Лекция 17 Оптоэлектронные средства отображения информации

Общая характеристика

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.

Для синтезирования изображения в ЗСИ используется несколько способов (рис. 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.

Рис. 1. Способы синтезирования изображений в ЗСИ:

а — фиксированный символ; б — сегментное представление (цифра 3); в — матричное представление (буква Т)

Знакосинтезирующие индикаторы

Полупроводниковые индикаторы (ППИ).

Физической основой ППИ является инжекционная электролюминесценция, наиболее характерно проявляющаяся в прямозонных тройных соединениях GaAsP и GaAlAs и в непрямозонном GaP.

Разработаны и успешно используются несколько конструкций полупроводниковых индикаторов (рис. 2). В миниатюрном монолитном индикаторе сегменты создаются методом фотолитографии на GaAsP-кристалле с типичным размером 2x3 мм. Наборы таких кристаллов образуют индикаторы электронных наручных часов. Широко распространена гибридная конструкция, в которой каждый сегмент представляет собой отдельный излучающий кристалл; все сегменты монтируются на керамическое основание и опрессовываютея пластмассой. Высокая яркость свечения светодиодных кристаллов позволяет использовать различные способы увеличения изображения: в многоразрядных монолитно-гибридных индикаторах для этой цели служит пластмассовая моноблочная линза; в конструкции со световодами кристаллы помещают в основании конически расширяющихся прорезей в пластмассовом основании. Крупноформатные полупроводниковые индикаторы группового пользования (с размерами цифр около 100 мм) набирают из дискретных светодиодов с увеличенной площадью свечения каждого.

Рис. 8.2. Полупроводниковые индикаторы:

а — монолитный бескорпусиой (А1 — контактная металлизация; р — светящиеся р-области; я — кристалл GaAsP); б —внешний вид и разрез 8-разрядного монолитио-гибри ного индикатора для калькуляторов (7 — металлизированная плата; 2— кристалл с семисегментным рисунком; S— полимерная моноблочная крышка с линзами); в — внешний вид и разрез гибридного индикатора (/ — кристалл-светодиод; 2 — пластмассовый корпус со светопроводами)

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ).

Физическую основу этих приборов составляют электрооптические эффекты в жидких кристаллах (ЖК), иными словами, ЖКИ относятся к индикаторам с пассивным растром. Жидкокристаллическое состояние (трактуемое как четвертое агрегатное состояние вещества) характеризуется одновременным сочетанием свойств жидкости (текучесть) и кристалла (анизотропия свойств).

Имеется три основных структурных разновидности ЖК: смектическая, нематическая, холестерическая; для них характерно то, что молекулы имеют сильно вытянутую конфигурацию и в равновесном состоянии появляется тенденция к ориентации этих молекул вдоль какого-то преимущественного направления (рис. 3).

В смектических ЖК молекулы располагаются параллельно их длинным осям и образуют в жидкости чередующиеся слои с толщиной в длину молекулы. В нематическом ЖК центры этих молекул расположены хаотично, так что слои не образуются. В холестерических ЖК молекулы также группируются в слои, причем их оси лежат в плоскостях этих слоев. Внутри каждой плоскости ориентация всех молекул одинакова, а само направление этой ориентации постепенно изменяется от слоя к слою, поворачиваясь на некоторый угол.

Рис. 3. Схематическое расположение молекул жидкого кристалла нематической (а), смектической (б), холестерической (е) структур	Рис. 4. Эффект динамического рассеяния в жидком кристалле: а — исходное состояние; б—ориентации молекул поперек поля при малом приложенном напряжении; в — возникновение турбулентности при большом напряжении

В индикаторах используются практически только нематические ЖК.

Исторически первым эффектом, использованным в ЖКИ, стал эффект динамического рассеяния (рис. 4). Если к слою слабопроводящего ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией приложить электрическое поле, то молекулы ориентируются поперек поля, а поток ионов стремится нарушить эту ориентацию. При некоторой плотности тока проводимости возникает состояние турбулентности (беспорядочного колебания молекул), разрушающее ранее упорядоченную структуру ЖК и внешне проявляющее как помутнение.

