Применение полупроводниковых индикаторов



Повышение надежности считывания информации с ППИ

Одной из наиболее важных характеристик устройств отобра­жения информации является надежность считывания информа­ции, т. е. обеспечение возможности быстрого и безошибочного считывания оператором предъявленной информации.

Индикаторы, используемые в настоящее время для отображе­ния информации в различных по назначению информационных комплексах, могут быть по принципу действия разделены на два класса: пассивные и активные индикаторы. Пассивные индика­торы для индикации используют модулирование падающей на них световой энергии от внешнего источника света. Активные инди­каторы излучают световую энергию в пространство.

Излучение, которое может непосредственно восприниматься визуально, находится в диапазоне частот 380 — 780 нм. Прием­ники энергии излучения, в том числе и человеческий глаз, по-разному реагируют на излучение с различными длинами волн. Совместное воздействие излучений видимого спектра восприни­мается глазом как белый свет, воздействие на сетчатку глаза излучения какой-нибудь одной частоты — как цветное.



Надежность считывания информации с активных и пассив­ных индикаторов при одних и тех же условиях различна.

Пассивные индикаторы (жидкокристаллические, электро-хромные и др.) при высоких уровнях внешней освещенности имеют максимальный контраст, при снижении уровня освещен­ности контраст падает. При низких уровнях внешней освещенно­сти для считывания информации необходимо обеспечивать внеш­ний заливающий или встроенный подсвет.

Активные индикаторы при низких и умеренных уровнях Biit-;u ней освещенности имеют максимальный контраст, при повыше­нии уровня освещенности контраст падает. При этом падает и надежность считывания информации.

Основными внешними воздействующими факторами, влияю­щими на надежность считывания информации с активных инди­каторов, является вид, уровень и цветность внешней освещен­ности.

Виды внешней освещенности. В зависимости от физического принципа, на котором основано излучение световой энергии, т. е. от типа источника излучения, внешняя освещенность может быть подразделена на три вида: искусственная, комбинированная и естественная. Вид освещения так или иначе сказывается на его интенсивности, частотной характеристике, а следовательно, и на способах и приемах повышения надежности считывания информации с индикаторов устройства отображения инфор­мации.

Уровни освещенности. В той или иной мере освещенность каждого вида может быть обеспечена в широком диапазоне уровней — от 10 до 100000 — 150000 лк. Ниже представлена классификация по уровням освещенности для устройств отобра­жения информации (лк):

Отсутствие внешней освещенности ....................................... 0—5

Незначительный уровень освещенности............................... 5 — 50

Низкий уровень освещенности ............................................... 51 — 500

Средний уровень освещенности............................................. -501 — 1000

Естественный уровень освещенности ................................... 1001 — Ш 000

Повышенный уровень освещенности.................................... 10001 — 30000



Высокий уровень освещенности ........................................... 30001 — 80000

Сверхвысокий уровень освещенности .................................. 80001 — 150000

Из этого разнообразия можно выделить диапазон освещенно­сти. В частности, если индикаторный блок находится в коридоре или в складском помещении, необходимо проектировать устрой­ство индикации из расчета освещенности 250 — 800 лк, при этом такая освещенность классифицируется как средняя. Для работы за пультами управления и приборами в помещениях лабораторий и машинных залах необходимо проектировать устройства из расчета, что освещенность в помещениях будет равна 800 — 2000 лк, такая освещенность будет классифицироваться как естественная. Для обеспечения точной машинной или ручной обработки материалов в помещениях обеспечивается внешняя освещенность свыше 10000 лк, с учетом таком освещенности не­обходимо проектировать индикаторные приборы. Такая освещен­ность классифицируется как повышенная.

 


Рис. 5.1. Характеристическая кривая чувствительности глаза стандартного фотометрического наблюдателя МКО, где:

1 — фиолетовый цвет; 2 — синий; 3 — зеленовато-синий; 4 — зеленый; 5 — желтовато-зеленый; 6 — желто-зеленый; 7 — зеленовато-желтый; 8 — желтый; .9 — желтовато-оранжевый; 10 — оранжевый; 11 -- красновато-оранжевый; 12 — красный

 

Рис. 5.2. Определение доминирующей длины волны и чистоты цвета по цвето­вому графику МКО

Существует еще одна специфическая область применения по­лупроводниковой индикаторной техники — индикация парамет­ров в кабинах самолетов и вертолетов, где максимальная освещенность достигает 30 000 — 50 000 лк и такой уровень клас­сифицируется как сверхвысокий уровень внешней освещенности.

Международной комиссией по освещению (МКО) в 1931 г. был утвержден ряд определений и понятий, в том числе понятия длина волны в максимуме спектра излучения, доминирующей длины волны, чистоты (насыщенности) цвета, характеристики кривой цветовой чувствительности человеческого глаза.





