Рис. Электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевая трубка

На сегодняшний день это самый распространенный тип мониторов.

ЭЛТ-монитор имеет стеклянную трубку, внутри которой вакуум, т.е. весь воздух удален. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и т.п.

Для создания изображения в CRT-мониторе используется электронная пушка, которая испускает поток электронов сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками. Поток электронов на пути к фронтальной части трубки проходит через модулятор интенсивности и ускоряющую систему, работающие по принципу разности потенциалов. В результате, электроны приобретают большую энергию, часть из которой расходуется на свечение люминофора. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение, которое вы видите на вашем мониторе.

Рис. Комбинация трех цветов

Наши глаза реагируют на основные цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) и на их комбинации, которые создают бесконечное число цветов.

Люминофорный слой, покрывающий фронтальную часть электронно-лучевой трубки, состоит из очень маленьких элементов (настолько маленьких, что человеческий глаз их не всегда может различить). Эти люминофорные элементы воспроизводят основные цвета, фактически имеются три типа разноцветных частиц, чьи цвета соответствуют основным цветам RGB (отсюда и название группы из люминофорных элементов - триады).

Люминофор начинает светиться, как было сказано выше, под воздействием ускоренных электронов, которые создаются тремя электронными пушками. Каждая из трех пушек соответствует одному из основных цветов и посылает пучок электронов на различные частицы люминофор, чье свечение основными цветами с различной интенсивностью комбинируется, и, в результате, формируется изображение с требуемым цветом. Например, если активировать красную, зеленую и синюю люминофорные частицы, то их комбинация сформирует белый цвет. Понятно, что электронный луч, предназначенный для красных люминофорных элементов, не должен влиять на люминофор зеленого или синего цвета. Чтобы добиться такого действия, используется специальная маска, чья структура зависит от типа кинескопов от разных производителей, обеспечивающая дискретность (растровость) изображения.

Существует два основных типа масок - это теневая маска (Shadow Mask) и апертурная решетка (Aperture Grille).

Теневая маска (shadow mask) - это самый распространенный тип масок для CRT-мониторов. Теневая маска состоит из металлической сетки перед частью стеклянной трубки с люминофорным слоем. Как правило, большинство современных теневых масок изготавливают из инвара (invar, сплав железа и никеля). Отверстия в металлической сетке работают, как прицел, именно этим обеспечивается то, что электронный луч попадает только на требуемые люминофорные элементы, и только в определенных областях. Теневая маска создает решетку с однородными точками, где каждая такая точка состоит из трех люминофрных элементов основных цветов - зеленого, красного и синего - которые светятся с различной интенсивностью под воздействием лучей из электронных пушек. Изменением тока каждого из трех электронных лучей можно добиться произвольного цвета элемента изображения, образуемого триадой точек. Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета называется dot pitch (или шаг точки) и является индексом качества изображения. Шаг точки обычно измеряется в миллиметрах (мм). Чем меньше значение шага точки, тем выше качество воспроизводимого на мониторе изображения. Теневая маска применяется в большинстве современных мониторов - Hitachi, Panasonic, Samsung, Daewoo, LG, Nokia, Viewsonic.

Апертурная решетка (aperture grill) - это тип маски, используемый разными производителями в своих технологиях для производства кинескопов, носящих разные названия, но имеющих одинаковую суть, например, технология Trinitron от Sony или Diamondtron от Mitsubishi. Это решение не включает в себя металлическую решетку с отверстиями, как в случае с теневой маской, а имеет решетку из вертикальных линий. Вместо точек с люминофорными элементами трех основных цветов апертурная решетка содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов, выстроенных в виде вертикальных полос трех основных цветов. Такая система обеспечивает высокую контрастность изображения и хорошую насыщенность цветов, что вместе обеспечивает высокое качество мониторов с трубками на основе этой технологии. Маска, применяемая в трубках фирмы Sony (Mitsubishi, ViewSonic), представляет собой тонкую фольгу, на которой процарапаны тонкие вертикальные линии. Она держится на горизонтальной(ых) (одной в 15", двух в 17", трех и более в 21") проволочке, тень от которой Вы и видите на экране. Эта проволочка применяется для гашения колебаний и называется damper wire. Ее хорошо видно, особенно при светлом фоне изображения на мониторе. Некоторым пользователям эти линии принципиально не нравятся, другие же, наоборот, довольны и используют их в качестве горизонтальной линейки.

