Общие сведения о компонентах устройств отображения информации

Устройства отображения информации применяются в системах, где информацию требуется представить в форме, удобной для ви­зуального восприятия. Их основными компонентами являются приборы, обеспечивающие преобразование электрических сигна­лов в пространственное распределение яркости излучения или в распределение степени пропускания или поглощения светового излучения. С помощью этих приборов из электрических сигналов получают видимое изображение букв различных алфавитов, цифр, геометрических фигур, в том числе и объемных, различных зна­ков, сплошных или дискретных полос, длина которых однозначно зависит от значения входного сигнала, мнемосхем и пр.

Преобразовательные приборы данной группы создаются на основе активных излучающих компонентов: электронно-лучевых трубок; электролюминесцентных, газонаполненных или накалива­емых источников излучения, в которых излучающие элементы вы­полнены в виде фигур или сегментов или образуют управляемое матричное поле, а также пассивных компонентов, модулирующих световой поток: жидкокристаллических, в которых пропускание или отражение света различными участками поверхности зависит от значения электрического поля; электрохромных, в которых цвет вещества зависит от значения электрического поля; электрофоре­тических, в которых под действием электрического поля переме­щаются заряженные пигментные частицы, имеющие определен­ный цвет.

Наиболее часто применяют так называемые знакосинтезирую­щие индикаторы (ЗСИ), в которых изображения получают с помо­щью мозаики из независимо управляемых преобразователей «элек­трический сигнал — свет», и электроннолучевые трубки (ЭЛТ), на экране которых при соответствующем формировании управляю­щих сигналов можно получить любые знаки и графические объем­ные изображения.

Жидкокристаллические приборы для отображения информации

Жидкокристаллические индикаторы относятся к числу пассив­ных приборов. В основу их работы положено свойство некоторых веществ изменять свои оптические показатели (коэффициенты по­глощения, отражения, рассеивания, показатель преломления, спектральное отражение или пропускание, оптическую анизотро­пию, оптическую разность хода, оптическую активность) под влиянием внешнего электрического поля. Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, и на поверхности вещества появляется рису­нок требуемой конфигурации.

В качестве веществ, имеющих подобные свойства, используют жидкие кристаллы. Жидкокристаллическим (мезаморфным) называется термодинамически устойчивое состояние, при котором ве­щество сохраняет анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей. Это состояние имеют некоторые производные бензола, дифенила, стероидов, гетероциклических и других сложных соединений. Характерной особенностью жидкокристаллических фаз является то, что молекулы вещества имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. Они относятся к числу диэлект­риков и имеют удельное сопротивление 10⁶...10¹⁰ Ом·см.

Различают три основных типа жидких кристаллов (ЖК): смектические, нематические, холестерические.

В смектических ЖК молекулы расположены параллельно сво­им длинным осям и образуют слои равной толщины, лежащие на равном расстоянии друг над другом (рисунок 7,а). Текучесть обеспечивается за счет взаимного скольжения слоев.

В нематических ЖК оси молекул также параллельны, но они не образуют слоев и размещены хаотично (рисунок 7, б). В них наблюдается скольжение вдоль длинных осей. На разных участ­ках ориентация молекул различна и ЖК состоит из небольших областей, различающихся направлением ориентации осей. Из-за этой неупорядоченности наблюдаются оптическая неоднород­ность среды и сильное рассеивание света. Поэтому нематический ЖК мутный для проходящего и отраженного света. Однако с по­мощью внешних сил (электрического или магнитного поля) мож­но добиться оптической однородности среды и полного ее про­светления.

В холестерических ЖК молекулы расположены слоями, как в смектических, однако их длинные оси параллельны плоскостям слоев, а направление их преимущественной ориентации (называ­емое директором) монотонно меняется от слоя к слою, поворачи­ваясь на некоторый угол (рисунок 7, в). Распределение молекул имеет спиральный характер. Данные ЖК имеют большой показа­тель вращения плоскости, поляризации. Под воздействием внеш­них сил шаг спирали меняется и соответственно изменяется окраска вещества, освещенного белым светом.

Рисунок 7 –Ориентация молекул в смектических (а); нематических (б); холестерических (в) ЖК

Типовая элементарная ячейка ЖК прибора для отображения информации состоит из двух прозрачных стеклянных пластин, между которыми помещены ЖК. С внутренней стороны пластин расположены электроды. Их количество и расположение берутся такими, чтобы можно было реализовать требуемое изображение. Если ячейка работает на просвет, то электроды на обеих пласти­нах выполняются прозрачными (рисунок 8, а). При работе на отра­жение задний электрод выполняют непрозрачным (рисунок 8, б). Для работы в условиях низкой освещенности создается подсвет­ка. Для этого в ЖК-индикаторах, работающих на просвет, за зад­ней пластиной размещают источник света, а у индикаторов, ра­ботающих на отражение, источник света размещают спереди или сбоку. Индикаторы имеют форму тонкой пластины, к краям ко­торой подведены выводы электродов. Электроды выполняют в виде тонких, почти не видных на стекле токопроводящих поло­сок.

Рисунок 8 – Конструкция ЖК-индикаторов, работающих на просвет (а)

и отражение (б):1,3—стекляные пластины; 2—склеивающее соединение; 4—прозрачные электроды; 5– ЖК; 6 — непрозрачный электрод

Для подключения к схеме используют специальные панели, имеющие эластичные выступы, сделанные из электропроводящей резины. Контактирование обеспечивается за счет механического прижатия индикаторов к панелям. Отдельные конструкции имеют ленточные выводы, обеспечивающие их распайку на платах. Ши­роко распространены цифровые, буквенно-цифровые и мнемони­ческие ЖК-индикаторы сегментного типа, аналогичные показан­ным на рисунке 9. В них прозрачные электроды выполнены в виде сегментов а—ж, от которых сделаны отдельные выводы. Непро­зрачный электрод к изготавливают единым с одним выводом. При подаче напряжения на общий электрод и выбранные прозрач­ные сегментные электроды под соответствующим сегментом появ­ляется полоса, цвет которой резко отличается от окружающего фона. Сочетание этих полос образует требуемую цифру, букву или знак. Меняя сегменты, подключенные к источнику напряжения, изменяют отображаемые цифры, буквы или мнемосхемы.

Рисунок 9– Сегментный трехразрядный ЖК-индикатор, работающий на «отражение»; вид сверху (а), снизу (б), условное обозначение (в): а—ж — прозрачные электроды; к — общий непрозрачный электрод

ЖК-индикаторы просты по конструкции, дешевы, имеют низкое энергопотребление, обеспечивают хорошую контрастность изображения, которая не уменьшается при увеличении освещен­ности, хорошо совместимы с микросхемами управления. Их не­достатки: необходимость иметь подсветку при работе в темноте, узкий температурный диапазон (от -15 до +55 °С), изменение па­раметров в течение срока хранения и при работе. Область применения – экономичные устройства с цифровым, буквенным, графическим или мнемоническим отражением информации.