Рис. 5.3. Характеристики спектров излучения стандартных цветов све-тоизлучающих диодов: 1 — кривая зависимости от зеленого (Хр = 565 нм); 2 — для желтого (А.р = = 583 нм); 3 — для высокоэффектив­ного красного (лp = 635 нм); 4 - для красного (лр=655 нм)

Диаграмма, представленная на рис. 5.1, показывает диапа­зоны чистых цветов и их «видности», т. е. чувствительность глаза к свету с различной длиной волны. Диаграмма чувствительно­сти, или, как ее еще называют, кривая чувствительности стан­дартного наблюдателя, установлена МКО в качестве промышленного стандарта для нахождения соотношения между полной энергией излучения и частью этой энергии, способной производить световое ощущение. Кривая построена на логарифмической шкала. Максимум кривой видимости приходится на 555 нм, что соответствует по принятой терминологии желто-зеленому участку спектра. При максимальной длине волны, т. е. в точке макси­мальной чувствительности глаза, световой выход составляет 680 лм/Вт.

Длина волны в максимуме спектра излучения — длина волны А,р, соответствующая максимуму энергетической интенсивности излучаемого света. Как будет показано ниже, Кр необходима для выбора светофильтров при повышении цветового и яркост-ного контрастов индицированной информации.

Доминирующая длина волны Яд характеризует цвет излучения светодиодного индикатора. Длина волны света цветового спектра при аддитивном смешивании с источником света «осветитель С» воспринимается как цвет свечения индикатора (осветитель С по терминологии МКО — источник света с температурой 6500 К, излучение которого соответствует дневному свету облачного неба).

Графическое определение Хд может быть выполнено следую­щим образом. На диаграмме цветности МКО (рис. 5.2) нано­сятся координаты цветности (X, Y), проводится прямая от точки «Осветитель С» через точку координаты цветности до пересече­ния с контуром диаграммы цветового графика МКО. Эта точка пересечения и будет соответствовать доминирующей длине вол­ны А,д.


Отношение расстояния от точки « Осветитель С» до точки координат цветности к расстоянию от точки «Осветитель С» до контура диаграммы цветового графика МКО будет соответ­ствовать чистоте (насыщенности) цвета. Координаты цветности (X, Y) для светоизлучающих диодов располагаются близко к контуру диаграммы цветности, поэтому отношения величин, определяющих насыщенность цвета, близки к единице, т. е. чи­стота цвета светоизлучающих диодов близка к насыщенности монохроматического источника света.

В соответствии с диаграммой цветности МКО красный цвет индикаторов типа ЗЛС324 на арсенид-фосфиде галия (Хр = = 655 нм) является красным, индикаторов ИПЦ01А на арсенид-алюминии мышьяка (лр = 635 нм) — красновато-оранжевым, зе­леных индикаторов типа ЗЛС388 (лр = 565 нм) — желто-зеленым, желтых индикаторов типа ЗЛС342 (лр = 583 нм) — желтовато-оранжевым (рис. 5.3).

На практике чистота цвета нарушается за счет отражения индикатором падающего внешнего света.

Эти данные чрезвычайно важны при определении и при вы­боре оптимальных контрастных светофильтров.

Одной из основных характеристик цифровых индикаторов является цвет свечения, определяемый спектром излучения кри­сталлов. Соотношение интенсивности красной и зеленой со­ставляющих зависит от уровня инжекции, поэтому при увеличе­нии прямого тока данные индикаторы в определенных пределах могут изменять цвет свечения. Кроме того, положение макси­мума излучения зависит также от температуры окружающей среды и электрических режимов эксплуатации, что связано с разогревом р-n перехода. Температурный коэффициент поло­жения максимума излучения dK-MaKC/dT=0,3 нм/град для крас­ного цвета. Длина волны излучателей желтого цвета зависит от температуры значительно слабее — типичные положительные отклонения близки к 0,1 нм/град.

 

5.1. КОНТРАСТ ВОСПРОИЗВОДИМОЙ ИНФОРМАЦИИ

В условиях внешней освещенности одним из основных факто­ров надежности считывания (удобочитаемости) информации с активных индикаторов является контраст светящихся элементов относительно фона индикатора.


Слагаемыми, оказывающими влияние на изменение показателя удобочитаемости, являются: яркостный и цветовой контрасты индицируемой информации от­носительно фона индикатора и отражение света внешнего источ­ника поверхностью индикатора.

До недавнего времени при проектировании устройств ото­бражения информации разработчиками учитывалось воздействие на удобочитаемость только яркостного контраста и отражения света внешней поверхности индикатора.

Однако, изучение вопроса повышения контраста на сверх­высоких уровнях внешней освещенности показал, что повыше­нием только яркостного контраста без учета контраста цветово­го обеспечить использование полупроводниковых индикаторов затруднительно.

В частности, при наличии в помещениях источников тусклого или умеренного яркого освещения удобочитаемость информации может быть достигнута путем оптимизации только яркостного контраста и снижения количества отраженного от внешней по­верхности индикатора света.

Для обеспечения удобочитаемости информации при наличии высокого уровня внешней освещенности необходимо учитывать не только яркостный, но и цветовой контраст символов (различие цветов светящих­ся элементов и фона), по­скольку чувствительность глаза к источнику излуче­ния, а также к внешней засветке и фону индикатора сильно зависит от длин золь излученного или отраженно­го света.

