ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

6. Optoelektronické součástky II (Zobrazovače a snímače obrazu )

Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

Pásmo optických kmitočtů

Pozn.: T = 1012, = 10-6, n = 10-9, h = 6,63.10-34 Js, 1eV = 1,6.10-19 J

f [Hz]

[m]

0,3T 3T 30T 300T 3 000T

0,1mm 10m

Mikrovlnné kmitočty

Optické záření

Dal

eké

infr

ačer

ven

é

Ult

rafi

alo

vé

záře

ní

f

1m 0,1m

Mil

imet

rové

Su

b-

mil

imet

rové

Blí

zké

infr

ačer

ven

é

Vid

itel

né

Infračervené

10nm 1nm

Roentgen záření

hf [eV] 0,001 0,124 1,24 12,40,012 124 1240

1mm

30 000T

Viditelné světlo

Barvy a vlnové délky780 nm 650 nm 580 nm 530 nm 480 nm 430 nm 380 nm

červená oranžovážlutá zelená modrá fialová

f

viditelné světlo ultra fialováinfra červená

Viditelné světlo Citlivost lidského oka

400 500 600 700

20

40

60

80

100

nm

B G

555

R

ZobrazovačeTypy zobrazovačů

Alfanumerické

• Zobrazují buď jen číslice a znaky +,-, ., nebo také písmena

• Zpravidla jednobarevné

• Podle technologie:

– LED– LCD

• Podle topologie:

– bodové– maticové

Obrazovky

• Zobrazují úplnou obrazovou informaci

• Černobílé nebo barevné

• Podle technologie:

– Elektronkové (obrazovky)

– LCD: pasivní, aktivní (TFT)

– Plazmové

ZobrazovačeAlfanumerické zobrazovače

Bodové:

• Například LED zobrazovače

• Typické pásové zobrazovače s diodami LED nebo žárovkové

Maticové:

Sedmisegmentový maticový element

Zobrazuje číslice, případně doplněné znaky: plus, minus, desetinná tečka

V případě LED zobrazovače je proud 1 segmentu 10 – 30 mA (při 1,5 – 2 V) – velká spotřeba, dobrá viditelnost (i ve tmě), široký úhel pozorování

ObrazovkyPlošný rozklad obrazu

Snímek: Řádky: Body

Počet bodů na řádek - N

Po

čet

řád

ků n

a s

ním

ek -

M

Různé normy (MxN):

• TV (PAL) : 575 x 767

• TV (NTSC): 480 x 640

• Počítačová: 3000 x 4000

• HDTV: 720 x 1280

nebo: 1080 x 1920

ObrazovkyBarevný rozklad obrazu

Základní barvy:

• Červená R (Red) - = 610 nm

• Zelená G (Green) - = 534 nm

• Modrá B (Blue) - = 470 nm

Odvozené barvy (R:G:B):

• Bílá – 0,3 : 0,59 : 0,11

• Žlutá – 0,36 : 0,38 : 0,26

• Fialová – 0,4 : 0,27 : 0,330,2 0,4 0,6 0,8 1

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

750R

B

G

bílá 610

590

570

550

530520

490

480380

x

y Diagram barev:

Zobrazovače s tekutými krystaly (LCD - Liquid Crystal Display)

• Tekuté krystaly – látky, které mají určitou krystalickou strukturu i v tekutém stavu.

• Nematické tekuté krystaly – mění své polarizační vlastnosti pod vlivem přiloženého napětí.

• Polarizace – směr elektrického pole v rovině vlnoplochy – lze jej vyjádřit dvěma parametry (rozložit do dvou směrů, např. horizontální a vertikální polarizace)

• Běžné světlo je směsicí obou polarizací. Jedinou polarizaci lze získat pomocí polarizačního filtru

Polar. filtr (vertikální polarizace)

Polar. filtr (horozontální polarizace)

vertikálně polarizované

světlo

teoreticky nevystupuježádné světlo

nepolariz. světlo

Zobrazovače LCD

Použití nematických krystalů

Polar. filtr 1

(Vertik. polar.)

Polar. filtr 2

(Horiz. polar.)

Ve

rtik

ál.

po

lari

z.

svě

tlo

světlo proměnné

inenzity

nepolariz. světlo

LCDnematický

Sv

ětlo

s o

toče

no

u

po

lari

zac

í

U Řízení natočení polarizace

Změnou napětí U na LCD lze měnit intenzitu procházejícího světla

Základní vlastnosti

• viditelnost znaku, kontrast (až 1:150)

• barva: odstíny šedi

• úhel pozorování (první displeje vodorovně 60°, svisle 40°)

• nízká spotřeba (pouze napětí)

• rychlost odezvy (1020 ms)

• rozlišení (desítky až 200 čar na mm)

• nutnost podsvícení, nebo vnější světlo

Zobrazovače LCD

ObrazovkyTV vakuové - princip

Katodový systém

Vychylovací cívky

Maska

Stínítko s luminofory

Katodový systém(Urychlení, zaostření)

kat

od

y

G1

(Jas)

