ОУвРТ.Мальцев / Лекции взятые из интернета и сделаные студентами / 15Лекция 15

Лекция 15

Оптические датчики

Разнообразные возможности для построения датчиков дает оптоэлектроника. В оптической среде на основе электро-, магнито-, акусто-, механооптического или других эффектов происходит изменение параметров, воздействующее на проходящее через эту среду излучение. Это показатель преломления или поглощения, коэффициент отражения, сдвиг края полосы поглощения (эффект Келдыша-Франца), нарушение условия полного внутреннего отражения, изменения длины образца, изменение длины оптического взаимодействия двух образцов и т.п. Это ведет к модуляции излучения, проходящего через чувствительный элемент.

Условно последовательность преобразований в датчике можно представить в виде:

– возмущение (изменение)

ВВФ – внешние воздействующие факторы; ПЭ – промежуточный элемент, взаимодействующий с оптическим чувствительным элементом (ОЧЭ); И – измеритель; ФП – фотоприемник.

Возможна модуляция оптической волны по пяти ее основным характеристикам: амплитуде (интенсивности), фазе, поляризации, частоте, виду спектрального распределения. Практическое распространение получили первые три. Соответственно по виду модуляции выделяют: амплитудные, фазовые (интерференционные) и поляризационные оптические датчики.

По конструктивным признакам среди оптоэлектронных датчиков можно выделить четыре основные группы:

1. Оптопары с открытым оптическим каналом. В этом канале размещается ПЭ (или контролируемая среда), модулирующий излучение.

2. Интегрально-оптические датчики, использующие в качестве ЧЭ планарный световод, изготовленный методами интегральной оптики.

3. Оптические датчики с волоконно-оптическими связями, в которых передача оптической энергии к ЧЭ (или ПЭ) и от него осуществляется по оптическим волокнам.

4. Волоконно-оптические датчики, в которых само волокно представляет собой ЧЭ.

Различают распределенные и точечные датчики: модуляция излучения осуществляется либо на протяженном отрезке световода, либо в локальной области (точке).

Датчиками оптических сигналов и оптических полей являются уже рассмотренные дискретные и многоэлементные фотоприемники.

Физиологические основы индикаторной техники.

Чувствительность оператора в различных областях спектра (и отсюда требования к яркости разных по цвету индикаторов) описывается кривой видимости спектральной световой эффективности:

Одна из отличительных особенностей глаза заключается в способности воспринимать свет при изменениях его интенсивности в очень широком диапазоне (до 16 порядков). Приспособляемость, адаптация глаза описывается логарифмическим законом Вебер-Фехнера, связывающим физическую яркость источника L с его физиологическим ощущаемым раздражением L_ФЭл

; – константы.

Абсолютный порог зрительного ощущения (по освещенности на зрачке) около , тогда как нормальная освещенность составляет 50…250 лк. Одновременно человек различает до 8…10 градаций яркости, однако для надежного восприятия информации, передаваемой изменением яркости, лучше всего использовать 2 градации (свет-темнота).

Темновая адаптация глаза (переход от яркого света к темноте) требует не менее 20 минут, тогда как световая адаптация происходит быстрее, за несколько минут.

При частоте световых посылок более 15 Гц глаз перестает ощущать мерцание.

Восприятие объекта определяется не только его яркостью, но и контрастом , где , – яркости источника и фона.

Практически важна не столько величина , сколько ее превышение над пороговым контрастом, который для среднего глаза близок к . Надежное выделение объекта из фона требует, чтобы .

Пространственные характеристики зрения определяются следующим:

Полные углы обзора неподвижным глазом составляют по горизонтали и по вертикали, а зоны максимального разрешения и 15 соответственно (отсюда и выбор формата кино- или телеэкрана с отношение сторон ).

Предельная разрешающая способность глаза приблизительно (т.е. различение на расстоянии 10м двух штрихов, разделенных промежутком 3мм). Для быстрого и безошибочного восприятия угловые размеры объекта должны быть не менее . Расстояние наилучшего видения мелких предметов составляет ; крупные объекты должны быть удалены от глаза на расстояние не менее в 3-4 раза превышающее наибольший линейный размер объекта.

Нетренированный человек различает не менее 150 оттенков цвета, художник до 4…5 тыс. Наиболее полные художественные атласы содержат до 10 миллионов оттенков.

