Применение систем отображения информации на базе мониторов и телевизионных панелей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНО АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ ДОЛГОПРУДНЕНСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИКУМ

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

на тему: «Применение систем отображения информации на базе мониторов и телевизионных панелей»

Студента

Полухина А.О.



Содержание

Введение

Глава 1. Аналитический обзор характеристик систем отображения информации

1.1 Виды систем отображения информации

Глава 2. Специальная часть

2.1 Система отображения информации на основе ЭЛТ-мониторов

2.2 Система отображения информации на основе ЖК-дисплея

2.3 Система отображения информации на основе плазменых панелей

2.4 Система отображения информации на основе светодиодных дисплеев

2.5 Система отображения информации на основе сенсорных экранов

2.6 Система отображения информации на основе электролюминесцентной панели

Глава 3. Экономическая часть

Глава 4. Техника безопасности и охрана труда



Введение

Одновременно с развитием технических средств автоматизированного управления на производстве изменяются подходы к отображению технологической информации. Средства ее отображения играют важную роль в обеспечении эффективной деятельности человека-оператора, так как до 80% информации, получаемой им, зрительная. Средства отображения информации должны обеспечивать взаимодействие элементов автоматизированной системы управления, относящейся к классу систем "человек-техника". Несмотря на многообразие и сложность функций, выполняемых современной автоматикой, роль операторов остается достаточно сложной и ответственной. Для оценки средств отображения технологической информации используют следующие основные характеристики: доступность, удобство, качество, оперативность, гибкость, надежность и стоимость. Доступность - возможность системы отображения обслуживать широкий класс пользователей. Удобство работы пользователей - степень удовлетворения их потребностей в обеспечении необходимых технических, языковых других средств общения достаточной мощности. Гибкость - способность системы отображения к перестройке и изменению параметров в процессе функционирования для достижения наилучшего эффекта. Изменению могут подлежать: количество и состав пользователей, структура и содержание информационного потока и т.д. Устройства отображения информации сравнивают также по способности представлять графическую и алфавитно-цифровую информацию, по числу используемых цветов и оттенков, эргономическим и санитарно-гигиеническим требованиям. В данном дипломном проекте будут рассмотрены следующие виды систем отображения информации: система отображения информации на основе ЭЛТ-мониторов, система отображения информации на основе ЖК-дисплеев, система отображения информации, на основе плазменных панелей, система отображения информации на основе светодиодных экранов, система отображения информации на основе сенсорных экранов, система отображения информации основе электролюминесцентной панели. Различные виды систем отображения информации различаются по числу пользователей, конструктивному оформлению и используемых для отображения элементов. Так же разные виды систем отображения обладают разными характеристиками. К этим характеристикам относятся: яркость, контрастность, время отклика, угол обзора. Яркость - отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади её проекции на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Контрастность - различимость предмета наблюдения от окружающего его фона.

Время отклика - время, которое пиксел монитора затрачивает, чтобы перейти от активного (белого) в бездействующий (чёрный) и обратно к активному (белому). Угол обзора - угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Система отображения информации, на основе мониторов могут быть двух типов: на основе многомониторного устройства и на основе индивидуальных мониторов. В отличие от индивидуальных мониторов, система отображения информации на основе многомониторного устройства способно обслуживать неограниченное количество пользователей. По показателю доступности традиционные табло, плазменные панели и светодиодные экраны примерно равны и уступают многомониторным устройствам, имеющим возможность обслуживать неограниченное число пользователей. В то же время информацией на одном экране плазменной панели или светодиодные экраны может пользоваться довольно большое число пользователей без установки дополнительных технических средств. В ряде случаев такой способ построения средств отображения информации может быть экономически эффективнее варианта с индивидуальными мониторами у большого числа пользователей. По удобству работы пользователей плазменные панели, светодиодные экраны, и индивидуальные мониторы значительно опережают традиционные табло. По надежности и качеству сравнение всех видов средств отображения не может быть выполнено однозначно, так как оно сильно зависит от конкретного изготовителя. Качество средств отображения зависит также и от многообразия форм отображения информации. Учитывая прогресс в совершенствовании мониторов, плазменных панелей и светодиодных экранов, а также их возможности в отображении графической, многоцветной информации, по показателям качества в сравнении с традиционным табло им следует отдать предпочтение. По оперативности отображения информации все анализируемые средства примерно одинаковы. По показателю гибкости плазменные панели, светодиодные экраны и индивидуальные мониторы, значительно опережают традиционные табло. Таким образом, традиционные табло значительно уступают плазменным панелям, светодиодные экраны и многомониторным средствам отображения.



Глава 1. Аналитический обзор характеристик систем отображения информации

1.1 Виды систем отображения информации

Средства отображения информации можно классифицировать на индивидуальные и коллективные. По конструктивному оформлению - на индикаторы, табло, мониторы, панели и экраны. По типу используемых для отображения элементов - на лампах накаливания, светодиодные, электролюминесцентные, жидкокристаллические, плазменные, электронно-лучевые.

Один из самых первых и наиболее распространённых типов отображения информации - это отображение информации на основе ЭЛТ-мониторов и табло с использованием ламп накаливания.

