5 Дослідження випромінюючого елемента кольорового індикаторного дисплея

5.1 Мета роботи

Ознайомитись з можливостями синтеза кольору у двох- і трикомпонентних системах випромінювачів.

Встановити електрооптичні закономірності формування основних кольорів зображення.

5.2 Методичні вказівки до самостійної роботи студентів

Вивчити теми «Індикатори», «Фізіологічні й фізичні основи індикаторної техніки», «Напівпровідникові індикатори», використовуючи лекційний матеріал і літературу [2…6]. Ознайомитися з методикою виконання роботи, викладеною в даних методичних вказівках.

Людський зір як основний (іноді індикатор «працює» на фотоплівку або фотоприймач) «споживач» інформації, що виробляється індикаторними приладами, відрізняється винятковою своєрідністю. Видима область становить незначну частину оптичного діапазону довжин хвиль; чутливість ока максимальна в центрі цієї області й різко спадає до її країв. Ця властивість зору відображена у функції бачення f_λ (рис. 5.1), що являє усереднену спектральну характеристику ока як фотоприймача. У максимумі спектральної чутливості (λ_МАХ=555 нм) 1Вт випромінювання викликає зорове відчуття, еквівалентне відчуттю від світлового потоку 680 лм. При інших довжинах хвиль розмір світлового еквівалента випромінювання менше, для широкополосного білого світла величина f_λ близька до 360 лм/Вт. Крива на рис. 5.1 досить умовна: у сутінках спектр деформується так, що λ_МАХ зрушується вліво на 50...60 нм; дитяче око сприймає світло, починаючи з λ=315 нм; збільшення яскравості джерела розсовує межі бачення, наприклад концентроване інфрачервоне випромінювання GaAs-лазера (λ=800 нм) сприймається як червоне. Незважаючи на все це й численні індивідуальні особливості людей, крива рис. 5.1 є основою інженерної фотометрії; саме вона є орієнтиром при розробці випромінювачів і фотоприймачів.

Здатність ока пристосовуватися до сприйняття різних за світністю об'єктів характеризується логарифмічним законом Вебера — Фехнера, що зв'язує фізичну яскравість джерела В з його яскравістю, що відчувається фізіологічно, В_ФЗЛ

В_ФЗЛ = а·lnВ + b, (5.1)

де a і b – константи. Тому динамічний діапазон сприйманих оком яскравостей винятково широкий і простирається від — 10^-7 кд/м² (у темряві) до 10⁵ кд/м² (при яскравій зовнішній засвітці); при цьому в інтервалі 10^-7 ...1 кд/м² працює «сутінковий» механізм зору й колірного сприйняття немає.

Рисунок 5.1 – ­ Функція бачення людського зору (показані умовні границі кольорів)

Різні за яскравістю джерела викликають неоднакові зорові відчуття. Практично людина розрізняє не більше 8...10 градацій яскравості (напівтонів), тому якщо інформація передається зміною яскравості індикатора, то не можна використовувати більше 4 ... 5 градацій, а для надійної передачі – більше двох (чорне – біле).

Крім яскравості джерела людина оцінює і його просторові характеристики: роздільна здатність ока (кутова) близька до 1' (тобто розрізнення на відстані 10 м двох штрихів, розділених проміжком в 3 мм). Для швидкого й безпомилкового сприйняття простого об'єкта (цифри, літери тощо) треба, щоб кутові розміри цього об'єкта були не менше 1’, це для оптичної висоти знака Н дає

(5.2)

де R_г-o­ – відстань від ока до індикатора.

Наприклад, для індикатора, вбудованого в окуляр далекоміра (R_г-o~5...10 см) припустиме Н ~ 0,5мм, для індикатора наручного годинника Н ~ 3 мм, а для великоформатних дисплеїв Н ~ 10...20 мм. При низькій яскравості (освітленості) індикатора розмір Н має бути дещо більший, ніж за (5.2).