Понимание важности совместного учета цветового и яркостного контраста было зафиксировано понятием «показатели различимости» в 1975 г. С 1977 г. это понятие встречается в работах по опто-электронной технике, в том числе в работах по ППИ. Результаты исследований вопросов, связанных с показателем различимости, в приложении к полупроводниковым индикаторам изложены в [22].



Рис. 5.4. Спектральное распределение источников света

1 — люминесцентной лампы, 2 — солнечного света, 3 — лампы накаливания

Одним из наиболее доступных способов улучшения показа­теля различимости служит использование оптимальных свето­фильтров.



Качество внешней освещенности (ее спектр) оказывает замет­ ное влияние на удобочитаемость информации, а следовательно, и на выбор способов и средств ее обеспечения. Это подтвер­ждается приведенным на рис. 5.4 спектральным распределением для солнечного света, люминесцентных ламп и ламп накали­вания. Поскольку спектр люминесцентных ламп почти не содер­жит красного цвета (относительный выход равен примерно 0,25), а спектры ламп накаливания и солнечного света содержат боль­шую их часть (примерно 0,97 и 0,85 соответственно), то фильтр для индикаторов красного цвета свечения, подобранный для условий засветки от люминесцентных ламп внутри помещения (например, фильтр КС11), может не обеспечить удобочитаемость при ярком солнечном свете.

5.1.1. Яркостный контраст

Существует много различных взаимозаменяемых и часто не­точных для данных условий определений, используемых для выражения этого понятия. Отправной точкой для определения контраста при использовании полупроводниковых индикаторов можно принять определение яркостного контраста Яркостный контраст К индикатора определяется выражением [16] K = KcKa, где Kc — собственный контраст индикатора; Ка — коэффициент адаптации, зависящий от адаптации человека-оператора. Величина Kс определяется как отношение разности яркостей эле­мента индикатора и собственного фона индикатора, измеренных при отсутствии внешней освещенности, к яркости собственного фона индикатора. В этом варианте собственный яркостный кон­траст определяется выражением

Kс=(LH — LФ и)/Lфи,

где LH — яркость индикатора, кд/м2; Lф и — яркость собствен­ного фона индикатора, кд/м2. При этом собственный яркостный контраст может быть представлен в виде Kc = K1K2, где K1= = (LH — Lфи)/Lи — коэффициент яркосшого контраста; K2 = = Lи/Lфи — контрастность

Это определение удобно при расчете контраста индикаторов, фон которых является излучающей поверхностью, как, например, на ЭЛТ У полупроводниковых индикаторов фоном является его корпус, т.


е. фон при отсутствии внешней освещенности не является светящейся поверхностью.

Учитывая изложенное, при использовании полупроводниковых индикаторов, когда информационная яркость индикатора выше, чем яркость фона, или когда необходимо сделать ее выше, коэф­фициент контрастности или яркостный контраст может быть ква­лифицирован как наблюдаемая яркость свечения светящегося элемента относительно яркости фона. Яркость светящегося эле­мента является в варианте использования ППИ комбинацией све­тового потока, излучаемого ППИ, и света, отраженного поверх­ностью индикатора от внешнего источника освещения. Яркость фона определяется только световым потоком отраженного корпу­сом ППИ света внешнего источника заливающего освещения.

В соответствии с изложенным коэффициент контраста может быть определен выражением

K = (LH + Lоэ)/L0ф,                                                                                 (5.1)

где LH — яркость светящегося элемента; L0 э — яркость света, от­раженного от элемента; Ln ф — яркость света внешнего источни­ка, отраженного от фона (корпуса индикатора).

Все вышеназванные составляющие коэффициента контраста зависят от коэффициента адаптации человека-оператора, а кроме того, LH — от спектра излучения светящегося элемента; L0 э — от спектра излучения источника засветки и относительного от­ражения светоизлучающего элемента; L0 ф — от спектра излуче­ния источника засветки и относительного отражения фона.

Из (5.1) следует, что повышение контраста, а следовательно, и надежности считывания информации может быть достигнуто при проектировании индикатора двумя путями: во-первых, обес­печением максимального контраста между светящимся элемен­том индикатора LK и фоном L0 ф, т. е. обеспечением условия LH/L0 ф>1. Это может быть достигнуто либо повышением яркости свечения светящегося элемента, либо выбором мате­риала корпуса индикатора с низким коэффициентом отражения. Второй путь — снижение до минимума контраста между несве­тящимися элементом (Lo.э) и фоном (L0.


ф), т. е. снижением раз-нояркости отраженного от элемента и фона (корпуса индикато­ра) света внешнего источника (L(). -JLn. ф= Г). Последнее может быть достигнуто выбором окраски корпуса прибора, совпадаю­щей с цветом несветящегося элемента, при этом коэффициенты отражения корпуса и несветящегося элемента должны быть по возможности одинаковыми. Несветящиеся элементы будут сли­ваться с корпусом, светящиеся — контрастно выделяться на его фоне.

Выпускаемые промышленностью индикаторы гибридной конструкции (как цифровые, так и буквенно-цифровые) разрабо­таны без учета этого правила, поэтому их применение без ис­пользования специальных средств и способов повышения удобо­читаемости даже при низких и умеренных уровнях внешней осве­щенности затруднительно.