ЭЛТ-монитор. Как видно из названия, в основе всех подобных мониторов лежит катодно-лучевая трубка, но это дословный перевод, технически правильно говорить электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Иногда CRT расшифровывается и как Cathode Ray Terminal, что соответствует уже не самой трубке, а устройству на ней основанному. Используемая в этом типе мониторов технология была разработана немецким ученым Фердинандом Брауном в 1897г. и первоначально создавалась в качестве специального инструмента для измерения переменного тока, то есть для осциллографа. Сейчас ЭЛТ-монитор постепенно уходит в прошлое все производители постепенно сворачивают их производство и переходят на ЖК. Рентабельность производства массовых моделей ЭЛТ-мониторов уже упала практически до нуля. Слишком маленький спрос и никаких перспектив расширения рынка. Уменьшение прибыльности является главной причиной свертывания производства ЭЛТ-мониторов.

Табло с использованием ламп накаливания. Традиционные табло желобкового или мозаичного типа обладают рядом недостатков:

- малая информативность;

- сложность при изменении статической информации (планы станций и участков, сигналы и т.п.);

- относительно большой объем проектно-монтажных и строительных работ;

- неприспособленность к отображению различной информации (состояние напольных устройств, графиков движения, видеоинформации, текстовых сообщений и т.п.);

- относительно большие размеры и энергоемкость.

LCD (ЖК) (Liquid Crystal Display -- жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств, связанных с упорядоченностью в ориентации молекул. Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г, но изначально они использовались для других целей. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них. В результате дальнейших исследований стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое СБОР применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров, Сегодня в результате прогресса в этой области начинают получать все большее распространение ЖК-мониторы для настольных компьютеров.

Экран ЖК-монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которые могут манипулироваться для отображения информации. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно, на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение ЖК-монитора и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади так, чтобы свет порождался в задней части ЖК-дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. При комбинации Трак основных цветов для каждой точки, или пикселя, экрана появляется возможность воспроизвести любой цвет.

Первые ЖК-дисплеи были очень маленькими, около 8", в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 19"-е и более ЖК-мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является возникновение новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN-технологии. SIN -- это акроним, означающий «Super Twisted Nematic». Технология STN позволяет увеличить угол кручения ориентации кристаллов внутри ЖК-дисплея с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.

В будущем следует ожидать расширения продвижения ЖК-мониторов благодаря тому факту, что с развитием технологии конечная цена устройств снижается, что дает возможность большему числу пользователей покупать новые продукты

Расскажем о разрешении ЖК-мониторов. Это разрешение одно, и его еще называют native, оно соответствует максимальному физическому разрешению ЭЛТ-мониторов. Именно в native-разрешении ЖК-монитор воспроизводит изображение лучше всего. Это разрешение определяется размером пикселей, который у ЖК-монитора фиксирован. При этом есть возможность использовать и более низкое, чем native, разрешение. Для этого есть два способа. Первый называется центрированием; суть метода в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселей, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине. Все неиспользуемые пиксели остаются черными, т. е. вокруг изображения образуется широкая черная рамка. Второй метод называется растяжением. Суть его в том, что при воспроизведении изображения с более низким, чем native, разрешением используются все пиксели, т. е. изображение занимает весь экран Однако из-за того, что изображение растягивается на весь экран, возникают небольшие искажения и ухудшается резкость. Поэтому при выборе ЖК-монитора важно чётко знать, какое именно разрешение вам нужно. К преимуществам ЖК-мониторов можно отнести то, что они действительно плоски в буквальном смысле этого слова, а создаваемое на их экранах изображение отличается четкостью и насыщенностью цветов. Их отличает также отсутствие искажений на экране и массы других проблем, свойственных традиционным ЭЛТ-монитора. К тому же потребляемая и рассеиваемая мощность у ЖК-мониторов существенно ниже, чем у ЭЛТ-мониторов.

Рассмотрим отличия ЖК-мониторов с активной матрицей и ЭЛТ-мониторов.

Разрешение

ЖК-мониторы имеют только одно разрешение с фиксированным размером пикселей. В зависимости от поддерживаемых функций расширения или компрессии можно использовать более высокое или более низкое разрешение, но они не будут оптимальными.

ЭЛТ-мониторы поддерживают различные разрешения. При всех поддерживаемых разрешениях монитор можно использовать оптимальным образом. Ограничение накладывается только приемлемостью частоты регенерации.

Частота регенерации

Оптимальная частота у ЖК-мониторов 60 Гц, чего достаточно для отсутствия мерцания. У ЭЛТ-мониторов только при частотах свыше 75 Гц отсутствует явно заметное мерцание.

Точность отображения цвета

ЖК-мониторы поддерживают True Color, и имитирует ся требуемая цветовая температура. ЭЛТ-мониторы также поддерживают True Color, и при этом имеется масса устройств калибровки (настройки) цвета.

Формирование отображения

Изображение в ЖК-мониторах формируется пикселями, число которых зависит только от конкретного разрешения ЖК-панели. Шаг пикселей зависит только от размера самих пикселей, но не от расстояния между ними. Каждый пиксель формируется индивидуально, что обеспечивает великолепную фокусировку, ясность и четкость. Изображение получается более целостным и гладким.

В ЭЛТ-мониторах пиксели формируются группой точек (триады) или полосок. Шаг точки, или линии, зависит от расстояния между точками, или линиями, одного цвета. В результате четкость и ясность изображения сильно зависят от размера шага точки, или шага линии, и от качества ЭЛТ.

