шаховой_юзюк_квантовая и оптоэлектроника

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

IV. МОДУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Модуляторы оптического излучения

Модуляцией оптического излучения называют введение в световую волну информации.

Под введением информации понимают изменение во времени одной из характеристик волны – ам-

плитуды, фазы, частоты или поляризации. В качестве изменяемого параметра легче всего использовать интенсивность света, поэтому на практике модуляцию фазы, частоты или поляризации света преобразуют в амплитудную модуляцию. Если оптическое излучение преобразуется в самом источнике, то модуляцию называют внутренней или прямой. Если модуляции подвергается свет, уже вышедший из источника, то такую модуляцию называют внешней. В зависимости от того, какие физические явления лежат в основе работы того или иного оптического модулятора, их разде-

ляют на электрооптические, магнитооптические и акустооптические.

Самое широкое применение имеют электрооптические модуляторы. Наиболее распространенными материалами для таких устройств являются: ниобат лития LiNbO3, дигидрофосфат калия KH2PO4 (сокращенно его еще обозначают как KDP), ниобат и танталат калия (KNbO3 и KTaO3) и, конечно, жидкие кристаллы (ЖК). В магнитооптических модуляторах используются ферромагнитные материалы, представляющие собой сложные оксиды железа и некоторых других элементов.

Оптические транспаранты1

Оптическим транспарантом (ОТ) называют плоское устройство, которое под действием ка- кого-либо управляющего сигнала изменяет от точки к точке свои оптические параметры (прозрачность, коэффициент преломления, поляризацию). Другими словами, световой пучок, прошедший через такое устройство, оказывается пространственно промодулированным. Если с помощью транспаранта осуществляется и временная модуляция света, то такой транспарант называют дина-

мическим или пространственно-временным модулятором света (ПВМС). ПВМС, кстати говоря,

можно использовать в качестве устройства память большой емкости.

Для модуляции сигнала в ОТ используют разные физические эффекты. Модуляцию можно осуществлять, подавая к различным участкам транспаранта электрическое напряжение, тогда т а- кой ОТ называют электрически управляемым транспарантом (ЭУТ). Можно модулировать свет, проецируя на ОТ какое-нибудь оптическое изображение; такой ОТ называют оптически управляе-

мым транспарантом (ОУТ).

Важной характеристикой транспарантов является разрешающая способность. Она определяется числом различаемых линий на единице длины (обычно выражается в линиях на милл и- метр).

Хотя такое понятие, как ЭУТ, в обиходе встречается редко, тем не менее, с электрически управляемыми транспарантами Вы сталкиваетесь каждый день! Дома, на работе, когда смотрите фильм, читаете электронную книгу или играете в «Косынку». Наши любимые ЖК мониторы являются не чем иным, как электрически управляемыми транспарантами! Именно о них речь и пойдет дальше.

Электрически управляемые транспаранты

При создании транспаранта стремятся получить как можно большее пространственное раз-

решение. Однако если оно превышает лин/мм, то при площади транспаранта в несколько квадратных сантиметров подключить каждый элемент индивидуально становится практически

невозможно. Поэтому в ЭУТ используется так называемая адресация (двухкоординатная или матричная). Осуществляется она следующим образом: на тонкий слой модулирующей среды (например, на пластинку из ниобата лития LiNbO3 или на слой ЖК, заключенный между двумя стеклянными пластинками) с обеих сторон наносят параллельные проводящие прозрачные поло- сы-электроды (шины), причем так, чтобы на противоположных поверхностях они были ориенти-

1 В данном случае, э то не те транспаранты , которыми размахива ют во время митингов. Здесь термин транспарант происходит о т английского transparent – прозрачный.