Минимальное расстояние между полосами люминофора одинакового цвета называется strip pitch (или шагом полосы) и измеряется в миллиметрах (мм). Чем меньше значение strip pitch, тем выше качество изображения на мониторе.

Апертурная решётка используется в мониторах от Viewsonic, Radius, Nokia, LG, CTX, Mitsubishi, во всех мониторах от SONY.

Трубки с теневой маской дают более точное и детализированное изображение, поскольку свет проходит через отверстия в маске с четкими краями. Поэтому мониторы с такими CRT хорошо использовать при интенсивной и длительной работе с текстами и мелкими элементами графики, например в CAD/CAM-приложениях.

Трубки с апертурной решеткой имеют более ажурную маску, она меньше заслоняет экран, и позволяет получить более яркое, контрастное изображение в насыщенных цветах. Мониторы с такими трубками хорошо подходят для настольных издательских систем и других приложений, ориентированных на работу с цветными изображениями. В CAD-системах мониторы с трубкой, в которой используется апертурная решетка, недолюбливают не потому, что они хуже воспроизводят мелкие детали, чем трубки с теневой маской, а потому что экран монитора типа Trinitron - плоский по вертикали и выпуклый по горизонтали, т.е. имеет выделенное направление.

Щелевая маска (slot mask) - это технология, широко применяемая компанией NEC, под именем "CromaClear". Это решение на практике представляет собой комбинацию двух технологий, описанных выше. В данном случае люминофорные элементы расположены в вертикальных эллиптических ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Фактически, вертикальные полосы разделены на эллиптические ячейки, которые содержат группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов. Минимальное расстояние между двумя ячейками называется slot pitch (щелевой шаг). Чем меньше значение slot pitch, тем выше качество изображения на мониторе.

Выводимое на экране монитора изображение выглядит стабильным, хотя, на самом деле, таковым не является. Изображение на экране воспроизводится в результате процесса, в ходе которого свечение люминофорных элементов инициируется электронным лучом, проходящим последовательно по строкам в следующем порядке: слева направо и сверху вниз на экране монитора. Этот процесс происходит очень быстро, поэтому нам кажется, что экран светится постоянно. В сетчатке наших глаз изображение хранится около 1/20 секунды. Это означает, что если электронный луч будет двигаться по экрану медленно, мы можем видеть это движение как отдельную движущуюся яркую точку, но когда луч начинает двигаться, быстро прочерчивая на экране строку хотя бы 20 раз в секунду, наши глаза не увидят движущейся точки, а увидят лишь равномерную линию на экране. Если теперь заставить луч последовательно пробегать по многим горизонтальным линиям сверху вниз за время меньшее 1/25 секунды, мы увидим равномерно освещенный экран с небольшим мерцанием. Движение самого луча будет происходить настолько быстро, что наш глаз не будет в состоянии его заметить. Чем быстрее электронный луч проходит по всему экрану, тем меньше будет заметно и мерцание картинки. Считается, что такое мерцание становится практически незаметным при частоте повторения кадров (проходов луча по всем элемента изображения) примерно 75 в секунду. Однако, эта величина в некоторой степени зависит от размера монитора. Дело в том, что периферийные области сетчатки глаза содержат светочувствительные элементы с меньшей инерционностью. Поэтому мерцание мониторов с большими углами обзора становится заметным при больших частотах кадров. Способность управляющей электроники формировать на экране мелкие элементы изображения зависит от ширины полосы пропускания (bandwidth).

Ширина полосы пропускания монитора пропорциональна числу пикселей, из которых формирует изображение видеокарта вашего компьютера.

Плазменные дисплеи

Разработка плазменных дисплеев, начатая еще в 1968 г., базировалась на применении плазменного эффекта, открытого в Иллинойсском университете в 1966 г.

Сейчас принцип действия монитора основан на плазменной технологии: используется эффект свечения инертного газа под воздействием электричества (примерно так же, как работают неоновые лампы). Заметим, что мощные магниты, входящие в состав динамических излучателей звука, расположенных рядом с экраном, никак не влияют на изображение, поскольку в плазменных устройствах (как и в ЖК) отсутствует такое понятие, как электронный луч, а заодно и все элементы ЭЛТ, на которые так воздействует вибрация.