Угол обзора

В настоящее время стандартным для ЖК-мониторов является угол обзора 120° и выше; с дальнейшим развитием технологий следует ожидать увеличения угла обзора. ЭЛТ-мониторы, в отличие от них, имеют отличный обзор под любым углом

Энергопотребление и излучение

Практически никаких опасных электромагнитных излучений у ЖК-мониторов нет. Уровень потребления энергии примерно на 70% ниже, чем у стандартных ЭЛТ-мониторов

В работе ЭЛТ-мониторов всегда присутствует электромагнитное излучение, однако их уровень зависит от того, со ответствует ли ЭЛТ какому-либо стандарту безопасности Потребление энергии в рабочем состоянии на уровне 80 Вт

Интерфейс монитора с компьютером

ЖК-мониторы имеют цифровой интерфейс, однако большинство из них имеют встроенный аналоговый интерфейс для подключения к наиболее распространенным аналоговым выходам видеоадаптеров. ЭЛТ-мониторы поддерживают только аналоговый интерфейс.

Сфера применения

ЖК-монитор -- стандартный дисплей для мобильных систем. В последнее время начинает завоевывать место и в качестве монитора для настольных компьютеров. Идеально подходят в качестве дисплея для компьютеров, т. е. для работы в Интернете, с текстовыми процессорами и т. д.

ЭЛТ-монитор -- стандартный монитор для настольных компьютеров. Крайне редко используются в мобильном виде. Идеально подходит для отображения видео и анимации.

Главной проблемой развития технологий ЖК для сектора настольных компьютеров, похоже, является размер монитора, который влияет на его стоимость. С ростом размеров дисплеев снижаются производственные возможности. В настоящее время максимальная диагональ ЖК-монитора, пригодного к массовому производству, достигает 20", а недавно некоторые разработчики представили 43"-е модели и даже 64"-е модели TFT-ЖК-мониторов, готовых к началу коммерческого производства. Но похоже, что исход битвы между ЭЛТ- и ЖК-мониторами за место на рынке уже предрешен. Причем не в пользу ЭЛТ-мониторов. Будущее, судя по всему, все же за ЖК-мониторами с активной матрицей. Исход битвы стал ясен после того, как IBM объявила о выпуска монитора с матрицей, имеющей 200 пикселей на дюйм, то есть с плотностью в два раза больше, чем у ЭЛТ-мониторов. Как утверждают эксперты, качество картинки отличается так же, как при печати на матричном и лазерном принтерах.

Плазменный монитор. Прогнозируется, что данный вид мониторов в скором времени придёт на замену ЖК - мониторам. Прежде всего, нужно отметить, что плазменные мониторы - это, как правило, мониторы с очень большой диагональю (40 - 60 дюймов), с совершенно плоским экраном, а сами мониторы являются очень тонкими (толщина их обычно не превышает 10 см) и одновременно очень лёгкими. И при всех этих достоинствах плазменные мониторы позволяют сохранить качество изображения на очень высоком уровне.

Идея использования газового разряда в средствах отображения не далеко не новая. Подобные устройства выпускались много лет назад в СССР в г. Рязани в НПО "Плазма". Однако размер элемента изображения был достаточно велик, так что для получения приличного изображения было нужно создавать огромные табло. Изображение было некачественным, передавалось мало цветов, устройства были крайне ненадежными.
За рубежом исследования и разработки в области этой технологии начались еще в начале 60-х годов. Еще лет пятьдесят назад было открыто одно интересное явление. Как оказалось, если катод заострить на манер швейной иглы, то электромагнитное поле в состоянии самостоятельно "выдергивать" из него свободные электроны. Необходимо только подать напряжение. По такому принципу работают лампы дневного света. Вылетающие электроны ионизируют инертный газ, чем заставляют его светиться. Трудность заключалась лишь в отработке технологии получения таких игольчатых матриц. Ее решили в университете штата Иллинойс в 1966г., и в начале семидесятых годов компания Owens-Illinois довела проект до коммерческого состояния. В восьмидесятых годах эту идею пытались воплотить в реальный коммерческий продукт компании Burroughs и IBM, но тогда еще безуспешно.
Надо сказать, что идея плазменной панели появилась вовсе не из чисто научного интереса. Ни одна из существовавших технологий не могла справиться с двумя простыми задачами: добиться высококачественной цветопередачи без неизбежной потери яркости и создать телевизор с широким экраном, чтобы он при этом не занимал всю площадь комнаты. А плазменные панели (PDP), тогда только теоретически, подобную задачу как раз решить могли. Первое время опытные плазменные экраны были монохромными (оранжевыми) и могли удовлетворить спрос только специфических потребителей, которым требовалась, прежде всего, большая площадь изображения. Поэтому первую партию PDP (около тысячи штук) купила Нью-йоркская Фондовая Биржа.

Направление плазменных мониторов возродилось после того, как стало окончательно ясно, что ни ЖК-мониторы, ни ЭЛТ не в состоянии недорого обеспечить получение экранов с большими диагоналями (более двадцати одного дюйма). Поэтому лидирующие производители бытовых телевизоров и компьютерных мониторов, такие, как Hitachi, NEC и другие, вновь вернулись к PDP.