Повний кут зору близький до 120^о (по горизонталі) і 90^о (по вертикалі); для зони найбільшої роздільної здатності маємо 20° і 15°. Відповідно до цього вибирається подовжений у горизонтальному напрямку формат екрана (у телебаченні та кіно відношення його сторін становить 4:3).

Крім яскравості й розмірів індикатора, важливу роль у його сприйнятті відіграє контрастність відтвореного знака. Кількісно яскравісний контраст визначається як К=(В-В_ФОН)/В, де В, В_фон ­ яскравості джерела і фону. Практично для якісного сприйняття важлива не стільки величина К, скільки її перевищення над граничною для даних умов контрастністю K_пор. Для гарної видимості необхідно, щоб кількість граничних контрастів (К/К_пор) була не менше 15...30. Залежність порога зорового сприйняття від кутових розмірів, яскравості та контрастності спостережуваних об'єктів наведена на рис. 5.2. Заштрихована поверхня відповідає порогу зорового сприйняття: точки, що лежать нижче її, відповідають умовам, які не викликають зорових відчуттів.

Рисунок 5.2 – Співвідношення між кутовими розмірами спостережуваних об'єктів, яскравістю та контрастністю для порога зорового сприйняття при часі впливу 0,3 с

Оцінка часових характеристик світлового сигналу пов'язана з інерційністю зору: встановлено, що при частоті світлових посилань більше 15...50 Гц око перестає відчувати мерехтіння. При цьому діє закон Тальбота: видима яскравість мерехтливого джерела дорівнює середній за період спостереження яскравості (досвід роботи з напівпровідниковими індикаторами показує, що при дуже значних спалахах і великій шпаруватості видима яскравість виявляється більше, ніж це випливає з закону Тальбота). Закон Тальбота є основою для побудови мультиплексних схем керування індикаторами.

Наведені особливості зору при оцінці яскравістних, просторових, часових характеристик світлових сигналів фактично й визначають основні вимоги до індикаторів.

До цього ще додаються особливості відчуття кольору.

Сприйняття кольору є найбільшим привілеєм людини серед всіх представників тваринного світу. Трихромний (триколірний) зір властивий також вищим мавпам і деяким рибам, представники ряду інших видів розрізняють деякі кольори, однак в основній масі тваринний світ, очевидно, живе в «вічних сутінках». Лише колірне фарбування робить навколишній світ настільки неповторним і прекрасним, яким ми його сприймаємо. Немає такого зовнішнього подразника, який був би близький до кольору за кількістю різних градацій: колірні каталоги включають до 10⁷ різних відтінків! Природно тому, що для індикаторної техніки, що прагне, в остаточному підсумку до найбільш повного використання можливостей зору і до його довершеного задоволення, проблема кольоровості належить до числа основних.

Сучасне вчення про колір базується на тому експериментально встановленому факті, що «елементарні фотоприймачі» очної сітківки – колбочки містять рецептори трьох видів. Кожний з них має підвищену чутливість у червоній, зеленій і синій областях спектра. Відповідно до цього розрізняють три основні кольори: червоний (R), зелений (G), синій (В), поєднання яких дозволяє синтезувати всю колірну гаму. Математично це означає, що колірне відчуття можна розглядати як вектор у тривимірному просторі, осями якого є R-, G-, В - вектори (прийнято λ_R=700 нм, λ_G=546 нм, λ_B=436 нм, (див. рис. 5.1).

Спрощена колірна характеристика об'єкта можлива й у двовимірній формі – точкою на колірному графіку МКО (Міжнародної комісії з освітлення) (рис. 5.3). Значення колірних індексів джерела (координат х і у) дозволяє знайти дві його найважливіші характеристики: колірну тональність, обумовлену домінуючою довжиною хвилі випромінювання (λ_F для джерела F на рис. 5.3); колірну насиченість, обумовлену чистотою світла (виражене у відсотках відношення відрізків W ­ F і W — λ_F на рис. 5.3).

