Podstawy budowy

systemów

zobrazowania

Wykład – 8-

DISPLEJE

Systemy zobrazowania

Optoelektronika

obrazowa

Optoelektronika II SUM ETI 2011/12

zaoczny

Przypominam proponowane

tematy referatów

1. Wiązania chemiczne i ich wpływ na właściwości

materiałów

2. Wybrane technologie stosowane w wytwarzaniu

elementów elektronicznych – dyfuzja, epitaksja,
fotolitografia.

3. Tranzystor unipolarny i polowy budowa, zasady

pracy.

4. Półprzewodnikowe elementy fotowoltaiczne.
5. Budowa lasera na ciele stałym – budowa i zasady

pracy.

6. Zastosowanie światła laserowego – omów kilka

wybranych zastosowań.

7. Zastosowanie techniki światłowodowej w

telekomunikacji.

Kolejne tematy

referatów

1. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne: efekt TN,

problemy adresowania matrycowego,
budowa kolorowego wyświetlacza video.

2. Wyświetlacze plazmowe: budowa

kolorowego wyświetlacza plazmowego i
technika jego adreso-wania.

3. Wyświetlacze elektroluminescencyjne: EL,

OLED, PLED, LED – budowa, efekt fizyczny,
realizacja zobrazowania barwnego,
zastosowania, kierunki rozwoju.

4. Systemy projekcyjne: historia, współczesne

LCD, DLP, budowa, sposób realizacji
zobrazowania, kino cyfrowe.

5. Wyświetlacze na podłożach giętkich –

problemy budowy i kierunki rozwoju.

Podstawowe

wiadomości o

displejach

Przedmiot naszego zainteresowania

displej nazywany

rów-nie

często

wyświetlaczem

lub

prostu

wskaźnikiem

- jest przetwornikiem obrazu, którego zadaniem

jest przekazanie obserwa-torowi (operatorowi) niezbędnych
informacji w postaci zbioru znaków, punktów, symboli, cyfr,
liter czy obrazu graficznego.

Jest to więc swoisty - przekaźnik informacji "interfejs"

pomiędzy urządzeniem technicznym a operatorem -
człowiekiem. Wielkość i bu-dowa displeja zależy od zakresu
zobrazowywanej informacji oraz po-trzeb potencjalnego
odbiorcy (oczywiście inne są wymagania w przypa-dku
wskaźnika kalkulatora, magnetowidu, deski rozdzielczej
samochodu

czy

wreszcie

monitora

komputerowego).

Niezależnie od różnorodności zastosowań displejów, widać
wyraźnie, że ich budowa, możliwości zo-brazowania, czy
wymagania na układy adresujące mogą mieć i mają duży
wpływ na budowę podstawowego urządzenia, przyrządu w
którym dany wyświetlacz jest tylko elementem końcowym.

Zastąpienie monitora w postaci lampy elektronopromieniowej (CRT),

płaskim ekranem ciekłokrystalicznym umożliwiło w miejsce stacjonarnych

systemów obliczeniowych, budowanie walizkowych Laptopów

Oczywiście Laptop to nie tylko zmiana monitora, ale również nowa
genera-cja scalonych procesorów, z drugiej jednak strony trudno
sobie wyobrazić walizkowy komputer z monitorem CRT
wymagającym wysokiego napięcia sterującego stosunkowo dużego
prądu, i podatnym na implozję w przypadku uszkodzenia (udaru)
mechanicznego.

Pierwsze współczesne systemy zobrazowania datują się od
powstania telewizji, która jest często uważana za stosunkowo
młodą dziedzinę telekomunikacji, a w rzeczywistości jej
początki sięgają XIX w. Za na-rodziny telewizji uważa się rok
1884. Wtedy to niemiecki student inży-nierii Paul Nipkow
zgłosił do biura patentowego projekt urządzenia zwanego
tarczą Nipkowa. Jest to urządzenie do mechanicznej i syn-
tetycznej analizy obrazu. Tarcza Nipkowa służyła do
podzielenia ob-razu na punkty i ponownego złożenia ich w
całość po przesłaniu na odległość informacji o jasności
poszczególnych składników obrazu

Tarcza Nipkova w pierwszym modelu telewizora
opracowanym w roku 1925 r. w Wielkiej Brytanii przez
Johna Logie Bairda

Odkrycie niemieckiego studenta było
przeło-mem, ale nigdy nie zawojowało
świata z pro-stej przyczyny. Otóż
telewizja mechaniczna nie miała
przyszłości i poszukiwano lepszych
rozwiązań

Zwrotem dla techniki zobrazowania okazało się opracowanie
lamp ele-ktronowych. Umożliwiały one wzmacnianie sygnałów
i znacznie przy-czyniły się do rozwoju elektroniki w okresie I
wojny światowej. Pod ko-niec lat dwudziestych XX w. podjęto
próby realizacji procesów prymi-tywnej początkowo telewizji.
Powstało wiele systemów telewizji, które później ulegały
dalszemu rozwojowi

Na lata czterdzieste i pięćdziesiąte XX w.
przypadł rozkwit elektroniki cyfrowej, w
tym maszyn które służyły do wykonywania różnego rodzaju
obliczeń. Wymusiło to na konstruktorach poszukiwania taniego
sposobu przeniesie-nia wyników tych wyliczeń,
reprezentowanych w maszynach elektroni-cznych przez napięcia
i prądy, na ekran. Tu rozpoczyna się historia wy-świetlaczy
numerycznych, które były podstawą do stworzenia wyświe-tlaczy
alfanumerycznych, te zaś w niektórych przypadkach wpłynęły na
rozwój tych graficznych. Jak można się łatwo domyśleć pierwsze
wy-świetlacze, zastosowano kalkulatorach elektronicznych. Były
to urządzenia oparte na lampach próżniowych i gazowych.
Kluczowym elementem tych kalkulatorów były dekatrony. Jest to
lampa elektronowa licząca impulsy od 0 do 9 i wyświetlająca
wynik w postaci punktu świetlnego przesuwającego cyfrę.
Dekatrony pełniły trzy funkcje: pamięci, przyrządu liczącego oraz
wyświetlacza.