Также, в область плазменной технологии обратили свои взоры и корейские компании "второй мировой линии", такие, как, например, Fujitsu, производящие более дешевую электронику, что тут же внесло остроту конкуренции. Сейчас Fujitsu, Hitachi, Matsushita, Mitsubishi, NEC, Pioneer и другие производят плазменные мониторы с диагональю 40" и более.

Светодиодные дисплеи. Светодиоды или светоизлучающий диод (СИД, LED - англ. Light-emitting diode) -- полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Основными параметрами светодиодов являются мощность (мощные светодиоды предполагают мощность 1-100 Вт.), цветовые характеристики (сверхяркие светодиоды могут иметь зеленый, синий и иные цвета), угол освещения, нагрев, вес и энергопотребление (мощные светодиоды обычно более энергозатратны, чем обычные).

Преимущества сверхярких светодиодов:

* низкое энергопотребление - не более 10% от потребления при использовании ламп накаливания

* долгий срок службы - до 100 000 часов

* ударная и вибрационная устойчивость (не имеют никаких стеклянных колб и нитей накаливания)

* чистота и разнообразие цветов, направленность излучения

* регулируемая интенсивность

* высокий уровень электро - и пожаробезопасности (отсутствие разогрева и высоких напряжений)

Яркие светодиоды красного, оранжевого и желтого свечения, а также синие, зеленые и белые светодиоды широко применяются в светотехнике для автомобиля, в светофорах и активных дорожных знаках, световой рекламе, полноцветных светодиодных дисплеях и панелях, мобильных телефонах, архитектурной подсветке, в качестве средств индикации и т.д. Более того, сверхяркие светодиоды начали вытеснять обычные лампы накаливания и галогеновые лампы. В настоящее время мощные белые светодиоды, используемые для задач освещения, по объему потребления составляют значительную часть от общего потребления ярких светодиодов.

Сенсорные экраны. Сенсорный экран изобрели в США в рамках исследований по программированному обучению. Компьютерная система PLATO IV, появившаяся в 1972 году, имела сенсорный экран на сетке ИК-лучей, состоявший из 16Ч16 блоков. Но даже столь низкая точность позволяла пользователю выбирать ответ, нажимая в нужное место экрана.

В 1971 году Сэмюэлем Херстом (будущим основателем компании Elographics, ныне Elo TouchSystems) был разработан элограф -- графический планшет, действовавший по четырёхпроводному резистивному принципу. В 1974 году тот же Херст сумел сделать элограф прозрачным, в 1977 -- разработал пятипроводной экран. Объединившись с Siemens, в Elographics сумели сделать выпуклую сенсорную панель, подходившую к кинескопам того времени. На всемирной ярмарке 1982 года Elographics представила телевизор с сенсорным экраном.

В 1983 году вышел компьютер HP-150 с сенсорным экраном на ИК-сетке. Впрочем, в те времена сенсорные экраны применялись преимущественно в промышленной и медицинской аппаратуре.

Сенсорные экраны все шире используются на производстве и в повседневной жизни. Они нашли применение в электронных киосках, банкоматах, платежных терминалах, на предприятиях в системах автоматизации. Сенсорные экраны позволяют людям легко взаимодействовать с различным оборудованием и устройствами. Использование классической рабочей станции часто становится неоправданным из-за увеличенных габаритов и массы, а также значительной стоимости. К тому же, как правило, в подобных задачах большинство функций рабочих станций остаются невостребованными. В таких ситуациях использование компактных панелей оператора с сенсорным экраном является наилучшим решением задачи отображения информации и управления.

Электролюминесцентная панель. Другое название - светящаяся панель, светобумага, el панель, светопанель.

Электролюминесцентная панель - это источник равномерного света плоский и сверхтонкий. Цвет свечения может быть разным и зависит от светофильтра, нанесенного на поверхность люминофора. Самый яркий свет - зелено-голубой или неоновый. Для подсветки используется белый свет.



Глава 2. Специальная часть

2.1 Система отображения информации на основе ЭЛТ-мониторов

Конструкция ЭЛТ-мониторов:

Самым важным элементом монитора является кинескоп, называемый также электронно- лучевой трубкой (основные конструкционные узлы кинескопа показаны на рис 1.1). Кинескоп состоит из герметичной стеклянной трубки, внутри которой находится вакуум, то есть весь воздух удален. Один из концов трубки узкий и длинный - это горловина, а другой - широкий и достаточно плоский - это экран. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором (luminophor). В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и т.п. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Заметим, что иногда люминофор называют фосфором, но это не верно, т.к. люминофор, используемый в покрытии ЭЛТ, ничего не имеет общего с фосфором. Более того, фосфор "светится" в результате взаимодействия с кислородом воздуха при окислении до P2O5 и "свечение" происходит небольшое количество времени (кстати, белый фосфор - сильный яд).

Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, откуда под действием сильного электростатического поля исходит поток электронов. Сквозь металлическую маску или решетку они попадают на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками.

Поток электронов (луч) может отклоняться в вертикальной и горизонтальной плоскости, что обеспечивает последовательное попадание его на все поле экрана. Отклонение луча происходит посредством отклоняющей системы [см. рис 1.2].

Отклоняющие системы подразделяются на седловидно-тороидальные и седловидные. Последние предпочтительнее, поскольку создают пониженный уровень излучения.

Отклоняющая система состоит из нескольких катушек индуктивности, размещенных у горловины кинескопа. С помощью переменного магнитного поля две катушки создают отклонение пучка электронов в горизонтальной плоскости, а другие две - в вертикальной.

