Материал: Применение полупроводниковых индикаторов (1991)

Глава 5 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 (л_p = 635 нм); 4 - для красного (л_р=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, К_р необходима для выбора светофильтров при повышении цветового и яркост-ного контрастов индицированной информации.

Доминирующая длина волны Я_д 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 Х_д 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 (Х_р = = 655 нм) является красным, индикаторов ИПЦ01А на арсенид-алюминии мышьяка (л_р = 635 нм) — красновато-оранжевым, зе­леных индикаторов типа ЗЛС388 (л_р = 565 нм) — желто-зеленым, желтых индикаторов типа ЗЛС342 (л_р = 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 замет­ное 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 = K_cK_a, где K_c — собственный контраст индикатора; К_а — коэффициент адаптации, зависящий от адаптации человека-оператора. Величина K_с 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

K_с=(L_H — L_{Ф и})/L_фи,

где L_H — яркость индикатора, кд/м²; L_{ф и} — яркость собствен­ного фона индикатора, кд/м². При этом собственный яркостный контраст может быть представлен в виде K_c = K₁K₂, где K₁= = (L_H — L_фи)/Lи — коэффициент яркосшого контраста; K₂ = = L_и/L_фи — 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 = (L_H + L_оэ)/L_0ф, (5.1)

где L_H — яркость светящегося элемента; L_{0 э} — яркость света, от­раженного от элемента; L_{n ф} — яркость света внешнего источни­ка, отраженного от фона (корпуса индикатора).

Все вышеназванные составляющие коэффициента контраста зависят от коэффициента адаптации человека-оператора, а кроме того, L_H — от спектра излучения светящегося элемента; L_{0 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 L_K и фоном L₀ ф, т. е. обеспечением условия L_H/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 (L_o.э) и фоном (L₀. ф), т. е. снижением раз-нояркости отраженного от элемента и фона (корпуса индикато­ра) света внешнего источника (L₍₎. -JL_n. _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.