Реферат: Методы и средства отображения информации
Широкое распространение для целей индикации получило использование в жидких кристаллах так называемого «твист-эффекта». В ячейке, получаемой в результате заполнения жидкокристаллическим веществом полости между двумя стеклянными пластинками, на внутренней поверхности которых нанесены прозрачные электроды (рис. 13.), ориентация молекул постепенно меняется от верхнего слоя к нижнему. Это достигается с помощью определенной технологии изготовления ячейки. При наложении электрического поля молекулы раскручиваются и ориентируются в направлении вектора напряженности электрического поля. Фаза света при прохождении через ячейку в этом случае не меняется. Помещая на входе и выходе ячейки пленочные поляризаторы, обеспечивают блокировку света определенной фазы и пропускание его при повороте плоскости поляризации на 90°. Тем самым задаются включенное и выключенное состояния приборов. Малая потребляемая мощность, плоскостность конструкции и невысокая стоимость делают жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) одним из самых удобных средств отображения знаковой информации в малогабаритных электронных устройствах (часы, калькуляторы, измерительные приборы и пр.). Однако широкое применение этих индикаторов ограничено рядом принципиальных недостатков. Отметим среди них относительно невысокий коэффициент контраста (не более 20 в лучших образцах). Этот коэффициент значительно падает при отклонении утла наблюдения от нормали (обычно допустимый угол обзора не превышает 45°). Жидкокристаллические приборы очень инерционны, время их переключения составляет десятки и даже сотни миллисекунд и зависит от температуры.
Рис. 13. Конструкция жидкокристаллического индикатора:
1 – прозрачные электроды; 2 – жидкокристаллическое вещество; 3 – стеклянные пластины; 4 – герметизирующая рамка
Серийно выпускаемые ЖКИ выполнены в виде единичных знаковых модулей либо в виде небольших табло из наборов этих модулей.
1.6. Принципы отображения информации на больших экранах
Для отображения информации, используемой одновременно группой людей, применяются экраны больших форматов с рабочей поверхностью от одного до десятков квадратных метров. Преобразование информации, выводимой на большой экран, основывается на самых различных принципах. Множество известных устройств работает с промежуточным носителем информации: фотопленкой, фотополупроводниковой пластиной и т. д. Полученное на таком носителе изображение проецируется с помощью оптической системы на экран. При хорошем качестве отображения все эти устройства в принципе не могут работать в реальном масштабе времени с системой, включающей ЭВМ, ввиду чего область их применения ограничена.
Проекционные ЭЛТ, известные достаточно давно, в последние годы значительно усовершенствованы. Основные требования к таким трубкам - повышенная яркость при малых габаритных размерах. Это достигается применением люминофоров с высокой светоотдачей и увеличением анодного напряжения (до 40—80 кВ). При относительно небольших размерах трубки с ее поверхности удается получить световой поток порядка 1000 лм. На базе такой ЭЛТ строятся системы с экраном размером до 3
3 м. Ввиду большой мощности электронного пучка здесь возникает необходимость использовать принудительное охлаждение трубки и специальную защиту от рентгеновского излучения. Другим недостатком является чувствительность к уровню внешней засветки экрана, что ограничивает область применения таких устройств.
Светоклапанные проекционные системы обеспечивают значительно лучшее качество изображения в условиях внешней засветки и большие размеры экрана, хотя они и сложнее по конструкции, чем системы с проекционными ЭЛТ. Под общим термином «светоклапанные» объединены все устройства, которые модулируют свет внешнего источника, меняя параметры пропускающей его среды. Наиболее распространены устройства, в которых изменяющейся средой является тонкая масляная пленка с определенными оптическими и электрическими характеристиками. Принцип работы светоклапанного устройства отображения упрощенно показан на рис. 14. Свет от мощного источника с линзовой оптикой 1 обеспечивающей равномерность потока, попадает на щелевое зеркало 2 и отражается им на сферическое зеркало 6, покрытое масляной пленкой 7. Зеркала сориентированы таким образом, что при гладкой пленке свет, отражаясь, возвращается в направлении к источнику, а экран 4 остается незасвеченным. Деформация пленки в какой-либо точке вызывает отклонение отражающегося от нее луча, который, проходя через щель зеркала 2, попадает с помощью проекционной оптики 3 в определенную точку экрана. Яркость свечения пятна на экране определяется степенью деформации пленки, которая, в свою очередь, зависит от величины заряда, устанавливаемого на ее поверхности электронным пучком. При снятии заряда пленка достаточно быстро приходит к исходному состоянию. Скорость процесса деформации и восстановления зависит от вязкости пленки и температуры. Электронная пушка 5, генерирующая электронный пучок, заключена в общую со сферическим зеркалом стеклянную оболочку, в которой поддерживается вакуум. Пучок фокусируется, отклоняется электромагнитной системой и модулируется по мощности аналогично тому, как это происходит в обычных ЭЛТ. Отображение информации осуществляется растровым способом по телевизионному стандарту. В некоторых устройствах достигается и более высокая разрешающая способность (до 1000 строк).