71

На пути в эру нанотехнологий…

рованы взаимно перпендикулярно (рис. IV.1). На управляющие шины подают напряжение (см. рисунок), которое создает в точке их пересечения управляющее электрическое поле; это поле вызывает локальное изменение оптических свойств нашей модулирующей среды. Свет, проход я- щий через пластинку в этом месте, промодулируется некоторым образом (например, повернется его плоскость поляризации). Чтобы осуществить оптическую модуляцию по всей поверхности транспаранта, электрический сигнал должен «пробежать» по всем точкам пересечения шин. Для этого электрический сигнал может подаваться поочередно ко всем элементам (поэлементная адресация) или одновременно ко всем элементам целой строки (построчная адресация) или столбца.

Рис. IV.1. Схема, объясняющая работу электрически управляемого транспаранта электрооптического типа .

ЭУТ являются важнейшими элементами систем обработки информации, так как обеспечивают преобразование электрических сигналов в оптические, а без этого невозможно объединить электронные и оптические устройства.

Наиболее чувствительными к управляющим сигналам и экономичными являются ЭУТ на основе жидких кристаллов.

Как кристалл может быть жидким?

Необычное сочетание слов "жидкие кристаллы" многим знакомо, хотя мало кто себе представляет, что же стоит за этим странным и, казалось бы, противоречивым понятием. Жидкими кристаллами называют вещества, которые обладают текучестью, как жидкости, но имеют, тем не менее, внутренний структурный порядок, свойственный кристаллам. Сейчас известно уже около сотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК состоянии, и число таких соединений непрерывно растет.

Первое описание веществ, которые могут находиться в ЖК состоянии, было сделано еще в 1888 г. австрийским ученым Ф. Ренитцером. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике. Только в 1930-м исследователи из британской компании Marconi получили патент на их промышленное применение. И только в конце 1966 г. корпорация RCA продемонстрировала первый прототип ЖК монитора – цифровые часы. Сегодня же дисплеи на основе жидких кристаллов занимают одно из главенствующих мест на арене современных технических средств информатизации.

Вещества, способные в определенном интервале температур находиться в ЖК фазе, состоят из особых молекул. Эти молекулы имеют вытянутую (напоминают сигару) или сплюснутую (в виде диска) форму1. Такая форма молекул приводит к тому, что они «любят» располагаться параллельно друг другу вдоль их длинных или коротких осей, т.е. упорядоченно. Следует отметить, что все ЖК при высоких температурах становятся изотропной жидкостью. Упорядочение наступает ниже определенной температуры. Однако даже упорядоченные молекулы ЖК достаточно слабо связаны друг с другом и без особого труда могут менять свою ориентацию в пространстве. Таким образом, вещество это будет текучим. В зависимости от характера расположения молекул разли-

1 Молекулы жидкокристаллических веществ очень часто называют ме зогенами, а группировки или фрагменты таких молекул — мезогенными группами.

72

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

чают три основных типа структур ЖК соединений: смектический, нематический и холестерический1.

Смектический тип жидких кристаллов (смектики – от греческого слова "смегма" – мыло) ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы смектиков располагаются в слоях (рис. IV.2а); их центры тяжести подвижны и они могут свободно перемещаться в пределах своего слоя (или как говорят на смектической плоскости) в двух измерениях. При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя (ортогональные смект и- ки), так и под некоторым углом (наклонные смектики).

Рис. IV.2. Три основных типа структур ЖК соединений.

Нематический тип жидких кристаллов (нематики от греческого "нема" — нить) больше всего схож с жидкостью. В нематиках короткие или длинные оси молекул ориентированы в каком - то выделенном направлении (рис. IV.2б), однако, как и в случае смектиков, их центры тяжести не закреплены, и молекулы могут «гулять» по всему объему жидкокристаллического вещества. В нематиках, в целом, молекулы расположены в пространстве хаотично (за исключением выделенного направления их осей), что свидетельствует об отсутствии периодического порядка, свойственного кристаллам.