Опорна точка колірного графіка точка W (х ­ y=1/3) – відповідає білому світлу, для якого характерні відсутність якої-небудь тональності та нульова насиченість кольору. Практично оптичне біле світло отримується із суміші трьох кольорів з λ=450, 540 і 610 ним. Випромінювачі, розташовані на кривій, що огинає, колірного графіка або поблизу її (до них належить більшість світловипромінюючих діодів), мають чистоту світла, близьку до 100%; для порівняння вкажемо, що для ламп розжарювання вона не перевищує 10...20%.

Рисунок 5.3 – Колірний графік МКО

Численні психофізичні експерименти показують, що за найкращою кольоророздільною здатністю ока виділяються шість основних кольорів: білий, чорний, червоний, жовтий, зелений, синій. Тому й багатобарвні індикатори, що виконують функцію відображення інформації за допомогою використання різних кольорів, не повинні використовувати більше шести квітів світіння, реально не більше 3...5. При сильній зовнішній освітленості білим світлом зручні червоні, жовті, сині, пурпурний кольори; при слабкій освітленості до них можуть бути додані білий і зелений. Для індикаторів з елементами малого розміру придатні білий або жовтий кольори. Найбільш контрастні області спектра для червоних, жовтих, зелених кольорів лежать у діапазоні 610 ... 630 нм, 588... 598 нм і менш 548 нм відповідно (ці області, на жаль, не збігаються з тим, що дають основні типи світловипромінюючих діодів, зокрема зелене випромінювання GаР(N) належить до малоконтрастної області 560 ... 580 нм).

Для систем відображення потрібні як насичені контрастні кольори, так і слабконасичені напівтонові. Як видно з колірного графіка (рис. 5.3), для синтезу останніх необхідні джерела синього випромінювання: змішання чистих кольорів з області червоний – зелений дає тільки насичені кольори.

5.3 Опис лабораторної установки

Робота виконується на універсальному лабораторному стенді, що має набір джерел живлення й вимірювальних приладів. Опис стенда наведений у вступі до даних методичних вказівок. Як допоміжне устаткування використовується настільний лабораторний макет для дослідження вакуумних і газорозрядних приладів з розтинами різних типів для підключення досліджуваних приладів і клемами 1...9, що відповідають номерам виводів рознімань. У даній роботі як досліджуваний прилад використовується лабораторний макет «Оптрон-1».

Електрична схема макета «Оптрон-1» наведена на рис. 5.4.

Рисунок 5.4 – Схема електрична макета «Оптрон-1»

На схемі: D1, D2, D3 – світловипромінюючі діоди, D4 – приймач випромінювання (фотодіод), L1, L2 лампи розжарювання, R1, R2, R3, R7, R8 – баластові опори, R4, R5, R6 – регулювальні опори, S4, S5, S6 – перемикачі режиму роботи.

Лабораторний макет «Оптрон-1» змонтований на платі, розташованій у корпусі типу Z1A. На платі розміщені обмежувальні та регулювальні резистори, випромінювачі (світловипромінюючі діоди і лампи розжарювання) та приймач випромінювання, вбудовані в оптичний канал відкритого типу. У корпусі зверху передбачене вікно для введення світлофільтрів в оптичний канал, на задній панелі розташовані ручки регулювальних опорів R4, R5, R6 і тумблери перемикачів режиму роботи S4, S5, S6, позначені відповідною цифрою (положення 2 (вверх) – «вольт-амперні характеристики», положення 1 (вниз) – «яскравісні характеристики»). За допомогою твердого кабелю й цокольного розніму типу РШ 5-1 макет може підключатися до настільного планшета.

Для забезпечення можливості вивчення кольоросинтеза у двох- і трикомпонентних системах лабораторний макет «Оптрон-1» має 3 монохроматичних випромінювачі: D1, D2, D3, області випромінювання яких перетинаються у відкритому оптичному каналі. Незалежне регулювання інтенсивності випромінювання здійснюється за допомогою змінних резисторів R4, R5, R6. Візуальне спостереження за процесом кольоросинтеза проводиться через вікно в оптичному каналі, закрите нейтральним молочним світлофільтром.

