CRT мониторы

CRT (Cathode Ray Tube)мониторы. Как видно из названия, в основе всех подобных мониторов лежит катодно-лучевая трубка, но это дословный перевод, технически правильно говорить электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).

Рассмотрим принципы работы CRT мониторов.

CRT-монитор имеет стеклянную трубку, внутри которой находится вакуум, т.е. весь воздух удален. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором (Luminofor). 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. 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. Как правило, в цветном CRT мониторе используется три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически не производятся и мало кому интересны

Характеристика мониторов

Теперь логично перейти к размерам, разрешениям и частоте обновления. В случае с мониторами, размер один из ключевых параметров. Монитор требует пространства для своей установки, а пользователь хочет комфортно работать с требуемым разрешением. Кроме этого, необходимо, чтобы монитор поддерживал приемлемую частоту регенерации или обновления экрана (refresh rate). При этом все три параметра размер (size), разрешение (resolution) и частота регенерации (refresh rate) должны всегда рассматриваться вместе, если вы хотите убедиться в качестве монитора, который решили купить, потому что все эти параметры жестко связаны между собой и их значения должны соответствовать друг другу.

Размер экрана - это размер по диагонали от одного угла экрана до другого. У LCD-мониторов номинальный размер диагонали экрана равен видимому, но у CRT-мониторов видимый размер всегда меньше.

Изготовители мониторов в дополнение к сведениям о физических размерах кинескопов также предоставляют информацию 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-дюймовой 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.

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. Например, если говорят, что монитор имеет разрешение 640x480, это означает, что изображение состоит из 640x480=307200 точек в прямоугольнике, чьи стороны соответствуют 640 точкам по ширине и 480 точкам по высоте. Это объясняет, почему более высокое разрешение соответствует отображению более содержательного (детального) изображения на экране.

Обычно мониторы с большой диагональю трубки представляются в качестве лучшего решения, даже при наличии некоторых проблем, таких, как стоимость и требуемое пространство на рабочем столе.

17" монитор имеет разрешением 1024x768 или 1280x1024;

19" монитор работает с разрешением 1280x1024, а или 1600x1200;

24" работает в разрешениях от 1600x1200 до 1920x1200 точек.

Большой монитор с поддержкой высокого разрешения позволит вам более комфортно работать, так как вам не потребуется увеличивать картинку, или перемещать отдельные ее части, или использовать виртуальный десктоп, когда несколько мониторов подключены к одной или нескольким видеокартам. Наличие большого монитора - это все равно, что смотреть через окно на мир: чем больше окно, тем больше вы видите без необходимости выглядывать наружу.

Частота обновления (регенерации)

На величину максимально поддерживаемого монитором разрешения напрямую влияет частота горизонтальной развертки электронного луча, измеряемая в kHz (Килогерцах, кГц). Значение горизонтальной развертки монитора показывает, какое предельное число горизонтальных строк на экране монитора может прочертить электронный луч за одну секунду. Соответственно, чем выше это значение (а именно оно, как правило, указывается на коробке для монитора), тем выше разрешение может поддерживать монитор при приемлемой частоте кадров. Предельная частота строк является критичным параметром при разработке CRT-монитора.

Частота регенерации или обновления (кадровой развертки для CRT мониторов) экрана - это параметр, определяющий, как часто изображение на экране заново перерисовывается. Например, частота регенерации монитора в 100 Hz означает, что изображение обновляется 100 раз в секунду. Как мы уже говорили выше, 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 70 Hz, то инерционности зрительного восприятия будет недостаточно для того, чтобы изображение не мерцало. Чем выше частота регенерации, тем более устойчивым выглядит изображение на экране. Мерцание изображения (flicker) приводит к утомлению глаз, головным болям и даже к ухудшению зрения. Заметим, что чем больше экран монитора, тем более заметно мерцание, особенно периферийным (боковым) зрением, так как угол обзора изображения увеличивается. Значение частоты регенерации зависит от используемого разрешения, от электрических параметров монитора и от возможностей видеоадаптера. Минимально безопасной частотой кадров считается 75 Hz, при этом существуют стандарты, определяющие значение минимально допустимой частоты регенерации. Считается, что чем выше значение частоты регенерации, тем лучше, однако исследования показали, что при частоте вертикальной развертки выше 110 Hz глаз человека уже не может заметить никакого мерцания.

Шаг точек - это диагональное расстояние между двумя точками люминофора одного цвета. Например, диагональное расстояние от точки люминофора красного цвета до соседней точки люминофора того же цвета. Этот размер обычно выражается в миллиметрах. В кинескопах с апертурной решеткой используется понятие шага полос для измерения горизонтального расстояния между полосами люминофора одного цвета. Чем меньше шаг точки или шаг полосы, тем лучше монитор: изображения выглядят более четкими и резкими, контуры и линии получаются ровными и изящными. Очень часто размер токи на периферии больше, чем в центре экрана. Тогда производители указывают оба размера.

Маски кинескопа

Мониторы CRT по принципу действия напоминают обыкновенные цветные телевизоры, имеют чуть меньший размер и обладают очень чётким изображением. В качестве основного элемента формирования изображения используется кинескоп. Изображение на экране ЭЛТ появляется вследствие свечения нанесённых на его поверхность триад элементов люминофора (вещества, испускающие свет при попадании на них разогнанных электронов). Если говорить простыми словами, каждая точка изображения на экране монитора с ЭЛТ состоит из трёх расположенных рядом друг с другом элементов люминофора. Каждый элемент при попадании триады, начинает излучать свет с разной интенсивностью, собственным цветом (красным, зелёным или синим) Общий результат свечения всех трёх элементов виден человеческому глазу как какой-то один из бесконечного количества цветов. Для того чтобы разогнанные электроны попадали именно на те элементы триад, которые нужно, перед ними установлена специальная маска, представляющая собой металлический экран с проделанными в нём отверстиями, расположенными напротив элементов триад. В зависимости от конструкции такой маски, а так же формы и расположения отверстий, проделанных в ней, ЭЛТ может быть трёх типов: ЭЛТ с теневой маской (shadow mask); ЭЛТ с апертурной решёткой (aperture grill); ЭЛТ со щелевой маской (slot mask);

