Светотехнические и эргономические параметры полупроводниковых индикаторов

К первой группе параметров относятся светотехнические и эргономические параметры. Основным светотехническим па­раметром для ППИ в СССР и за рубежом принята сила света, определяемая согласно [5] как световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего кристалла. Для практических целей применяются несколько понятий силы света [6], которые приве­дены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Термины и определения силы света

Термин и обозначение	Определение	Типы ППИ, для которых применяется термин
Сила света элемента Iаэ	Сила света одного эле­мента	Единичные, шкальные, цифровые монолитные
Сила света индика­тора Iс.	Сила света индикатора, равная световому потоку всех элементов отображения	То же
Средняя сила света Iа ср,	Отношение суммарной си­лы света всех элементов отображения информации ин­дикатора к их числу	Все типы многоэле­ментных индикаторов

Для контроля разброса силы света между отдельными эле­ментами ППИ для всех индикаторов, кроме единичных, применя­ется расчетный параметр — неравномерность силы света. При неравномерности, равной 2,5 и менее, она определяется отноше­нием максимального значения силы света элемента к минималь­ному (бI_v = I_v.Макс/I_v.мин). При значении неравномерности более 2,5 она определяется из соотношений

(1.1) (1.2)

где 6I_v и 6I_{v +1} — отрицательная и положительная неравно­мерности силы света индикатора; I_v,_op — средняя сила света инди­катора.

Аналогично определяется неравномерность силы света между разрядами у многоразрядных индикаторов, только в этом случае берется максимальное и минимальное значения разряда и сред­няя сила света всего индикатора. Для сравнения ППИ с другими типами ЗСИ для рядя типов приводятся значения яркости и неравномерности яркости, определяемой по аналогии с неравно­мерностью силы света. Сила света ППИ измеряется в милли- и микрокандрлах, яркость, как правило, в кд/м².

Основной светотехнический параметр ----- сила г.ветя — зависит от двух эксплуатационных факторов: прямого тока (Постоянного и импульсного) и температуры окружающей среды. Зависимость силы света для ПНИ различного конструктив,юго исполнения, имеющих в качестве излучателя кристаллы, изготовленные из различных материалов, приведена на рис. 1.4. Характер зависи­мости практически линейный.

Аналогична зависимость от импульсного прямого тока, кото­рая приведена д.ля буквенно-цифровых индикаторов разного цвета свечения на рис: 1.5.

Рис. 1.4. Зависимость силы света от постоянного прямого тока для индика­торов:

а — ЗЛС324А красного цвета (GaAsP);6 — ИПЦ01 А-1/7К красного цвета (GaAIAs);e — ЗЛС338А зеленого цвета (GaP); г — ЗЛС358А зеленого цвета (GaP)

Существенное влияние насилу света оказывает температура. С повышением температуры окружающей среды до 85° С сила света уменьшается на 50- 70% (при типичном значении 60%). При понижении температуры до минус 60° С сила света увели­чивается в 1,5-3,5 раза (арп типичном значении — в 2,5 раза).

На рис. 1.6 приведена зависимость силы света от темпера­туры для различных значений прямого тока для индикатора ЙПГ02А-8Х8Л. Из рисунка видно, что значение прямого тока практически не влияет на характер зависимости силы света от температуры. Изменение яркости от температуры для ППИ аналогично изменению силы света. Пример зависимости яркости от температуры приведен на рис. 1.7.

Рис, 1.5. Зависимость силы света от импульсного прямого тока для инди­каторов:

а — ИПВОЗА- 1/5Х7К красного цвета (GaAIAs); б — ИПВОЗБ-1/5Х7Л зеле­ного цвета (GaP); в — ИПВОЗ-1/5Х7Ж желтого цвета (GaP)

Рис. 1.6. Зависимость силы света от температуры окружающей среды для ИПГ02А-8Х8Л при разных зна­чениях прямого тока

Рис. 1.7. Зависимость относитель­ного значения яркости от темпера­туры окружающей среды для ЗЛС314А

Проведенные исследования [7] показали, что зависимость силы света для ППИ от температуры для индикаторов разного цвета свечения определяется следующим образом:

I_v1=I_v0 е^kдт, (5.3)

где I_v1 — сила света при определяемой температуре T₁; I_v0 — сила света при исходной температуре Т₀; ДТ=То — Т₁; k — коэф­фициент пропорциональности, зависящий от материала излуча­теля, значения которого приведены ниже:

Цвет свечения Значение k

Красный ................................ — 0.0188

Ярко-коасный ....................... — 0,0131

Желтый ................................ — 0,0112

Зеленый ................................. — 0,0104

Расчетные значения, полученные с помощью приведенной формулы, хорошо совпадают с результатами измерений.

Среди эргономических параметров следует отметить угол обзора индикатора. Под углом обзора понимают максимальный угол между нормалью к центру информационного поля ППИ и направлением от этого центра к глазу оператора, при котором обеспечивается безошибочное считывание отображаемой инфор­мации при заданном значении силы света или контраста, внеш­ней освещенности и расстояния наблюдения. Для единичных ин-.дикаторов угол обзора совпадает с углом излучения, т. е. плос­ким углом, содержащим оптическую ось, и направлением, в ко­тором сила света равна половине его максимального значения. Для индикаторов (цифровых, буквенно-цифровых, шкальных, матричных) угол обзора необходимо устанавливать в горизон­тальном и вертикальном направлениях.