Основні параметри використовуваних у макеті СВД (λ – довжина хвилі випромінювання, U_МАХ – максимальна робоча напруга, I_МАХ – максимальний робочий струм, I – сила світла, θ – розбіжність випромінювання, D – зовнішній діаметр СВД), наведені в табл. 5.1

Таблиця 5.1 – Основні параметри світловипромінюючих діодів

Тип СВД	Параметри
	Колір, λ, нм	UМАХ, В	IМАХ, мА	I, кд	θ, град	D, мм
L3014UBC	Синій, 470	3,88	20	1-2	20	3
L3014 PGC-1	Зелений, 525	3,8	20	2-3	20	3
КИПД21 Р-ДО	Червоний, 660	2,0	20	3		5

Як приймач випромінювання D4 використовується фотодіод ФД256 (кремнієвий планарний, інтегральна чутливість 6мА/лм., темновий струм не більше 5 нА при U_Р = 10 В, спектральний діапазон 0,4...1,1мкм, максимум чутливості в діапазоні 0,75...0…0,9мкм, U_{Р НОМ} = 90 В, діаметр робочої поверхні D_ФД = 1,37 мм, діапазон робочих температур ---60…+85^ос).

Схема для виконання експерименту по кольоросинтезу у двокомпонентній системі випромінювачів наведена на рис. 5.5

S1 – перемикач, що підключає міліамперметри до випромінювачів у довільній комбінації.

Рисунок 5.5 – Схема для виконання експерименту по кольоросінтезу у двокомпонентній системі випромінювачів

Для проведення досліджень у трикомпонентній системі випромінювачів всі СВД підключаються до джерела живлення паралельно (рис. 5.6)

Рисунок 5.6 – Схема для проведення експерименту по кольоросінтезу в трикомпонентній системі випромінювачів

5.4 Порядок виконання роботи

5.4.1 Одержати у викладача лабораторний макет «Оптрон-1» і набір світлофільтрів до нього. Регулювальними ручками встановити змінні резистори в положення 0 (вліво до упору). Всі тумблери встановити в положення 1 (вниз). Зібрати схему проведення експерименту по кольоросінтезу у двокомпонентній системі випромінювачів (рис. 5.5), крім з'єднань S1. Рекомендовані межі виміру струму I_СВД = 1…75мА, струму I_ФД = 0...75мка. Підключити до розніму лабораторний макет «Оптрон-1», закрити вікно оптичного каналу молочним світлофільтром.

5.4.2 Перемикачем S1 з'єднати вихід 4 настільного макета із клемою “–“ міліамперметра PA1, а вихід 5 настільного макета із клемою “–“ міліамперметра PA2. У такий спосіб досліджуємо випромінювачі D1 і D2. Подати зібрану схему для перевірки викладачеві. Включити джерело живлення 0…15В. Встановити максимальну напругу живлення 15 В. Змінюючи опір резисторів R4 і R5 (регулювальні ручки на задній панелі макета «Оптрон-1» з відповідними номерами), змінюємо інтенсивність світіння СВД D1 і D2. Встановивши максимальний I_СВД на приладі PA1 і мінімальний I_СВД на приладі PA2 (регулювальними ручками резисторів R4 і R5), визначаємо колір СВД D1( а при зворотному співвідношенні струмів – колір СВД D2). Спостерігаючи через світлофільтр синтезований колір, одержати максимальну кількість кольорів, що відрізняються. Спробувати синтезувати білий колір. Визначити колір, отриманий при однакових максимальних I_СВД, що протікають через СВД D1 і D2. Щоразу до таблиці заносити найменування отриманого кольору (за візуальними відчуттями), значення струмів СВД D1 і D2, обмірювані приладами РА1 і РА2 у момент спостереження відповідного кольору.

Відключити джерело живлення 0...15В, перемикача S1 від’єднати від клем 4 і 5 настільного макета.

