ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Одна из характерных особенностей электроники последних десятилетий заключается в стремлении визуализировать все воз­можные виды информации, сопровождающемся все расширяю­щимся развитием устройств отображения информации (УОИ)„ сферы применения которых исключительно разнообразны.

4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Определения. В любом устройстве отображения информации выделяются две основные функционально различные части: све- токонтрастный рохтр, непосредственно воздействующий на на­блюдателя, и схема управления, т. е. комплекс средств электрон­ного обрамления, осуществляющих необходимую обработку по­ступающей в электрической форме информации и эффективное управление светоконтрастным растром. Светоконтрастный растр входит в состав индикатора, который в наиболее общем смысле представляет собой прибор, отображающий ход процесса или со­стояние объекта наблюдения в форме, удобной для зрительного восприятия человеком. Учитывая, что единственной приемлемой формой информации на входе УОИ является электрическая, можно сказать, что индикатор — это оптоэлектронный прибор для преобразования электрических сигналов в адекватное им пространственное распределение яркости (контраста). Согласно этому определению индикатор по своему функциональному на­значению противоположен фотосчитывающему устройству.

По роду отображаемой информации все индикаторы можно подразделить на две большие группы:

знакосинтезирующие индикаторы (ЗСИ) для воспроизведения единичных точек, цифр, букв, шкал измерительных приборов, графиков, мнемосхем;

экраны для воспроизведения как перечисленной выше инфор­мации, так и подвижных картин телевизионного типа.

Экраны нередко называют дисплеями, хотя, строго говоря, это понятие объединяет экран и схемы электронного обрамле­ния. Простейший элемент ЗСИ или экрана называют знакомес­том.

Провести строгое разграничение между ЗСИ и экраном нель­зя; как правило, подчеркивается различие в их функциональном назначении: синтез знаков — в случае ЗСИ и синтез картин — в случае экрана. Количественная мера разграничения также не­определенна, хотя предполагается, что экраны содержат сущест­венно большее число знакомест, чем ЗСИ.

Для синтезирования изображения в ЗСИ используется нес­колько способов (рис. 8.1): непосредственное создание на поверх­ности растра требуемого символа, набор цифр или букв из от­дельных сегментов (сегментные индикаторы), набор требуемой информации (цифр, букв, графиков, картин и т. п.) из отдель­ных точек, размещенных па поверхности растра в виде прямо­угольной матрицы (матричные или универсальные индикаторы). В индикаторах без фиксированных знакомест (экран электронно­лучевой трубки) символы буквально «рисуются» при сканирова­нии растра возбуждающим воздействием (электронным лучом). Все принципы синтеза изображений, характерные для ЗСИ, мо­гут реализовываться и путем использования набора дискретных знакомест (например, светодиодов). Для экранов характерна матричная организация, в том числе и без фиксированных зна­комест.

Физиологические основы индикаторной техники. При выработ­ке рекомендаций инженерно-психологического характера, рас­пространяющихся на индикаторы любого вида, используют пара­метры и свойства, присущие некоторому идеализированному, ста-

Рис. 8.1. Способы синтезирования изображений в ЗСИ: а — фиксированный символ; б —сегментное представление (цифра 3); в — матричное пред­ставление (буква Т)

тистически усредненному оператору — потребителю визуальной информации индикатора.

Требование к яркости свечения изменяется в очень широких пределах в зависимости от условий работы оператора: внешней освещенности, состояния фона, наличия других излучателей, тре­бований к скорости считывания, неутомляемости при продолжи­тельной работе и т. п. Крайние значения яркости 10... 30 кд/м² в полумраке комнаты и (2... 5)•10⁴ кд/м² при прямой солнечной засветке индикатора. Очень важна равнояркость соседних эле­ментов индикатора: по закону Вебера — Фехнера (4.20) для того чтобы не «рябило», необходима равнояркость 30... 50%, а в ряде случаев и 10 ... 20 % - Напротив, при использовании индикатора для кодирования информации следует иметь в виду, что опера­тор различает не более 7—8 градаций яркости, при этом доста­точно надежно — 3—4, а абсолютно достоверно — лишь 2 (есть свет или нет). Чувствительность оператора в различных облас­тях спектра (и отсюда требования к яркости разных по цвету индикаторов) описывается кривой видности (см. рис. 4.7).

