Мониторы на основе ЭЛТ
Принцип действия мониторов на основе ЭЛТ заключается в том, что испускаемый электронной пушкой пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным веществом - люминофором, вызывает его свечение. Конструкция ЭЛТ монитора представляет собой стеклянную трубку, внутри которой находится вакуум. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и других. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Для создания изображения в ЭЛТ мониторе используется электронная пушка, которая испускает поток электронов сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, то есть поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение на мониторе.
Мониторы подразделяются на монохромные (Monochrome или Mono) и цветные (Colour или Color). Монохромные мониторы могут быть как черно-белыми, так и черно-зелеными или черно-желтыми. Люминофор с желтым и зеленым свечением применялся в первых мониторах, предназначенных для адаптеров MDA и HGC. Эти мониторы обеспечивали передачу лишь трех уровней градации яркости и имели довольно длительное послесвечение.
Черно-белые мониторы применялись (очень редко) для адаптеров EGA и до сих пор используются с адаптерами классов VGA и SVGA. Эти мониторы сочетают высокую разрешающую способность (у них отсутствуют трехцветные зерна люминофора) с низкой ценой. Высокая четкость изображения при режимах высокого разрешения позволяет длительно работать с текстом без какого бы то ни было утомления глаз (автор этих строк долгое время был приверженцем данного типа мониторов). Эти мониторы достаточно компактны и потребляют немного энергии (около 30 Вт).
|
а) |
б) |
Рис. 8. Общий вид (а) и схематическое устройство (б) ЭЛТ терминала
|
|
|
Рис.9. Ход электронного пучка по экрану (а); пиксельные триады (б)
К сожалению, эта линия мониторов практически перестала развиваться - трудно найти ч-б монитор, поддерживающий режим 1024 х 768 и выше, а цифровое управление в таких мониторах не применяется. Многие современные приложения ориентированы на цветное изображение, и работа с ними на монохромном мониторе становится некомфортной.
Цветные мониторы получили наибольшее распространение. Первые цветные мониторы, имеющие цифровой интерфейс, использовались с адаптерами CGA и EGA. Мониторы CGA работали на частотах, близких к телевизионным, и некоторые умельцы подключали вместо них цветные телевизоры. Однако по качеству изображения телевизор обычно уступает монитору. Мониторы EGA имели возможность переключения частот развертки и обеспечивали довольно высокое качество изображения. В настоящее время распространены мониторы классов VGA и SVGA, имеющие аналоговый интерфейс. Мониторы VGA, допускающие работу в режиме 640 х 480, вытеснены мониторами класса SVGA, которые должны поддерживать по крайней мере режим 800 х 600.
Как правило, в цветном ЭЛТ-мониторе используется три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах.
На пути пучка электронов, обычно находятся дополнительные электроды: модулятор, регулирующий интенсивность пучка электронов и связанную с ней яркость изображения; фокусирующий электрод, определяющий размер светового пятна, а также размещенные на основании ЭЛТ катушки отклоняющей системы, для изменения направления пучка. Любое текстовое или графическое изображение на экране монитора состоит из множества дискретных точек люминофора, называемых пикселями и представляющих собой минимальный элемент изображения - растра. Формирование растра в мониторе производится с помощью специальных сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Под действием этих сигналов производится сканирование луча по поверхности экрана по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла до правого нижнего. Ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной) развертки, а по вертикали — кадровой (вертикальной) развертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный ход луча по горизонтали) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (обратный ход луча по вертикали) происходит путем управления специальными сигналами обратного хода. Такие мониторы называются растровыми. Электронный луч в этом случае периодически сканирует экран, образуя на нем близко расположенные строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость светового пятна и образует видимое на экране изображение. Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали, например, 640x480 или 1024x768 пикселей.
В отличие от телевизора, где видеосигнал, управляющий яркостью электронного пучка, является аналоговым, в мониторах PC используется как аналоговый, так и цифровой видеосигнал. В связи с этим мониторы для PC принято разделять на аналоговые и цифровые. Первыми устройствами отображения информации PC были цифровые мониторы. В цифровых мониторах управление осуществляется двоичными сигналами, которые имеют только два значения: логической 1 и логического 0 ("да"и "нет"). Уровню логической единицы соответствует напряжение около 5В, уровню логического нуля — не более 0,5 В.