Pierwsze lata pięćdziesiąte ubiegłego wieku to
wykorzystanie lamp Nixie, inaczej nazywanych cyfrowymi
lampami jarzeniowymi. Podobnie jak dekatrony urządzenia
te są lampami gazowymi. Za-wierają one 10 katod i jedną
wspólną anodę.

Zawierają one 10 katod i jedną wspólną anodę. Wypełnione
są naj-częściej neonem pod niskim ciśnieniem oraz parami
rtęci lub argo-nu zamkniętymi w szklanej bańce. Każda z
katod ma postać cien-kiej blaszki uformowanej w kształcie
cyfr z zakresu 0 do 9. Poszczególne znaki są położone w
stos w jednej płaszczyźnie, lecz są od siebie odizolowane.
Anodą jest natomiast siatka przewodzą-ca, umieszczona
przed stosem katod. Jeśli pomiędzy daną katodę, a anodę
przyłożono by odpowiednie napięcie (około 100 – 200V) to
dany symbol zacznie jarzyć pomarańczowo – czerwoną
barwą. Największą wadą owych wyświetlaczy był duży
pobór prądu, wyso-kie napięcia zasilania, duże rozmiary i
krótka żywotność.

LCD

OLED

PDP

LCD

3D - LCD

Najważniejszą cechą różniącą displeje między sobą

jest ich pojemność informacyjna czyli to ile i jakiej
informacji można pokazać na ekranie, oraz dynamika
(czyli szybkość) zmian obrazów

. W zależności od różnorodności

zobrazowywanej informacji displeje dzielimy na:

wskaźniki

- zawierają niewielką liczbę oddzielnie wyświetlanych

punktów obrazu (pikseli). Są to najczęściej proste układy umożliwiające
ocenę stanu wyposażo-nego w nie urządzenia, poprzez położenie
punktu świetlnego, lub zmianę długości linii, albo pola powierzchni
rozświetlanej części ekranu. Przykładami takich disple-jów są np.
magiczne oko, wskaźnik dostrojenia, światła sygnalizacji ruchu na dro-
dze, czy światła samochodu (stop, kierunkowskazy)

displeje cyfrowe

- umownie zawierają do 100 oddzielnych punktów

obrazu uło-żonych w siedmio lub ośmiosegmentowe cyfry. Displeje te
pozwalają również na wyświetlanie pomocniczych znaków
alfanumerycznych lub symboli np. +; -; znak prądu stałego, zmiennego;
stopień naładowania baterii.

Podział displejów ze względu na

zakres i różnorodność

zobrazowywanej informacji

displeje alfanumeryczne

- zawierają od 10

do 10

oddzielnych

punktów obrazu i umożliwiają wyświetlenie złożonej informacji cyfrowo-
literowej. Displeje takie znajdują szerokie zastosowanie w kasach
walutowych, systemach bankowych, telekomunikacyjnych, informacji
podróżnych na dworcach kolejowych i lotniczych, stacjach benzynowych.
Podobną do alfanumerycznych pojemność informacji mają -

displeje

segmentowe

. Różnią się one tym, że zobrazowywany jest obraz w

postaci symboli graficznych (często wraz z cyframi lub znakami
alfanumerycznymi). Do tej grupy należą np. deski rozdzielcze
samochodu, displeje sprzętu audio i video.

displeje graficzne

- zawierają od 10

do 10

pikseli i w zależności od

ilości możliwych do rozróżnienia poziomów luminancji dzielimy je na:

wektorograficzne i wideo skopowe.

Pierwsze z wymienionych

umożliwiają wyświetlenie dowolnych figur graficznych złożonych z pełno
kontrastowych linii i łuków. Typowe displeje tej grupy to lampy
kineskopowe. Displeje wideo skopowe umożliwiają wyświetlenie
nieruchomych widoków tj. obrazów tworzonych z wykorzystaniem co
najmniej kilku stopni kontrastu luminancji typowe zastosowania to
telefony komórkowe.

Podział displejów ze względu na zakres i

różnorodność zobrazowywanej informacji

Podział displejów ze względu na zakres i

różnorodność zobrazowywanej informacji

displeje wideo

- zawierają ponad 10

oddzielnych pikseli i umożliwiają

przedsta-wienie widoków w ruchu. Ich zastosowanie to monitory
kinowe, telewizyjne, oraz wielkie ekrany obrazowe. Do niedawna był to
najbardziej skomplikowany typ di-spleja o precyzyjnym rysowaniu
obrazu wielobarwnego o wielu stopniach kontra-stu luminancji. W końcu
lat osiemdziesiątych ze względu na potrzeby grafiki kom-puterowej
pojawiają się nowe generacje displejów, które nazwiemy tu umownie

graficzne displeje komputerowe

. Displeje te charakteryzują się

możliwością zobrazowania dokładniejszych szczegółów, jak video, jest
to bowiem konieczne dla przedstawienia wszystkich niezbędnych
symboli, liter, obrazów graficznych itp.

displeje wielkowymiarowe –reklamowo informacyjne

– stanowią

specyfi-czną grupę o wymaganiach krańcowych: dużej ilości
zobrazowywanych punktów obrazu i jednocześnie dużych wymiarach
pojedynczego punktu. Znajdują one za-stosowanie w dużych obiektach
handlowych, na stadionach, dworcach kolejowych itp.

W zależności od ilości rozróżnianych kolorów, oraz
położenia piksela, displeje dzielimy na:

monochromatyczne

- gdy zobrazowywany obraz jest jednego

koloru na kontrastowym tle,

multichromatyczne

- gdy obraz jest wielokolorowy przy czym

dany piksel może przyjmować dwa stany - kolor tła, lub kolor do
niego przyporządkowany. Banalnym przykładem tego może być
słup sygnalizacji świetlnej regulujący ruchem drogowym, gdzie
mamy trzy zmieniające się barwy: czerwona, żółtą i zieloną, ale
ich miejsce na słupie jest stałe,

barwne

- gdy dowolny punkt obrazu może przyjmować

dowolną barwę z dostępnej palety barw.