G2, G4

+ 1 kV

G3, G5

(Ostření)+6 kV

G6, A+25 kV

deflektory

TV obrazovkyPrincip, vlastnosti

maska

čeln

í sk

lo

ob

razo

vky

luminofory

elek

tro

no

vé

svaz

ky

Detail dopadu elektronových svazků na stínítko

(pohled shora)

Vlastnosti

• Rozměr úhlopříčky do 80 cm

• Vychylovací úhel až 60°

• Velké rozměry (hloubka)

• Vysoký jas a kontrast

• Velké teplotní rozmezí (-30C až + 50C)

• Vady:

– konvergence

– poduškovitost

– linearita barev. odstínu

Princip

• Každý obrazový bod je tvořen základním zobrazovačem s tekutým krystalem a s integrovaným tenkovrstvým MOS tranzistorem (TFT = Thin Film Tranzistor)

• Všechny body jsou osvětleny společným zdrojem světla

• U barevných obrazovek je každý bod tvořen třemi takovými soustavami pro základní barvy R, G, B

TFT obrazovkyPrincip, uspořádání

Princip

• Každý černobílý obrazový bod má kapalný krystal (CLC) a jeden MOS tranzistor (T2)

• Po dobu zápisu 1 řádku jsou tranzistory T2 v jednom řádku současně sepnuty kladným napětím na hradle

• Obrazový signál je postupně připojován k jednotlivým sloupcům, pouze v sepnutém řádku a sloupci však nabíjí kapacitu CLC

TFT obrazovkyZapojení

Použití

• Miniaturní (přenosné) displeje

• PC ,TV i průmyslová zobrazení

• Součást TV i datových projektorů

• Nevhodné pro přímé hromadné sledování více osobami

TFT obrazovkyVlastnosti, použití

Vlastnosti

• Malá hloubka, nízké napětí, malá spotřeba

• Úhlopříčka do 90 cm

• Úhel pozorování omezen: vodorovně 60°, svisle 20°

• Pomalá odezva (10 ms)

• Vysoké rozlišení - až 200 čar/mm - nelze přizpůsobit

• Menší kontrast (do 500:1)

Princip

Každý bod má společnou výbojovou komoru s anodou a tři samostatné komůrky se samostatnými katodamipro R, G, B, propojené s centrální komorou kanálky. Stěny komůrek jsou pokryty barevnými luminofory. V závislosti na napětí katod se výboj vtahuje do jednotlivých komůrek a vznikající UV záření budí luminofor příslušné barvy.

Plazmové obrazovkyPrincip, uspořádání

Použití

• Velkorozměrové zobrazovací plochy pro individuální i hromadné sledování

• Vysoký jas a kontrast

• Velké teplotní rozmezí funkce

• Velká spotřeba (1kW/1 m2)

• Nevhodné pro miniaturní použití

Plazmové obrazovkyVlastnosti, aplikace

Vlastnosti

• Vysoký jas (1000 lx- body vydávají vlastní světlo)

• Vysoký kontrast (5000 : 1)

• Lze konstruovat i velkoplošné displeje (úhlopříčky kolem 3 m)

• Větší rozměry pixelu (až 1 mm)

• Problémy s linearitou barev (jako u vakuové obrazovky)

• Malá hloubka (6 cm při 1,5x2 m)

Snímání obrazuCCD zařízení

Dnes využívají převážně součástky s nábojovou vazbouCCD (Charge Coupled Devices):

kondenzátor MOS s  malým a větším

napětím

přesouvání náboje k sousednímu kondenzátoru

akumulace náboje vlivem

osvětlení

Snímání obrazuPrincip a vlastnosti černobílé kamery

• Plošný rastr má pro každý zobrazovaný bod dva MOS kondenzátory (vedle sebe): jeden je osvětlován (fotosenzor), druhý je zakryt maskou.

• V první etapě cyklu se vytvoří náboje na fotosenzorech, ve druhé se náboje přenesou na zakryté kondenzátory, pak se svisle vyčtou do výstupního čtecího registru, odtud na výstupní svorku.

• Vysoká citlivost i na infračervené záření noční vidění, citlivé kamery (astrofot.)

Snímání obrazuBarevná kamera

• Obraz se nejprve rozloží do tří základních barev hranolem nebo barevnými filtry

• V každé barvě se samostatně sejme jako čenobílý

• Vysoký barevný kontrast

• Velmi drahé

• Levnější řešení – otáčivý barevný filtr + jedno pole detektorů

A) Bayerova maska

• Plošný rastr má pro každý pixel 4 detekční body: 1R, 1B, 2G (každý se skládá ze dvou MOS kondenzátorů vedle sebe (jako u černobílé kamery)

• Jas má vyšší kontrast než barvy, protože se sčítají vždy 4 detektory

• Menší rozlišovací schopnost (kolem 1 Mpix)

• Používá se u komerčních a poloprofesionálních kamer

B) 3CCD systém