Твист-эффект наблюдается в слое ЖК, подвергнутом специальной предварительной технологической обработке (рис. 5).

Рис. 5. Твист-эффект в жидких кристаллах: расположение больших осей молекул вблизи границ при отсутствии (а) и приложении (б) электрического поля

В зазоре между двумя стеклянными пластинами различными способами достигают «скручивания» структуры ЖК, т. е. такого расположения молекул, когда их большие оси параллельны ограничивающим поверхностям, а направления этих осей вблизи пластин взаимно перпендикулярны. В толще жидкости ориентация молекул постепенно меняется от верхней граничной ориентации к нижней.

Эффект «гость — хозяин» проявляется в тонких слоях нематического ЖК (с положительной диэлектрической анизотропией), легированного примесями красителя (рис. 6).

Рис. 6. Эффект «гость — хозяин»:

а — ориентация молекул в отсутствие поля (1 — молекула красителя; 2 — металлические контакты; 3 — стеклянные пластины; 4 — поляризатор; 5 — молекула ЖК); б — ориентация молекул после приложения напряжения; в, г — спектры поглощения в невозбужденном и возбужденном состояниях

В отсутствие поля смесь гомогенна и эффективное поглощение поляризованного' света комплексом молекула нематика («хозяина») — молекула красителя («гость») придает слою окраску, характерную для красителя. Приложение поля изменяет ориентацию молекул нематика так, что поглощение света ослабевает и слой становится бесцветным (или слабо окрашенным). Ценность данного эффекта для ЖКИ заключается в возможности отображения цветных изображений, причем свобода в выборе цвета практически безгранична.

Термооптический эффект фазового перехода заключается в следующем. Пропускание импульса тока через определенный участок ЖК смектического типа приводит к его локальному нагреву и переходу в изотропную или беспорядочно ориентированную фазу. Во время последующего резкого охлаждения (после прекращения импульса) при переходе через некоторую температуру ЖК приобретает нематическую структуру, при этом ориентация его молекул оказывается чувствительной к воздействию электрического поля: охлаждение в присутствии поля возвращает вещество в прозрачное состояние, охлаждение без поля — в сильно деформированную непрозрачную текстуру. И то, и другое состояния сохраняются достаточно долго (запоминаются), благодаря чему не требуется регенерации изображения, что в конечном счете упрощает схему управления. Стирание непрозрачного состояния осуществляется путем пропускания дополнительного токового импульса локального нагрева. Эффект интересен наличием памяти, что играет решающую роль при организации схем управления большими экранами.

Рис.7. Устройство ЖКИ: 1 — поляроидные пластины; 2 — прозрачные электроды; 3 — ограничитель-фиксатор; 4— стеклянные обкладки

Устройство ЖКИ достаточно простое (рис. 7): кроме двух стеклянных пластин, между которыми помещен слой ЖК, в конструкцию входят элементы герметизации, пленочные прозрачные электроды, определяющие конфигурацию отображаемых фрагментов, внешние выводы, пластины поляризатора и анализатора (когда это необходимо). Чаще всего ЖКИ работают на отражение, иногда — на просвет.

Вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ).

Физической основой работы этих приборов служит явление низковольтной катодолюминесценции (НВК), т. е. свечение люминофора при его бомбардировке медленными электронами (с энергией до 100 эВ). В отличие от высоковольтной катодолюминесценции хорошо изученной и широко используемой в ЭЛТ, при НВК электроны тормозятся и поглощаются в тонком поверхностном слое.

Образовавшиеся свободные носители стекают в глубь люминофора, поэтому процесс их рекомбинации идет так же, как при высоковольтной катодолюминесценции (спектры излучения практически совпадают).