5.1.2. Усиление яркостного контраста

Из приведенной выше формулы (5.1) следует, что увеличе­ние яркостного контраста может быть достигнуто путем сниже­ния яркости фона индикатора. Решение этой задачи обеспечива­ется применением широкополосных (нейтральных, нейтрально-серых) и узкополосных светофильтров. Нейтральные светофильт­ры усиливают контраст за счет двойного ослабления излучения внешнего источника света (в момент прохождения света через светофильтр к индикатору и в момент прохождения отраженного от передней панели индикатора света через светофильтр в сторо­ну наблюдателя). При этом ослабление излучения индикатора происходит один раз.

Узкополосные фильтры усиливают контраст, пропуская энер­гию излучения светодиода с определенной длиной волны и в зна­чительной степени поглощая излучение источника засветки с другой длиной волны.

При использовании светофильтров (5.1) принимает вид

К= (Lэ.с + Lо.э.с+Lо.с)/(Lф.с+Lо.с),                                                                    (5.2)

где L-t. с — яркость излучения светящегося элемента через свето­фильтр; L0. ч. с — яркость излучения, отраженного от светящегося элемента через светофильтр; L$.c — яркость излучения, отражен­ного от фона через светофильтр; L0 c — яркость излучения, от­раженного от светофильтра.



Все указанные составляющие формулы (5.2) зависят от ко­эффициента адаптации, а кроме того, L3. c зависит от спектра излучения светящегося элемента и относительного пропускания светофильтра на его длине волны, L0 э с — от спектра излучения источника внешней засветки, относительного пропускания свето­фильтра и относительного отражения светоизлучающего элемен­та, Lф.с — от спектра излучения источника засветки, относитель­ного пропускания светофильтра и относительного фона, L0. с — от спектра излучения источника засветки, относительного отраже­ния передней поверхности светофильтра.

Из (5.2) следует, что надежность считывания индицирован­ной информации в значительной степени зависит от яркости от­раженного поверхностью светофильтра света внешнего источ­ника. Действительно, при больших значениях L0. c коэффициент яркостного контраста будет стремиться к 1 и светящиеся элемен­ты станут малоразличимы.

В зависимости от типа и условий освещения отражение света от поверхности светофильтра может быть рассеянным или зер­кальным.

Рассеянное отражение, при котором распространение света подчиняется закону Ламберта, дает для наблюдателя диффузно-светящуюся поверхность. Зеркальное отражение, при котором глаз наблюдателя расположен на линии отраженных от поверх­ности типа зеркала лучей, дает для наблюдателя яркое отраже­ние источника света.

Поэтому количество отраженного света зависит, в первую очередь, от относительного положения внешнего источника света, светофильтра и глаз наблюдателя. Необходимо по возможности располагать устройство отображения информации так, чтобы блики зеркального отражения источника засветки не попадали в глаза наблюдателя. Возможен вариант использования качаю­щейся рамки, в которой закреплен светофильтр, для обеспечения возможности отклонения бликов отраженного света от наблюда­теля (например, вниз).

Потери света в системе излучатель — светофильтр + индика­тор. Прохождение излучения сквозь светофильтр (от индикатора в пространство и от источника внешнего излучения к индикатору и обратно в пространство после отражения) связано со свето­выми потерями.


Падающий [23] на преломляющую поверхность световой поток Ф0 в общем случае можно представить как сумму потоков: отраженного Фр, поглощенного Фа и пропускаемого Фт, т. е.

Ф0==ф(1 + Фа +Фт.                                                                                 (5.3)

Количественная оценка указанных составляющих опреде­ляется их отношением к значению падающего потока Ф0:

р = Фр/Ф0; а = Фа/Ф0; т = Фт/Ф0,                                                       (5.4)

где р, а и т — коэффициенты отражения, поглощения и про­пускания.

Сумма указанных коэффициентов равна единице.

При наличии зеркального и диффузного отражения соответст-

вующие коэффициенты равны:

р = рr + рd и т = тr+тd,

где рr и pd — коэффициенты зеркального и диффузного отраже­ния соответственно; тr и тd — коэффициенты направленного и диффузного пропускания соответственно.

Потери на отражение могут быть определены по известной формуле Френеля:

                                        (5.5)


где е и е' — углы падения и преломления.

Для малых углов падения (до 30°) с достаточной точностью коэффициент отражения может быть вычислен по упрощенной формуле

р = (n2 — n1 )2/(n2 + n1 )2,                                                                    (5.6)

где п2 и п1 — показатели преломления до и после преломления, в частности, при прохождении света из пространства в свето­фильтр п1 и n2 будут показателями преломления воздуха (n1 =1) и материала светофильтра.

Поскольку находящаяся в числителе разность коэффициентов преломления сред (п1 — п2) входит в формулу квадратично, то френелевские потери не зависят от направления перехода луча из среды с меньшим показателем преломления в среду с боль­шим показателем или, наоборот, из среды с большим показате­лем в среду с меньшим показателем преломления. Из этого сле­дует, что относительные потери на обеих границах раздела сред будут одинаковы.