Поскольку такие же уровни «1» и "0" используются в широко распространенной стандартной серии микросхем на основе транзисторно-транзисторной логики, или ТТЛ (Транзисторно-транзисторная логика), цифровые мониторы называют ТТЛ - мониторами. Первые ТТЛ-мониторы были монохромными, в последствие появились цветные. В монохромных цифровых мониторах точки на экране может быть только светлыми или темными, различаясь яркостью. Электронно-лучевая трубка монохромного монитора имеет только одну электронную пушку, она меньше цветных ЭЛТ, благодаря чему монохромные мониторы компактнее и легче других. Кроме того, монохромный монитор работает с более низким анодным напряжением, чем цветной (15 кВ против 21—25 кВ), поэтому потребляемая им мощность значительно ниже (30 Вт вместо 80—90 Вт у цветных).
Главным параметром монитора является размер диагонали экрана (Screen Size), который принято измерять в дюймах. По умолчанию считается, что ширина экрана больше его высоты и соотношение этих размеров составляет 4:3. Такую ориентацию называют "пейзажной" (Landscape), хотя это определение обычно опускают. Заметим, что стандартные графические режимы с высоким разрешением (640´ 480, 800´600 и далее) имеют то же соотношение числа точек в строке и числа строк. Этим достигается неискаженное изображение фигур: квадрат на экране будет иметь стороны с одинаковым числом пикселей. Существуют и мониторы с "портретной" (Portrait) ориентацией, у которых высота больше ширины. Это вовсе не повернутые на бок обычные мониторы, поскольку строки развертки у них остаются горизонтальными. Данный тип монитора предназначался для издательских систем и позволял более полно использовать площадь экрана при выводе книжных страниц. В настоящее время "портретные" мониторы встречаются редко, а в издательской деятельности чаще используют "просто" большие мониторы (19", 21" и больше). Размеры экранов приведены в таблице.
Заметим, что указанный размер диагонали не является размером изображения, выводимого с гарантированным, уровнем качества. По краям экрана (особенно по углам) возможны геометрические искажения, нарушение фокусировки и сведения лучей. По этим причинам изображение (видимая часть растра) выводится на меньшую площадь. Так, например, для экрана 15" размер видимой (высококачественной) части изображения, может составлять, например, 13,7". Если изготовителю монитора удается добиться почти полного использования поверхности, он не забудет упомянуть в рекламе эту особенность. Иногда случается и так, что производитель, добившийся лучшего использования углов, укажет завышенный размер диагонали экрана, определяющий продажную цену монитора.
|
Диагональ, дюйм |
Размер изображения, мм |
Разрешение |
||
|
|
по горизонтали |
по вертикали |
максимальное |
рекомендуемое |
|
14 |
254-264 |
190-200 |
1024 x 768 |
640 x 480 |
|
15 |
274-284 |
205-215 |
1280 x 1024 |
800 x 600 |
|
17 |
315-325 |
237-245 |
1600 x 1200 |
1024 x 768 |
|
19 |
355-365 |
267-275 |
1600 x 1200 |
1280 x 1024 |
|
21 |
396-406 |
298-306 |
1600 x 1200 |
1280 x 1024 |
|
24 |
436-447 |
328-336 |
1900 x 1200 |
1600 x 1200 |
Для цветных мониторов важным параметром является размер зерна экрана. Существуют мониторы с зернистостью 0,42, 0,39, 0,31, 0,28, 0,26 мм и тоньше.
По зернистости и размеру экрана можно определить фактическую разрешающую способность экрана, поскольку зерно является мельчайшей единицей изображения. Количество зерен в строке равно ширине рабочей области, деленной на шаг зерна. Однако размер экрана обычно указывается по диагонали, а не «ширина-высота», причем указывается внешний размер, а не размер рабочей области, и в дюймах, а не в миллиметрах. Кроме того, для мониторов с теневой маской зернистость определяет шаг триад по диагонали, а для щелевой маски или апертурной решетки - горизонтальный шаг. Так что пользователю, которого утомят длинные пересчеты, остается поверить, что для режима 800´ 600 зернистость 0,28 мм экрана 14" (с теневой маской) является приемлемой. Однако для режима 1024 ´ 768 при такой же зернистости только-только хватает экрана размером 15". Конечно, никто не запретит использовать и режимы с большим разрешением на небольших или крупнозернистых мониторах (установив приемлемую для них частоту синхронизации), но качество отображения мелких элементов будет оставлять желать лучшего.