И, наконец, наиболее сложным типом упорядочения молекул жидких кристаллов является холестерический (холестерики). Холестерики во многих отношениях подобны нематикам, в которых реализуется одномерный ориентационный порядок (очень часто холестерик называют закрученным нематиком). В то же время молекулы холестериков расположены как бы в отдельных плоскостях, как и молекулы смектиков. В каждой отдельной плоскости молекулы ориентированы

1 Указанные типы структур о тносятся к так называемым термотропным жидким кристаллам, обр а- зование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или о хла ж- дение).

73

На пути в эру нанотехнологий…

одинаково, однако в соседних плоскостях молекулы повернуты друг относительно друга на некоторый угол (рис. IV.2в). В итоге в холестериках образуется периодическая спиральная структура, которая определяет очень интересные оптические свойства жидких кристаллов холестерического типа.

Наличие структурного порядка в жидком кристалле приводит к тому, что он является, как и истинный кристалл, анизотропной средой1. Причем анизотропией жидкого кристалла можно легко управлять, меняя с помощью различных внешних воздействий ориентацию молекул. Самым распространенным способом воздействия на жидкие кристаллы является воздействие электрическими и магнит ными полями. Эти воздействия были исследованы русским физиком В.К. Фредериксом. Процессы ориентации молекул ЖК под действием электрического поля получили назва-

ние электрооптических переходов или эффектов Фредерикса.

Самым важным для нас является то, что жидкие кристаллы обладают оптической анизотропией свойств. Так, если пропустить через тонкий слой холестерика плоско-поляризованный свет, то его плоскость поляризации, повторяя спиральную закрученность молекул, повернется. Эту замечательную способность жидких кристаллов поворачивать плоскость поляризации света сейчас очень широко используют в оптических транспарантах.

Давайте теперь посмотрим, как можно управлять жидкими кристаллами.

Как управлять жидкими кристаллами? ЖК мониторы

Как только люди научились управлять жидкими кристаллами, они придумали ЖК индикаторы, которые являются основой современных калькуляторов, портативных компьютеров, миниатюрных плоских экранов телевизоров, словарей-переводчиков и многих других современных электронных технических и бытовых приборов и устройств. Все эти устройства работают по принципу упомянутых выше ЭУТ.

Рис. IV.3. Создание оптически активной среды с помощью закручивания молекул Ж К .

В ЭУТ ЖК помещают в узкое пространство ( мкм) между двумя прозрачными подложками. Внутренние поверхности подложек полируют при поступательном движении подложки относительно полирующего материала; иногда на внутренние поверхности наносят под углом тонкую пленку SiO2. Такая обработка приводит к тому, что на этих поверхностях возникают микротрещины, которые заставляют молекулы ЖК ориентироваться параллельно плоскости подложки, да еще и в заданном направлении (задается шлифовкой). Это ориентирующее действие

подложек можно легко использовать. Повернув подложки друг относительно друга на , можно закрутить молекулы ЖК так, что их длинные оси в слоях, прилегающих к одной и другой подложкам, окажутся взаимно перпендикулярными (рис. IV.3). Такая структура становится оптически

активной и наподобие слоя холестерика поворачивает плоскость поляризации света на . На внутренние поверхности подложек наносят также взаимно перпендикулярные шины-электроды. Под действием приложенного к электродам напряжения молекулы поворачиваются параллельно полю и «закрученное» состояние ЖК исчезает. Это так называемый твист-эффект (от английского twist –закручивать), на основе которого работают многие ЖК дисплеи. После снятия электрического поля молекулы ЖК возвращаются в первоначальное «закрученное» состояние.

1 Анизотропной называется среда, в которой физические свойства изменяются неодинаково по разным направлениям в э той среде .