В соответствии с (5.6) светофильтр, имеющий однородный показатель преломления, равный, например, 1,5 в диапазоне волн излучения светодиодов, отражает от каждой поверхности 4% падающего светового потока.


Коэффициент пропускания через границу раздела сред будет равен 7=1 — р. С учетом потери на отражение на обеих сторонах светофильтра и коэф­фициента внутреннего пропускания формула светового потока, потерянного в результате отражения, примет вид

дI0 = p+[1-р]Tлр,                                                                                   (5.7)

где ДIо — световой поток, характеризующий потери на отраже­ние; рI0 — коэффициент отражения от первой поверхности раздела сред; Tл — коэффициент пропускания светофильтра.

Потери светового потока на отражение [1 — р]Tлр определяют потери светового потока у второй поверхности раздела. Если принять коэффициент пропускания Tл =0,875 на частоте свечения светодиода, то общие потери на отражение на двух границах раздела составят в соответствии с (5.7) примерно 7%.

Необходимо отметить, что коэффициент отражения для мате­риала светофильтров принимают для каждой марки стекла за постоянную величину, зависящую только от показателя прелом­ления этого стекла в видимой области спектра. Фактически по­казатель преломления зависит от длины волны проходящего све­та (наиболее значительные отклонения в ИК и УФ-областях спектра [23]). Поэтому при применении светофильтров в гранич­ных областях спектра при высоких уровнях внешней освещен­ности необходимо учитывать отклонение этого параметра.

Значительное снижение величины Фр [23], т. е. потерь на отражение, а следовательно, и увеличение доли потока пропуска­ния Фт достигается просветлением поверхностей светофильтров. Просветление поверхностей заключается в нанесении на них тон­ких прозрачных пленок, позволяющих в результате интерферен­ции волн света значительно снизить величину Ф,,. Для этого при нормальном падении луча необходимо, чтобы разность хода лу­чей Д была равна половине длины волны, т. е.

Д = л/2 = 2hn2,

где h — толщина одинарного слоя пленки, а п2 — ее показатель преломления.

Для различных условий и материалов разработаны одно-, двух-, трех- и многослойные просветляющие покрытия, позво­ляющие снизить потери на отражении с 4 до 0,5%.


В общем слу­чае толщина многослойного покрытия d = (2k+ l)л/4 (k = =0, 1, 2, ...).

Изменяя оптическую толщину пленок, можно смещать в раз­личные участки спектра минимум отражения, при этом поверх­ность с просветляющим (антибликовым) покрытием приобретает различную окраску (голубую, пурпурно-фиолетовую, красно-ко­ричневую). При выборе покрытий необходимо помнить о соот­ветствии прочности (устойчивости) антибликовых покрытий тре­бованиям, предъявленным к устройствам отображения информа­ции, в частности, требованию необходимости обеспечения устой­чивости к воздействию пыли и песка.

Другим способом снижения яркости отраженного от свето­фильтра света является текстурирование поверхности свето­фильтра. Наибольший эффект текстурирование поверхности свето­фильтра дает при слабых и умеренных засветках индикаторов близко расположенными источниками света. Однако текстуриро-ванная поверхность светофильтра рассеивает не только падаю­щий извне свет, но и свет, излучаемый индикатором, поэтому необходимо осторожно относиться к применению текстурирован-ных светофильтров.

Потери света на поглощение. Часть светового потока (как внешнего источника света, так и светодиода), попавшая в толщу материала светопровода, частично поглощается им и умень­шается на величину Фа-

В соответствии с (5.3) количество прошедшего через свето­фильтр света, излученного ППИ, равно ФТ = Ф0 — фа — фр. Ха­рактеристики поглощения света определяются цветом и плот­ностью окраски материала светофильтра. Изменяя эти величины, можно получить светофильтр с различным пропусканием для данной длины волны. Если окраска светофильтра имеет постоян­ную плотность, то коэффициент внутреннего пропускания свето­фильтра на данной длине волны является показательной функ­цией от толщины материала:

тa= eal где та — коэффициент внутреннего пропускания; l — толщина светофильтра; а — коэффициент поглощения, равный In тл; тл. — внутреннее пропускание для единичной толщины материала светофильтра.



При коэффициенте внутреннего пропускания тя, равном 0,875 на длине волны 655 нм, значение пропускания [22] светофильтра толщиной 2,5 мм будет равно

тa =е (-In 0,875)2,5 =е-(0,1335) 2,5 =0,716.

На рис. 5.5 показаны кривые пропускания светофильтров раз­личной толщины.

Значение коэффициента поглощения для различных катего­рий оптических стекол регламентируется ГОСТ 3514-76, в частно­сти, для стекол 000 — 4 категорий оно равно 0,2 — 3%.

Коэффициент пропускания среды толщиной 1 см [23] при учете только потерь на поглощение определяется по формуле

та = (1-а)l.



Рис. 5.5. Кривые пропускания светофильтров:

1 — для толщины 1 мм; 2 — для толщины 2,5 мм

При приближенных расчетах можно принять а за 0,01, т. е. 1% на 1 мм пути осевого пучка в ма­териале светофильтра. В этом-случае коэффициент пропускания можно рассчитывать по выраже­нию

та = 0,99l.