W zależności od tego czy obraz oglądamy bezpośrednio na
ekranie, w miejscu gdzie on powstaje, czy też oglądamy go
jako rzut na ekranie - displeje dzielimy na:
-

bezpośredniej obserwacji, lub

- projekcyjne

Mody pracy displeja do
obserwacji bezpośredniej: a)
mod transmisyj-ny b) mod
odbiciowy c) mod
transfleksyjny

PROJEKCYJNE

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

Podstawowy podział displejów ze względu na podstawy fizyczne

ich pracy jest wynikiem odpowiedzi na pytanie czy ekran emituje sam
światło, jak to ma miejsce w przypadku żarówki lub diody
elektroluminescencyjnej; czy też musi ko-rzystać z zewnętrznego źródła
światła jak np. druk w gazecie, czy displej ciekło-krystaliczny. W
zależności od tego displeje dzielimy na:

aktywne

- czyli takie, które dostarczoną energię (najczęściej w

postaci prądu elektrycznego) przekształcają na energię promieniowania
elektromagne-tycznego w zakresie widzialnym. Wyświetlacz taki "świeci"
i intensywność tego świecenia jest niezależna od oświetlenia
zewnętrznego, oraz

pasywne

- czyli takie, które światło padające z zewnętrznego

źródła pochłaniają, odbijają lub rozpraszają, na skutek czego uwidacznia
się zobrazowa-nie stanu w jakim znajduje się displej.

Najważniejsze displeje aktywne aktualnie produkowane

na świecie to:

lampy elektronopromieniowe (CRT - Cathode Ray Tube),

których

podstawą fizyczną działania jest zjawisko fosforescencji przy
pobudzaniu elektro-no luminoforu wiązką (lub kilku wiązkami)
elektronów szybkich ( kilkudziesięciu keV)

displeje FED (emisja polowa)

- są cienkowarstwową odmianą lampy

CRT, gdzie wiązka elektronów jest emitowana z matrycowo
adresowanej zimnej katody składającej się z mikrostożków

displeje elektroluminescencyjne (EL-Electro-Luminescence)

bazujące na elektroluminescencji wewnętrznej (Distrien rok 1937) z
elektrono luminoforu osadzonego w postaci proszku, lub cienkiej
warstwy. Warunkiem koniecznym powstania elektroluminescencji jest
wytworzenie odpowiednio dużego natężenia pola elektrycznego w
przestrzeni międzyelektrodowej ( V/m). Specyficznym

rozwiązaniem wyświetlaczy elektroluminescencyjnych robiącym
karierę na przełomie wieku XX i XXI są displeje na materiałach
organicznych.

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

Najważniejsze displeje aktywne aktualnie produkowane na

świecie to:

lampy elektronopromieniowe (CRT - Cathode Ray Tube),

których

podstawą fizyczną działania jest zjawisko fosforescencji przy pobudzaniu
elektrono luminoforu wiązką (lub kilku wiązkami) elektronów szybkich (

kilkudziesięciu keV)

displeje FED (emisja polowa)

- są cienkowarstwową odmianą lampy CRT,

gdzie wiązka elektronów jest emitowana z matrycowo adresowanej zimnej
katody składa-jącej się z mikro-stożków

displeje elektroluminescencyjne (EL-Electro-Luminescence)

bazujące

na elektroluminescencji wewnętrznej (Distrien rok 1937) z elektrono
luminoforu osadzo-nego w postaci proszku, lub cienkiej warstwy. Warunkiem
koniecznym powstania elektroluminescencji jest wytworzenie odpowiednio
dużego natężenia pola elektry-cznego w przestrzeni międzyelektrodowej (

V/m). Specyficznym rozwiązaniem wy-świetlaczy elektroluminescencyjnych
robiącym karierę na przełomie wieku XX i XXI są displeje na materiałach
organicznych.

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

Najważniejsze displeje aktywne aktualnie produkowane na

świecie to:

lampy elektronopromieniowe (CRT - Cathode Ray Tube),

których

podstawą fizyczną działania jest zjawisko fosforescencji przy pobudzaniu
elektrono luminoforu wiązką (lub kilku wiązkami) elektronów szybkich (

kilkudziesięciu keV)

displeje FED (emisja polowa)

- są cienkowarstwową odmianą lampy CRT,

gdzie wiązka elektronów jest emitowana z matrycowo adresowanej zimnej
katody składa-jącej się z mikro-stożków

displeje elektroluminescencyjne (EL-Electro-Luminescence)

bazujące

V/m). Specyficznym rozwiązaniem wy-świetlaczy elektroluminescencyjnych
robiącym karierę na przełomie wieku XX i XXI są displeje na materiałach
organicznych.

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

displeje z diod elektroluminescencyjnych (LED - Light Emitting
Diode),

bazujące na elektroluminescencji wstrzykiwanej (odkrytej w

1923 r przez Losev'a). Emisja światła następuje w tym przypadku na
skutek rekombinacji promienistej swobodnych nośników ładunku w
dodatnio spolaryzowanym złączu p-n.

displeje fluorescencyjne (VFD - Vacuum Fluorescent Display),

bazujące na efekcie fluorescencji przy pobudzaniu elektroluminoforu
strumieniem elektronów o energiach 50300 eV.

displeje plazmowe (PDP - Plasma Display Panel)

- w których

następuje emisja światła z plazmy w czasie wyładowania elektrycznego.
W zależności od konstrukcji i budowy displeja do zobrazowania
wykorzystuje się albo część widzialną widma albo nadfioletową, która
działa na luminofor.