74

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Таким образом, в описанном только что ЭУТ происходит модуляция плоскости поляризации света. К сожалению, человеческий глаз не отличает свет, поляризованный в горизонтальной плоскости, от света, поляризованного в вертикальной. Поэтому необходимо еще преобразовать данную модуляцию в амплитудную. Для этого применяют два пленочных поляроида (поляризатор и анализатор). На рис. IV.4 показана отдельная ячейка ЭУТ, образованная слоем молекул ЖК на пересечении двух взаимно перпендикулярных шин-электродов (на рис. IV.1 такая ячейка заштрихована). От источника свет попадает на первый световой фильтр (поляризатор) и после его прохождения становится плоско поляризованным. Давайте для определенности считать, что после прохождения поляризатора свет поляризован в горизонтальной плоскости. Затем свет попадает через подложку и прозрачный электрод в слой молекул ЖК, которые, в силу специальной обработки

внутренних поверхностей подложек, имеют закрученную на структуру, а следовательно поворачивает плоскость поляризации света на тот же угол. Таким образом, свет, прошедший слой ЖК, уже будет поляризован в вертикальной плоскости. Второй поляризационный фильтр (анализатор) располагают таким образом, что его оптическая плоскость была перпендикулярна оптической плоскости поляризатора. В этом случае, свет, прошедший через закрученную ЖК структуру будет беспрепятственно проходить через анализатор.

Когда к ячейке прикладывают напряжение, длинные оси молекул ЖК начинают ориентироваться вдоль вектора напряженности поля, т.е. стремятся выстроиться вдоль прямой, перпенд и- кулярной подложкам. Таким образом, в присутствии электрического поля поворот вектора поляризации будет происходить не на , а на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди ка-

заться черным. Реализовав адресацию, т.е. расположив соответствующим образом большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (т.е. в отдельных ячейках), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения.

Рис. IV.4. Схематическое изображение отдельной ячейки ЭУТ (субпикселя).

Зачастую многие путают такие понятия, как монитор, экран и дисплей. Монитором называют устройство, предназначенное для визуального отображения информации. Основными составными частями современного монитора являются корпус, блок питания, плата управления (видеокарта) и экран. Экран, таким образом, – это составная часть монитора; по сути, это поверхность, на которой изображается графическая информация. Наконец, дисплей – выходное электронное устройство, также предназначенное для визуального отображения информации. Например, мобильный телефон в своем составе имеет дисплей, но никак не монитор. Следовательно, дисплей тоже является составной частью некоторого устройства, поэтому слова «экран» и «дисплей» иногда используют как синонимы.

Подавляющее большинство современных компьютерных мониторов являются ЖК ЭУТ. На западный манер их часто называют LCD мониторами – Liquid Crystal Display (кстати, обратите внимание: LCD монитор дословно означает «монитор с жидкокристаллическим дисплеем). Они пришли на смену мониторам на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Основными преимуществами ЖК мониторов по сравнению с ЭЛТ являются: малый размер и вес, отсутствие проблем, связа н-

75

На пути в эру нанотехнологий…

ных с дефектами фокусировки лучей, помехами от магнитных полей и пр. Тем не менее, у ЖК мониторов есть и свои недостатки. Однако прежде, чем их назвать, опишем основные технические характеристики ЖК дисплеев (почти все эти характеристики можно перенести и на ЭЛТ монит о- ры).

Разрешение – горизонтальные и вертикальные размеры экрана, выраженные в пикселях. Другими словами, разрешение – это произведение количества точек (пикселей) в строке на количество строк. Так разрешение 1280*1024 показывает, что в одной строке на экране укладывается 1280 пикселей, а по вертикали на дисплее умещается 1024 пикселя. Пиксель (сокращение от английского словосочетания «picture element») – элементарная точка изображения. Пиксель представляет собой точку на экране, которая может светиться определенным цветом.

Размер точки (размер пикселя) – расстояние между центрами соседних пикселей. Размеры пикселей могут быть разными в зависимости от размера диагонали экрана, технологии изготовления ЖК матриц и др. В среднем, размеры пикселей находятся на уровне 270–280 мкм.