Изменение магнитного поля возникает под действием переменного тока, протекающего через катушки и изменяющегося по определенному закону (это, как правило, пилообразное изменение напряжения во времени), при этом катушки придают лучу нужное направление.

Частота перехода на новую линию называется частотой горизонтальной (или строчной) развертки. Частота перехода из нижнего правого угла в левый верхний называется частотой вертикальной (или кадровой) развертки. Амплитуда импульсов перенапряжения на катушках строчной развертки возрастает с частотой строк, поэтому этот узел оказывается одним из самых напряженных мест конструкции и одним из главных источников помех в широком диапазоне частот. Мощность, потребляемая узлами строчной развертки, также является одним из серьезных факторов учитываемых при проектировании мониторов.

После отклоняющей системы 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 [см. формулу 1.1], часть из которой расходуется на свечение люминофора.

где E-энергия, m-масса, v-скорость.

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. Как правило, в цветном CRT мониторе используется три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически не производятся.

Известно, что глаза человека 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 не всегда может различить их). 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 люминофорные частицы, 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.

Для управления электронно-лучевой трубкой необходима и управляющая электроника, качество которой во многом определяет и качество монитора.

Кстати, именно различие в качестве управляющей электроники, создаваемой разными производителями, является одним из критериев определяющих разницу между мониторами с одинаковой электронно-лучевой трубкой.

Итак, каждая пушка излучает электронный луч (или поток, или пучок), который влияет на люминофорные элементы разного цвета (зеленого, красного или синего). 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. ЭЛТ можно разбить на два класса - трехлучевые с дельтаобразным расположением электронных пушек и с планарным расположением электронных пушек.

В этих трубках применяются щелевые и теневые маски, хотя правильнее сказать, что они все теневые. При этом трубки с планарным расположением электронных пушек еще называют кинескопами с самосведением лучей, так как воздействие магнитного поля Земли на три планарно расположенных луча практически одинаково и при изменении положения трубки относительно поля Земли не требуется производить дополнительные регулировки.

Теневая маска

Теневая маска (shadow mask) - это самый распространенный тип масок, она применяется со времени изобретения первых цветных кинескопов. Поверхность у кинескопов с теневой маской обычно сферической формы (выпуклая).Это сделано для того, чтобы электронный луч в центре экрана и по краям имел одинаковую толщину.

Теневая маска состоит из металлической пластины с круглыми отверстиями, которые занимают примерно 25% площади [см. рис. 1.5, 1.6]. Находится маска перед стеклянной трубкой с люминофорным слоем. Как правило, большинство современных теневых масок изготавливают из инвара. Инвар (InVar) - магнитный сплав железа [64%] с никелем [36%]. Этот материал имеет предельно низкий коэффициент теплового расширения, поэтому, несмотря на то, что электронные лучи нагревают маску, она не оказывает отрицательного влияния на чистоту цвета изображения. Отверстия в металлической сетке работают как прицел (хотя и не точный), 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 (еще называемыми триады), где каждая такая точка состоит из трех люминофорных элементов основных цветов - зеленного, 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.

Одним из "слабых" мест мониторов с теневой маской является ее термическая деформация [см. рис. 1.7]. Часть лучей от электронно-лучевой пушки попадает на теневую маску, вследствие чего происходит нагрев и последующая деформация теневой маски. Происходящее смещение отверстий теневой маски приводит к возникновению эффекта пестроты экрана (смещения цветов RGB). Существенное влияние на качество монитора оказывает материал теневой маски. Предпочтительным материалом маски является инвар.

Недостатки теневой маски хорошо известны: во-первых, это малое соотношение пропускаемых и задерживаемых маской электронов (только около 20-30% проходит через маску), что требует применения люминофоров с большой светоотдачей, а это в свою очередь ухудшает монохромность свечения, уменьшая диапазон цветопередачи, а во-вторых, обеспечить точное совпадение трех не лежащих в одной плоскости лучей при отклонении их на большие углы довольно трудно.

Теневая маска применяется в большинстве современных мониторов - Hitachi, Panasonic, Samsung, Daewoo, LG, Nokia, ViewSonic.

Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета в соседних строках называется шагом точек (dot pitch) и является индексом качества изображения [см. рис. 1.8]. Шаг точек обычно измеряется в миллиметрах (мм). Чем меньше значение шага точек, тем выше качество воспроизводимого на мониторе изображения. Расстояние между двумя соседними точками по горизонтали равно шагу тачек, умноженному на 0,866.

Апертурная решетка

Есть еще один вид трубок, в которых используется "Aperture Grille" (апертурная решетка). Эти трубки стали известны под именем Trinitron и впервые были представлены на рынке компанией Sony в 1982 году. В трубках с апертурной решеткой применяется оригинальная технология, где имеется три лучевые пушки, три катода и три модулятора, но при этом имеется одна общая фокусировка.

Апертурная решетка - это тип маски, используемый разными производителями в своих технологиях для производства кинескопов, носящих разные названия, но одинаковые по сути, например, технология Trinitron от Sony, DiamondTron от Mitsubishi и SonicTron от ViewSonic. Это решение не включает в себя металлическую решетку с отверстиями, как в случае с теневой маской, а имеет решетку из вертикальных линий [см. рис. 1.10]. 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 (одной в 15", двух в 17", трех и более в 21") проволочке, тень от которой видна 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 шагом полос (strip pitch) и измеряется в миллиметрах (мм) [см. рис. 1.10]. Чем меньше значение шага полос, тем выше качество изображения на мониторе. При апертурной решетке имеет смысл только горизонтальный размер точки. Так как вертикальный определяется фокусировкой электронного луча и отклоняющей системой.

