ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 6 . Optoelektronick é sou čá stk y II (Zobrazovače a snímače obrazu )

1. ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY6. Optoelektronické součástky II (Zobrazovače a snímače obrazu ) Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

2. hf[eV] 0,001 0,012 0,124 1,24 12,4 124 1240 30 000T f [Hz] 0,3T 3T 30T 300T 3 000T Roentgen záření Mikrovlnné kmitočty Optické záření Infračervené f Daleké infračervené Ultrafialové záření Sub-milimetrové Blízké infračervené Milimetrové Viditelné [m] 0,1mm 10m 1m 0,1m 1mm 10nm 1nm Pásmo optických kmitočtů Pozn.: T = 1012, = 10-6, n = 10-9, h = 6,63.10-34 Js, 1eV = 1,6.10-19 J

3. viditelné světlo infra červená ultra fialová oranžová červená zelená modrá fialová žlutá  f 430 nm 380 nm 780 nm 480 nm 650 nm 530 nm 580 nm Viditelné světlo Barvy a vlnové délky

4. 100 80 60 40 20 B G R  nm 400 500 555 600 700 Viditelné světlo Citlivost lidského oka

5. 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

6. ZobrazovačeAlfanumerické zobrazovače 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 • Bodové: • Například LED zobrazovače • Typické pásové zobrazovače s diodami LED nebo žárovkové

7. Počet řádků na snímek - M Počet bodů na řádek - N ObrazovkyPlošný rozklad obrazu Různé normy (MxN): Snímek: Řádky: Body • TV (PAL) : 575 x 767 • TV (NTSC): 480 x 640 • Počítačová: 3000 x 4000 • HDTV: 720 x 1280 • nebo: 1080 x 1920

8. y 1 520 530 0,8 550 G 0,6 570 590 0,4 610 bílá 490 R 750 0,2 B 480 380 x 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 ObrazovkyBarevný rozklad obrazu Diagram barev: 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 : 0,33

9. vertikálně polarizované světlo teoreticky nevystupuje žádné světlo nepolariz. světlo Polar. filtr (vertikální polarizace) Polar. filtr (horozontální polarizace) 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

10. Zobrazovače LCDPoužití nematických krystalů Světlo s otočenou polarizací Vertikál. polariz. světlo nepolariz. světlo Polar. filtr 1 (Vertik. polar.) Polar. filtr 2 (Horiz. polar.) LCD nematický světlo proměnné inenzity U Řízení natočení polarizace Změnou napětí U na LCD lze měnit intenzitu procházejícího světla

11. Zobrazovače LCD • 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 (1020 ms) • rozlišení (desítky až 200 čar na mm) • nutnost podsvícení, nebo vnější světlo

12. Katodový systém katody deflektory G1 (Jas) G3, G5 (Ostření) +6 kV G6, A +25 kV Vychylovací cívky G2, G4 + 1 kV Maska Stínítko s luminofory ObrazovkyTV vakuové - princip Katodový systém (Urychlení, zaostření)

13. čelní sklo obrazovky elektronové svazky maska luminofory TV obrazovkyPrincip, vlastnosti Vlastnosti Detail dopadu elektronových svazků na stínítko (pohled shora) • Rozměr úhlopříčky do 80 cm • Vychylovací úhel až 60° • Velké rozměry (hloubka) • Vysoký jas a kontrast • Velké teplotní rozmezí (-30°C až + 50°C) • Vady: • konvergence • poduškovitost • linearita barev. odstínu

14. TFT obrazovkyPrincip, uspořádání 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 barevnýchobrazovek je každý bod tvořen třemi takovými soustavami pro základní barvy R, G, B

15. TFT obrazovkyZapojení 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

16. TFT obrazovkyVlastnosti, použití Vlastnosti Použití • 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) • Miniaturní (přenosné) displeje • PC ,TV i průmyslová zobrazení • Součást TV i datových projektorů • Nevhodné pro přímé hromadné sledování více osobami

17. Plazmové obrazovkyPrincip, uspořádání 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.

18. Plazmové obrazovkyVlastnosti, aplikace Vlastnosti Použití • 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) • 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

19. akumulace náboje vlivem osvětlení kondenzátor MOS s  malým a větším napětím přesouvání náboje k sousednímu kondenzátoru Snímání obrazuCCD zařízení Dnes využívají převážně součástky s nábojovou vazbouCCD (Charge Coupled Devices):

20. 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.)

21. Snímání obrazuBarevná kamera A) Bayerova maska B) 3CCD systém • 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 • 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