Глубина цвета – количество цветов, которое может отображать один пиксель. Зачастую глубину цвета определяют как объем видеопамяти в битах, который используется для хранения информации об одном пикселе. Так, глубина цвета 24 бит

означает, что пиксель может отображать цветов.

Соотношение сторон экрана (формат) – отношение ширины к высоте (4:3, 15:10,

16:10, 15:9, 16:9 и др.)

Видимая диагональ – размер диагонали экрана (обычно выражается в дюймах). Необходимо понимать, что площадь дисплея зависит не только от длины диагонали, но и от формата. Так, монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.

Яркость – поток света, посылаемый в данном направлении единичным элементом излучаемой поверхности. Единицей измерения служит нит (кандела, деленная на квадратный метр). Применительно к мониторам яркость можно условно определить как количество света, излучаемое дисплеем.

Контрастность – отношение яркостей самой светлой и самой тѐмной частей изображения.

Частота обновления – характеристика, показывающая, сколько раз в секунду на экране монитора обновляется изображение (измеряется в герцах). Минимальная частота обновления, при которой совершенно исчезает эффект мерцания, составляет около 60 Гц.

Следует отметить, что пиксель не соответствует отдельной ячейке ЖК матрицы. На сам ом деле отдельный пиксель состоит из трех базовых ячеек – красной, зеленой и синей – которые обычно называют субпикселями. Цвет субпикселя определяется цветовым фильтром, который помещают перед поляризатором (см. рис. IV.4). Субпиксели представляют собой прямоугольные ячейки шириной 1/3 пикселя и высотой в 1 пиксель, и расположены они строго по порядку. Меняя относительную яркость субпикселей, получают тот или иной цвет пикселя.

Итак, перейдем к недостаткам ЖК мониторов. В отличие от ЭЛТ они могут отображать четкое изображение лишь в том разрешении, которое соответствует технологическим размерам пикселей. Остальные разрешения достигаются интерполяцией с потерей четкости.

У ЖК мониторов также ниже скорость смены изображения, чем у ЭЛТ. Дело здесь в следующем. При частоте обновления 85 Гц кадры изображения поступают из видеокарты к монитору каждые 11,8 мс. Но вот само изображение, формируемое матрицей, не успевает обновляться с такой высокой частотой. Причина – инерционность («медлительность») жидких кристаллов. Напряжения на электродах субпикселей могут меняться очень быстро, а вот для того чтобы жидкие кристаллы полностью переориентировались в соответствии с меняющейся напряженностью электрического поля, нужно время – время отклика. Чем меньше это время, тем быстрее исчезает старое изображение и появляется новое. Для отображения динамичных сюжетов (игр или просмотра видеофильмов) желательна матрица с временем отклика не более 20 мс.

Многие ЖК мониторы обладают сравнительно малым контрастом. Дело в том, что поляризатор и анализатор не идеальны. Поляризатор просто подавляет, но не задерживает полностью

76

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

свет. Поэтому «закрытая» ячейка хоть и немного, но пропускает свет. В результате черные детали изображения становятся серыми, что приводит к уменьшению контраста. Повышения контраста часто добиваются простым увеличением яркости подсветки, что приводит к излишнему утомлению глаз пользователя.

Другой особенностью ЖК-дисплея является неравномерное распределение яркости по полю экрана. Для подсветки используется несколько тонких и длинных ламп, поэтому, несмотря на применение всевозможных отражателей и рассеивателей, добиться равномерной освещенности ЖК матрицы очень сложно.

Существенным минусом ЖК технологии все еще остается зависимость контраста от угла обзора. То есть стоит только взглянуть на монитор под углом, и изображение становится блеклым и малоконтрастным. Разработчики ЖК мониторов придумывают новые конструкции матриц в основном для того, чтобы увеличить углы обзора и улучшить качество цветопередачи.

