5.3.6 Волоконно-оптические и лазерные индикаторы

Широкое освоение оптического диапазона создало предпосылки для бурного развития волоконной оптики, основанной на использовании световодных свойств стекловолокон. Достоинства волоконной оптики – высокая светособирательная способность, возможность изменения масштаба передаваемого изображения и увеличения интенсивности светового потока.

Волоконная оптика, основанная на явлении внутреннего отражения света в стеклянных нитях диаметром от 5 до 50 мкм, позволяет создавать новые УОИ, принцип действия которых состоит в следующем: оптическая система выполнена в виде отрезка световода с хорошо отшлифованными торцами; освещается один конец световода лампочкой, а другой – выполняется в форме цифры, буквы или знака.

Для отображения десятичных цифр применяются световоды с цифрами от 0 до 9, укладываются знаковыми торцами и склеиваются. Необходимая цифра отображается при включении на соответствующем световоде лампочки.

Успехи в лазерной технике создали предпосылки для разработки систем отображения информации с помощью лучей лазера, которые с успехом заменили электронный луч. В УОИ на лазерах используются следующие методы: визуальной лазерной индикации, когда на экран направляется собственный свет лазера; индикации с активным экраном, при котором луч лазера применяется для управления световым излучением активного материала экрана; лазерно-лучевого светового клапана, когда луч лазера обеспечивает управление оптическими свойствами материала (например, коэффициентом пропускания или отражения), а отдельный источник обычного типа дает свет для проекции на экран. Достоинства УОИ на лазерах – отображение информации в реальном масштабе времени, возможность создания; экранов любых размеров.

5.4 Пассивные элементы индикации

Пассивные элементы индикации УОИ отличаются от активных (светоизлучающих) отсутствием собственного излучения. Светоотдача при этом оценивается чаще всего показателем контрастности, который определяется как отношение максимального светового потока, попадающего в глаз наблюдателя, к минимальному.

5.4.1 Электромагнитные элементы индикации

Среди пассивных элементов индикации широко известны электромагнитные индикаторы, принцип работы которых основан на модулировании внешнего рассеянного освещения, падающего на информационное табло. Основным элементом такого индикатора является подвижной элемент-шторка, на одной стороне которой нанесено светопоглощающее покрытие, на другой – светоотражающее. При изменении вектора напряженности магнитного поля на 180° шторка поворачивается в одну или другую сторону к внешнему освещению, в результате наблюдается либо темное, либо светлое пятно на фоне окружающего (нерабочего) промежутка. Достоинство таких ЭИ – простота и ничтожно малое потребление энергии.

5.4.2 Жидкокристаллические индикаторы

Принцип действия жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) основан на явлениях взаимодействия световых электромагнитных колебаний с длинными молекулами вещества, находящегося в промежуточном (между жидким и кристаллическим) состоянии.

Жидкие кристаллы (ЖК) уже прочно заняли свое место как электролитические материалы для устройств отображения информации в приборах автономного типа, то есть с отдельными источниками питания, таких как электронные наручные и настольные часы, калькуляторы, микроЭВМ, измерительные приборы типа тестеров и т. д.

Жидкие кристаллы являются органическими материалами, представляющими промежуточную фазу (или мезофазу) между твердой и изотропной жидкой фазами. В твердокристаллической фазе они обладают текучестью и способностью принимать форму сосуда, подобно обычным жидкостям, но молекулы жидких кристаллов взаимодействуют между собой, создавая упорядоченные состояния различных типов.

Жидкокристаллические состояния (промежуточные между кристаллическим и изотропно-жидким) обнаруживаются у вещества с удлиненной формой молекул, образующих молекулярные кристаллы. Все жидкие кристаллы состоят из молекул удлиненной формы, упорядоченное расположение которых обеспечивается относительно слабыми дальнодействующими силами.

Поскольку межмолекулярные силы довольно малы, структура ЖК в значительной степени зависит от воздействия внешних факторов: температуры, механических деформаций, электрических и магнитных полей, ультразвука и др. Реакция ЖК на эти воздействия в основном проявляется в изменении их оптических свойств, в связи с чем ЖК могут применяться для управления световым излучением, приема и отображения информации.

Ж идкие кристаллы бывает трех видов: смектические, нематические, холистерические.