плазменный монитор дисплей экран трубка

Рис. Формирование изображения в плазменном дисплее

Рис. 49. Ячейка люминофора

Формирование изображения в плазменном дисплее происходит в пространстве шириной примерно 0,1 мм между двумя стеклянными пластинами, заполненном смесью благородных газов - ксенона и неона. На переднюю, прозрачную пластину нанесены тончайшие прозрачные проводники, или электроды, а на заднюю - ответные проводники. Подавая на электроды электрическое напряжение, можно вызвать пробой газа в нужной ячейке, сопровождающийся излучением света, который и формирует требуемое изображение. Первые панели, заполнявшиеся в основном неоном, были монохромными и имели характерный оранжевый цвет. Проблема создания цветного изображения была решена путем нанесения в триадах соседних ячеек люминофоров основных цветов - красного, зеленого и синего и подбора газовой смеси, излучающей при разряде невидимый глазом ультрафиолет, который возбуждал люминофоры и создавал уже видимое цветное изображение (три ячейки на каждый пиксель).

Однако у традиционных плазменных экранов на панелях с разрядом постоянного тока имеется и ряд недостатков, вызванных физикой процессов, происходящих в данном типе разрядной ячейки.

Дело в том, что при относительной простоте и технологичности панели постоянного тока, уязвимым местом являются электроды разрядного промежутка, которые подвергаются интенсивной эрозии. Это заметно ограничивает срок службы прибора и не позволяет достичь высокой яркости изображения, ограничивая ток разряда. Как следствие, не удаётся получить достаточного количества оттенков цвета, ограничиваясь в типичном случае шестнадцатью градациями, и быстродействия, пригодных для отображения полноценного телевизионного или компьютерного изображения. По этой причине плазменные экраны обычно использовались в качестве табло для демонстрации алфавитно-цифровой и графической информации.

Проблема может быть принципиально решена на физическом уровне путем нанесения на разрядные электроды диэлектрического защитного покрытия. Однако такое, простое на первый взгляд, решение в корне меняет принцип работы всего устройства. Нанесенный диэлектрик не только защищает электроды, но и препятствует протеканию разрядного тока. На деле система электродов, покрытых диэлектриком, образует сложный конденсатор, через который протекают импульсы тока длительностью порядка сотни наносекунд и амплитудой в десятки ампер в моменты его перезаряда. При этом алгоритм управления становится более сложным и достаточно высокочастотным. Частота повторения импульсов сложной формы может достигать двухсот килогерц. Все это значительно усложняет схемотехнику системы управления, однако позволяет более чем на порядок повысить яркость и долговечность экрана и дает возможность отображать полноцветное телевизионное и компьютерное изображение со стандартными кадровыми частотами.

В современных плазменных дисплеях, используемых в качестве мониторов для компьютера (причем конструкция является не наборной), используется так называемая технология - plasmavision - это множество ячеек, иначе говоря, пикселей, которые состоят из трех субпикселей, передающих цвета - красный, зеленый и синий.

Газ в плазменном состоянии используется, чтобы реагировать с фосфором в каждом субпикселе, чтобы произвести цветной цвет (красный, зеленый или синий). Пиксель в плазменном (газоразрядном) дисплее напоминает обычную люминесцентную лампу - ультрафиолетовое излучение электрически заряженного газа попадает на люминофор и возбуждает его, вызывая видимое свечение. В некоторых конструкциях люминофор наносится на переднюю поверхность ячейки, в других - на заднюю, а передняя поверхность при этом изготавливается прозрачной. Каждый субпиксел индивидуально управляется электроникой и производит более чем 16 миллионов различных цветов. В современных моделях каждая отдельная точка красного, синего или зелёного цвета может светиться с одним из 256 уровней яркости, что при перемножении даёт около 16,7 миллионов оттенков комбинированного цветного пикселя (триады). На компьютерном жаргоне такая глубина цвета называется “True Color” и считается вполне достаточной для передачи изображения фотографического качества. Столько же дают обычные ЭЛТ. Яркость экрана последней разработки - 320 кД на кв.м при контрастности 400:1. Профессиональный компьютерный монитор даёт 350 кД, а телевизор - от 200 до 270 кД на кв.м при контрастности 150...200:1.

