Методы и средства отображения информации (стр. 1 из 4)

Реферат

ГОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова

Магнитогорск 2008

Методы отображения информации

Электронно-лучевые индикаторы

Электронно-лучевые индикаторы, или, как их чаще называют, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), являются наиболее распространенным и важным устройством в технике отображения информации. Работа ЭЛТ основана на создании управляемого сфокусированного пучка электронов, воздействующего на покрытый люминофорным веществом экран и вызывающего свечение отдельных его участков.

Монохромные ЭЛТ. На рис. 1 приведено схематическое изображение монохромной электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электромагнитным отклонением луча. Сама трубка представляет собой узкий стеклянный цилиндр. Внутри цилиндра встроен набор электродов, составляющих электронно-оптическую систему, на поверхности цилиндра расположена пара отклоняющих катушек ОК. Вакуумное пространство внутри трубки, по которому распространяется пучок электронов, может быть разделено на три участка. Первый участок включает в себя катод К, покрытый оксидной пленкой и излучающий электроны при повышении его температуры с помощью отдельного нагревателя. Электроны эмиттируют с катода, когда их энергия превышает работу выхода с верхних энергетических уровней атома: эта энергия зависит как от материала катода, так и от его температуры. Освобождаясь, электроны имеют некоторую начальную скорость (см/с), определяемую по известной формуле кинетической теории газов:

,

где

— постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, К; т — масса электрона.

Расположенный вблизи катода управляющий электрод-модулятор М имеет потенциал отрицательный относительно катода, поэтому через него пролетают лишь электроны, попадающие в отверстие. Этим создается как бы точечный источник электронов. Управляя потенциалом на модуляторе, можно регулировать интенсивность пучка.

Электроны, попадающие в конце своего пути на внутреннюю поверхность экрана Э с люминофорным покрытием, должны обладать достаточной энергией для возбуждения люминофора. Кроме того, светящееся пятно должно быть возможно меньшего размера, чтобы обеспечить хорошую разрешающую способность изображения. Это требует соответствующей фокусировки луча и его ускорения, что обеспечивается несколькими электродами, имеющими определенные потенциалы относительно катода. В основе действия этих электродов заложены принципы электронной оптики.

Электронный луч, проходящий в среде с некоторым потенциалом

под углом , попадая на границу среды с потенциалом , меняет свое направление, распространяясь далее под углом . Таким образом происходит преломление электронного луча, которое подчиняется уравнению, аналогичному уравнению световой оптики:

,

где

— электронный аналог показателя преломления среды.

С помощью определенной конфигурации электродов и подбора их потенциалов можно осуществлять различные электронно-оптические эффекты: фокусировку луча, рассеяние, отражение и т. д. Всю систему электродов на первом участке ЭЛТ, обеспечивающую формирование и усиление луча, иногда называют электронной пушкой.

На втором участке кинескопа расположена отклоняющая система. Действие отклоняющей системы заключается в направленном изменении прямолинейного пути электронов. Для отклонения пучка электронов может использоваться как электростатическое поле, так и магнитное. Для создания электростатического поля внутри трубки устанавливаются две пары электродов, отклоняющих луч во взаимно перпендикулярных направлениях. Напряжения на отклоняющих электродах должны быть очень высокими, причем тем выше, чем больше скорость движения электронов, т. е. яркость пятна.

При методе электромагнитного отклонения на небольшом участке электронного пучка прикладывается магнитное поле, возбуждаемое двумя парами катушек, устанавливаемых снаружи трубки. Одна пара катушек ОК сверху и снизу трубки отклоняет луч в горизонтальном направлении, другая пара по бокам трубки (на рис. 1 не показана) отклоняет луч в вертикальном направлении. Электрон, попадающий в магнитное поле, начинает двигаться по дуге и покидает участок отклонения под некоторым углом к направлению первоначального движения. Отметим, однако, что электромагнитные отклоняющие системы обеспечивают ограниченную скорость изменения направления луча. В основном это связано с реактивными параметрами катушек.