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

displeje z diod elektroluminescencyjnych (LED - Light Emitting
Diode),

bazujące na elektroluminescencji wstrzykiwanej (odkrytej w

1923 r przez Losev'a). Emisja światła następuje w tym przypadku na
skutek rekombinacji promienistej swobodnych nośników ładunku w
dodatnio spolaryzowanym złączu p-n.

displeje fluorescencyjne (VFD - Vacuum Fluorescent Display),

bazujące na efekcie fluorescencji przy pobudzaniu elektroluminoforu
strumieniem elektronów o energiach 50300 eV.

displeje plazmowe (PDP - Plasma Display Panel)

- w których

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

displeje z diod elektroluminescencyjnych (LED - Light Emitting
Diode),

bazujące na elektroluminescencji wstrzykiwanej (odkrytej w

1923 r przez Losev'a). Emisja światła następuje w tym przypadku na
skutek rekombinacji promienistej swobodnych nośników ładunku w
dodatnio spolaryzowanym złączu p-n.

displeje fluorescencyjne (VFD - Vacuum Fluorescent Display),

bazujące na efekcie fluorescencji przy pobudzaniu elektroluminoforu
strumieniem elektronów o energiach 50300 eV.

displeje plazmowe (PDP - Plasma Display Panel)

- w których

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

displeje z diod elektroluminescencyjnych (LED - Light Emitting
Diode),

bazujące na elektroluminescencji wstrzykiwanej (odkrytej w

1923 r przez Losev'a). Emisja światła następuje w tym przypadku na
skutek rekombinacji promienistej swobodnych nośników ładunku w
dodatnio spolaryzowanym złączu p-n.

displeje fluorescencyjne (VFD - Vacuum Fluorescent Display),

bazujące na efekcie fluorescencji przy pobudzaniu elektroluminoforu
strumieniem elektronów o energiach 50300 eV.

displeje plazmowe (PDP - Plasma Display Panel)

- w których

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

Jak więc widać z tego przedstawienia, podstawowym efektem
fizycznym na którym bazują displeje aktywne przełomu XX i XXI
wieku jest elektronoluminescencja, a zatem w tym przypadku bardzo
ważnym będzie materiał luminoforu i technologia jego nanoszenia.

Displeje pasywne realizowane mogą być jako: elektrooptyczne lub
paletowe

Do grupy pierwszej należą:

displeje ciekłokrystaliczne (LCD - Liquid Crystal Display),

w których

w zależności od wybranego efektu wykorzystuje się jedno z następujących
zjawisk: - rozpraszanie światła, - pochłanianie światła spolaryzowanego, -
selektywne pochłanianie świata w cienkiej warstwie ciekłego kryształu .
Czynnikiem wywołującym pożądany efekt jest w tym przypadku pole
elektryczne.

displeje elektroforetyczne (EPID - Electro Phoretic Indicator
Display),

w których obraz uzyskuje się na skutek selektywnego

pochłaniania światła w warstwie barwnej zawiesiny.

displeje elektrochromowe (ECD - Electro Chromic Display),

w których

również zobrazowanie następuje na skutek selektywnego pochłaniania
światła w substancji, w której barwa (współczynnik pochłaniania) zależy od
zmiany charakteru wiązań chemicznych pod wpływem pola elektrycznego.

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

Druga grupa,

displeje paletowe

- niezależnie od wielkości

palety, która może składać się nawet z kilkudziesięciu, kilkuset znaków -
bazują na selektywnym odbiciu światła od różnych części powierzchni
palety. Systemy te różnią się natomiast techniką przełączania palet.
Mamy bowiem systemy przełączające z silnikami krokowymi lub
przełączniki elektromagnetyczne powodujące odchylanie się "klapek"
displeja.

Przykładem doskonałego systemu zobrazowania opartego

na przełączeniu położeń tym razem mikro-zwierciadełek o
powierzchni
16 m

jest system DMD firmy Tektronix. System ten połączony z

wysoce zaawansowaną technologią układów scalonych pozwala
na budowanie wysokiej jakości projektorów video o bardzo dużej
jasności i małych wymiarach geometrycznych.

Podział displejów ze względu na efekty

wykorzystywane do zobrazowania

Druga grupa,

displeje paletowe

- niezależnie od wielkości

Przykładem doskonałego systemu zobrazowania opartego

na przełączeniu położeń tym razem mikro-zwierciadełek o
powierzchni
16 m

jest system DMD firmy Tektronix. System ten połączony z

wysoce zaawansowaną technologią układów scalonych pozwala
na budowanie wysokiej jakości projektorów video o bardzo dużej
jasności i małych wymiarach geometrycznych.

Podsumowując możemy powiedzieć, że: w przypadku

displejów pasywnych, istotne z punktu widzenia ich działania są
zjawiska będące skutkiem oddziaływania światła z powierzchnią
lub materiałem o różnym stopniu pochłaniania, rozpraszania, lub
odbicia.

DISPLEJE

AKTYWNE

PASYWNE

- Lampy elektronopromieniowe

(CRT)

- Emisje polowe (FED)

- Fluorescencyjne (VFD)

- Elektroluminescencyjne

- warstwowe (EL)

- organiczne (OLED)

- diody (LED)

- Plazmowe (PDP)

- Ciekłokrystaliczne (LCD)

- Elektroforetyczne (EPID)

- Elektrochromowe (ECD)

- Paletowe, klapkowe

Na rysunku poniżej zestawiono podział displejów

ze względu na wykorzystywane efekty

Perspektywa zastosowań nowych rodzin

displejów

(rok 1990)

Dzisiaj to wszystko
mogą zabezpieczyć
wyświetlacze
ciekłokrystaliczne !!!!

SPOSOBY I SYSTEMY

STEROWANIA I

ADRESOWANIA

DISPLEJÓW

Wstęp - podział systemów

sterowania

Aby na ekranie został przedstawiony obraz konieczne jest
przekazanie do każdego punktu obrazu (piksela) informacji, jaki
stan ma on przyjąć - włączony (ON), czy wyłączony (OFF), oraz w
jakim stopniu ma on być wysycony (czarny, szary, biały) lub
zabarwiony. Aby operator "zobaczył" obraz w układzie displeja
muszą zostać zrealizowane następujące funkcje:

adresowanie

czyli przekazanie odpowiedniej części

informacji z wejścia displeja do ściśle określonego punktu
obrazu. Przekazywanie tej informacji może się odbywać według
kolejności (sekwencji) czasowej, i mówimy wówczas o
adresowaniu analogowym, lub przez przekazywanie informacji
według zakodowanego adresu piksela do którego ma ona
dotrzeć, mówimy wówczas o adresowaniu cyfrowym

wyświetlanie

czyli przetworzenie w każdym pikselu

zaadresowanej informacji na sygnał optyczny. Przy czym sygnał
ten może być emitowany w postaci strumienia świetlnego
(displej aktywny), albo może być modu-lacją strumienia od
innego źródła światła (displej pasywny).

pamiętanie

czyli podtrzymywanie na stałym (lub mało

zmieniającym się) poziomie strumienia świetlnego docierającego
od displeja do obserwato-ra. Ważność tej funkcji rośnie ze
wzrostem pojemności displeja.