ЭЛТ с теневой маской

УЭЛТ этого типа маска представляет собой металлическую (обычно инваровую) сетку с круглыми отверстиями напротив каждой триады элементов люминофора. Критерием качества (чёткости) изображения является так называемый шаг зерна или точки (dot pitch), который характеризует расстояние в миллиметрах между двумя элементами (точками) люминофора одинакового цвета. Чем меньше это расстояние, тем более качественное изображение сможет воспроизводить монитор. Экран ЭЛТ с теневой маской обычно представляет собой часть сферы достаточно большого диаметра, что может быть заметно по выпуклости экрана мониторов с таким типом ЭЛТ (а может и не быть заметно, если радиус сферы очень большой). К недостаткам ЭЛТ с теневой маской следует отнести то, что большое количество электронов (порядка 70%) задерживается маской и не попадает на люминофорные элементы. Это может привести к нагреву и тепловой деформации маски (что в свою очередь может вызвать искажение цветов на экране). Кроме того, в ЭЛТ такого типа приходится использовать люминофор с большей светоотдачей, что приводит к некоторому ухудшению цветопередачи. Если же говорить о достоинствах ЭЛТ с теневой маской, то следует отметить хорошую чёткость получаемого изображения и их относительную дешевизну.

ЭЛТ с апертурной решёткой

Втакой ЭЛТ точечные отверстия в маске (обычно изготавливаемой из фольги) отсутствуют. Вместо них в ней проделаны тонкие вертикальные отверстия от верхнего края маски до нижнего. Таким образом, она представляет собой решётку из вертикальных линий. Из-за того что маска изготовлена таким образом она очень чувствительна ко всякому виду вибраций, которые например могут возникнуть при лёгком постукивание по экрану монитора. Она дополнительно удерживается тонкими горизонтальными проволочками. В мониторах с размером 15 дюймов такая проволочка одна в 17 и 19 две, а в больших три и более. На всех таких моделях заметны тени от этих проволочек особенно на светлом экране. Сначала они могут несколько раздражать, но со временем вы привыкните. Наверное это можно отнести к основным недостаткам ЭЛТ с апертурной решёткой. Экран таких ЭЛТ представляет собой часть цилиндра большого диаметра. В результате он полностью плоский по вертикали и чуть выпуклый по горизонтали. Аналогом шага точки (как для ЭЛТ с теневой маской) здесь является шаг полосы (strip pitch) - минимальное расстояние между двумя полосами люминофора одинакового цвета (измеряется в миллиметрах). Достоинством таких ЭЛТ по сравнению с предыдущим, является более насыщенными цветами и более контрастным изображением, а так же более плоский экран, что достаточно ощутимо снижает количество бликов на нём. К недостаткам можно отнести чуть меньшую чёткость текста на экране.

ЭЛТ с щелевой маской

ЭЛТ с щелевой маской представляет собой компромисс между двумя уже описанными ранее технологиями. Здесь отверстия в маске, соответствующие одной триаде люминофора, выполнены в виде продолговатых вертикальных щелей небольшой длины. Соседние вертикальные ряды таких щелей немного смещены друг относительно друга. Считается, что ЭЛТ с таким типом маски обладают сочетанием всех достоинств, присущих ей. На практике же, разница между изображением на ЭЛТ со щелевой или апертурной решёткой мало заметна. ЭЛТ с щелевой маской обычно имеют названия Flatron, DynaFlat и др.

Экранное покрытие

Важными параметрами кинескопа являются отражающие и защитные свойства его поверхности. Если поверхность экрана никак не обработана, то он будет отражать все предметы, находящиеся за спиной пользователя, а также его самого. Это отнюдь не способствует комфортности работы. Кроме того, поток вторичного излучения, возникающий при попадании электронов на люминофор, может негативно влиять на здоровье человека.

Ниже показана структура покрытия кинескопов (на примере кинескопа DiamondTron производства компании Mitsubishi). Неровный верхний слой призван бороться с отражением. В техническом описании монитора обычно указывается, какой процент падающего света отражается (например, 40%). Слой с различными преломляющими свойствами дополнительно снижает отражение от стекла экрана.

Наиболее распространенным и доступным видом антибликовой обработки экрана является покрытие диоксидом кремния. Это химическое соединение внедряется в поверхность экрана тонким слоем. Если поместить обработанный диоксидом кремния экран под микроскоп, то можно увидеть шершавую, неровную поверхность, которая отражает световые лучи от поверхности под различными углами, устраняя блики на экране. Антибликовое покрытие помогает без напряжения воспринимать информацию с экрана, облегчая этот процесс даже при хорошем освещении. Большинство запатентованных видов защитных покрытий против отражений и бликов основано на использовании диоксида кремния. Некоторые изготовители кинескопов добавляют в покрытие также химические соединения, выполняющие функции антистатиков. В наиболее передовых способах обработки экрана для улучшения качества изображения используются многослойные покрытия из различных видов химических соединений. Покрытие должно отражать от экрана только внешний свет. Оно не должно оказывать никакого влияния на яркость экрана и четкость изображения, что достигается при оптимальном количестве диоксида кремния, используемого для обработки экрана.

Антистатическое покрытие предотвращает попадание пыли на экран. Оно обеспечивается с помощью напыления специального химического состава для предотвращения накопления электростатического заряда. Антистатическое покрытие требуется в соответствии с рядом стандартов по безопасности и эргономике, в том числе MPR II и TCO.