Для повышения контраста изоб­ражения светофильтры подбира­ются по полосе пропускания час­тоты излучения и по коэфициенту пропусканчя.

 

5.1.3. Цветовой контраст

Как было указано выше, чистота цвета излучения полупро­водниковых индикаторов близка к монохроматическому излуче­нию. Однако наличие внешней освещенности снижает показа­тель чистоты цвета за счет смещения координат цветности к центру цветового треугольника, при котором увеличивается доля серого. Согласно теории различимости цветовое расстояние меж­ду красным излучением и серым фоном при высоких уровнях внешней освещенности в три раза больше цветового расстояния между желтым излучением светодиода и серым фоном. Разница цветовых расстояний между зеленым и серым и красным и серым еще больше, т. е. при равной яркости красный цвет свечения светодиодов в смысле цветовой контрастности предпочтительней светодиодов с желтым и зеленым цветами свечения. Исследо­вания [21] надежности считывания информации с индикато­ров различных цветов свечения подтверждают этот вывод.

Повышение цветового контраста достигается использованием светофильтров, задачей которых является обеспечение различия видимого цвета корпуса и цвета свечения индикатора.


Например, пурпурный светофильтр обеспечивает синий цвет отраженного от корпуса излучения внешнего источника света; красный цвет индикатора контрастно выделяется на этом фоне. Нейтральные фильтры также повышают контраст индицируемой информации за счет обеспечения черного видимого цвета корпуса индикатора; на этом фоне контрастно выделяется излучение светодиодов.

 

5.2. МАТЕРИАЛЫ СВЕТОФИЛЬТРОВ

Для повышения надежности считывания информации с ППИ в настоящее время применяются светофильтры из оптического стекла и из пластмасс.

 

5.2.1. Светофильтры из оптического стекла

Каждому из стекол, из которых производят светофильтры, присвоена марка, состоящая из одной-двух букв и цифр. Одна или две первые буквы обозначают цвет стекла: 3 — зеленый, К — красный, Ж — желтый, ЖЗ — желто-зеленый и т. д. По­следняя буква С — стекло. Цифра (или две цифры) — обозна­чение порядкового номера стекла в данном по цветности виде стекла. Под этими марками стекла приведены в каталогах цветных стекол.

Одним из отличий светофильтров из оптических стекол от светофильтров из пластмасс является их постоянная оптическая плотность. Полная оптическая плотность стеклянных свето­фильтров определяется их толщиной.

Основным преимуществом стеклянных светофильтров являет­ся их высокое качество, в частности, относительное пропускание у них обычно выше, чем у пластмассовых, форма кривой пропу­скания — круче, лучше соответствует форме кривой спектра из­лучения светодиодов. Это позволяет обеспечивать лучшие по­казатели надежности считывания информации в условиях высо­ких уровней внешней освещенности.

 

5.2.2. Светофильтры из пластмасс

В качестве светофильтров для применения со светодиодами используются светофильтры из пластмасс, например 5 — 1,5 ПД по ТУ 16-01-1132-77, 2ПЗ-4 (зеленого цвета), 2ПК-4 (красного цвета) по ТУ6-01-2-46-72 или ТОСС по ГОСТ 17622-72.

Способствует применению их доступность, легкость обработ­ки, сравнительно небольшие массы, разнообразие цветов.


Основ­ ными недостатками пластмассовых светофильтров является их недостаточная стойкость к внешним воздействующим факторам, в частности к световому излучению солнца. В технических усло­виях в качестве квалификационного параметра отсутствует до­минирующая длина волны, со временем происходит изменение химического состава органического стекла, «выцветание», что влечет за собой изменение коэффициента пропускания для определенной длины волны, снижение эффективности свето­фильтра. Светофильтры из органических стекол рекомендуется применять в устройствах отображения информации, предназна­ченных для помещений вычислительных центров с ровным искус­ственным освещением, при стабильных температурах окружаю­щей среды.

 

5.2.3. Светофильтры-жалюзи

Снижение влияния высоких уровней внешней освещенности на надежность считывания информации позволяют получить све­тофильтры-жалюзи. В своем принципе они выполняют роль бленд, используемых при фотографировании в яркую солнечную погоду для затенения объектива. Конструктивно фильтры-жалю­зи размещаются в объеме прозрачной пластмассы тонких не­прозрачных параллельных жалюзи, перпендикулярно ориенти­рованных к поверхности светофильтра.

На рис. 5.6 показан принцип работы фильтра-жалюзи. Излу­чение а от светодиодного индикатора проникает через прозрач­ное заполнение фильтра-жалюзи к оператору. Излучение б внеш­него источника заливающего освещения С, если источник не раз­мещен сзади на одной линии с оператором, попадая на непро­зрачные жалюзи, поглощается, не достигая поверхности инди­катора.

В результате применения фильтров-жалюзи значительно по­вышается яркостный контраст индицируемой информации. Для повышения цветового контраста прозрачную пластмассу-заполнитель фильтра заменяют материалом пластмассового нейт­рального светофильтра.