Пространственные геометрические характеристики восприни­маемых объектов (цифра, буква, элемент мнемосхемы) задаются их угловыми размерами и расположением в поле зрения. Допус­тимые (и оптимальные) углы обзора в вертикальной и горизон­тальной плоскостях 70° (30...60°) и 9СУ (50...60°). Соответствен­но оптимальным является удлиненное в горизонтальной плоскос­ти (в отношении 4:3) поле растра. Угловые размеры элементов индикатора не могут быть менее 1° (предельное разрешение), практически приемлемые значения составляют 8...20°, а для быстрого и точного восприятия 40…60°. Оптимальное отношение ширины и высоты знаков индикатора 2/3... 3/5: при этом обес­печивается наилучшее считывание.

Яркостный контраст высвечиваемых знаков дол­жен быть не менее 20%; реально же необходимо превышение 50%, а для надежного восприятия 90%.

Приведенные рекомендации по каждой величине — яркости, геометрическим размерам, контрасту — даются при ориентации на наихудшее сочетание двух остальных характеристик. Практи­чески, однако, при восприятии индикатора все факторы действуют совместно , поэтому иногда предельные требования могут быть несколько ослаблены. Инерционность человеческого зрения, закономерности, выраженные законом Тальбота, должны учитываться при построении схемы управления индикатором, в частности при выборе режима мультиплексного возбуждения.

Использование в индикаторах цветовой гаммы существенно расширяет их возможности. Во-первых, цветом можно дополни­тельно кодировать информацию, при этом наиболее различимы красный, белый, желтый, пурпурный, зеленый. Всего же в одном УОИ может сочетаться до 7—8 цветов. Цвет может служить для подчеркивания свойств объекта, например при автоматизирован­ном объемном проектировании на экране дисплея. Использование цвета оказывается важнейшим свойством индикатора при стрем­лении возбудить особое психофизическое состояние оператора, например красный цвет — символ опасности. Но главное — это достижение естественности изображения индикаторами типа те­левизионного экрана.

Генерация цветовых символов и картин должна удовлетво­рять необходимым требованиям по тональности, чистоте, насы­щенности .

Многообразие индикаторов. Существует ряд факторов, обус­ловливающих многообразие индикаторов. Во-первых, это множе­ство индицируемых обьектов: цифры и тексты, графики, гистог­раммы, мнемосхемы, двухмерные картины. Изображение может быть статическим и движущимся, резким и полутоновым, черно- белым и цветным, плоским и объемным.

Во-вторых, это широта областей применения, отличающихся друг от друга требованиями к характеристикам восприятия, ус­ловиями эксплуатации, стоимости. В частности, существенное значение при выборе того или иного индикатора имеет его сов­местимость с используемыми в УОИ схемами управления. Опре­деляющим является деление индикаторов на устройства коллек­тивного, группового и индивидуального пользования, в качестве характерных примеров могут быть названы информационное таб­ло стадиона или вокзала, экран телевизора, циферблат электрон­ных наручных часов или микрокалькулятора.

В-третьих, это преобладание методов неявной оценки качест­ва отображающих систем посредством субъективнь1х испытаний, а также те различия в зрительном восприятии, которые присущи людям.

Четвертое — решающее — обстоятельство связано с тем, что не удается найти такого единого физического принципа и конст­руктивно-технологического решения, которые могли бы удовлет­ворить совокупность требований, предъявляемых к индикаторам. Эти требования можно сгруппировать по некоторым общим приз­накам:

Качество восприятия: яркость свечения, контрастность, до­пустимый угол обзора, восприятие в темноте и на свету, мини­мальные и максимальные геометрические размеры элементов.

Цветность: возможность генерации трех основных цветов R—G—В и получения любого цвета, чистота цвета, возможность управляемой перестройки цвета свечения и создания многоцвет­ного информационного поля.

Схемы управления: способ смены знака (механический, электронный), электрическая совместимость с элементной базой микроэлектроники, форма возбуждающего сигнала (переменный, постоянный ток), напряжение, тока питания, возможность рабо­ты в мультиплексном режиме и микропроцессорного управления.

Высокая информативность — создание экранов с большим числом разложения: простота реализации многоэлементных, мат­ричных и мозаичных структур, малая потребляемая мощность, воспроизведение градаций яркости, полутонов; высокие разре­шающая способность и быстродействие элементов; простота раз­вертки (сканирования) изображения; наличие встроенной памя­ти; возможность создания экранов большой площади.

Эксплуатационные характеристики: диапазон рабочих тем­ператур, механическая прочность (вибрационная, ударная и т. п.); влагостойкость, устойчивость к проникающей ядерной радиации, долговечность, надежность, габаритные размеры и масса; плос­костность (малая толщина индикатора).