Также необходимо отметить, что для защиты пользователя от фронтальных излучений экран кинескопа выполняется не просто из стекла, а из композитного стекловидного материала с добавками свинца и других металлов.

Радиус кривизны экрана ЭЛТ

Виды кинескопа

Современные кинескопы по форме экрана делятся на три типа: сферический, цилиндрический и плоский.

У сферических экранов поверхность выпуклая и все пиксели (точки) находятся на равном расстоянии от электронной пушки. Такие ЭЛТ не дороги, 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. Основные торговые марки - Trinitron и 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 кривизны (80 м по вертикали, 50 м по горизонтали) они выглядят действительно плоскими (это, например, кинескоп FD Trinitron компании Sony).

Средства управления и регулирования

После настройки монитора на заводе он проделывает долгий путь, прежде чем попадет на стол к пользователю. На этом пути монитор подвергается различным механическим, термическим и прочим воздействиям. Это приводит к тому, что предустановленные настройки сбиваются и после включения изображение на экране отображается не очень качественно. Этого не может избежать ни один монитор. Для того, чтобы устранить эти, а также прочие, возникающие в процессе использования монитора, дефекты, монитор должен обладать развитой системой регулирования и управления, в противном случае потребуется вмешательство специалистов.

Под управлением понимают подстройку таких параметров, как яркость, геометрия изображения на экране. Существуют два типа систем управления и регулирования монитора: аналоговые (потенциометры) и цифровые (кнопки, экранное меню, цифровое управление через компьютер). Аналоговое управление используется в дешевых мониторах и позволяет напрямую изменять электрические параметры в узлах монитора. Как правило, при аналоговом управлении пользователь имеет возможность настраивать только яркость и контраст. Цифровое управление обеспечивает передачу данных от пользователя к микропроцессору, управляющему работой всех узлов монитора. Микропроцессор на основании этих данных делает соответствующие коррекции формы и величины напряжений в соответствующих аналоговых узлах монитора. В современных мониторах используется только цифровое управление, хотя количество контролируемых параметров зависит от класса монитора и варьируется от нескольких простейших параметров (яркость, контраст, примитивная подстройка геометрии изображения) до сверхрасширенного набора - 25–40 параметров, обеспечивающие более точные настройки.

Большинство цифровых средств управления снабжены экранным меню (OSD - On Screen Display), которое появляется каждый раз, когда активизируются настройки и регулировки. С помощью цифровых средств управления установки сохраняются в специальной памяти и не изменяются при отключении электропитания. Имеются три группы регулировок монитора: основные, геометрические и регулировка цвета. Основные регулировки изменяют яркость, контрастность, размер и центрирование изображения по горизонтали и по вертикали. К настройке цветности относятся: настройка сведения лучей, настройка цветовой температуры, функция подавления муара и др. Настройки цветности позволяют оптимизировать цветовые характеристики монитора, зависящие от типа внешнего освещения и расположения монитора.

	Основные регулировки
	Brightness (яркость) - регулировка яркости монитора. Встречаются аналоговый или цифровой способы регулировки. При цифровой регулировке выносится как главная опция настройки.
	Contrast (контрастность) - регулировка контрастности монитора. Как и предыдущая, включается в главную опцию настройки.
	Horizontal centering (центрирование по горизонтали) - позволяет сдвинуть рамку изображения влево или вправо.
	Vertical centering (центрирование по вертикали) - позволяет сдвинуть рамку изображения по вертикали.
	Width (ширина) - позволяет растянуть или сжать изображение по горизонтали.
	Height (высота) - позволяет растянуть или сжать изображение по вертикали.
	Zoom - опция, позволяющая одновременно растянуть или сжать изображение как по вертикали, так и по горизонтали.
	Опции регулировки муара и сведения лучей
	H convergence (горизонтальное сведение лучей) - коррекция совмещения цветов по горизонтали (с помощью специальной таблицы позволяет настроить сведение лучей по горизонтали).
	V convergence (вертикальное сведение лучей) - коррекция совмещения цветов по вертикали.
	Moire (муар) - устранение волнистых и дугообразных искажений на экране монитора.
	Дополнительные опции меню
	OSD (экранное меню) - опция, позволяющая производить настройку положения, времени задерLCDи, языка и т. д. самого меню.
	Volume (громкость) - громкость встроенных акустических систем. Имеется в мультимедийных мониторах.
	Mute - позволяет мгновенно отключать звук.

Геометрические настройки предназначены для устранения более сложных искажений изображения - «наклон/поворот» «параллелограмм», «трапеция» и «бочка/подушка» и многие другие.

Класс монитора	Характеристики	Графическое изображение
Большинство цифровых мониторов	Размер и центровка по горизонтали; Размер и центровка по вертикали; Трапециевидное искажение по горизонтали; Подушкообразное искажение по горизонтали.
Графические мониторы с размером диагонали 17–21 дюйм	Параллелограмм по горизонтали; Закругленный сдвиг по горизонтали; Наклон (поворот) изображения.
Профессиональные мониторы	Раздельное подушкообразное искажение в центре, внизу и вверху изображения; Линейность по вертикали на всем изображении; Баланс линейности по вертикали на всем изображении.