Апертурная решетка используется в мониторах от ViewSonic, Radius, Nokia, LG, CTX, Mitsubishi, во всех мониторах от SONY.

Щелевая маска

Щелевая маска (slot mask) - это технология широко применяется компанией NEC под именем "CromaClear". Это решение на практике представляет собой комбинацию теневой маски и апертурной решетки. В данном случае люминофорные элементы расположены в вертикальных эллиптических ячейках, а маска сделана из вертикальных линий [см. рис. 1.11]. Фактически вертикальные полосы разделены на эллиптические ячейки, которые содержат группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов.

Щелевая маска используется, помимо мониторов от NEC (где ячейки эллиптические), в мониторах Panasonic с трубкой PureFlat (ранее называвшейся PanaFlat). Заметим, что нельзя напрямую сравнивать размер шага для трубок разных типов: шаг точек (или триад) трубки с теневой маской измеряется по диагонали, в то время как шаг апертурной решетки, иначе называемый горизонтальным шагом точек, - по горизонтали. Поэтому при одинаковом шаге точек трубка с теневой маской имеет большую плотность точек, чем трубка с апертурной решеткой. Для примера, шаг полос 0.25 мм приблизительно эквивалентен шагу точек, равному 0.27 мм.

Также в 1997г. компанией Hitachi - крупнейшим проектировщиком и изготовителем ЭЛТ - была разработана EDP - новейшая технология теневой маски. В типичной теневой маске триады размещены более или менее равносторонне, создавая треугольные группы, которые распределены равномерно поперек внутренней поверхности трубки [см. рис. 1.12]. Компания Hitachi уменьшила расстояние между элементами триады по горизонтали, тем самым, создав триады, более близкие по форме к равнобедренному треугольнику. Для избежания промежутков между триадами сами точки были удлинены, и представляют собой скорее овалы, чем круг.

Оба типа масок - теневая маска и апертурная решетка - имеют свои преимущества и своих сторонников. Для офисных приложений, текстовых редакторов и электронных таблиц больше подходят кинескопы с теневой маской, обеспечивающие очень высокую четкость и достаточный контраст изображения. Для работы с пакетами растровой и векторной графики традиционно рекомендуются трубки с апертурной решеткой, которым свойственны превосходная яркость и контрастность изображения. Кроме того, рабочая поверхность этих кинескопов представляет собой сегмент цилиндра с большим радиусом кривизны по горизонтали (в отличие от ЭЛТ с теневой маской, имеющих сферическую поверхность экрана), что существенно (до 50%) снижает интенсивность бликов на экране.

Электронно-лучевые трубки производятся в основном в Японии. Для некоторых серий мониторов Acer, Daewoo, LG Electronics, Philips, Samsung и ViewSonic трубки изготавливает концерн Hitachi. В изделиях ADI и Daewoo устанавливаются трубки Toshiba. Компании Apple, Compaq, IBM, MAG и Nokia применяют ЭЛТ Sony Trinitron. Наконец, Mitsubishi поставляет ЭЛТ для фирм CTX, Iiyama и Wyse, а трубки Panasonic (Matsushita) можно встретить в мониторах CTX, Philips и ViewSonic. Зачастую изготовители трубок бывают перегружены заказами, поэтому в производство мониторов одной и той же серии вносят вклад различные поставщики.

Современные ЭЛТ-мониторы

FD Trinitron (Sony)

В настоящее время все выпускаемые Sony ЭЛТ-мониторы имеют плоскую внешнюю поверхность экрана (даже модели с диагональю 15"). Технология, которую Sony использует в своих мониторах, разрабатывается компанией уже более тридцати лет, и не будет преувеличением сказать, что она приобрела всемирную известность. Все началось в 1968г., когда было изобретена технология Trinitron. В 1982г. Sony выпустила первый компьютерный дисплей, в котором была применена ЭЛТ Trinitron. В 1998г. компания представила первый монитор с плоской поверхностью экрана, выполненный по технологии FD Trinitron.

ЭЛТ Trinitron, которые всем хорошо известны по бытовым телевизорам, отличались от обычных тем, что имели не сферическую поверхность экрана, а цилиндрическую. Остановимся на интересных моментах, отличающих технологию FD Trinitron.

Прежде всего это высокое разрешение. Чтобы достигнуть высокой разрешающей способности, необходимо наличие трех составляющих - очень тонкой экранной маски, минимального диаметра электронного луча и безошибочного позиционирования этого луча на всей поверхности экрана. Такая задача таит в себе немало трудностей. Например, уменьшение диаметра электронного луча вызывает снижение яркости изображения. Чтобы компенсировать потери в яркости, нужно увеличить мощность электронного луча, но это ведет к сокращению срока службы люминофорного покрытия и котода самой электронной пушки, который служит источником электронов.