Технологичность: обеспеченность необходимыми материала­ми со стабильными свойствами; возможность использования стандартных процессов планарной технологии (эпитаксин, диф- дузии, фотолитографии, напыления и др.) и групповых методов обработки; простота применяемых деталей конструкции; малое число этих деталей и внешних выводов; отсутствие вакуумных объемов; низкая стоимость.

Данное перечисление не претендует на исчерпывающую пол­ноту, не всегда удается однозначно расположить выдвигаемые требования по степени важности. Следует указать, что и прин­цип группировки неоднозначен. Тем не менее апробация того или иного физического принципа на возможность удовлетворения сформулированным требованиям дает достаточно правильный от­вет о перспективности этого принципа при создании устройств отображении информации.

Оптоэлектронные индикаторы. Эти приборы, соответствующие функциональному назначению индикатора и удовлетворяющие концепциям оптоэлектроники в части интегрируемости, техноло­гичности, совместимости с микроэлектроникой, начали развивать­ся как альтернатива электронно-лучевым трубкам (ЭЛТ) с их принципиально неустранимыми недостатками: наличием вакуум­ного объема, громоздкостью, высоковольтностью, большой пот­ребляемой мощностью.

По физическому принципу отображения информации выделя­ют индификаторы с активным растром, в которых используется светогенерациониый эффект, т. е. преобразование электрической энергии в световую, и с пассивным растром, в которых управ­ляющие электрические сигналы модулируют внешний световой поток. В индикаторах первой группы применяются различные ви­ды люминесценции (инжекционная, газоразрядная, катодная и др.), тепловое излучение, лазерная генерация. Электрооптические эффекты, на которых основаны индикаторы второй группы, вызы­вают изменение коэффициента отражения или поглощения уча­стков растра, вращение плоскости поляризации проходящего све­та, изменение цвета поверхности и т. п. Создано большое число разновидностей индикаторов обоих типов, при этом в качестве среды светоконтрастного растра используются полупроводники (моно- и поликристаллы, порошки), металлы, керамика, жидкос­ти, газы.

Ретроспективный анализ оптоэлектронных индикаторов и оценка перспектив приводят к представлению о трех «поколени­ях» приборов, характерных для данного направления оптоэлект­роники.

Первое поколение представляют светодиоды, дискретные сег­ментные индикаторы и многоразрядные монодисплеи. Основные их разновидности — полупроводниковые, газоразрядные и жид­кокристаллические одноцветные приборы (1967—1973 гг.).

Ко второму поколению относятся плоские многоцветные ото­бражающие панели повышенной информационной емкости (до 10⁴... 10⁶ знакомест), совмещенные (электрически и конструктив­но) со схемами управления. Основные разновидности — жидко­кристаллические экраны, плазменные панели, а также электрохромные, тонкопленочные полупроводниковые, вакуумные люми­несцентные устройства. Эти изделия начали появляться с середи­ны 1970-х гг. и осваиваться промышленностью в 1980-е гг.

Третье поколение индикаторной техники составят универсаль­ные многоцветные плоские крупноформатные (более 1 м²) пане­ли сверхтелевизионной информационной емкости (более 10^е зна­комест), интегрально совмещенные с микропроцессорными схе­мами управления. Появление таких приборов для систем отобра­жения информации относится к началу 1980-х гг., в значительной степени оно основывается на физических принципах приборов второго поколения.

Приведенная сравнительная дифференциация в значительной степени условна, перечисленные качества характеризуют поколе­ние в целом, но не обязательно каждый прибор. Переход инди­каторной техники на каждый новый этап не перечеркивает дос­тижений предыдущего; практически приборы нового поколения предназначаются для новых областей применения.

Развитие оптоэлектронных индикаторов значительно потесни­ло ЭЛТ во многих системах отображения информации, однако в телевидении и дисплеях ЭВМ (основное по массовости и важ­нейшее применение индикаторов) по-прежнему используются только ЭЛТ. Это объясняется такими их преимуществами, как высокая разрешающая способность, воспроизведение большого числа градаций яркости, многоцветность, удобство растрового сканирования электронным лучом. Многочисленные прогнозы сходятся на том, что в этих областях ЭЛТ надолго сохранят свое доминирующее положение, если, конечно, в развитии оптоэлект­ронных индикаторов не произойдут качественные перемены.