Красный
Пассивные
Жидкокристаллические	—	—	10–1	3 – 30	103 – 10–1	±30о
Электрохромные	—	—	10–2 – 1	0,1 – 1	10–3 – 10–1	±60о

5.5. Экраны в системах отображения информации

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

Фирма-изготовитель, страна	Марка, тип экрана	Размеры, см	Число элементов	Размер точки, мм	Цвет свечения	Яркость, кд/м2
Sharp, Япония	DSP14CH01 (электронно-лучевая трубка)	24,0 х 18,0	640 х 480	0,3	Многоцветный	400
Sanyo, Япония	LCD-558-01А (жидкокристаллический)	31,0 х 16,0	640 х 200	0,38	Черные символы на сером фоне	—
Sharp, Япония	Lj-512401 (тонкопленочный электролюминесцентный)	17,9 х 4,5	512 х 123	0,38	Желто-оранжевый	103
Sharp, Япония	LT1400 (светодиодный модуль)	5,7 х 5,7	16 х 16	0,5	Желто-зеленый	50
IBM, США	IBM-581 (газоразрядный)	34,1 х 27,3	960 х 768	0,5	Оранжевый	100
Noritake, Япония	DM256 х 256С (вакуумный люминесцентный)	15,0 х 15,0	256 х 256	0,6	Сине-зеленый	70

Список литературы

1. Свечников С. В. Элементы оптоэлектроники.—М.: Сов. радио, 1971.

2. Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника.— М.: Мир, 1976.

3. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника.— М.: Радио и связь, 1989.

4. Ярив А. Введение в оптическую электронику.—М.: Высшая школа, 1983.

5. Шарупич Л. С, Тугов Н. М. Оптоэлектроника.–М.: Энергоатомиздат, 1984.

6. Пихтин А. Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники.— М.: Высшая школа, 1983.

7. Епифанов Г. И. Физика твердого тела.— М.: Высшая школа, 1977.

8. Васильев А. М., Ландсман А. Я. Полупроводниковые фотопреобразователи.—М.: Сов. радио, 1971.

9. Полупроводниковые фотоприемники: ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра / И. Д. Анисимова, И. М. Викулин, Ф. А. Заитов, Ш. Д. Курмашев; Под ред. В. И. Стафеева.— М.: Радио и связь, 1984.

10. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 1, 2.— М.: Мир, 1984.

11. Гуторов М. М. Основы светотехники и источники света.— М.: Энергоатомиздат, 1983.

12. Деркач В. П., Корсунский В. М. Электролюминесцентные устройства.— Киев: Наукова думка, 1968.

13. Верещагин И. К. Электролюминесценция кристаллов.— М.: Наука, 1974.

14. Прикладная электролюминесценция / Под ред. М. В. Фока.— М.: Сов. радио, 1974.

15. Коган Л. М, Полупроводниковые светоизлучающие диоды.— М.: Энергоатомиздат, 1983.

16. Елисеев П. Г. Введение в физику инжекционных лазеров.— М.: Наука, 1983.

17. Электролюминесцентные источники света /И. К. Верещагин, Б. А. Ковалев, Л. А. Косяченко, С. М. Кокин; Под ред. И. К. Верещагина.—М.: Энергоатомиздат, 1990.

18. Носов Ю. Р., Сидоров А. С. Оптроны и их применение.— М.: Радио и связь, 1981.

19. Гейг С, Эванс Д., Ходапп М., Соренсен X. Применение оптоэлектронных приборов: Пер. с англ./Под ред. Ю.Р.Носова.— М.: Радио и связь, 1986.

20. Оптическая обработка информации / Под ред. Д. Касасента.— М.: Мир, 1980.

21. Гриб Б. Н., Кондиленко И. И., Короткое А. А., Цященко Ю. П. Электрооптические дефлекторы света.— Киев: Техника, 1980.

22. Шварц К. К. Физика оптической записи в диэлектриках и полупроводниках.— Рига: Зинатне, 1986.

23. Морозов В. Н. Оптоэлектронные матричные процессоры.—М.: Радио и связь, 1986.

24. Васильев А. А., Касасент Д., Компапец И, Н., Парфенов А. В. Пространственные модуляторы света.— М.: Радио и связь, 1987.

25. Утер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы.— М.: Мир, 1980.

26. Интегральная оптика/Под ред. Т. Тамира.— М.: Мир, 1978.

27. Клэр Ж.-Ж. Введение в интегральную оптику.— М.: Сов. радио, 1980.

28. Хаисперджер Р. Интегральная оптика.—М.: Мир, 1985.

29. Голубков В. Интегральная оптика в информационной технике.— М.: Энергоатомиздат, 1985.

30. Свечников Г. С. Элементы интегральной оптики.— М: Радио и связь,

31. Унгер Г. Г. Оптическая связь.—М.: Связь, 1979

32. Основы волоконно-оптической связи / Под ред М К Барноски — М.: Сов. радио, 1980.

33. Оптическая связь/Под ред. И. И. Теумина.— М.: Радио и связь, 1984.

34. Саямов Э. А. Средства воспроизведения и отображения информации.— М.: Высшая школа, 1982.

35. Яблонский Ф. М., Троицкий Ю. В. Средства отображения информации.— М.: Высшая школа, 1985.

36. Быстрое Ю. А., Литвак И. И., Персиаиов Г. М. Электронные приборы для отображения информации,—М.: Радио и связь, 1985.

37. Воротынский В. А,, Дадерко Я. К., Егоров Л. П. Надежность оптоэлектронных полупроводниковых приборов.— М.: Радио и связь, 1983.

38. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник/А. В. Баюков, А. Б. Гитцевич, А. А, Зайцев и др.; Под общей ред. Н. Н. Горюнова.— М.: Энергоатомиздат, 1987.

39. Вуколов Н. И., Михайлов А. Я. Знакосинтезирующие индикаторы: Справочник.— М.: Радио и связь, 1987.

40. Акаев А. А., Майоров С. А. Оптические методы обработки информации.— М.: Высшая школа, 1988.

41. Суэмацу Я., Катаока С, Кисино К. и др. Основы оптоэлектроники: Пер. с япон.— М.: Мир, 1988.

42. Гоида С, Сэко Д. Оптоэлектроника в вопросах и ответах: Пер. с япон.— Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1989.

43. Гроднев И. И. Волоконно-оптические линии связи.— М.: Радио и связь, 1990.

44. Гауэр Д.ж. Оптические системы связи.—М.: Радио и связь, 1989.

45. Виглеб Г. Датчики.—М.: Мир, 1989.

46. Дисплеи/Под ред. Ж. Панкова.— М.: Мир, 1982.

47. Свечников С. В. Основы оптоэлектроники.— Киев: Вища школа, 1989.

48. Ермаков О. Н., Сушков В. П. Полупроводниковые знакосиитезирующие индикаторы.—М.: Радио и связь, 1990.

49. Василевский А. М., Кропоткин М. А., Тихонов В. В. Оптическая электроника.— Л.: Энергоатомиздат, 1990.