Устройство ВЛИ традиционно для электровакуумных приборов (рис. 8). В цилиндрическом или плоском вакуумном баллоне монтируется керамическая плата, на которой размещены контактные площадки (в форме сегментов) с пленкой люминофора.

Рис. 8. Устройство одноразрядного вакуумного люминесцентного индикатора :

1 — плата; 2, 7 — проводящие слон; 3 —вывод: 4 — .люминофор: 5 — экранирующий электрод; 6 — сетка; 8 — катод

Иногда на той же плате располагается управляющая МДП-микросхема. Эмиссия электронов осуществляется прямонакальным оксидным катодом, их ускорение — положительным напряжением на управляющей сетке. Вакуумные люминесцентные индикаторы выпускаются в виде одно- или многоразрядных цифровых и буквенных индикаторов, линейных шкал, специализированных экранов средней информационной емкости.

Газоразрядные индикаторы используют люминесценцию газового разряда. Основу любого прибора этого класса составляет элементарный газоразрядный промежуток (рис. 9), заполняемый обычно неоном (оранжевое свечение), а иногда гелием (желтое), аргоном (фиолетовое) или другими газами и их смесями. Используется и двойное преобразование энергии: например УФ-излучение разряда в ксеноне, воздействуя на фотолюминофор, вызывает свечение в видимой области. При возбуждении разряда постоянным током имеет место нежелательное распыление материала катода, поэтому более перспективна работа на переменном токе.

В газоразрядных ЗСИ используется как пакетная конструкция (баллон, содержащий набор из десяти изолированных катодов, фиксированно высвечивающих разные цифры), так и более современная — сегментная. Зажигание и поддержание газового разряда требует высокого напряжения (до сотен вольт), приборы сложны и громоздки, отличаются невысокими эргономическими свойствами. Практически газоразрядные ЗСИ используются в устаревшей аппаратуре, в новых разработках их полностью вытеснили ВЛИ. Лишь создание крупноформатных плоских экранов с газоразрядным свечением открыло перед этим направлением новые широкие перспективы.

Рис. 9. Газоразрядный промежуток с внутренними (а) и внешними (б) электродами и его условное обозначение (е): 1 — диэлектрик; 2 — металл; 3 — газовая среда

Электрохромные индикаторы (ЭХИ) нередко рассматриваются как возможная альтернатива ЖКИ. Основа их действия — электрохромный эффект, т. е. обратимое изменение цвета материала при протекании электрического тока, проявляется в одной из двух форм (рис. 10). В тонкопленочной структуре на основе трехокиси вольфрама при подаче на верхний электрод отрицательного напряжения в электрохромный материал инжектируются электроны и в нем возникают центры окрашивания: цвет пленки становится густо-синим. При перемене полярности слой диэлектрика препятствует инжекции электронов снизу и ранее введенные электроны экстрагируются анодом — окраска исчезает.

Рис. 10. Ячейки электрохромных индикаторов:

а — тонкопленочиого (1 — стеклянная подложка; 2 —прозрачный электрод; 3 — трехокись вольфрама; 4 — диэлектрик; 5 — непрозрачный электрод); б —с фиологенной средой Ц — активная пленка; 2—прозрачные электроды; 3 — изолятор; 4— керамическая прокладка; 5 — электролит; 6 — стеклянные подложки)

Экраны

Исторически первым шагом при создании оптоэлектронных экранов явилась разработка газоразрядных индикаюрных панелей (ГИП), называемых также плазменными панелями. Основу конструкции такой простейшей панели (рис. 11) составляет центральная мозаичная пластина, служащая для изоляции разрядных промежутков друг от друга. Расстоянием между соседними ячейками определяется разрешающая способность экрана (обычно 10... 20 лин./см). Электроды к ячейкам выполняются в виде системы двух взаимно ортогональных проволочных и тонкопленочных наборов. Схемы управления располагают на задней стороне панели.