На безошибочность считывания информации влияют многие факторы. Ими прежде всего являются отношение ширины знака к высоте b_зч/h_зн, ширины элемента отображения к высоте знака b₃/h_m и шаг между знаками d,_H. Исследования, проводимые различными авторами [2, 8, 9], позволили установить следую­щие оптимальные соотношения b_зн/h_зн — 0,6, b_эл/h_зн = 0,1 и d_зн/h_зн= 1-1,5. Высота знака является основным размером индикатора, кроме того, она играет существенную роль при опре­делении оптимального расстояния наблюдения информации. Для оператора, имеющего нормальное зрение, предельное угловое разрешение составляет примерно одну угловую минуту [2, 8]. Минимальный угловой размер знака связан с расстоянием наблюдения l соотношением а_Мин = 3*10^-4l.

Следующим эргономическим параметром является контраст индикатора. В [3] показано, что контраст может быть рассчитан по формуле

(1.4)

где K — контраст; I_v.эл — сила света элемента; S_ЭЛ — площадь светящегося элемента, м²; P_d — коэффициент отражения эле­мента; Е — внешняя освещенность, лм/м; Дл_0,5 — ширина спек­тра излучения, нм; K_s — спектральный коэффициент засветки при л_макс, нм^-1; r_ф — коэффициент пропускания полосового фильтра с полосой пропускания, равной Дл_0.5. Оптимальное значение r_ф = 0,2-0,5.

Из приведенной формулы следует, что контраст у полупровод­никовых индикаторов обратно пропорционален ширине спектра излучения элемента. Поскольку ППИ, изготовленные на основе соединений A^IIIB^V, имеют узкий спектр излучения, они имеют существенно лучший контраст при одинаковой силе света по сравнению с другими индикаторами.

Существенное влияние на надежность восприятия имеет пре­дельно допустимая внешняя освещенность, т. е. окружающая освещенность, при которой оператор безошибочно считывает информацию с индикатора.

Ниже приведены типичные значения яркости (в кд/м²) неко­торых источников:

Поверхность солнца .................................................................... 1,610⁹

Лампа накаливания 60 Вт с матовым стеклом в наиболее

яркой точке ......................................................................................... 120 000

Наиболее яркие кучевые облака ............................................... 40000

Лампа накаливания 60 Вт с молочным стеклом ...................... 30000

Белая бумага под прямыми лучами солнца .... ........................ 30000

Снег под прямыми солнечными лучами .................................... 30000

Поверхность 15-ваттной люминесцентной лампы .................... 10000

Яркое безоблачное небо ............................................................. 7000

Яркие участки поверхности Луны ............................................. 7000

Белая бумага на письменном столе .......................................... 85

Телевизионный растр .................................................................. 70

Металлический волосок лампы накаливания ........................... 1,5-10^6;

Ночное безоблачное небо ........................................................... 10

Экран в кинотеатре ..................................................................... 5 — 20

Верхняя граница зрительной толерантности ........................... 100000

Приведенные данные, как это будет показано в разделе, посвященном надежности считывания информации, необходимы для выбора коэффициента пропускания светофильтра.

Внешняя освещенность может меняться в значительных пре­делах, что вызывает определенные трудности при восприятии информации. Особенно сложные условия освещенности в кабинах летательных аппаратов. Естественная освещенность приборной доски в кабинах летательных аппаратов меняется в зависимости от времени года, времени суток, от высоты полета, от направ­ления полета, от конфигурации и характера остекления кабины, от порядка размещения индикаторов в кабине и т. д. Уровень освещенности блоков информации в кабинах летательных аппа­ратов колеблется от 6 до 30 000 лк и выше. Различные уровни освещенности возникают также в наземной и морской аппара­туре.

Одной из важнейших характеристик ППИ является цвет све­чения. Правильный выбор цветовой гаммы индикаторов в устрой­ствах и системах индикации во многом определяет эффектив­ность работы оператора при считывании информации. Сущест­вующие стандарты четко определяют назначение каждого цвета (красный — опасность, желтый — внимание, зеленый — все в норме). Однако применение индикаторов, в том числе ППИ, различного цвета свечения с различными оттенками изменило подход к выбору цвета и его функциональному назначению. Особенно возросли требования к цвету свечения за последние годы, когда появилась большая серия ППИ, из которых соби­раются табло, элементы экрана, бегущая строка. В таких уст­ройствах разница в оттенках цвета, которые существуют у ППИ, особенно желтого и зеленого, может привести к ошибке в считывании информации. Поэтому настоятельно необходимо при производстве проводить классификацию индикаторов по цвету. Знание характеристик, определяющих цвет свечения ин­дикатора (доминирующую длину волны, координаты цветности, эффективную длину волны в максимуме излучения, цветовую разность), необходимо при выборе фильтра, без которого при­менение ППИ не эффективно.