98

6. Элементы оптоэлектроники

6.1. Основы использования электронных приборов в оптическом диапазоне

При построении современных электронных, вычислительных и информационных систем одной из важнейших является задача представления информации в виде, наиболее удобном для непосредственного восприятия наблюдателем. Оперативно получаемая информация дает возможность человеку-оператору непосредственно следить за работой системы, контролировать ее функционирование и активно вмешиваться в ее работу. Из всех органов чувств человека наиболее восприимчивым и способным перерабатывать наибольшее количество информации в единицу времени является зрение. Поэтому требуемую информацию выгодно представлять в виде зрительных образов. Оптические устройства, предназначенные для отображения информации, носят название устройств визуального отображения информации(УВОИ). К подобным устройствам относят экраны телевизионных приемников и мониторов ЭВМ, циферблаты электронных часов и калькуляторов, шкалы цифровых измерительных приборов и т.д.

Чтобы создавать и правильно эксплуатировать УВОИ, необходимо иметь представление об особенностях восприятия зрительных образов человеком. В первую очередь, следует иметь в виду, что диапазон частот световых волн, воспринимаемых глазом, относительно невелик. Большинство людей воспринимают колебания с длиной волны от 0,35 мкм (фиолетовый цвет) до 0,75 мкм (красный цвет). Глаз обладает максимальной чувствительностью в области длины волны 0,55 мкм (желто-зеленый цвет), поэтому, например, электронно-лучевые трубки для осциллографов делают преимущественно с люминофором желто-зеленого свечения.

Важными при проектировании УВОИ являются пространственные характеристики глаза.

Острота зрения(разрешающая способность) – минимальный угол, при котором две точки видны как раздельные. Пределом разрешающей способности глаза считается угол, равный одной угловой минуте. При определенных условиях можно различать и более мелкие детали.

Поле зренияопределяется при фиксированном взгляде как пространство, в пределах которого возможна проекция изображения на сетчатку глаза.Поле зрения в свою очередь подразделяют на зону центрального зрения(47), где возможно наиболее четкое различение деталей изображения;зону ясного видения(3035), где при неподвижном глазе можно опознать предмет без различения мелких деталей;зону периферического зрения(7590), где предметы обнаруживаются, но не опознаются.

Глаз является достаточно инерционным органом. Если рассматривать источник, яркость которого периодически меняется, то при частоте мерцания выше некоторой частоты, называемой критической частотой мерцания, глаз начнет воспринимать мерцающий источник как источник постоянного света. Для каждого глаза эта частота индивидуальна, зависит от яркости и размеров объекта и обычно лежит в пределах от 20 до 50 Гц.

Помимо яркости, глаз человека реагирует и на цвет изображения. Цветоощущениеобъясняется тем, что в сетчатке глаза человека есть светочувствительные элементы двух типов – палочки и колбочки. Палочки значительно более чувствительны, но воспринимают изображение как черно-белое. Колбочки имеют более низкую чувствительность, но в сетчатке есть три типа колбочек: красно-, сине- и зеленочувствительные – и их суммарный отклик вызывает ощущение любого цвета. Наличие палочек и колбочек определяет свойство глаза не различать цвета при малой яркости объекта. Вспомните пословицу: «Ночью все кошки серы». Отсюда необходимость высокой яркости для хорошего цветоощущения.

Свойства органа зрения человека обязательно учитываются при конструировании реальных УВОИ. Например, экран дисплея с диагональю 48 см с расстояния 0,5 м рассматривается оператором под углом 30по горизонтали и 28по вертикали (зона ясного видения). Если при этом экран организован из 1280 на 1024 пикселов (цветовых точек), то каждый пиксел рассматривается под углом около двух угловых минут (предел остроты зрения). Каждая цветовая точка изображения на экране дисплея образуется комбинацией из трех монохромных точек (RGB– красной, зеленой, синей) – цветоощущение, а все изображение регенерируется (обновляется) по крайней мере 50 раз в секунду (учет критической частоты мерцаний).

Использование оптических устройств в системах отображения информации – это только одно (не главное) направление их применения. Основным применением оптических методов в современной электронике стало их использование непосредственно для хранения, передачи и обработки информации. Использование оптических методов в электронике привело к возникновению в электронике нового раздела – оптоэлектроники.

Оптоэлектроника– это раздел науки и техники, изучающий как оптические, так и электронные явления в веществах, их взаимные связи и преобразования, а также приборы, схемы и системы, созданные на основе этих явлений. В отличие от устройств обычной электроники, где передача сигналов осуществляется с помощью электронов или дырок, в оптоэлектронных устройствах передача информации осуществляется с помощью электрически нейтральных фотонов. Это обеспечивает некоторые принципиальные преимущества оптоэлектронных систем:

1. высокую информационную емкость оптического канала, обусловленную тем, что частота световых колебаний (10¹³ 10¹⁵ Гц) в 10³10⁵раз выше, чем в освоенном диапазоне радиоволн;

2. большую плотность записи информации (до 10⁶бит/мм²), так как малое значение длины волны света обеспечивает возможность фокусировки луча лазера на площадке в 1 мкм²;

3. высокую помехозащищенность каналов связи и отсутствие взаимных наводок, так как оптическое излучение невосприимчиво к воздействию электромагнитных полей;

4. практически идеальную гальваническую развязку цепей;

5. однонаправленность передачи сигнала и отсутствие обратного воздействия приемника на источник информации, что существенно упрощает проектирование оптоэлектронных систем.

Элементную базу оптоэлектроники составляют оптоэлектронные приборы, использующие для своей работы электромагнитное излучение оптического диапазона. В оптоэлектронике используются колебания с длинной волныот 1 мм до 1 нм. Этот диапазон существенно превышает диапазон волн видимого света за счет использования ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра.

Плоскопараллельный монохроматический луч света, т.е. луч, электромагнитные колебания в котором происходят с одной строго постоянной частотой, может быть описан уравнением

, (6.1)

где – вектор напряженности электрического поля волны;

– единичный вектор, характеризующий направление поляризации;

– амплитуда;

n – показатель преломления среды;

с – скорость света в вакууме;

x– координата в направлении распространения луча.

Уравнение (6.1) описывает идеальное монохроматическое излучение, которое на практике недостижимо. Излучение реальных источников занимает определенный интервал оптического диапазона, характеризуемый шириной спектраизлучения.

Если генерация электромагнитных колебаний происходит в атомах вещества независимо друг от друга, то параметры колебаний, генерируемых различными атомами, могут существенно различаться. Такое излучение называется естественным илинекогерентным. В тех случаях, когда наблюдается согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени или в одной и той же точке пространства в различные моменты времени, говорят опространственнойиливременной когерентностисоответственно.

Абсолютно когерентным является монохроматический точечный источник излучения, однако с помощью лазеров удается получить направленное излучение с высокой степенью когерентности. В связи с этим в оптоэлектронике выделяют два направления: когерентную оптоэлектронику, основанную на использовании лазеров, и некогерентную оптоэлектронику, которая использует естественные источники излучения.

Элементная база современной оптоэлектроники включает в себя следующие группы приборов:

1. источники излучения (лазеры, светодиоды и др.);

2. приемники излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и др.);

3. оптроны и оптоэлектронные микросхемы;

4. приборы для отображения информации;

5. оптические каналы связи;

6. оптические устройства хранения и обработки информации.

В последующих параграфах приборы каждой из этих групп будут рассмотрены подробно.