При выборе ЖК монитора легко запутаться в многообразии матриц, усовершенствований и различных улучшений. Вполне может случиться, что более дешевый монитор по совокупности параметров будет лучше, чем дисплей с более дорогой ЖК матрицей. Поэтому нужно уметь оценивать качество дисплея не по приведенным в рекламных проспектах параметрам, а по качеству воспроизводимого изображения.

Для оценки контраста нужно вывести на экран картинку, содержащую черные и белые участки. Особое внимание нужно обратить на яркость черных участков. Чем они темнее – тем лучше. Светиться серым цветом черные участки не должны.

Для оценки равномерности распределения яркости нужно вывести на экран сначала белое, а затем черное поле. Необходимо, чтобы все участки изображения имели одинаковую яркость, то есть не было темных или светлых пятен.

Для оценки качества цветопередачи нужно вывести на экран качественное цветное изображение. Желательно, чтобы оно содержало фрагменты хорошо нам знакомые: человеческое лицо, ясное небо, зеленый лес или море. Иначе, увидев, например, какой-нибудь незнакомый цветок, мы не сможем выявить неисправность монитора, так как плохо помним истинный цвет данного растения.

Дальнейшее развитие ЖК мониторов будет связано с повышением четкости и яркости изображения, увеличением угла обзора и уменьшением толщины экрана. Так, например, уже существуют перспективные разработки ЖК мониторов, выполненных по технологии с использованием графена, поликристаллического кремния и др. Это позволяет, в частности, создавать очень тонкие устройства. Кроме того, новая технология обеспечивает высокую разрешающую способность на сравнительно небольшом по размеру экране.

Сенсорные экраны

Сегодня процесс «общения» человека с различными электронными устройствами становится все проще и удобнее. Значительную роль в упрощении взаимодействия человека и машины играют так называемые сенсорные экраны. Они позволяют решать проблемы, связанные с ситуациями, когда применение таких традиционных устройств ввода, как клавиатура и «мышь», затруднено или является невозможным.

Сенсорный экран – это специальная панель, которая крепится к экрану отображающего устройства (например, к монитору) и определяет координаты точки касания. В любом сенсорном экране можно выделить три основные части: сенсор (набор специальных датчиков), контроллер, который управляет датчиками и вычисляет или подготавливает данные для вычисления точки касания, и драйвер – программа, которая выполняет преобразования данных, поступающих от контроллера.

Сенсорные экраны различных принципов действия могут работать с ЖК-дисплеями, проекционными экранами, ЭЛТ мониторами. Для передачи данных от контроллера к компьютеру обычно используется USB-провод. Принцип действия дисплея, снабженного сенсорным экраном, можно представить следующим образом. На экран отображающего устройства выводится некоторая графическая информация. Например, это может быть «рабочий стол» операционной системы. Пользователь видит изображение через плотно прилегающий прозрачный сенсорный экран и, при необходимости, касается изображения в определенных точках. Контроллер сенсорного экрана передает информацию с датчиков в компьютер, где окончательно вычисляются координаты точки

77

На пути в эру нанотехнологий…

прикосновения. Далее производится сопоставление координат, поступивших с контроллера, с координатами программных элементов интерфейса и определяется элемент графического изображения, который указал пользователь. Таким образом, снабженный сенсорным экраном дисплей позволяет без помощи клавиатуры и мыши перемещать курсор, нажимать на кнопки, открывать папки, запускать программы, вводить текст и даже рисовать.

Существует много видов сенсорных экранов, отличающихся не только принципом действия, но и конструктивными особенностями. Среди этого многообразия можно выделить следующие типы технологий: резистивные, емкостные, матричные, индуктивные, а также использующие поверхностно-акустические волны (ПАВ), инфракрасное (ИК) излучение и видеокамеры. Мы рассмотрим первые два из них.