Наилучшей цветоразличительной способностью обладают шесть основных цветов: белый, черный, красный, желтый, насыщенный зеленый и синий. Именно столько цветов может использоваться для кодировки информации, в противном случае надежность считывания падает.

Неподвижные объекты лучше всего воспринимаются при высокой чистоте цвета, движущиеся объекты во избежание смазывания, напротив, должны быть выполнены в малонасыщенных цветовых оттенках.

При создании оптоэлектронных приборов отображения информации, должны приниматься меры к тому, чтобы они работали вдали от порогов по яркости, контрастности, углу обзора, цветовой гамме. Лишь тогда достигается быстрое, надежное, неутомляющее восприятие информации.

Многообразие индикаторов.

Существует ряд факторов, обуславливающих многообразие индикаторов:

1. Множество индуцируемых объектов: цифры, тексты, графики, гистограммы, мнемосхемы, двухмерные картины. При этом изображение может быть статическим или движущимся, резким и полутоновым, черно-белым и цветным, плоским и объемным.

2. Широта областей применения, отличающихся друг от друга требованиями к характеристикам восприятия, условиями эксплуатации, стоимости. Определяющим здесь является деление индикаторов на устройства коллективного или индивидуального пользования.

3. Преобладание методов неявной оценки качества отображающих систем посредством субъективных испытаний, а также те различия в зрительном восприятии, которые присущи людям.

4. Решающее обстоятельство связано с тем, что не удается найти такого единого физического принципа и конструктивно-технического решения, которые могли бы удовлетворить совокупность требований:

• 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-B и получения любого цвета, чистота цвета, возможность управляемой перестройки цвета свечения и создания многоцветного информационного поля;

• Схемы управления: способ смены знака, электрическая совместимость с элементной базой микроэлектроники, форма возбуждающего сигнала, 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 разрешающие способность и быстродействие элементов; простота развертки (сканирования) изображения; наличие встроенной памяти; возможность создания экранов большой площади.

5. 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).

6. Технологичность: обеспеченность необходимыми материалами со стабильными свойствами; возможность использования стандартных процессоров планарной технологии и прочих методов обработки; простота применяемых деталей конструкции и их малое число; отсутствие вакуумных объемов; низкая стоимость.

Оптоэлектронные индикаторы. Выделяют индикаторы с активным растром, в которых используется светогенерационный эффект, т.е. преобразование электрической энергии в световую, и с пассивным растром в которых управляющие электрические сигналы модулируют внешний световой поток. В индикаторах 1-ой группы применяются различные виды люминесценции (инжекционная, газоразрядная, катодная и др.), тепловое излучение, лазерная генерация.

Электрооптические эффекты, на которых основаны индикаторы 2-й группы вызывают изменение коэффициента отражения, поглощение участков растра, вращение плоскости поляризации проходящего света, изменение цвета поверхности и т.п.

Выделяют три поколения оптоэлектронных индикаторов:

1. Светодиоды, дискретные сегментные индикаторы и много разрядные монодисплеи. Основные их разновидности – полупроводниковые, газоразрядные и жидкокристаллические одноцветные приборы.

2. Плоские многоцветные отображающие панели повышенной информационной емкости (до 10⁴…10⁶ знакомест), совмещенные (электрически и конструктивно) со схемой управления. Основные их разновидности – жидкокристаллические экраны, плазменные панели, электрохромные, тонкопленочные, полупроводниковые, вакуумные, люминесцентные устройства.

3. Универсальные многоцветные плоские крупноформатные (более 1 м²) панели сверхтелевизионной информационной емкости (более 10⁶ знакомест), интегрально совмещенные с микропроцессорными схемами управления.

Однако, несмотря на высокие достижения в развитии индикаторной техники, по прежнему в телевидении и дисплеях ЭВМ используются ЭЛТ. Это объясняется такими их преимуществами: высокая разрешающая способность, многоцветность, удобство растрового сканирования электронным лучом, налаженность технологии производства и их низкая стоимость.

Полупроводниковые индикаторы (ППИ). Физической их основой является инжекционная электролюминесценция. (Как известно введение через эл-дыр. переход дополнительных носителей зарядов называют инжекцией).