	Мониторы с электронно-лучевой трубкой (CRT)
	Как устроена электронно-лучевая трубка
	Теневая маска
	Отклоняющая система
	Экран монитора
	“Величина зерна”
	Антибликовое покрытие
	Антистатическое покрытие
	Светопередача монитора
	Горизонтальная развертка монитора
	Разрешение
	Полоса пропускания
	Частота пикселов
	Контраст, равномерность
	Динамическая фокусировка
	Чистота изображения
	Мерцание
	Дрожание (Jitter)
	CRT -мониторы с щелевой апертурной решеткой
	CRT - мониторы с гнездовой маской
	LCD-мониторы
	Плазменные панели PDP
	Технологические решения
	Список литературы

Мониторы с электронно-лучевой трубкой

Как устроена электронно-лучевая трубка (CRT)

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ; Cathode Ray Tube, или CRT) - это традиционная технология формирования изображения на “дне” герметично запечатанной стеклянной “бутылки”. Мониторы получают сигнал от компьютера и преобразуют его в форму, воспринимаемую электронно-лучевой пушкой, расположенной в “горлышке” огромной колбы. Пушка “стреляет” в нашу сторону, а широкое дно (куда мы, собственно, и смотрим) состоит из “теневой маски” и люминесцентного покрытия, на котором создается изображение. Электромагнитные поля управляют пучком электронов: отклоняющая система изменяет направление потока частиц таким образом, что они достигают нужного места на экране, проходя через теневую маску, падают на фосфоресцирующую поверхность и формируют изображение (активизированный электронным лучом участок экрана испускает свет, видимый глазом; рис.1). Такая технология называется “эмиссионной”

Экран монитора представляет собой матрицу, состоящую из гнезд-триад, определенной структуры и формы (зависящей от конкретной технологии изготовления - см. далее). Каждое такое гнездо состоит из трех элементов (точек, полос или других структур), формирующих RGB-триаду, в которой основные цвета располагаются настолько близко друг к другу, что отдельные элементы неразличимы для глаза. Таким образом, электронно-лучевые трубки, используемые в современных мониторах, имеют следующие основные элементы:

• электронные пушки (по одной на каждый цвет RGB-триады или одну, но испускающую три пучка);
• отклоняющую систему, то есть набор электронных “линз”, формирующих пучок электронов;
• теневую маску, обеспечивающую точное попадание электронов от пушки каждого цвета в “свои” точки экрана;
• слой люминофора, формирующий изображение при попадании электронов в точку соответствующего цвета.

С этими элементами и связана непрерывная борьба производителей за качество изображения. Электронная пушка состоит из подогревателя, катода, испускающего поток электронов, и модулятора, ускоряющего и фокусирующего электроны. В современных кинескопах применяются оксидные катоды, в которых электроны испускаются эмиссионным покрытием из редкоземельных элементов, нанесенным на никелевый колпачок с расположенной внутри него нитью накала. Подогреватель обеспечивает нагревание катода до температуры 850-880 °C, при которой и происходит испускание (эмиссия) электронов с поверхности катода. Остальные электроды трубки используются для ускорения и формирования пучка электронов. Соответственно каждая из трех электронных пушек создает пучок электронов для формирования своего цвета. При этом различают ЭЛТ с дельтовидным и планарным расположением пушек. В случае дельтовидного расположения электронные пушки размещаются в вершинах равностороннего треугольника под углом 1° к оси кинескопа. Ошибка в значении угла наклона не должна превышать 1’. Наклон пушек выбирается таким образом, чтобы электронные лучи пересекались в некоторой точке (точке схождения) и дальше, расходясь на определенный угол, образовывали на маске небольшой круг, в пределах которого одновременно может находиться только одно отверстие теневой маски и одна RGB-триада (три точки люминофора основных цветов). Соответственно точки люминофора при этом также располагают по вершинам равностороннего треугольника, образующего эту триаду. Центр каждого отверстия в теневой маске расположен напротив оси симметрии данной триады точек люминофора. Электронные лучи, расходясь после теневой маски, попадают на точки люминофора соответствующего цвета и заставляют их светиться

Теневая маска

Электронный луч достигает экрана, пройдя через теневую маску, которая может иметь различную (точечную или линейную) структуру. Теневая маска, выполненная из тонкого сплава, направляет электронный луч на флуоресцирующий материал определенного цвета

При этом маска задерживает 70-85% всех электронов, испускаемых катодами, в результате чего она нагревается до высокой температуры. Раньше маски изготавливали из сплавов на основе железа, и при сильном нагревании они деформировались, в результате чего отверстия смещались относительно триад люминофора. Для компенсации смещений маска крепилась к экрану при помощи системы “замков” из материала со специально подобранным коэффициентом температурного расширения; при нагревании эти “замки” перемещали маску вдоль оси ЭЛТ в сторону экрана. В современных моделях применяется теневая маска из инвара - специального сплава с очень небольшим коэффициентом температурного расширения, поэтому смещение масок при нагреве остается минимальным. В кинескопах с планарным расположением пушек используются щелевые маски, а люминофор трех основных цветов наносится на экран в виде вертикальных чередующихся полосок таким образом, чтобы одному щелевидному отверстию соответствовала своя RGB-триада. В таких ЭЛТ все три электронные пушки соосны друг другу, расположены в одной вертикальной плоскости и наклонены под небольшим углом к горизонтальной плоскости. Такое расположение в значительной мере позволяет скомпенсировать воздействие на пучки электронов магнитного поля Земли и упростить сведение лучей. Расходясь после точки схождения, лучи образуют эллипс, охватывающий одновременно только одно отверстие щелевой маски и соответственно три находящиеся за ней полоски люминофора. Отверстие щелевой маски находится напротив средней (зеленой) полоски люминофора. Отношение площади отверстий к общей площади маски в электронно-лучевых трубках такого типа значительно выше, чем у теневой маски, поэтому та же яркость свечения может быть достигнута при значительно меньшей мощности электронных пучков и, следовательно, срок службы таких кинескопов существенно больше

Отклоняющая система

С тыльной стороны монитора устанавливаются катушки горизонтального и вертикального отклонения луча, придающие лучу, при протекании по ним тока, нужное направление (рис.2). Отклоняющие системы подразделяются на седловидно-тороидальные и седловидные. Последние предпочтительнее, поскольку создают пониженный уровень излучения