Stopień ważności tych funkcji zależy od pojemności

displeja oraz złożoności obrazu, który ma być przedstawiony.
Najtrudniejsze technicznie jest adresowanie displejów video,
barwnych, gdzie poza koniecznością zaadresowania co najmniej
10

pikseli, musi być spełniony warunek zmiany tych stanów co

najmniej 25 razy na sekundę. Dodatkowo każdy z pikseli może
przyjmować jeden z co najmniej kilkunastu stanów.

Wstęp - podział systemów sterowania

Statyczne i dynamiczne charakterystyki
elektrooptyczne

Wykorzystywane obecnie systemy

adresowania, można podzielić na pięć podstawowych typów
:

-bezpośrednie (indywidualne)

-skaningowe

-równoległe (projekcyjne)

-matrycowe (dwu współrzędnościowe)

-siatkowe (wielo współrzędnościowe)

Adresowanie: bezpośrednie, matrycowe i siatkowe są
typowe dla adresowania cyfrowego, natomiast adresowanie
skaningowe i projekcyjne są typowe dla adresowania
analogowego.

Wstęp - podział systemów sterowania

Adresowanie bezpośrednie

Adresowanie bezpośrednie - charakteryzuje się niezależnym od czasu
dostępem do każdego piksela. Jest to więc system stosunkowo prosty z
punktu widzenia wymagań na efekt oraz materiał displeja, natomiast
złożony jest układ doprowadzeń i elektrod (zwłaszcza dla displejów o
większych pojemnościach).

System ten może być stosowany gdy ilość pikseli do
wysterowania jest nieduża, oraz gdy wymiary displeja i
pikselów umożliwiają bezpośrednie ich połączenie.

Zaletą adresowania

bezpośredniego jest
możliwość precyzyjnego
adresowania za po-mocą
prostego układu. Sposób ten
umożliwia pełne
wykorzystanie potencjalnych
możliwości displeja takich jak
uzyskanie pośrednich stopni
szarości obrazu pełnej pale-ty
barw. Sterowanie takie ułatwia
również uzyskanie szerszego
za-kresu temperatur pracy
displeja.

Wadą

jest rosnąca liczba połączeń występujących pomiędzy displejem

a ukła-dem sterującym wraz ze wzrostem liczby pikseli, oraz w
pewnych przypadkach komplikacja kształtu elektrod (rys.5.2).

Adresowanie skaningowe

Adresowanie skaningowe charakteryzuje się przekazywaniem
informacji kolejno wszystkim pikselom displeja, z tak dobraną
prędkością, aby ko-lejne informacje docierały do odpowiednich
elementów ekranu. W adre-sowaniu skaningowym, którego ideę
schematycznie przedstawiono na rysunku typowym nośnikiem
informacji może być wiązka elektronowa (jak np. w lampie CRT)
lub laserowa wiązka świetlna, w wyjątkowych przypa-dkach
mogą to być sygnały elektryczne

Adresowanie skaningowe
może być realizowane tylko
w przypadku gdy punkty
ekranu charakteryzują się
pamięcią wewnętrzną

Wpisany stan musi być
zapamiętany aż do czasu
ponownego powrotu wiązki
adresującej. Dla obrazów,
które mają być w ruchu,
wykorzystywany efekt i
substancje robocze displeja
dodatkowo muszą
umożliwiać szybkie
wpisywanie informacji
(muszą się
charakteryzować krótkim
czasem włączania).

Adresowanie równoległe

Adresowanie równoległe nazywane jest inaczej

projekcyjnym

i charakteryzuje się równoczesnym

przekazywaniem informacji do wszystkich pikseli. Jest to więc
w sensie ideowym sytuacja podobna do adresowania
bezpośredniego, przy czym określenie "równoległe"
zarezerwowane jest wyłącznie dla adresowania optycznego
np. przez rzutowanie obrazu na warstwę światłoczułą
naniesioną na powie-rzchnię tylną displeja (banalnym
przykładem takiego adresowania jest fotografowanie).

Adresowanie matrycowe

Matryca pasywna

Adresowanie matrycowe charakteryzuje się tym, że informacja

jest prze-kazywana przez krzyżujące się wzajemnie doprowadzenia
rzędów i kolumn. Może ono być stosowane wszędzie tam, gdzie sygnał
adresujący jest doprowa-dzony do dwóch elektrod, a więc praktycznie w
większości displejów elektroopty-cznych, z wyjątkiem próżniowych
fluorescencyjnych VFD.

W zależności od tego czy
adresowane są bezpośrednio
punkty obrazu, czy też ele-menty
aktywne sterujące następnie
pun-ktami obrazu możemy
mówić o adreso-waniu:

- matrycowym pasywnym
(PM)
- matrycowym aktywnym
(AM)

Ze względu na czasowy przebieg impulsów adresujących

mamy adresowanie:

statyczne

- kiedy jest stały dostęp do wszystkich pikseli

displeja. System ten jest praktycznie pełnym odpowiednikiem
opisanego wcześniej adre-sowania bezpośredniego

multipleksowe

- kiedy w różnych chwilach czasu impulsy

adresujące są podawane na różne piksele

Adresowanie matrycowe pozwala na znaczne

zmniejszenie ilości doprowadzeń (kontaktów).

najogólniejszym przypadku matrycy o wymiarach m-kolumn, n-
linii adresowanie statyczne wymaga m x n doprowadzeń,
natomiast dla multipleksowego wystarczającą jest m+n
doprowadzeń.