Рис. 50. Плазменная технология

Эта диаграмма дает краткий обзор плазменной технологии. Компоненты диаграммы:

A. Стадия электрического разряда.

B. Стадия возбуждения эммитера:

1. Внешний стеклянный слой;

2. Диэлектрический слой;

3. Слой Защиты;

4. Электрод отображения (приема);

5. Поверхность разгрузки;

6. Ультрафиолетовые лучи;

7. Видимый свет;

8. Барьерное преграждение;

9. Флюоресценция (свечение;)

10.Электрод Адреса (корнирующий);

11.Диэлектрический слой;

12.Внутренний стеклянный слой.

Функциональные возможности плазменного монитора

Экран обладает следующими функциональными возможностями и характеристиками:

1. Широкий угол обзора как по горизонтали, так и по вертикали (160° градусов и более).

2. Очень малое время отклика (4 мкс по каждой строке).

3. Высокая чистота цвета (эквивалентная чистоте трех первичных цветов ЭЛТ).

4. Простота производства крупноформатных панелей (недостижимая при тонкопленочном технологическом процессе).

5. Малая толщина - газоразрядная панель имеет толщину около одного сантиметра или менее, а управляющая электроника добавляет еще несколько сантиметров.

6. Отсутствие геометрических искажений изображения.

7. Широкий температурный диапазон.

8. Отсутствие необходимости в юстировке изображения.

9. Механическая прочность.

Внедрение двух новых технологических структур резисторной и фосфорной позволило получить яркость и срок службы экрана на уровне, необходимом для практических применений. Новая фотолитографическая технология, а также метод станбластинга сделали возможным выполнить 40-дюймовую плазменную панель с высокой точностью.

Основные достоинства

Плазменные панели по качеству изображения намного превосходят даже хорошие кинескопы, которые считаются в наше время эталоном. При этом очень важно, что плазменные панели абсолютно безвредны для здоровья, в отличие от электронно-лучевых трубок.

Совершенно очевидно, что они приходят на смену существующим мониторам на электронно-лучевых трубках в силу явных преимуществ, таких как:

1. Компактность (глубина не превышает 10 - 15 см) и легкость при достаточно больших размерах экрана (40 - 50 дюймов).

2. Малую толщину - газоразрядная панель имеет толщину около одного сантиметра или менее, а управляющая электроника добавляет еще несколько сантиметров.

3. Высокую скорость обновления (примерно в пять раз лучше, чем у ЖК-панели).

4. Отсутствие мерцаний, и смазывания движущихся объектов, возникающих при цифровой обработке, поскольку отсутствует гашение экрана на время обратного хода, как в ЭЛТ.

5. Высокая яркость, контрастность и четкость при отсутствии геометрических искажений.

6. Отсутствие проблем сведения электронных лучей и их фокусировки присуще всем плоско панельным дисплеям.

7. Отсутствие неравномерности яркости по полю экрана.

8. 100-процентное использование площади экрана под изображение.

9. Большой угол обзора, достигающий 160° и более.

10.Отсутствие рентгеновского и других вредных для здоровья излучений, поскольку не используются высокие напряжения.

11. Невосприимчивость к воздействию магнитных полей.

12. Не страдают от вибрации, как ЭЛТ-мониторы.

13. Отсутствие необходимости в юстировке изображения.

14. Механическую прочность.

15. Широкий температурный диапазон.

16. Небольшое время отклика (время между посылкой сигнала на изменение яркости пикселя и фактическим изменением) позволяет использовать их для отображения видео- и телесигнала.

17. Более высокая надежность.

18. Плазменный экран можно снимать видеокамерой, и картинка при этом не дрожит, так как используется другой принцип отображения информации.

Все это делает плазменные дисплеи очень привлекательными для использования.

К основным недостаткам можно отнести

• ограниченную разрешающую способность большинства существующих плазменных мониторов, которая не превышает 640х480 пикселей;

• невозможность "сшивания" нескольких дисплеев в "видеостену" с приемлемым зазором из-за наличия широкой рамки по периметру экрана;

• производство дисплеев меньшего размера экономически нецелесообразно, поэтому мы вряд ли увидим плазменные панели, скажем, в портативных компьютерах;

• интерференцию, "перекрывание" микроразрядов в соседних элементах экрана. В результате подобного "смешивания" качество изображения, естественно, ухудшается;

• средняя яркость белого цвета плазменных дисплеев составляет на настоящий момент порядка 300 кд/м2 у всех основных производителей. В общем и целом это достаточно ярко, однако плазменным дисплеям далеко до яркости ЭЛТ, составляющей 700 кд/м2. Подобная яркость может быть достигнута с повышением светоотдачи с 0,7 - 1,1 до 2 лм/Вт, однако этот рубеж преодолеть будет непросто;

• очень высокую цену плазменных дисплеев, доступных далеко не всем желающим.