Рис. 14. Упрощенная схема расположения элементов светоклапанного устройства
Для поддержания работоспособности описанного устройства необходим ряд мер, усложняющих его конструкцию. В частности, требуется поддерживать постоянный химический состав и температуру пленки, удалять примеси и остаточные заряды, обеспечивать работоспособность катода и т. д.
Описаны также проекционные системы, работающие на пропускание света, в которых модулятором является ЖК панель. Участки панели меняют коэффициент пропускания под воздействием оптических или электрических сигналов.
Лазерные средства отображения на большой экран находятся в настоящее время в стадии эксперимента, однако важные достоинства — высокая разрешающая способность, быстродействие, возможность цветных изображений, отсутствие необходимости в промежуточных носителях — позволяют считать их наиболее перспективными из имеющихся средств коллективного пользования. Используемые для этой цели лазеры имеют непрерывный режим работы со стабильной выходной мощностью. Это обычно криптоновые ионные лазеры, излучающие красный цвет, и аргоновые, излучающие синий или зеленый цвет.
Наиболее развиты методы, при которых изображение создается непосредственно лучами лазера, направляемыми на экран. В упрощенном виде схема лазерного устройства отображения приведена на рис. 15. Электрооптический модулятор работает на принципе вращения плоскости поляризации. На выходе модулятора действует анализатор, пропускающий амплитуду когерентного излучения, пропорциональную косинусу угла поляризации. Угол поляризации меняется в зависимости от приложенного к модулятору электрического напряжения. Управляя поляризацией луча воздействием напряжения на кристалл (вводя фазовое запаздывание на 180°), можно обеспечить его распространение в одном из двух фиксированных направлениях. В принципе, имея набор аналогичных переключателей, через которые последовательно проходит луч, можно дискретно управлять его проекцией на экран.
Рис. 15. Схема лазерного устройства отображения:
1 – лазер; 2 – электрооптический модулятор; 3 – отклоняющая система (дефлектор); 4 – управление модулятором и дефлектором; 5 – экран
Основные трудности в развитии лазерных устройств отображения в настоящее время заключаются в высокой сложности управляющих электрооптических блоков, обеспечении стабильности их работы в обычных условиях. Проблемой является также достижение достаточной яркости изображения на большом экране, так как излучение лазеров имеет значительно более низкую световую отдачу, чем излучение обычных источников.
2. Средства отображения информации
Для современных средств отображения информации характерно значительное разнообразие реализованных в них физических принципов. Увеличиваются функциональные возможности универсальных УОИ. С другой стороны, расширение области их применения приводит к созданию разнообразных узко специализированных устройств. Наиболее четко средства отображении могут быть разделены по используемым в индикаторах физическим принципам. Их особенности решающим образом сказываются на конструкции и функциональных возможностях УОИ.
По прочим признакам технические средства отображения могут быть классифицированы следующим образом.
По типу представляемой информации УОИ подразделяются на устройства, реализующие отображение: дискретных сигналов, цифровых данных, условных графических образов, мнемосхем, алфавитно-цифровой информации, квазиграфической информации, универсальной графической информации.
Отображение дискретных сигналов (но типу «да - нет») имеет место в электротехнических и радиотехнических устройствах. Отображение чисто цифровой информации необходимо в различных устройствах вычислительной и измерительной техники. Это наиболее массовые типы индикаторов. Реализация таких индикаторов в настоящее время в основном осуществляется на базе твердотельных элементов люминесцентного, светодиодного и жидкокристаллического типов.
Для обозначения часто встречающихся явлений и событий иногда используются условные графические образы. Мнемосхемы используются для отображения сложных структур и в условном виде обозначают объекты и явления с учетом связей между ними. При индивидуальном использовании мнемосхемы реализуются на экранных индикаторах различного типа, при групповом — строятся из набора дискретных элементов.
Отображение алфавитно-цифровой информации охватывает наибольшее число применений, в том числе в области АСУ различном назначения. Реализация текстов осуществляется в основном на экранах ЭЛТ, а также на различных плоских панелях: газоразрядных, люминесцентных и др. Добавление к знаковой информации графических элементов позволяет без изменения технической структуры УОИ обеспечить отображение простейших рисунков, относящихся к так называемой информационной графике. Средства отображения такого рода получили название квазиграфических (иногда псевдографических). Наиболее совершенные дисплейные устройства позволяют отображать любую графическую информацию (в том числе и символьную), сложность которой ограничивается лишь разрешающей способностью и емкостью экрана.
По способу формирования изображения УОИ подразделяют на устройства дискретно-знаковые, дискретно-матричные, функциональные и растровые.
В первом случае каждый дискретный знак формируется отдельно адресуемым индикаторным элементом. Возможности таких приборов определяются набором знаков в каждом индикаторе и их нищим количеством. При отображении средних и больших объемов информации такой метод мало эффективен.
При дискретно-матричном способе формирование изображения осуществляется с помощью большого числа точечных элементов, которые собраны в столбцы и строки. Чтобы высветился элемент, расположенный на пересечении определенных строки и столбца, он должен иметь порог включения, который превышается только в месте пересечения, на остальные элементы при этом должен поступать сигнал, по амплитуде меньший порогового. Большинство устройств такого типа реализуется в виде плоских панелей на базе электролюминесценции, газового разряда и некоторых других физических принципов.