Рис.2

Экран монитора

По достижении поверхности экрана луч взаимодействует с ним, при этом энергия электронов преобразуется в световую. Экран представляет собой обладающую особыми оптическими свойствами стеклянную поверхность, на которой распылен специальный фосфоресцирующий материал. Высокое качество изображения достигается правильным выбором материалов и технологии. Фосфоресцирующий материал должен обеспечивать требуемую энергетическую эффективность, разрешающую способность, долговечность, точную цветопередачу и послесвечение

“Величина зерна”

Маска электронно-лучевой трубки монитора имеет определенное число отверстий, через которые проходят электронные лучи RGB. Под величиной зерна понимается расстояние между соседними точками одного цвета. Распространенный показатель разрешающей способности монитора - число точек на дюйм (dpi - dots per inch) - определяется отношением числа точек к размеру экрана в дюймах по горизонтали. Например, dpi 14-дюймового монитора в режиме VGA (640 точек по горизонтали) составляет 65

Антибликовая панель (AR panel)

Для минимизации отражающих свойств экрана используются специальные антибликовые панели. Не ухудшая изображения, они ослабляют блики, а также уменьшают электромагнитное излучение монитора. Однако, ввиду высокой стоимости таких панелей, они используются в дорогих мониторах с большим разрешением, например в 21-дюймовых. В последнее время вместо антибликовой панели на мониторах с диагональю 21 дюйм и меньше используют антибликовое покрытие. Такое покрытие, как и панели, ограничивает излучение в соответствии со стандартами ТСО. Новые технологии позволяют перейти к коммерческому использованию мониторов с антибликовым покрытием

Антибликовое покрытие

Используя тот же принцип и те же свойства, что и в антибликовых панелях, для придания монитору антибликовых свойств непосредственно на экран монитора наносят многослойное антибликовое покрытие, не ухудшающее фокусировку монитора

Антистатическое покрытие

Антистатическое покрытие экрана обеспечивается с помощью напыления специального химического состава для предотвращения накопления электростатического заряда. Оно требуется в соответствии с рядом стандартов по безопасности и эргономике, в том числе MPR II

Светопередача монитора

Отношение полезной световой энергии, прошедшей через переднее стекло монитора, к излученной внутренним фосфоресцирующим слоем называется коэффициентом светопередачи. Как правило, чем темнее выглядит экран при выключенном мониторе, тем ниже этот коэффициент. При высоком коэффициенте светопередачи для обеспечения требуемой яркости изображения требуется небольшой уровень видеосигнала и упрощаются схемотехнические решения. Однако при этом уменьшается перепад между излучающими участками и соседними, что влечет за собой ухудшение четкости и снижение контрастности изображения и, как следствие, - ухудшение его общего качества. В свою очередь, при низком коэффициенте светопередачи улучшаются фокусировка изображения и качество цвета, однако для получения достаточной яркости требуется мощный видеосигнал и усложняется схема монитора. Обычно 17-дюймовые мониторы имеют коэффициент светопередачи 52-53%, а 15-дюймовые - 56-58%, хотя в зависимости от конкретно выбранной модели эти значения могут варьироваться. Поэтому при необходимости определения точного значения коэффициента светопередачи следует обращаться к документации производителя

Горизонтальная развертка

Время горизонтального перемещения луча от левого до правого края экрана называется периодом горизонтальной развертки. Величина, обратно пропорциональная этому периоду, называется частотой горизонтальной развертки, или просто горизонтальной разверткой (иногда встречаются названия “частота строчной развертки”, или “строчная частота”), и измеряется в килогерцах (кГц). Например, для монитора с разрешением 1024 x 768 пикселов горизонтальная развертка обратно пропорциональна времени, за которое луч сканирует 1024 пиксела. При увеличении разрешающей способности за тот же период времени лучом должно быть отсканировано большее число пикселов. При увеличении частоты кадров частота горизонтальной развертки также должна быть увеличена

Вертикальная развертка, или частота кадров

Монитор с электронно-лучевой трубкой обновляет изображение на экране десятки раз в секунду. Это число называется частотой вертикальной развертки, или частотой обновления экрана, и измеряется в герцах (Гц). Монитор с вертикальной разверткой 60 Гц имеет такую частоту мерцания, как лампа дневного света в США (несколько выше, чем в Европе, где частота сети 50 Гц). Обычно при частотах выше 75 Гц мерцание незаметно для глаза (режим без мерцания). Стандарт VESA рекомендует работу на частоте 85 Гц, считая это важным потребительским показателем эргономичности монитора. Расчет частоты горизонтальной развертки исходя из частоты кадров: Горизонтальная развертка = (число строк) x (вертикальная развертка) x 1,05. Например, требуемая горизонтальная развертка при вертикальной частоте 85 Гц и разрешении 1024 x 768 составляет: 768 x 85 x 1,05 = 68 500 Гц = = 68,5 кГц

Разрешение

Разрешающая способность характеризует качество воспроизведения изображения монитором. Для получения высокого разрешения в первую очередь высококачественным должен быть видеосигнал. Электронные цепи должны обработать его таким образом, чтобы обеспечить правильные уровни и сочетания фокусировки, цвета, яркости и контраста. Разрешающая способность характеризуется числом точек, или пикселов (dot) на число строк (line). Например, разрешение монитора 1024 x 768 означает возможность различить до 1024 точек по горизонтали при числе строк до 768

Полоса пропускания

Под частотой точек (dot rate) понимают максимальное число входящих точек в секунду, которое определяется разрешением по горизонтали и периодом сканирования по горизонтали источника сигнала. Полоса пропускания характеризует то, насколько полно исходный видеосигнал преобразуется в выходной. Частота точек = (разрешение по горизонтали)/(горизонтальная развертка) Полоса пропускания = 0,35 x 2/(время нарастания или спада сигнала)

Частота пикселов

Например, если горизонтальное разрешение 820 точек, а период отображения данных по горизонтали 10,85 нс = 10,85 x 10-6 с, то требуется частота пикселов (pixel rate) примерно 76 МГц. Монитор с высоким разрешением может выводить на экран в 24 раза больше информации, нежели телевизор