В FD Trinitron применена конструкция электронной пушки под названием SAGIC (Small Aperture G1 with Impregnated Cathode). В ней используется привычный бариевый катод, но обогащенный вольфрамом, что позволяет продлить срок службы ЭЛТ. Кроме того, диаметр фильтрующего отверстия в первом элементе решетки электронной пушки G1 уменьшен до 0,3 мм по сравнению с обычными 0,4 мм, что позволяет получать на выходе более тонкий электронный луч.

В качестве экраннной маски Sony использует апертурную решетку с шагом 0,22-0,28мм (Этот показатель меняется не только зависимости от модели монитора. В самом мониторе шаг маски может быть различным в центре и на периферийных участках). Применение апертурной решетки вместо теневой маски позволяет увеличить количество электронов, достигающих поверхности люминофорного покрытия, а это дает более чистую, лучше сфокусированную и яркую картинку. Кроме того, в электронной пушке применены специальные системы фокусировки: DQL (Dynamic Quadropole Lens), MALS (Multi Astigmatism Lens System) и EFEAL (Extended Field Elliptical Aperture Lens). Они позволяют получать тонкое и отлично сфокусированное пятно электронного луча в любом месте экрана.

Все мониторы с ЭЛТ FD Trinitron имеют специальное многослойное покрытие (от 4 до 6 слоев), которое выполняет несколько функций. Во-первых оно позволяет получать истинные цвета на поверхности экрана за счет снижения отраженного света. Кроме того, благодаря дополнительному специальному черному слою антибликового покрытия (Hi-Con™) повышается контрастность, значительно улучшена передача серых оттенков. В дополнение ко всему это уникальное для FD Trinitron черное покрытие "впитывает" как прямой , так и отраженный свет, что повышает контрастность изображения.

Flatron (LG Electronics)

Основное отличие ЭЛТ Flatron от кинескопов других производителей состоит в том, что в ней для формирования изображения используется абсолютно плоская поверхность экрана как снаружи, так и внутри. Это позволило увеличить угол обзора и, как следствие, видимую область изображения. В мониторах LG Flatron используется щелевая маска, позволяющая воспроизводить изображение с высоким разрешением (шаг маски у 17" мониторов LG Flatron 775FT и 795FT Plus - 0,24 мм). Кроме того, в ЭЛТ LG Flatron толщина маски снижена, что повышает качество формируемого на экране электронного пятна.

В LG Flatron используется электронная пушка специальной конструкциии - Hi-Lb-MQ Gun. В обычных пушках по краям экрана электронное пятно имеет овальную форму. Это ведет к появлению муара и снижению горизонтального разрешения. Примененная же в Hi-Lb-MQ Gun система фокусировки позволяет добиваться практически идеальной формы электронного пятна по всей поверхности экрана. В конструкцию решетки электронной пушки также внесены изменения - добавлен дополнительный фильтрующий элемент G3.

Еще одной примечательной особенностью Flatron является антибликовое и антистатическое покрытие W-ARAS, оно значительно снижает количество отраженного света и вместе с тем позволяет добиться самого низкого коэфффициента светопропускания экрана (38% против 40-52% у конкурентов).

ErgoFlat (Hitachi)

В ЭЛТ ErgoFlat используется теневая маска с очень маленьким шагом (так, у модели Hitachi CM771 шаг маски равен 0,22 мм по горизонтали и 0,14 мм по вертикали).

DynaFlat (Samsung)

В ЭЛТ DynaFlat фирмы Samsung также используется теневая маска с очень маленьким шагом (до 0,20 мм). Кроме того, в мониторах этого типа применяется также антибликовое и антистатическое покрытие Smart III. По отзывам специалистов мониторы с ЭЛТ DynaFlat позволяют получать даже более яркую и насыщенную картинку, чем в мониторах на базе FD Trinitron.

Физические характеристики мониторов

Размер рабочей области экрана

Размер экрана - это размер по диагонали от одного угла экрана до другого.

У ЖК-мониторов номинальный размер диагонали экрана равен видимому, но у ЭЛТ-мониторов видимый размер всегда меньше.

Изготовители мониторов в дополнение к физическим размерам кинескопов также предоставляют сведения о размерах видимой части экрана. Физический размер кинескопа - это внешний размер трубки. Поскольку кинескоп заключен в пластмассовый корпус, видимый размер экрана немного меньше его физического размера. Так, например, для 14" модели (теоретическая длина диагонали 35,56 см) полезный размер диагонали равен 33,3- 33,8 см в зависимости от конкретной модели, а фактическая длина диагонали 21-дюймовых устройств (53,34 см) составляет от 49,7 до 51 см [см. также табл. 4.1]

Номинальный размер диагонали, дюймов	Типичный видимый размер диагонали, см	Видимая площадь экрана, см2	Увеличение видимой площади экрана по сравнению с предыдущим типом, %
14"	33,55	540,3	-
15"	35,05	598,7	10,8
17"	40,55	789,3	33,4
20"	47,50	1083,0	37,2
21"	50,35	1216,9	12,4

В таблице 4.2 показано изменение площади экрана с изменением размера диагонали экрана. В строках показано насколько меньше площадь экрана данного типоразмера по сравнению с большими экранами, а в столбцах - насколько больше площадь экрана данного типоразмера по сравнению с меньшими экранами. Например, площадь экрана 20" монитора на 85,7% больше, чем площадь 15" модели, но на 9,8% меньше чем площадь 21"монитора.