Экран ЭЛТ покрыт слоем люминофора. На нем создается изображение с требуемой яркостью, временем послесвечения и цветом. Причиной свечения является передача энергии от ускоренных электронов луча электронам, связанным с кристаллом люминофора, в результате чего последние переходят в возбужденное состояние. При их возвращении в нормальное состояние избыточная энергия выделяется в виде света. Этот физический эффект называют катодной люминесценцией. Люминофоры обычно состоят из смеси солей кальция, кадмия, цинка и некоторых других элементов. Наиболее широкое применение нашли сульфидные люминофоры. Наиболее широкое распространение в монохромных трубках получили белый и зеленый цвета. Время послесвечения экрана, т. е. время, необходимое для спадания яркости свечения от номинальной до первоначальной после прекращения действия электронного луча, также зависит от состава входящих в люминофор компонентов и может находиться в диапазоне от нескольких микросекунд до десятков секунд.

Другим важным физическим явлением, которое должно учитываться при использовании ЭЛТ, является вторичная электронная эмиссия. Она заключается в испускании вторичных электронов из материала люминофора при воздействии на него пучка первичных электронов. По мере увеличения интенсивности пучка количество эмиттированных вторичных электронов возрастает, и при определенном уровне энергии свечение люминофора не увеличивается. Таким образом, существует порог максимальной яркости светового пятна на экране, выше которого она не меняется с увеличением потенциала ускоряющего электрода. Для отвода вторичных электронов на внутреннюю поверхность конуса трубки наносят слой графита, находящийся под положительным потенциалом.

Цветные ЭЛТ. В ЭЛТ с теневой маской применяется метод диафрагмирования электронного луча. Маска помещена между тремя электронными пушками и трехцветным люминофором экрана. Она препятствует попаданию каждого луча на участки люминофора не соответствующего ему цвета.

На рис. 3 схематически показано расположение маски и экрана в цветной ЭЛТ с так называемым компланарным расположением пушек. Каждая из них оуществляет генерацию, фокусировку и ускорение луча. Внутри трубки пушки сориентированы таким образом, что их лучи, распространяясь в одной плоскости под некоторым углом друг к другу и проходя через любое из отверстий в маске, попадают каждый на полоску люминофора только определенного цвета. Цветные пятна, возбуждаемые лучом, благодаря близкому расположению, воспринимаются глазом как одно пятно некоторого производного цвета. Этот цвет зависит от пропорций основных цветов и может быть любым в области видимого спектра. Пропорции можно менять, управляя напряжением модулятора.

Рис. 3. Расположение электродов маски и экрана в цветной ЭЛТ с компланарным расположением пушек (К, 3, С - красный, зеленый, синий)

Цветные ЭЛТ значительно сложнее в изготовлении, чем монохромные. Они требуют очень точной установки элементов в процессе производства. Разрешающая способность цветных ЭЛТ ограничена количеством отверстий в маске.

Сложность конструкции трехпушечных ЭЛТ привела к поискам других методов реализации цветных изображений на экране. Наибольшую известность здесь получили два типа трубок, так называемые тринитрон и элмитрон. В ЭЛТ типа «тринитрон» все электронные лучи генерируются с помощью одной пушки. Она имеет три независимых катода и модулятора. В тринитроне также используется щелевая маска, однако удается получить изображение большей яркости. В обоих из описанных типах трубок предельная разрешающая способность определяется количеством и размерами отверстий в маске. Поэтому интерес представляют цветные трубки типа «элмитрон», в которых маски не используются, а цвет свечения люминофора зависит от глубины проникновения электронного луча и, следовательно, от энергии последнего.

Недостатком является то, что в схеме управления индикатором должен быть предусмотрен быстродействующий высоковольтный переключатель. С целью избежать этого иногда используются двухпушечные ЭЛТ. Трубки типа «элмитрон» используются в технике отображения, когда необходимо получить высокую разрешающую способность при ограниченном цветном диапазоне.

Запоминающие ЭЛТ, или ЭЛТ «прямого видения», используются для преобразования однократно подаваемых на отклоняющую систему сигналов в видимое изображение, сохраняемое на экране в течение длительного времени. В таких трубках управляемый электронный пучок не воздействует непосредственно на люминофор экрана, имеющий небольшое время послесвечения, а создает «потенциальный рельеф» изображения на специальной плоской мишени, расположенной внутри трубки.