Яркость

Регулировкой яркости устанавливается ее уровень на экране в целом, включая зону растра. Управление контрастом позволяет устанавливать яркость зоны данных, изменяя коэффициент усиления входного видеосигнала и не влияя на яркость зоны растра (рис.3)

Контраст, равномерность

Контраст характеризует яркость экрана по сравнению с темной зоной в отсутствие видеосигнала. Контраст можно настроить регулировкой “Усиление”, воздействуя на входной видеосигнал. Под равномерностью понимается постоянство уровня яркости по всей поверхности экрана монитора, которое обеспечивает пользователю комфортные условия для работы. Временная неравномерность цвета может быть устранена размагничиванием экрана. Принято различать “равномерность распределения яркости” и “равномерность белого”

Равномерность распределения яркости, белого

Большинство мониторов имеют различную яркость в разных участках экрана. Отношение яркости в наиболее светлой части к яркости в наиболее темной называется равномерностью распределения яркости. Равномерность белого (white uniformity) характеризует различие в яркости белого цвета на экране монитора по всей его поверхности (при выводе изображения белого цвета). Численно равномерность белого равна отношению максимальной и минимальной яркости

Сведение: статическое, динамическое

Для получения четкого изображения и чистых цветов на экране монитора красный, зеленый и синий лучи, исходящие из всех трех электронных пушек, должны попадать в точно заданное место на экране. Термин “несведение лучей” означает отклонение красного и синего от центрирующего зеленого. Под статическим несведением понимается несведение трех цветов (RGB), одинаковое на всей поверхности экрана, вызванное незначительной погрешностью при сборке электронной пушки. Изображение на экране может быть откорректировано регулировкой статического сведения. В то время как в центре экрана монитора изображение остается четким, на его краях может проявиться несведение. Оно вызывается ошибками в обмотках или при их установке и может быть устранено с помощью магнитных пластин

Динамическая фокусировка

Электронный луч, если не предприняты специальные меры, расфокусируется (увеличивается в диаметре) по мере удаления его от центра экрана. Для компенсации искажения формируется специальный компенсирующий сигнал. Величина компенсирующего сигнала зависит от свойств ЭЛТ и ее отклоняющей системы. Чтобы устранить смещение фокуса, вызванное различием в путях пробега луча (расстоянии) от электронно-лучевой пушки до центра и до краев экрана, требуется увеличивать напряжение с ростом отклонения луча от центра с помощью высоковольтного трансформатора, как показано на рис.4

Чистота изображения

Чистота и четкость изображения достигается, когда каждый из электронных лучей RGB падает на поверхность экрана в строго определенной точке. Отсюда следует, что требуется выверенная взаимосвязь между электронной пушкой, отверстиями теневой маски и точками фосфоресцирующей поверхности (люминофора) экрана. Нарушение чистоты и четкости изображения могут быть обусловлены следующими причинами:

• наклоном электронной пушки или смещением луча;
• смещением центра пушки вперед или назад;
• отклонением луча, вызванным влиянием внешних магнитных полей, включая магнитное поле Земли.

Мерцание

Монитору свойственно мерцание. Оно связано с тем, что по истечении определенного времени происходит ослабление излучения света фосфором. Чтобы поддерживать свечение, экран должен быть подвержен периодическому воздействию луча от электронно-лучевой трубки. Мерцание становится заметным, если интервал времени между воздействиями слишком велик или недостаточно время послесвечения фосфоресцирующего вещества экрана. Эффект мерцания может также усугубляться ярким экраном и большим углом зрения к нему. Устранению мерцания как проблеме эргономики в последнее время уделяется все больше внимания - мерцание экрана, таким образом, становится ключевым коммерческим показателем товара. Уменьшение мерцания достигается увеличением частоты регенерации (обновления) экрана на каждом уровне разрешения. Стандарт VESA рекомендует использовать частоту не менее 85 Гц

Муар

Под муаром понимаются искажения, воспринимаемые глазом как “волокнистость” и волнообразные разводы изображения, вызванные неправильным взаимодействием теневой маски и сканирующего луча. Фокус и муар являются взаимосвязанными показателями мониторов на базе ЭЛТ. Так, муар должен допускаться в некоторой мере для обеспечения хорошего фокуса

Дрожание (Jitter)

Дрожание изображения возникает вследствие высокочастотных вибраций отверстий маски монитора, вызванных как взаимовлиянием сети, сигналов видео, смещения, блока управления микропроцессорными цепями, так и неправильной организацией заземления. Термин “дрожание” относится к колебаниям с частотами выше 30 Гц. При частотах от 1 до 30 Гц чаще употребляют термин “плавание”, а ниже 1 Гц - “дрейф”. Дрожание в той или иной степени свойственно всем мониторам. Хотя незначительное дрожание может остаться для пользователя незаметным, оно все же вызывает утомление глаз и должно быть отрегулировано. В части 3 ISO 9241 (Предписания по эргономике) допускается диагональное отклонение точки не более 0,1 мм

Классификация мониторов по типу маски

Современные мониторы с любой маской имеют практически плоскую форму экрана, благодаря которой существенно снижаются искажения геометрии, особенно по углам. Поэтому тип маски по форме экрана определить не так просто

На сегодняшний день в CRT-дисплеях используются три основные технологии формирования матриц и масок для RGB-триад:

• трехточечная теневая маска (DOT-TRIO SHADOW-MASK CRT);
• щелевая апертурная решетка (APERTURE-GRILLE CRT);
• гнездовая маска (SLOT-MASK CRT).