Номинальный размер диагонали, дюймов	14"	15"	17"	20"	21"
14"	-	-8.5%	-31.1%	-50.7%	-55.6%
15"	+9.3%	-	-24.6%	-46.1%	-51.4%
17"	+45.1%	+32.7%	-	-28.5%	-35.5%
20"	+103%	+85.7%	+39.9%	-	-9.8%
ё	+125%	+106%	+55.2%%	+10.9%	-

Радиус кривизны экрана ЭЛТ

Современные кинескопы по форме экрана делятся на три типа: сферический, цилиндрический и плоский (см. рис.4.1).

У сферических экранов поверхность экрана выпуклая и все пиксели (точки) находятся на равном расстоянии от электронной пушки. Такие ЭЛТ не дороги, но изображение, выводимое на них, не очень высокого качества. В настоящее время применяются только в самых дешевых мониторах.

Цилиндрический экран представляет собой сектор цилиндра: плоский по вертикали и закругленный по горизонтали. Преимущество такого экрана - большая яркость по сравнению с обычными плоскими экранами мониторов и меньшее количество бликов на экране. Основные торговые марки - Trinitron(подробнее о технологии Trinitron) и Diamondtron (подробнее о технологии Diamondtron).

Плоские экраны (Flat Square Tube) наиболее перспективны. Устанавливаются в самых совершенных моделях мониторов. Некоторые кинескопы этого типа на самом деле не являются плоскими - но из-за очень большого радиуса кривизна (80 м - по вертикали, 50 м - по горизонтали) они выглядят действительно плоскими (это, например кинескоп FD Trinitron компании Sony).

ЭЛТ с плоским экраном (FST)

Мониторы на базе ЭЛТ, имеющие плоскую поверхность экрана, появились всего 2-3 года назад. К началу 1999г. технология изготовления ЭЛТ для плоских дисплеев была внедрена лишь у пяти компаний (LG Electronics, Matsushita (Panasonic), Mitsubishi, Sony и Samsung). Из них только две - Mitsubishi и LG Electronics - обладали на тот момент достаточными мощностями для массового производства и самих плоских экранов, и трубок для них.

Прошло не так уж много времени (статья написана в июне 2000г.), но ситуация заметно изменилась. Сегодня многие фирмы имеют в своем арсенале не отдельные модели с плоским экраном, а целые линейки таких мониторов. Производители используют различные оригинальные технические решения для того, чтобы получить наилучшее изображение.

На пути создания ЭЛТ-монитора с действительно плоским экраном стоят физические принципы, лежащие в основе конструкции фокусирующей системы. Физические принципы работы оптических и магнитных линз одинаковы - они создают изображение на фокальной сфере. Таким образом, для того чтобы на экране получилось четкое изображение, он должен иметь форму сферы, точнее ее части (рис. 1).

Чем больше радиус сферы (а значит и фокусное расстояние системы магнитных линз), тем более плоским будет экран монитора. Но, чем больше фокусное расстояние, тем дальше от экрана надо располагать отклоняющую систему и тем большее место этот монитор будет занимать на столе. На сегодня достигнут достаточно успешный компромисс между размерами монитора и формой экрана.

Есть и другие способы получить плоский экран, точнее его приближение. До недавнего времени самыми популярными мониторами с “плоским” экраном были мониторы с апертурной решеткой. Отклоняющая система этих мониторов создает изображение на поверхности цилиндра, таким образом, в вертикальном направлении изображение является действительно плоским, а в горизонтальном остается изогнутым.

Интересный вариант создания плоского монитора был предложен некоторое время назад. Передняя поверхность ЭЛТ изготавливается абсолютно плоской, а внутренняя представляет собой часть сферы [подробности см. ниже].

Эффект вогнутости

Появлению плоских ЭЛТ-мониторов в немалой степени способствовали попытки решения двух задач, которые традиционно ставились перед производителями ЭЛТ-мониторов. Первая - уменьшить или полностью избавиться от геометрических искажений на поверхности. Вторая - максимально уменьшить блики света, отраженного от поверхности экрана.

В обычных ЭЛТ-мониторах с выпуклой поверхностью экрана геометрические искажения никого не удивляли. Формирование изображения на плоской поверхности на первый взгляд могло показаться чуть ли не самым простым способом избежать геометрических искажений. В том, что это не совсем так, могли убедиться пользователи самых первых плоских ЭЛТ-мониторов. Изображение на них выглядело вогнутым, т.е. геометрические искажения не исчезли, а приобрели иной вид.

Над решением этой проблемы работали практически все ведущие производители ЭЛТ с плоскими экранами. Как показали исследования, эффект вогнутости обусловлен преломлением световых лучей на границе раздела двух сред. Изображение формируется на поверхности люминофора, нанесенного на внутреннюю сторону экрана, который сам по себе обладает некоторой толщиной. В результате преломления световых лучей на внешней поверхности экрана зрительная система человека воспринимает не действительное, а мнимое. При этом если зрительная ось симметрии проходит вертикально через центр экрана, то чем дальше от нее находится элемент изображения, тем ближе к внешней поверхности экрана он воспринимается.

Для компенсации этого эффекта производителями предпринимаются различные меры, суть которых сводится в основном к формированию такого изначально выпуклого изображения, чтобы в искаженном за счет эффекта преломления виде оно воспринималось зрительной системой человека как плоское [см. рис. 4.2б].