Резистивные экраны

Первые сенсорные экраны создавались с использованием прозрачной резистивной пленки. Резистивная пленка представляет собой тонкий слой токопроводящего вещества. Само слово резистивный в данном случае как раз и означает – токопроводящий. Технология на резистивных пленках широко распространена и сейчас. Существуют 4, 5 и 8-проводные резистивные сенсорные экраны. Рассмотрим 4-проводные сенсорные экраны.

Основу конструкции 4-проводного экрана составляют две прозрачные пленки из особого вещества (например, полиэстера), находящиеся друг напротив друга и разделенные микроскопическими шариками-изоляторами. Внутренние, обращенные друг к другу поверхности пленок покрыты прозрачным резистивным составом (той самой резистивной пленкой) на основе двуокиси индия и олова. Для определенности назовем один из резистивных слоев задним, а другой. расположенный ближе к наблюдателю, передним (рис. IV.5).

Рис. IV.5. Конструкция 4-проводно го резистивного экрана.

78

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

На каждую из резистивных пленок нанесены две металлизированные полоски, выполняющие роль электродов и обеспечивающие контакт между резистивными слоями. Первая пара полосок расположена вертикально по краям заднего слоя, а вторая пара – горизонтально по краям переднего слоя. Все четыре электрода подключены к специальной управляющей микросхеме – микроконтроллеру, который последовательно определяет координаты точки касания по горизонтали и вертикали. Работу контроллера в первом случае можно приблизительно описать следующим образом.

Сначала на вертикальные электроды заднего резистивного слоя подается постоянное напряжение, например, 5 В. В результате по задней резистивной пленке от одного электрода к другому протекает некоторый ток. Мысленно разобьем задний резистивный слой на отдельные горизонтальные участки. Напряжение в некоторой точке такого горизонтального участка будет зависеть от того, на каком расстоянии от электродов эта точка находится. Так, в непосредственной близости одного из вертикальных электродов напряжение будет равно нулю, а возле другого – 5 В. При касании экрана передний резистивный слой деформируется и касается заднего слоя. При этом горизонтальные электроды замыкаются микроконтроллером накоротко, для того чтобы уменьшить влияние сопротивления переднего резистивного слоя. В этом случае передний слой выполняет роль щупа, определяющего напряжение в точке касания. Сигнал, соответствующий величине напряжения, посылается в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), откуда он затем поступает в компьютер. Таким образом определяется положение точки касания по горизонтали.

Для определения координаты по вертикали передний и задний резистивные слои «меняются местами»: на горизонтальные электроды переднего слоя микроконтроллер подает постоянное напряжение, а электроды заднего слоя замыкает, (этот слой используется как щуп). Определение координат точки касания производится микроконтроллером с высокой скоростью – более ста раз в секунду. Слабым звеном 4-проводного экрана является передняя пленка из полиэстера. Многократные деформации приводят к разрушению проводящего слоя, в результате чего уменьшается точность определения координат. Производители гарантируют стабильную работу устройства при количестве нажатий в одной точке до миллиона

8-проводные экраны отличаются от 4-проводных незначительно – для повышения точности определения координат введены дополнительные 4 проводника, которые соединены с теми же самыми двумя парами металлизированных электродов, расположенных по краям проводящих покрытий. Однако надежности экрана в целом это не увеличивает.

А вот 5-проводный резистивный экран обладает улучшенными характеристиками. Переднее резистивное покрытие, подвергающееся деформации при касании, заменено проводящим и используется исключительно в качестве щупа. А заднее резистивное покрытие наносится не на пленку полиэстера, а на стекло. Поэтому к названию 5-проводных экранов часто добавляют аббревиатуру FG (Film on Glass – пленка на стекле). Четыре электрода, которые создают вертикальное и горизонтальное падения напряжений, находятся на заднем резистивном слое. Пятый электрод является выводом переднего проводящего слоя-щупа. Повреждение этого слоя при деформации практически не влияет на точность определения координат, поэтому такие экраны более надежные. Считается, что они выдерживают до 35 миллионов нажатий в одной точке. Кроме того, 5- проводные экраны, в отличие от 4 и 8-проводных, допускают установку на сферические или цилиндрические экраны отображающих устройств на основе ЭЛТ.