Тип маски можно определить, посмотрев на экран в 10-20-кратную лупу. Однако при создании мониторов помимо масок используются различные отклоняющие системы и другая электроника. Хотя сам экран и является наиболее важным фактором, определяющим эксплуатационные параметры дисплея, отклоняющая система и видеоусилитель также играют важную роль. Поэтому не следует думать, что при использовании одного и того же типа матрицы изготовители получают мониторы с одинаковыми параметрами

Изготовители различных моделей говорят о больших преимуществах именно своей технологии, но тот факт, что на рынке предлагается несколько моделей и, кроме того, многие производители мониторов выпускают модели с различными типами матриц, показывает, что однозначного выбора не бывает. Предпочтения определяются только вкусами пользователя и его задачами

CRT-мониторы с трехточечной теневой маской

Наиболее старая и широко используемая технология с так называемой теневой маской использует перфорированную металлическую пластину, помещаемую перед люминофором. Она маскирует три отдельных луча, каждый из которых управляется собственной электронной пушкой. Маскирование обеспечивает необходимую концентрацию каждого луча и обеспечивает его попадание только на нужный цветовой участок люминофора. Однако практика показывает, что ни один из мониторов не обеспечивает идеального выполнения этой задачи по всей поверхности экрана

Ранние CRT-дисплеи с теневой маской имели выраженную криволинейную (сферическую) поверхность. Это позволяло добиваться лучшей фокусировки и уменьшало нежелательные эффекты и отклонения, вызываемые нагревом. В настоящее время большинство профессиональных и специализированных мониторов имеет практически плоский прямоугольный экран (типа FST)

Мониторы с теневой маской имеют свои преимущества:

• текст выглядит лучше (особенно при малом размере точек);
• цвета “натуральнее” и точнее (что особенно важно для компьютерной графики и в полиграфии);
• отлаженная технология обеспечивает лучшее соотношение стоимости и эксплуатационных качеств.

Из недостатков можно отметить меньшую яркость таких мониторов, недостаточную контрастность изображения и более короткий срок службы, по сравнению с другими типами дисплеев

CRT-мониторы с щелевой апертурной решеткой

Новую технологию изготовления CRT-дисплеев - с апертурной решеткой вместо традиционной точечной маски - впервые предложила фирма Sony, выпустив мониторы с трубкой Trinitron. В электронных пушках этих трубок используются динамические квадрупольные магнитные линзы, позволяющие формировать очень тонкий и точно направленный пучок электронов. Благодаря такому решению значительно снижается астигматизм - рассеивание электронного пучка, приводящее к недостаточной резкости и контрастности изображения (особенно по горизонтали). Но главное отличие от технологии с теневой маской здесь состоит в том, что вместо металлической пластины с круглыми отверстиями, выполняющей функции маски, здесь используется вертикальная проволочная сетка (апертурная решетка) и люминофор наносится не в виде точек, а в виде вертикальных полос

Мониторы с апертурной решеткой имеют следующие преимущества:

• в тонкой сетке меньше металла, что позволяет использовать больше энергии электронов на реакцию с люминофором, а значит, меньше рассеивается на решетке и уходит в тепло;
• увеличенная площадь покрытия люминофором позволяет повысить яркость излучения при той же интенсивности пучка электронов;
• в связи со значительным общим повышением яркости можно использовать более темное стекло и получать на экране более контрастное изображение;
• экран монитора с апертурной решеткой более плоский, чем у дисплеев с теневой маской, а в последних моделях даже не цилиндрический, как раньше, а почти абсолютно ровный, что гораздо удобнее в работе и уменьшает количество бликов и отражений.

Из недостатков можно отметить только “неприятные” горизонтальные нити - ограничители, используемые в таких мониторах для придания проволочной сетке дополнительной жесткости. Хотя проволочки в апертурной решетке туго натянуты, в процессе работы они могут вибрировать под воздействием пучков электронов. Демпферная нить (а в экранах больших размеров - две нити) служит для ослабления колебаний и гашения вибрации. По этим нитям мониторы с трубкой Trinitron можно отличить от других моделей. Кроме того, если в процессе работы такого монитора его слегка качнуть, колебания изображения будут видны даже невооруженным глазом. Именно поэтому мониторы с этими трубками не рекомендуется ставить на системные блоки типа desktop

Остается добавить, что в электронно-лучевых трубках Sony Trinitron используется система трех пучков электронов, излучаемых одной пушкой, а в трубках с подобной апертурной решеткой компании Mitsubishi - Diamondtron - система из трех лучей с тремя пушками

CRT-мониторы с гнездовой маской

И, наконец, последний, комбинированный тип электронно-лучевой трубки, так называемый CromaСlear/OptiClear (впервые предложенный фирмой NEC) - это вариант теневой маски, в которой используются не круглые отверстия, а щели, как в апертурной решетке, только короткие - “пунктиром”, и люминофор наносится в виде таких же эллиптических полосок, а полученные таким образом гнезда для большей равномерности расположены в “шахматном” порядке

Такая гибридная технология позволяет сочетать все преимущества вышеописанных типов при отсутствии их недостатков. Четкий и ясный текст, натуральные, но достаточно яркие цвета и высокая контрастность изображения неизменно привлекают к этим мониторам все группы пользователей

LCD-мониторы

Первые жидкокристаллические материалы были открыты более 100 лет назад австрийским ученым Ф. Ренитцером. Со временем было обнаружено большое число материалов, которые можно использовать в качестве жидкокристаллических модуляторов, однако практическое использование технологии началось сравнительно недавно

Технология LCD-дисплеев основана на уникальных свойствах жидких кристаллов, которые одновременно обладают определенными свойствами как жидкости (например, текучестью), так и твердых кристаллов (в частности, анизотропией). В LCD-панелях используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму продолговатых пластин, объединенных в скрученные спирали. LCD-элемент, помимо кристалла, включает в себя прозрачные электроды и поляризаторы. При приложении напряжения к электродам спирали распрямляются. Используя на входе и выходе поляризаторы, можно использовать такой эффект раскручивания спирали, как электрически управляемый вентиль, который то пропускает, то не пропускает свет (рис.5)