В некоторых разновидностях ГИП, преимущественно малой и средней информационной емкости, используется принцип самосканирования. Для этого в центральной пластине делают специальные отверстия, соединяющие определенным образом соседние ячейки. Тогда зажженное состояние, созданное в одной ячейке, последовательно перемещается по всем ячейкам данной строки. Изготавливают панели постоянного и переменного тока, причем последние получили большее распространение из-за меньшего напряжения зажигания разряда, наличия внутренней памяти в ячейках, большей долговечности.

Рис. 11. Устройство плазменной панели переменного тока:

Я — защитная пленка; 2 — центральны!! диэлектрик с ячейками; 3 — системы верхних и нижних электродов; 4 — стеклоцемент; 5 — стеклянные пластины; 6 — внешний вывод- 7 —фиксатор; 8 — штенгель

Наибольшие успехи в создании плоских ТВ-экранов достигнуты при использовании жидких кристаллов. Основная причина этого - - малая потребляемая мощность, что позволяет резко упростить схемы управления; кроме того, ЖК-экраны конструктивно просты, мало чем отличаются от элементарной ячейки (см. рис. 7). Созданы промышленные образцы черно-белых и цветных портативных телевизоров с ЖК-экранами.

В схеме управления широко распространено напыление тонкопленочных транзисторов на основе селенида кадмия CdSe. Преимуществом этого материала по сравнению с кремнием является более высокая подвижность носителей заряда и соответственно большая тактовая частота регистров сдвига в схеме развертки. Фрагмент такого интегрированного экрана представлен на рис. 12. Использование интегрированных экранов исключает необходимость мультиплексирования благодаря элементам локальной памяти. Тем самым преодолеваются основные трудности возбуждения жидкого кристалла, что в конечном итоге упрощает решение проблем передачи полутонов и обеспечения цветности.

Рис. 12. Фрагмент интегрированного жидкокристаллического экрана:

1 — общий электрод; 2 — жидкий кристалл; 3 — диэлектрик; 4 — изолятор мест пересечения; 5 — запоминающий конденсатор; 6 — выходная контактная площадка; 7 — электрод стока; S — селевид кадмия; 9 — электрод затвора; 10 — поляризатор; 11— стеклянные пластины; 12, 13 — диффузный отражатель

Матричные экраны средней информационной емкости (до 10⁴... 10⁵ знакомест) изготовлены на основе НВК, электрохромных эффектов, электролюминесценции в порошковых люминофорах. В этих устройствах в основном повторяются достоинства и недостатки соответствующих ЗСИ.

Реальным решением проблемы деградации явилось создание тонкопленочных индикаторов переменного тока (рис. 13). Здесь активный слой полупроводника «зажат» между двумя диэлектрическими слоями и не взаимодействует с металлическими электродами.

Рис. 13. Фрагмент тонкопленочного полупроводникового индикатора переменного тока:

1 — сегментный электрод; 2,4 — диэлектрик; 3 — полупроводник; 5 — общий прозрачный электрод; 6 — стеклянное основание

Успехи в развитии оптоэлектронных экранов привели к новым идеям в традиционной ЭЛТ-технике: создан ряд конструкций плоских кинескопов. В одном из них (рис. 14,а) специальное отклоняющее устройство изгибает траекторию луча; в другом (рис. 14,6) сканирующая и возбуждающая функции электронного луча разделены — для возбуждения используется микроканальная пластина; на рис. 14,в гибридно объединены элементы ГИП и ЭЛТ.

Рис. 14. Плоские ЭЛТ-индикаторы:

а —с искривленным электронным лучом (1 — люминофор; 2 — электронный луч: 3 — отклоняющая система; 4 — направление наблюдения); б —с мнкроканальным умножением (У— поворачивающая линза; 2 — электронный луч; 3 — микроканальная пластина; 4 — отклоняющая система- 5 — электронная пушка); в —с газовой плазмой (/ — область газового разряда; 2 —катод; 3 — люминофорный экран; 4 — область электронного потока; 5 — управляющий матричный электрод)