К достоинствам резистивных экранов следует отнести: возможность касания любым предметом, стойкость к пыли, влаге и загрязнению поверхности, низкую стоимость и простоту уст а- новки. Основные недостатки – низкая прозрачность (примерно 75% для 4 и 8-проводных экранов и до 85% для 5-проводных), недостаточная механическая прочность (экран можно повредить острым предметом), плохая работа при низких температурах, что связано с уменьшение м эластичности передней деформируемой пленки. Кроме того, резистивный экран способен распознавать только одну точку касания, то есть если при вводе текста ладонь руки давит на экран, то коорд и- наты вычисляются неверно. Резистивные экраны широко применяются в карманных компьютерах, GPS-навигаторах, кассовых терминалах, промышленном и медицинском оборудовании, сложных измерительных приборах и других подобных устройствах.

79

На пути в эру нанотехнологий…

Емкостные экраны

Тело человека, как известно, способно проводить электрический ток и, следовательно, имеет определенную электрическую емкость. Емкостные экраны работают с использованием как раз этой особенности строения человеческого тела. Рассмотрим устройство емкостного экрана.

Рис. IV.6. Устройство емкостно го экрана.

На прочное стекло, служащее основой конструкции, нанесен резистивный слой, соедине н- ный с четырьмя электродами, расположенными по углам экрана (рис. IV.6). Для защиты от повреждений слой покрыт снаружи тонкой пленкой специального проводящего состава. Все четыре электрода подключены к микроконтроллеру, который определяет координаты точки касания. Рассмотрим наиболее простой способ, позволяющий определить положение точки прикосновения. На все четыре электрода через прецизионные резисторы равных номиналов, служащие токовыми датчиками, микроконтроллер подает некоторое напряжение, например, 5 В. В итоге все четыре электрода панели имеют одинаковый потенциал, поэтому тока в резистивной пленке нет. Когда проводящего экрана касается человек, ситуация изменяется. Дело в том, что тело человека проводит ток, а потому обычно имеет потенциал земли – нулевой. При касании пальцем или проводящим предметом сенсорного экрана на проводящем слое появляется точка, потенциал которой меньше, чем потенциалы четырех электродов, поэтому возникает электрический ток. Он течет от источника питания, через электроды, участки резистивного покрытия и тело человека. Чем ближе точка касания к электроду, тем меньше участок резистивного покрытия и, следовательно, меньше сопротивление этого участка, а значит - больше амплитуда тока. Обработка сигналов, поступающих с электродов, позволяет определить координаты точки касания.

Точность емкостных экранов сравнима с точностью резистивных. Меньшее количество слоев делает их более прозрачными (до 90%). Отсутствие элементов, подвергающихся деформации, увеличивает надежность – такие экраны допускают более 200 миллионов нажатий в одну точку и позволяют работать при достаточно низких температурах (до -15° С). Однако переднее проводящее покрытие, участвующее в определении координат, боится механических повреждений, влаги (конденсата) и любых проводящих ток загрязнений экрана. Недостатками таких экранов являются: необходимость касания только проводящим предметом (пальцем или специальным стилусом, проводящим ток), кроме того, пользователь должен иметь достаточно хороший контакт с «землей», иначе после нескольких касаний он приобретает потенциал экрана, и в работе микроконтроллера начинаются сбои. Эти экраны, так же как и резистивные, не допускают одновреме н- ного нажатия в двух точках. Сфера применения практически такая же, как и у резистивных экранов, однако наличие статического заряда и протекающего через тело человека тока несколько ограничивает использование. Емкостные экраны надежнее резистивных, и потому предпочтительнее при интенсивном использовании.

80