Конструктивное исполнение фильтра-жалюзи обеспечивает угол обзора в горизонтальной плоскости до 180°. Недостатком фильтров-жалюзи является сокращение угла обзора в верти­кальной плоскости.


В зависимости от соотношения толщин про­зрачного заполнителя-светопровода и жалюзи, а также от шири­ны жалюзи угол обзора может меняться в широких пределах (от 40 до 90°).



Рис. 5.6. Принцип действия све­тофильтра-жалюзи: 1 — цифровой ППИ; 2 — непро­зрачные пластины-жалюзи; 3 — светопропускающий наполнитель; С — источник заливающего света

При наклонном положении индикаторной панели на прибор­ной доске стенда или объекта рационально использовать фильт­ры с жалюзи, ориентированными под углом к плоскости све­тофильтра, отличным от 90° на величину наклона приборной панели.

При высоких уровнях внешней освещенности для обеспече­ния надежности считывания информации применяются решетча­тые светофильтры, представляющие собой два фильтра-жалюзи, ориентированные относительно друг друга на 90°. Резкое повы­шение контраста изображения достигается сокращением угла обзора не только в вертикальной, но и в горизонтальной пло­скостях.

 

5.2.4. Круговые поляризационные светофильтры

Круговые поляризационные светофильтры представляют со­бой двухслойные фильтры. Верхний слой — фильтр линейной поляризации, второй слой — четвертьволновая по толщине пла­стина. Ее оптическая ось располагается параллельно плоской поверхности поляризатора и ориентируется под углом 45° к направлению линейной поляризации.

Свет внешнего источника излучения линейно поляризуется, его компоненты получают ориентацию вдоль осей X и Y по от­ношению к четвертьволновому слою. При прохождении через четвертьволновый слой фильтра компоненты выходят с разностью фаз 90° (п/2) по отношению друг к другу циркулярно поляризо­ванными (т. е. свет является светом с круговой поляризацией). При отражении от зеркальной поверхности индикатора направление поляризации меняется на противоположное. Когда по­ляризованный таким образом свет проходит обратно через чет­вертьволновую пластину, фазовый сдвиг между компонентами X и Y устанавливается, но так как они становятся линейно-по­ляризованными под углом 90° по отношению к линейному поля­ризатору, этот отраженный свет поглощается светофильтром.


Круговой поляризатор снижает яркость отраженного света на 95%. Несмотря на то что свет, излучаемый светодиодным инди­катором, также ослабляется (на 0,6 — 0,65) на максимальной волне, круговые поляризационные фильтры обеспечивают зна­чительное повышение контраста изображения.

 

5.3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ СВЕТОФИЛЬТРОВ

На рис. 5.3 приведены характеристики спектра для свето-излучающих диодов различных цветов свечения. Волновые све­тофильтры для них подбираются с учетом чистоты излучения светодиодов и с учетом яркости внешней освещенности. Для использования индикаторов в условиях низких уровней освещен­ности предпочтительней использовать светофильтры с высоким коэффициентом пропускания. Для индикаторов, использование которых предполагается в условиях умеренных и сильных засве­ток от внешних источников освещения, предпочтительнее ис­пользование светофильтров с низкими коэффициентами про­пускания.

Применение светофильтров с индикаторами красного цвета свечения (Яр = 655 нм). При использовании индикаторов в усло­виях низких и умеренных уровней освещенности фильтрация мо­жет осуществляться при помощи длинноволновых светофильтров. Такие светофильтры должны иметь достаточно крутую границу пропускания в диапазоне длин волн от 600 — 610 до 630 — 640 нм с высоким коэффициентом поглощения для коротковолновых излучений синего, зеленого и желтого цветов свечения. К длинно­волновым излучениям, большим длины волны красного цвета, глаз невосприимчив.

На рис. 5.7 представлены типичные кривые пропускания для длинноволновых светофильтров, которые рекомендуются к приме­нению с красными индикаторами при низком уровне внешней освещенности [кривая 1 с высоким (0,6 — 0,75) коэффициентом пропускания] и при умеренном уровне освещенности [кривая 2 с низким (0,3 — 0,5) коэффициентом пропускания].



Рис. 5.7. Рекомендуемые кривые пропускания длинноволновых светофильтров для применения с индикаторами красного цвета свечения в условиях низкого (кривая 1) и умеренного (кривая 2) уровней внешней освещенности



При использовании индикаторов красного цвета свечения в условиях слабого, умеренного и яркого уровней освещенности могут быть использованы также нейтральные светофильтры с вы­сокими (0,23 — 0,3) коэффициентами пропускания для слабого и умеренного освещения и низкими (0,15 — 0,23) коэффициентами для высокого уровня освещенности. При использовании светофильтров повышение надежности считывания информации про­исходит за счет повышения цветового контраста между, светя­щимся элементом и фоном.



Рис. 5.8. Рекомендуемые кривые про­пускания нейтральных светофильтров при использовании с индикаторами различного цвета свечения в условиях низкого и умеренного (кривая 1) и высокого уровней (кривая 2) внешней освещенности

На рис. 5.8 приведены кривые пропускания нейтральных светофильтров для использования с индикаторами красного цвета свечения в условиях низкого и умеренного (кривая 1) и высокого (кривая 2) уровней освещённости.