5.4.3 Повторити послідовність дій п.5.4.2 для СВД D2 і D3, а потім для СВД D1 і D3 попарно (з'єднати проводами перемикача S1 клеми “-“ приладів РА1 і РА2 із клемами 4, 6 і 5, 6 настільного макета відповідно).

5.4.4. Зібрати схему проведення експерименту по кольоросінтезу в трикомпонентній системі випромінювачів (рис. 5.6). Подати зібрану схему для перевірки викладачеві. Включити джерело живлення 0…15В. Встановити максимальну напругу живлення 15 В. Регулювальними ручками встановити змінні резистори в положення 0 (вліво до упору). Показання приладів PA1…PA4 (I_СВД, I_ФД) занести до таблиці. Регулювальними ручками встановити змінні резистори в положення «мах» (вправо до упору). Показання приладів PA1…PA4 (I_СВД, I_ФД) занести до таблиці. Плавно змінюючи опір змінних резисторів R4, R5, R6 за допомогою регулювальних ручок, спробувати синтезувати 7 основних кольорів: червоний, жовтогарячий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий. Спробувати синтезувати білий колір для малих, середніх і великих інтенсивностей випромінювання. Визначити колір, отриманий при однакових максимальних I_СВД, що протікають через СВД D1, D2 і D3. У кожному випадку записувати до таблиці найменування кольору, показання PA1…PA4 (I_СВД, I_ФД).

5.4.5 Використовуючи результати вимірів пп.. 5.4.2...5.4.4, значення довжин хвиль λ, що відповідають основним кольорам (рис.5.1), побудувати діаграми кольоросинтезу двокомпонентних випромінювачів I₁, I₂ = f(λ) у вигляді рис.5.7

а – фіолетово-синій колір, б – білий колір, в – зелений колір

Рисунок 5.7 – Діаграми кольоросинтезу двокомпонентного

(синій – червоний) випромінювача

(для кожної пари досліджуваних СВД), діаграми кольоросинтезу трикомпонентних випромінювачів I₁, I₂, I₃ = f(λ) у вигляді рис.5.8. Всі синтезовані кольори відобразити на одному графіку (рис.5.7а – для двокомпонентної системи, рис.5.8а – для трикомпонентної системи).

а – фіолетово-синій колір, б – білий колір, в – жовтогарячий колір

Рисунок 5.8 – Діаграми кольоросинтезу трикомпонентного

( синій-червоний-зелений) випромінювача

5.5 Зміст звіту

Звіт має включати: мету роботи, відомості про досліджуваний СВД і ЛР, принципову схему вимірів, таблиці, графіки, діаграми кольоросинтезу, аналіз отриманих результатів, висновки.

5.6 Контрольні запитання та завдання

1. Які кольори були отримані при дослідженні двокомпонентних випромінювачів?

2. Чи можна синтезувати білий колір за допомогою 2- компонентного випромінювача?

3. Що показує крива бачення людського ока? Де перебуває її максимум?

4. Розкажіть про діапазон сприйманих оком яскравостей.

5. Скільки градацій яскравості сприймає людське око?

6. Що таке роздільна здатність? Чому вона дорівнює для людського ока?

7. Що таке контрастність зображення? Яка контрастність необхідна для надійного сприйняття зображення?

8. Опишіть частотні характеристики людського зору.

9. Чому колір в індикаторі синтезується з 3-х основних кольорів?

10. Що таке чистота кольору? Чому вона дорівнює для СВД і ЛР?

11. Опишіть конструкцію приладу, використовуваного в роботі.

12. Які кольори були отримані у двокомпонентному випромінювачі?

13. За яких співвідношень струмів СВД отриманий білий колір, які кольори відповідають однаковим значенням струмів СВД?

14. Які кольори отримані в трикомпонентному випромінювачі? Опишіть співвідношення струмів СВД, що відповідають синтезованим кольорам.

15. Яке співвідношення струмів СВД необхідне для синтезу білого кольору?

16. Порівняйте інформаційну ємність чорно-білого та кольорового індикаторів.