Niestety aby ten sposób adresowania
mógł być stosowany element obrazu
(wykorzy-stywany efekt
elektrooptyczny), musi cha-
rakteryzować się nieliniową
charakterysty-ką kontrastu w funkcji
napięcia sterującego z wyraźnie
określoną wartością progową.

Dodatkowym warunkiem uzyskania
maksy-malnego kontrastu jest krótki
czas włącza-nia elementu obrazu i
pozostawanie ele-mentu po
wyłączeniu pobudzania w stanie
wzbudzenia przez czas adresowania
pozo-stałych. Aby czas ten zmniejszyć
zamiast prostego adresowania punkt
po punkcie, wszędzie tam gdzie
pozwala na to wyko-rzystywany efekt
stosuje się adresowanie linia po linii
("line at a time").

Konieczność charakteryzowania się efektu elektrooptycznego
displeja silną nieliniowością wynika z faktu, że w przeciwnym
przypadku mamy częściowe wysterowanie nie tylko wybranego
piksela, ale i jego sąsiadów. Jeżeli spojrzymy na przykładową
matrycę 54 piksele (gdzie na rysunku każdy piksel jest
przedstawiony jako opornik) to wyraźnie widać, że jeżeli pełne
napięcie baterii Vb sygnał adresujący) zostanie przyłożone do
adresowanego piksela (1) to jednocześnie do "połączonych" z
nim innych pikseli będzie przyłożone napięcie:

do punktów leżących na tym samym wierszu

V(m) = Vb (n-1)/(m+n+1)
-

do punktów leżących na tej samej kolumnie

V(n) = Vb (m-1)/(m+n+1)
-

do pozostałych punktów

V(mn) = Vb/(m+n+1)

- do punktów leżących na tym samym wierszu

V(m) = V

(n-1)/(m+n+1)

do punktów leżących na tej samej kolumnie

V(n) = V

(m-1)/

(m+n+1)

do pozostałych punktów

V(mn) = V

(m+n+1)

Jeżeli m i n rosną to napięcie przyłożone do nie adresowanych
pikseli linii i kolumny szybko zbliża się do wartości V

/2 (dla

m=n) a zatem jeżeli wykorzystywany efekt nie charakteryzuje
się wyraźnym napięciem pro-gowym to

nastąpi pasożytnicze

pobudzanie elementów sąsiednich, zwa-ne "efektem krzyża".

Aby pozbyć się efektu krzyża system adresowania musi

zapewniać utrzymanie na elementach nie pobudzanych
napięcia niższego od progowego.

Istnieją dwa systemy adresowania w sterowaniu
multipleksowym:

- selekcja amplitudowa
- selekcja czasowa

System adresowania z selekcją amplitudową dla matrycy 3x3
został sche-matycznie przedstawiony na rysunku. Polega on na
tym, że suma napięć na elementach nie pobudzonych jest niższa
od napięcia progowego Vpr natomiast na element pobudzany
podaje się napięcie

V=3Vpr, które po-winno pozwalać na

uzyskanie odpowiednio dużego kontrastu

Ten bardzo prosty schemat w rzeczywistych układach ulega
pewnej kom-plikacji, albowiem kształt impulsów adresujących
zostaje uzależniony od ilości adresowanych elementów (pikseli,
linii) oraz czasu adresowania. System ten nosi nazwę systemu
optymalizowanej amplitudy. Na rysunku przedstawiono
przykładowy kształt impulsów sterujących displej ciekłokry-
staliczny stosowany w rzeczywistym displeju alfanumerycznym.

Adresowanie z selekcją czasową polega na

dobraniu odpowiedniej "szerokości" impulsów

adresujących w celu uzyskania wymaganego

napięcia skutecznego. Podobnie jak w innych

metodach displej jest adresowany linia po linii,

przy czym czas wpisywania obrazu jest krótszy od

naturalnego czasu zaniku. Kontrast zobrazowania

zależy w tym przypadku od szerokości impulsu

adresującego.

Matryca aktywna

Przedstawione

techniki

adresowania

matrycowego

pasywnego, wymagają bardzo dobrych materiałów aktywnych
oraz efektów o dużej nieliniowości charakterystyki

. Mimo tego,

często nie udaje się uzyskać wymaganej dynamiki zobrazowania,
rozdzielczości obrazu, czy też skali szarości lub barw. Problemy
te pozwala rozwiązać tak zwane sterowanie matrycą aktywną,
która umożliwia praktyczne uniezależnienie się od własności
materiału aktywnego.

Adresowanie "matrycą aktywną" polega na szeregowym
dołączeniu do każdego piksela elementu półprzewodnikowego o
silnie nieliniowej charakterystyce prądowo - napięciowej,

co ma

na celu zwiększenie selektywności adresowania. Jednocześnie
równolegle zostaje włączony element pojemnościowy, który ma
na celu "podtrzymanie" poziomu napięcia podczas wpisywania
pozostałej treści obrazu. Nieliniowymi elementami matrycy
aktywnej mogą być warystory, diody lub tranzystory i nanosi się
je bezpośrednio na jedną płytę displeja

Schemat „matrycy aktywnej”

Adresowanie matrycą
akty-wną, czyli
praktycznie adreso-wanie
jednym, bardzo dużym
(pod względem wymiarów
ge-ometrycznych)
układem sca-lonym, jest
stosunkowo ła-twym do
zastosowania w
przypadku displejów pasy-
wnych, gdzie moce
niezbę-dne do
wysterowania displeja są
niewielkie (~ W/cm2

elektrod).

Natomiast poważny
problem to matryca
aktywna dla di-spleja
aktywnego np. plazmo-
wego, OLED gdzie wyma-
gane są moce ~
Wata/cm2 elektrody.

Mimo, że wyżej stwierdzono iż matryca aktywna to duży
"układ sca-lony" koniecznie trzeba zaznaczyć, że pojawiające
się problemy te-chnologiczne są nieco odmienne od
typowych spotykanych przy pro-dukcji układów scalonych
wielkiej skali integracji. Przy porównywal-nych rozmiarach
podłoża w technologii matryc aktywnych, mimo mniejszej
gęstości elementów wymagane jest wykonanie co najmniej
99% dobrych struktur, podczas gdy przy produkcji układów
scalonych uzysk 40-50% struktur jest już wynikiem
zadowalającym.