С целью повышения надежности считывания специалисты фирмы Hewlett Packard рекомендуют [22] использовать темно-пурпурные светофильтры.

При использовании темно-пурпурных светофильтров повы­шение надежности считывания достигается также за счет повы­шения цветового контраста между цветом излучения светодиода и фоном.

Пурпурные светофильтры имеют полосу пропускания в обла­сти частот синего и красного цветов излучений при нулевом про­пускании в области зеленого, желтого и оранжевого излучений. Уровень цветового контраста между синим цветом фона и крас­ным цветом излучения светодиода очень высок, что обеспечивает высокую надежность считывания информации при высоких уров­нях внешней освещенности.

Существенное повышение надежности считывания дает при­менение комбинированных светофильтров. Для использования красных индикаторов рационально при высоких уровнях внешних освещенностей использовать красный светофильтр (например, типа КСИ) за нейтральным (например, НС7, НС8) или пурпур­ный за нейтральным фильтром.


Недостатком использования комбинированных светофильтров является снижение яркости све­чения индикаторов, большие потери на отражениях от четырех поверхностей раздела сред (по две на каждый светофильтр). Избежать этого позволяет склеивание пластин светофильтров эпоксидными смолами, оптическими клеями с показателями пре­ломления, близкими к показателям преломления материала светофильтров. Повышение яркостного контраста наряду с уве­личением яркости при склеивании светофильтров позволяет обе­спечить высокую надежность считывания информации при вы­соких уровнях внешних освещенностей.



Рис. 5.9. Рекомендуемые кривые пропускания длинноволновых светофильтров для примене­ния с индикаторами красного цвета свечения с повышенной светоотдачей полупроводнико­вого материала для низких (1) и умеренных (2) уровней внешней освещенности

 

Применение светофильтров с индикаторами красного цвета с повышенной светоотдачей (оранжевато-красного цвета свечения по шкале цветности МКО) с А,р = 635 нм. При использовании указанных индикаторов в условиях низкого и умеренного уров­ней освещенности повышения яркостного контраста можно до­биться применением длинноволновых светофильтров. Граница пропускания должна быть смещена к частотам 580 — 600 нм с вы­соким коэффициентом поглощения в диапазоне волн синего, жел­того и зеленого цветов свечения. При выборе светофильтра необходимо обратить внимание на полосу пропускания красного светофильтра, так как при использовании светофильтра с боль-шим градиентом полосы пропускания в области лр = 635 нм из-за разброса характеристик светодиодов может проявиться различие в яркости свечения расположенных рядом индикаторов (на инди­каторы с разбросом по длине волны излучения коэффициент пропускания будет действовать по-разному). При использовании индикаторов красного цвета свечения с А,р = 635 нм в условиях высоких уровней внешних освещенностей рационально исполь­зовать нейтральные светофильтры с низкими коэффициентами пропускания.


Повышение надежности считывания достигается при применении нейтральных фильтров за счет повышения цве­тового контраста.

На рис. 5.9 представлены типичные кривые пропускания для светофильтров, рекомендуемых к применению с индикаторами красного цвета свечения с повышенной светоотдачей, при низком (кривая 1) и умеренном (кривая 2) уровнях внешних освещен­ностей, при этом коэффициенты пропускания для умеренных уровней внешней освещенности будут 0,35 — 0,5, для низких уров­ней — 0,6 — 0,7.

В условиях высоких уровней внешней освещенности рекомен­дуется применение нейтральных светофильтров с коэффициен­тами пропускания 0,18 — 0,25. Нейтральные светофильтры по­вышают надежность считывания информации за счет повыше­ния цветового контраста.

Применение светофильтров с индикаторами желтого цвета (Хр = 583 нм). При использовании указанных индикаторов в условиях низких уровней внешней освещенности повышение контраста отображаемой информации рекомендуется проводить с применением узкополосных светофильтров. Поскольку в соот­ветствии с данными характеристической кривой чувствительно­сти глаза стандартного наблюдателя желтый цвет свечения находится на участке наивысшей чувствительности глаза, то по­высить контраст светофильтрами затруднительно. Чтобы полу­чить высокий контраст между светом, излученным светодиодом и отраженным от передней панели индикатора, рекомендуется применять темно-желтые или оранжевые либо желтый поло­стной светофильтры с низкими коэффициентами пропускания (примерно 0,25 — 0,30).

При использовании индикаторов желтого цвета свечения при умеренных уровнях внешних освещенностей рекомендуется при­менять нейтральные (с коэффициентом пропускания 0,2 0,25) либо оранжевые светофильтры. При высоких уровнях освещен­ностей коэффициент пропускания применяемых светофильтров должен быть ниже и составлять 0,15 — 0,25.

Применение светофильтров с индикаторами зеленого цвета (Аф = 565 нм). Поскольку длина волны светодиодов зеленого цвета свечения в соответствии с кривой чувствительности глаза отстоит от области максимальной чувствительности глаза на 10 — 15 нм, то повысить контраст с помощью светофильтров также затруднительно.

Содержание  Назад  Вперед