Жидкокристаллические экраны

Рис. Жидко-кристаллический дисплей

CD (Liquid Crystal Display) - Жидкокристаллический дисплей. Жидкий кристалл представляет собой некоторое состояние, в котором вещество обладает некоторыми свойствами как жидкости (текучестью), так и твердых кристаллов (например, анизотропией). Для изготовления ЖК-экранов используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. ЖК-элемент помимо кристаллов включает в себя прозрачные электроды и поляризаторы. В отсутствие электрического поля молекулы нематических кристаллов образуют скрученные спирали. При прохождении в этот момент луча света через ЖК-элемент плоскость поляризации его поворачивается на некоторый угол. Если на входе и выходе этого элемента поместить поляризаторы, смещенные друг относительно друга на такой же угол, то свет беспрепятственно сможет проходить через этот элемент. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется и поворота плоскости поляризации уже не происходит. Как следствие, выходной поляризатор не пропускает свет. Примером может служить ЖК-индикатор наручных электронных часов. Экран ЖК-дисплея представляет собой матрицу ЖК-элементов. В настоящее время существуют два основных метода адресации ЖК-элементов: прямой (или пассивный) и косвенный (или активный). В пассивной матрице ЖК-элементов выбранная точка изображения активируется подачей напряжения на соответствующие прозрачные адресные проводники-электроды строки и столбца. В этом случае невозможно достичь высокого контраста изображения, так как электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока. Эта проблема вполне разрешима при использовании так называемой активной матрицы ЖК элементов, когда каждой точкой изображения управляет свой электронный переключатель. Контраст при использовании активной матрицы ЖК элементов может достигать значения от 50:1 до 100:1. Обычно активные матрицы реализованы на основе тонкопленочных полевых транзисторов (Thin Film Transistor, TFT). Неким компромиссом между активной и пассивной матрицей являются в настоящее время экраны, использующие технологию двойного сканирования (Dual Scan, DSTN), при которой одновременно обновляются две строки изображения.

Параметры работы монитора

Диагональ экрана

Выбор размера монитора зависит от того, как вы собираетесь использовать свой компьютер, с какими приложениями работать. Понятно, что для профессиональной верстки удобнее использовать большой экран, а для работы в текстовых редакторах размер экрана может быть и поменьше. На рынке традиционных CRT-мониторов в качестве диагонали экрана указывается размер ЭЛТ по диагонали. Видимая ее область при этом в среднем на 1 дюйм меньше, т.к. края трубки скрыты в корпусе. Размер диагонали видимой области также указывается в технических характеристиках.

Разрешение

Разрешение монитора (или разрешающая способность) связана с размером отображаемого изображения и выражается в количестве точек по ширине (по горизонтали) и высоте (по вертикали) отображаемого изображения.

Это объясняет, почему более высокое разрешение соответствует отображению более содержательного (детального) изображения на экране. Понятно, что разрешение должно соответствовать размеру монитора, иначе изображение будет слишком маленьким, чтобы его разглядеть.

Как правило, в технических характеристиках монитора указывается его максимальное разрешение и разрешение, которое производитель рекомендует для работы.

Частота обновления экрана

Это параметр, определяющий, как часто изображение на экране заново перерисовывается. Частота регенерации измеряется в Герцах, Гц, где один Гц соответствует одному циклу в секунду. Например, частота регенерации монитора в 100 Hz означает, что изображение обновляется 100 раз в секунду. Чем выше частота регенерации, тем более устойчивым выглядит изображение на экране. В случае с традиционными CRT-мониторами время свечения люминофорных элементов очень мало, поэтому электронный луч должен проходить через каждый элемент люминофорного слоя достаточно часто, чтобы не было заметно мерцания изображения. Если частота такого обхода экрана становится меньше 75 Hz, то инерционности зрительного восприятия будет недостаточно для того, чтобы изображение не мерцало. Рекомендованная минимальная частота обновления экрана составляет 85Гц.

Сводная таблица сравнения LCD-мониторов с активной матрицей и CRT-мониторов

Таблица №12