Adresowanie siatkowe

Elektrony (lub inne nośniki)
emitowa-ne z katody w
zależności od polary-zacji
napięcia sterującego przyłożo-
nego do siatki, przechodzą dalej
lub są zawracane. W ten sposób
nastę-puje ograniczenie liczby
wyprowa-dzeń zewnętrznych
przez rozbudo-wanie (wielo
współrzędnościowe) układu
adresującego.

Metoda adresowania siatkowego pozwala na znaczne
ograniczenie ilości doprowadzeń

, i tak displej o 512x512

polach można adresować przez np. 36 kontaktów (18 warstw
siatek bipotencjalnych) zamiast 1024 doprowadzeń
wymaganych przy adresowaniu matrycowym, które i tak jest
już bardzo oszczędnym pod względem ilości dopro-wadzeń.

KOLORYMETRIA

Widzenie barwne i jego opis

Podstawą dla analizy opisu barw jest budowa naszego oka

Rogówka – jest soczewką wypukło-wklęsłą, ma siłę około
43 dioptrii (całe oko 60)
Źrenica – otwór który pod wpływem bodźca zmienia swoją
wielkość
Soczewka – przy obserwacji przedmiotów dalekich ulega
spłaszczeniu - akomodacja

Siatkówka – silnie unerwiona błona w której występują
nerwowe zakoń-czenia dwóch rodzajów: czopki (około 7
mln) i pręciki (120 mln)

- czopki – widzenie dzienne
- pręciki – widzenie nocne

Podsumowując –

Barwa należy do subiektywnych wrażeń zmysłowych

podobnie jak dźwięk, zapach, smak, dotyk.Wrażenia barwy
powstają pod wpływem bodźców działających na narząd
wzroku i podrażniających znajdujące się w nim receptory.W
receptorach po-wstają impulsy nerwowe, wywołujące w
mózgu odczucie odpo-wiednich wrażeń.

Wrażenia barw są postrzegane dzięki podrażnieniu

fotore-ceptorów przez promieniowanie elektromagnetyczne
z zakresu widzialnego 380nm – 780nm

Po przejściu światła
białego przez pryzmat
następuje jego
rozszczepienie.
Obraz powstały wskutek
rozło-żenia
promieniowania złożo-
nego na promieniowanie
mo-nochromatyczne to

widmo promieniowania

Wrażenie barwy charakteryzują trzy atrybuty:



Odcień

- =

kolor

zobrazowania rozumiany jako

określone wrażenie barwy; fioletowej, niebieskiej, …, żółtej,
…



Nasycenie

– dodając do promieniowania barw

widmowych coraz wię-cej światła białego otrzyma się
promieniowanie o nie zmienionym odcieniu ale coraz
bardziej blade >> tę cechę nazywa się nasyceniem



Jaskrawość

– aby wywołać zmianę wrażenia barwy

można zmniejszyć strumień świetlny (odsunąć źródło
światła) – nie ulegnie wówczas zmianie ani odcień ani
nasycenie _ będziemy natomiast odbierać wrażenie coraz
słabszego światła >> tę cechę nazywamy jaskrawośćią

Mieszanie barw

Addytywne mieszanie barw

Wrażenia barwne powstają na skutek mieszania się w oku
promie-niowań odpowiadających różnym barwom:

Wykorzystywane m.in.
w

- telewizorach

- monitorach

Barwy odniesienia:
czerwona, zielona,
niebieska

Subtraktywne mieszanie barw:

Uzyskiwane wrażeń pod wpływem promieniowania białego
z które-go pochłania się kolejno promieniowania różnych
barw. Jest to mie-szanie barwników.

Barwy główne:
turkusowa (niebiesko-
zielona), purpurowa,
żółta+ czarny

Wykorzystywane jest w

- drukarkach

- przez malarzy

Układy kolorymetryczne

- prawa Grassmann’a

(1853)

Każdy bodziec barwny może być odtworzony przez
addytywne mieszanie trzech bodźców niezależnych.

C = n

R + n

G + n

(Bodźce niezależne to takie, których nie da się odtworzyć
poprzez zmieszanie dwóch pozostałych)

W układzie kolorymetrycznym RGB CIE 1931

barwy

odniesienia stanowią następujące barwy
monochromatyczne:

R: λ=700nm
G: λ= 546,1nm
B: λ=435,8nm

W tym układzie nie zawsze da się uzyskać równowagę barw
i barwę czerwoną należy przenieść na stronę barwy C

C = -n

R + n

G + n

Układ kolorymetryczny XYZ

Nowy

układ XYZ CIE 1931

nie posiada niektórych wad

układu RGB.
Jest to układ barw fikcyjnych, którego barwy podstawowe
nie można odtworzyć w laboratorium. Najważniejsze cechy
układu:

- współrzędne wszystkich barw mają wartości dodatnie,

- jedna ze składowych jest proporcjonalna do luminancji,

- punkt odpowiadający barwie białej znajduje się w środku
trójkąta barw.

Trójkąt barw

pokazuje wszy-

stkie barwy jakie człowiek
jest w stanie postrzegać.
Położenie barwy na trójkącie
przedstawia się w postaci

współ-rzędnych
chromatyczności x,y

Linia barw widmowych

stanowi obwiednię trójkąta
barw.

linii

barw

widmowych leżą barwy o
największym nasyceniu.

Gamut

to zakres barw

określający granice
możli-wości
odwzorowania barw
przez dane urządzenie
(monitor, drukarka,
ska-ner, …)

Współrzędne przestrzenne punktu na

płaszczyźnie jednostkowej = współrzędne
trójchromatyczne:















Modele Barw

Model CIE Yxy

Model o przestrzeni barw
zawartych w krzywoliniowym
stożku, oś pionowa Y (zwana
luminancją) określa atrybut -
jasność. Prostopadły przekrój
do osi luminancji wyznacza
wykres

chromatyczności,

zwany

też

trójkątem

chromatyczności

lub

krzywoliniowym

trójkątem

Max-wella.