ППИ нашли широкое применение главным образом в портативной электронной аппаратуре благодаря сочетанию ряда полезных качеств:

• Возможность перекрытия значительной части видимого диапазона спектра (от красного до зеленого), при этом генерируются практически спектрально-чистые цвета;

• Полная совместимость ППИ с ИМС;

• Высокая эксплуатационная надежность и долговечность.

Типовым представителем ППИ являются 8-разрядные индикаторы для калькуляторов в виде отдельной ИМС.

Важнейший принципиальный недостаток ППИ на монокристаллических полупроводниках – их бесперспективность для создания крупноформатных многоэлементных экранов.

ЖКИ. Физическую основу работы составляют электрооптические эффекты в жидких кристаллах. ЖКИ относятся к индикаторам с пассивным растром.

Жидкокристаллическое состояние характеризуется одновременным сочетанием свойств жидкости (текучесть) и кристалла (анизотропия свойств). Такое состояние характеризуется точкой кристаллизации T_кр. И точкой превращения в однородную жидкость T_ж. У многих веществ интервал T_кр…T_ж составляет десятки градусов, благодаря чему и стало возможным исследование этого состояния вещества.

Имеется три основных структурных разновидности ЖК: смектическая, нематическая, холестерическая.

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

В ЖКИ используются преимущественно нематические ЖК, для которых характерны следующие особенности:

• Молекулярные взаимодействия очень слабы, поэтому структура легко меняется под влиянием внешних воздействий;

• Вязкость ЖК незначительна, поэтому переориентация происходит за короткое время;

• Имеет место оптическая и электрическая анизотропия; значения показателей преломления и диэлектрической проницаемости в направлениях вдоль больших осей молекулы и перпендикулярно им разные. Соответственно различают положительную и отрицательную диэлектрическую анизотропию: при приложении электрического поля молекулы ЖК ориентируются вдоль поля (+), либо поперек него (-);

• Сильная анизотропия свойств и возможность перестройки структуры проявляется в ряде электрооптических эффектов.

Первым эффектом, использованным в ЖКИ стал эффект динамического рассеяния. Если к слою слабопроводящего ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией приложить электрическое поле, то молекулы ориентируясь поперек поля, начинают входить в состояние беспорядочного колебания молекул из-за потоков ионов. Внешне это проявляется как помутнение.

Твист-эффект наблюдался в слое ЖК, подвергнутом специальной технологической обработке. 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 ЖК ориентация молекул постепенно меняется от верхней граничной ориентации к нижней.

Если к такой ячейке приложить электрическое поле, то при условии положительной диэлектрической анизотропии ЖК все молекулы сориентируются вдоль поля, эффект скручивания пропадет и изменения поляризации света не будет. Твист-эффект, в отличие от эффекта динамического рассеяния является чисто полевым, а не токовым. Это дает существенный выигрыш в энергопотреблении. Кроме того, при Твист-эффекте существенно больше углы обзора и выше разрешающая способность.

Эффект “гость-хозяин” проявляется в таких слоях ЖК нематического материала с положительной диэлектрической анизотропии, легированного примесями красителя. В отсутствие поля смесь гомогенна и эффективное поглощение поляризованного света комплексом молекул 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). Цветность 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 среду. 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 состояние сохраняется достаточно долго (запоминаются), благодаря чему не требуется регенерации изображения, что в конечном счете упрощает схему управления, стирание непрозрачного состояния осуществляется путем пропускания дополнительного тонового импульса локального нагрева.

Устройство ЖКИ достаточно простое:

1-поляроидные пласты, 2-прозрачные электроды, 3-ограничитель фиксатор, 4-стеклянные обкладки.

Между двумя стеклянными обкладками находится слой ЖК.

К достоинствам ЖКИ относятся малая потребляемая мощность (до 10 мкВт/см²), низкое напряжение возбуждения (2…20 В) и, как следствие, совместимость с МДП – микросхемами, высокий контраст в условиях сильной внешней засветки, простота реализации и малых (1,5…3 мм) и больших (до 500 мм) знаков, панельная плоская конструкция, широкий выбор исходных ЖК, простота технологического процесса.

К числу недостатков ЖКИ относятся: узкий диапазон рабочих температур (обычно комнатная температура), сложность мультиплексного режима работы (из-за относительно медленной переориентации молекул), необходимость внешней засветки, небольшой угол обзора.