Смектические ЖК характерны тем, что в них молекулы расположены параллельно своим длинным осям и образуют слои одинаковой толщины, близкой к длине молекул. Эти слои лежат один над другим на равном расстоянии (рис. 5.7,а). В нематических ЖК оси молекулы тоже параллельны, но не образуют отдельных слоев. Длинные оси молекул лежат вдоль преимущественного направления, а их центры размещены хаотично (рис. 5.7,б). В холистерических ЖК молекулы расположены в слоях, как и в смектике. Отличие состоит в том, что длинные оси молекул параллельны плоскости слоев, а направление их ориентации монотонно меняется от слоя к слою (рис. 5.7,в).

В выпускаемых промышленностью ЖКИ используются различные электрооптические эффекты, но наиболее широкое распространение получили динамическое рассеивание и «твист-эффект».

В индикаторах, использующих эффект динамического рассеивания света, при приложении электрического поля напряженностью от 5·10³ до 10⁴ В/см прозрачное вещество (жидкий кристалл нематического типа) мутнеет вследствие появления множества рассеивания света. На однородном фоне появляется рисунок, яркость которого в 1040 раз превышает яркость фона. С увеличением внешнего освещения яркость высвечивания знака растет, контрастность сохраняется, что принципиально отличает эти индикаторы от других.

В индикаторах на основе «твист-эффекта» при приложении электрического поля примерно той же напряженности, что и в случае динамического рассеивания, меняется прозрачность системы, состоящей из плоской стеклянной ячейки, заполненной нематическим ЖК веществом и помещенной между двумя поляроидами. На слабо окрашенном фоне проявляется черный рисунок.

Конструктивно все типы ЖКИ состоят из тонкого (от 10 до 50 мкм) слоя ЖК вещества между двумя стеклянными пластинками 3 (рис.5.8), одна из которых прозрачна, и устройств для изменения оптических свойств слоя. На внутренних поверхностях пластин нанесены прозрачные электроды 4 (из окиси слова) необходимой конфигурации, к которым подсоединены выводы 1. Герметичная полимерная прокладка 2 ограничивает объем и зазор между пластинами. Объем, заключенный между двумя электродами, содержит жидкий кристалл 5 и имеет толщину от 6 до 25 мкм.

Контейнер для ЖКИ в идеальном случае должен быть полностью герметичным для исключения воздействия окружающей среды на жидкость и ее поверхность. И наоборот, сам контейнер не должен оказывать влияния на жидкость, за исключением задания граничных условий, управляющих ориентацией жидкости, в частности в выключенном состоянии. Закрепление ориентации у поверхности электродов ЖКИ позволяет также управлять возвратом ориентации в исходное состояние после снятия электрического сигнала.

У ЖКИ, работающих в проходящем свете, оба электрода прозрачны. Такой индикатор в невозбужденном состоянии прозрачен и пропускает свет, а в возбужденном – рассеивает его. Электроды могут быть сплошными или с вытравленными рисунками для получения изображения.

У ЖКИ одной из главных является проблема обеспечения долговечности, связанная с недостаточной химической стабильностью ЖК. Практически приемлемая долговечность достигается с помощью конструктивных и технологических мер. Под сроком службы ЖКИ понимают время, в течение которого контрастность индикатора снижается в 2 раза по сравнению с первоначальной. Для повышения срока службы ЖК питают переменным напряжением, исключая этим направленный характер электрохимических процессов. Срок службы такого индикатора при возбуждении напряжением переменного тока повышается на порядок.

Для обеспечения однородной четкости изображения и большого срока службы ЖКИ содержат инертное покрытие, наносимое на поверхность подложки с проводящими слоями на ней. Такое покрытие нерастворимо в нематической жидкости, склеивается с проводящим слоем и подложкой и обладает прозрачностью. Материалами для инертного покрытия могут служить винилацетатные смолы, смолы на основе этилена, эпоксидные компаунды, полиамиды и линейно насыщенные полиэфиры.

К недостаткам ЖКИ относятся: малый рабочий температурный интервал (от минус 10 до плюс 60 ^оС), значительная инерционность (от 10² до 10^-1 с), узкий угол обзора, ограниченный срок службы (10 000 ч).