Wykres

chromatyczności zawiera przy
krawędzi części krzywoliniowej
wszystkie barwy proste -
widma światła białego, barwy
te są nasycone.

Wewnątrz trójkąta znajdują się barwy nienasycone, które
mogą również powstać przez zmieszanie w różnych
proporcjach trzech barw liniowo niezależnych znajdujących
się na obrzeżu wykresu. Środek wykresu jest bielą o
współrzędnych x=0,333, y=0,333.
W trójkącie chromatyczności definiowalne są dwa atrybuty
barwy - kolor i nasycenie. Ten pierwszy zmienia się wraz z
kątem obrotu wokół środka ciężkości trójkąta, zaś
nasycenie zmienia się wzdłuż linii prostych przechodzących
przez ten punkt.

Model barw La*b*

Opracowany przez
Międzynarodową Komisję
Oświetleniową (CIE) model barw
CIE La*b* jest najważniejszym
modelem w odniesieniu do grafiki
komputerowej.

Opisywane barwy mieszają się w elipsoidzie o trzech
prostopadłych osiach. Wzdłuż osi a barwy przechodzą od zielonej
do czerwonej, wzdłuż osi b od żółtej do niebieskiej, w punkcie
zbiegu jest biel (szarość). Wzdłuż osi pionowej L określającej
jasność, biegną barwy achromatyczne - od bieli do czerni.
Barwy objęte w kuli CIE La*b* tworzą najszerszą gamę barw,
model został opracowany na bazie modelu CIE Yxy. Zastosowana
transformacja współrzędnych umożliwia łatwiejsze wyliczenie
odległości pomiędzy dwoma barwami w przestrzeni.

Każdy inny model barw da się opisać we współrzędnych

Lab, ale nie na odwrót. Czyni to model ten niezależnym od
urządzeń wejścia/wyjścia. Model wykorzystywany jest do obliczeń
na barwach przez systemy zarządzania barwami CMS.

Przestrzeń HSB

Do opisywania barw w przestrzeni
HSB wykorzystuje się pojęcia: kolor
(hue),

nasycenie

(saturation,

intensity,

chroma)

jasność

{Hghtness,

value,

brightness).

Występują

sytuacje,

kiedy

wygodniejsza jest praca na kanałach
H, S i B niż na R, G i B. W odróżnieniu
od systemu RGB (opierającego się na
addytywnym

mieszaniu

świateł

barwnych), przestrzeń HSB umożliwia
definiowanie

barw

pomocą

operowania intuicyjnymi pojęciami
charakteryzującymi

ich

atrybuty.

Zarówno model RGB jak i HSB służą
do definio-wania barw świateł w
addytywnej syntezie.

Model RGB

Model oparty został na barwach addytywnych - czerwonej,
zielonej i niebieskiej. To typowy model używany do
manipulowania barwami na monitorach, skanerach,
aparatach.
Barwy zawarte zostały w sześcianie, którego prostopadłymi
osiami są różne poziomy jasności świateł podstawowych.
W punkcie wierzchołkowym trzech osi znajduje się czerń,
wzdłuż każdej osi rośnie poziom jasności barw składowych,
osiągając maksymalną wartość na końcu osi.

Jeśli urządzeniem wyświetlającym obraz jest monitor, wtedy
układ trzech luminoforów wytwarza barwy składowe
tworzące złudzenie rozbarwienia, widzimy wtedy jedną
barwę wynikową. Równomierność emisji światła da
złudzenie

odcieni

chromatycznych.

Jednakże

właściwościami luminoforów jest różnica w maksymalnej
jasności wynikająca z różnych standardów produkcyjnych,
wskutek czego na różnych monitorach obserwujemy różne
odcienie barw. Rozbieżności te doprowadziły do stosowania
kalibracji oraz systemów zarządzania barwą - CMS.

Obrazy zapisane w modelu RGB posiadają 3 kanały, każdy z
nich umożliwia uzyskanie 256 poziomów jasności każdej z
barw składowych RGB, więc maksymalnie w modelu tym
możemy operować gamą ok 16,8 mln odcieni. Obrazy RGB
nazywane są również True Color.

Model CMY (CMYK)

Model ten oparty jest na trzech
subtraktywnych barwach: Cyjanie
(niebieskozielony),
Magencie(purpura) i Yellow (żółta),
a dopełnieniem do gamy CMYK
jest czerń.
Model trzech farb CMY zwany jest
sub-traktywnym modelem barw.
Kolorową reprodukcję możemy
otrzymywać za pomocą farb o
trzech

barwach

komplementarnych ze światłami
pod-stawowymi, w reprodukcjach
wielobar-wnych

użyjemy

dodatkowo

czwartej

farby

czarnej.

Model CMY jest, podobnie jak RGB sześcianem, którego
trzema prostopadłymi osiami są osie barw składowych.
Poszczególne

poziomy

jasności

farb

składowych

uzyskujemy na podstawie tzw. rastra, którego efektem są
punkty rastrowe, farby triadowe CMYK nakładane na
podłoże w postaci punktów dają efekt mieszania
subtraktywnego.

Barwy opisane w tym modelu są również zależne od
standardu użytych farb składowych, np Europa, SWOP,
Toyo. Kolorystyka będzie także zależna od rodzaju
zadrukowywanego podłoża. Wynikowy obraz cyfrowy
utworzony w modelu CMYK utworzony jest w czterech
kanałach mających po 256 poziomów jasności danej barwy.
Do tworzenia wyciągów barw zawartości kanałów są
uśredniane przez programy graficzne, na ogół do 1%, czyli
dają sto różnych wielkościowo punktów rastrowych. Mimo
tego, iż model CMYK zawiera 32-bitowe informacje o
barwie, a RGB 24, to nie wszystkie barwy RGB zostaną
zreprodukowane w modelu CMYK, należy być zatem
przygotowanym na zmianę informacji, lub częściową ich
utratę przy konwersji RGB - CMYK.