Рис.5. На левой схеме показано состояние, при котором LCD-элемент пропускает свет, а на правой – когда свет не проходит

Экран LCD-дисплея состоит из матрицы LCD-элементов. Для того, чтобы получить изображение, нужно адресовать отдельные LCD-элементы. Различают два основных метода адресации и соответственно два вида матриц: пассивную и активную. В пассивной матрице точка изображения активируется подачей напряжения на проводники-электроды строки и столбца. При этом электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока, что препятствует достижению высокого контраста. В активной матрице каждой точкой изображения управляет свой электронный переключатель, что обеспечивает высокий уровень контрастности. Обычно активные матрицы реализованы на основе тонкопленочных полевых транзисторов (Thin Film Transistor, TFT). TFT-экраны, иначе называемые экранами с активной матрицей, обладают самым высоким среди плоскопанельных устройств разрешением, широко используются в ноутбуках, автомобильных навигационных устройствах и разнообразных цифровых приставках. Структура монитора TFT LCD показана на рис.6

Рис.6. Структура TFT LCD-монитора. 1) поляризационный фильтр, регулирующий свет;

2) стеклянная прослойка с электродами; 3) прозрачные электроды; 4) выравнивающий слой, который регулирует требуемое расположение жидкого кристалла; 5) жидкий кристалл; 6) распорка, которая поддерживает постоянный промежуток между стеклянными пластинами; 7) цветовой фильтр, который формирует все цвета на базе RGB-фильтров; 8) внутреннее освещение

В активной матрице LCD-дисплея переключающий тонкопленочный транзистор и диод обеспечивают включение и отключение связанного с ними элемента цвета. Электроды X и Y связаны с той же панелью, на которой расположены транзисторы TFT. Электрод X обеспечивает сигнал включения, а Y - сигнал цвета

LCD-дисплей не излучает, а работает как оптический затвор. Поэтому для воспроизведения изображения ему требуется источник света, который располагается позади LCD-панели. Время жизни внутреннего источника света TFT LCD-монитора зависит от его типа. Как правило, источники света для 15-дюймовых мониторов теряют около 50% первоначальной яркости за 20 000 часов

Плазменные панели PDP

Разработка плазменных панелей активно ведется примерно с конца семидесятых. Массовый выпуск цветных плазменных дисплеев был начат в конце восьмидесятых, в конце девяностых появились плазменные панели с диагональю 42 дюйма

Как и в электронно-лучевой трубке, изображение в PDP формируется посредством света, излучаемого специальным веществом – люминофором, только в отличие от CRT в плазменной панели на люминофор воздействует не поток электронов, а ультрафиолетовое излучение, инициируемое электрическим разрядом (пространство внутри плазменной панели заполнено инертным газом, обычно гелием или ксеноном). Наименьшим структурным элементом PDP является светоизлучающая ячейка. Три ячейки (синяя, зеленая, красная) в совокупности образуют один пиксел экрана. Для включения ячеек может использоваться переменный или постоянный электрический ток. Большинство выпускаемых в настоящее время цветных PDP работают от переменного тока и построены по трехэлектродной схеме поверхностного разряда (рис.7). Электрический разряд, возникающий между управляющими электродами, вызывает ионизацию содержащегося в ячейке газа (так называемое состояние холодной плазмы), в результате чего возникает ультрафиолетовое излучение, воздействующее на люминофор, который, в свою очередь, излучает свет видимого диапазона

Для достижения конкурентоспособного качества изображения, позволившего PDP успешно соперничать с CRT- и LCD-мониторами, разработчикам пришлось решить ряд серьезных проблем

Во-вторых, для качественного воспроизведения темных участков изображения и расширения динамического диапазона требовалось достичь высокой контрастности. Проблема здесь заключается в том, что для нормальной работы цветных PDP необходим предварительный разряд, создающий условия для возникновения основного разряда и излучения видимого света. Под действием предварительного разряда возникает тусклое свечение, создающее на экране фоновую засветку, заметную даже при выводе абсолютно черного изображения

В-третьих, определенная сложность состояла в обеспечении точности цветопередачи. Дело в том, что газ, которым заполнено внутреннее пространство PDP, имеет примесь неона, под воздействием электрического разряда светящегося оранжевым цветом. Примешиваясь к свету люминофора, это излучение снижает контрастность и искажает цветопередачу

Технологические решения

В выпускаемых в настоящий момент изделиях используются такие технологические решения, направленные на устранение описанных выше проблем

1. Повышение яркости.

Поскольку в PDP интенсивность свечения ячейки определяется числом инициирующих импульсов за единицу времени, для повышения яркости белого цвета необходимо увеличить количество таких импульсов, что, в свою очередь, требует повышения скорости работы системы управления. Однако в силу ограничений, связанных с конечной скоростью возникновения разряда и ресурсом защитной пленки на электродах, возможности увеличения частоты зажигания небезграничны. Для повышения яркости и расширения динамического диапазона была разработана система обработки сигнала Adaptable brightness Intensification system (адаптивное повышение яркости). Автоматическая коррекция соотношения между самой яркой и самой темной точкой производится с учетом подаваемого на вход видеосигнала

1. Повышение контрастности.

Двукратное увеличение значения контрастности (от 300:1 до 600:1) удалось обеспечить путем снижения яркости свечения предварительного разряда относительно общего светового потока за счет ослабления пилотной подсветки: вместо одного сильного разряда было использовано несколько более слабых

1. Улучшение цветопередачи.

Список литературы

1. Татарников О. Мониторы с электронно-лучевой трубкой. Компьютер пресс. 5,2000.
2. Прохоров А. Мониторы – путь от трубки до пластины. Компьютер пресс. 4,2000.
3. Асмаков С. Плазменные панели. Компьютер пресс. 10, 2001.