Допустимая частота развертки определяется в основном параметрами отклоняющей системы и мощностью генератора строчной развертки. В соответствии с нормами ТCO99 минимальная частота регенерации (вертикальной развертки) должна составлять 85 Гц в любом режиме, а рекомендуемая - 100 Гц. Для обеспечения прогрессивной (нечередующейся) развертки в режимах с высоким разрешением (большим числом строк) требуется очень высокая частота строчной развертки. Так, для режима 1024 х 768 при частоте регенерации 85 Гц строчная частота должна быть порядка 70 кГц, а для 1600 х 1200 при частоте регенерации 100 Гц - 126 кГц.
На реальную разрешающую способность существенно влияет полоса пропускания видеотракта (Video Bandwidth). Ее связь с выбранным видеорежимом (количество точек и строк) и параметрами развертки (частота и режим) была показана выше. При недостаточно широкой полосе пропускания мелкие детали - точки или вертикальные линии толщиной в один пиксель - могут становиться нечеткими и даже незаметными. В технических данных на монитор обычно указывают предельное разрешение и максимальные частоты разверток. Однако это вовсе не означает, что максимальное разрешение можно использовать на максимальной частоте, да еще и при нечередующейся развертке. Оценить предел возможностей позволяет полоса пропускания.
Приближенно требуемая полоса пропускания (BW, Гц) оценивается по соотношению:
, где
- Н - число точек в строке,
-V - число строк
- F -частота вертикальной развертки, Гц.
Поправочный коэффициент k = (1,3...1,4) учитывает "простои" вывода точек на обратном ходе по строке и кадру. Для черезстрочной развертки в формулу подставляется половина частоты развертки.
Так, например, для прогрессивной развертки (N1) с частотой кадров 75 Гц для режима 800 х 600 требуется полоса 45 МГц, для 1024 х 768 - 75 МГц, а для 1280 х 1024 - 125 МГц. Чем больше размер экрана, тем больше должна быть полоса пропускания, поскольку чем больше экран, тем большего от него требуют разрешения. Так, по самым жестким меркам высококачественный монитор 14" должен иметь полосу 65 МГц, 15" - 100 МГц, а 17" - более 135 МГц.
В кинескопе цветного цифрового монитора содержатся три электронные пушки: для красного (Red) зеленого (Green) и синего (Blue) цветов с раздельным управлением, поэтому его называют RGB — монитором. Цифровые RGB-мониторы предназначены для подключения к видеокартам стандарта CGA и EGA. Объем палитры цветов каждого из мониторов определяется количеством двоичных сигналов, используемых для управления электронными пушками. Видеосигнал на монитор подается по четырем проводам: трем основным (R,G,B), и одному дополнительному (Intensity или Т). Сигнал I изменяет интенсивность трех пушек одновременно. В этом случае говорят о цветной модели 1К.ОВ, позволяющей отобразить 24=16 цветов.
Рис. 10 Аддитивный синтез цвета
На монитор EGA видеосигнал подается уже по шести проводам: сигналы трех основных (R, G, В) и трех дополнительных (r, g, b) цветов, позволяющие индивидуально регулировать интенсивность каждой пушки. Такая модель называется Rr, Gg, Bb. Она позволяет отобразить 26=64 оттенка цвета, однако ее возможности использованы в видеосистеме EGA лишь частично — из-за ограниченного объема видеопамяти для кодирования цвета пиксела используется не более 4 бит, поэтому одновременно можно отобразить только 16 цветов.
Цифровые RGB-мониторы поддерживают и монохромный режим работы с отображением до 16 градаций серого.
Аналоговые мониторы так же, как и цифровые, бывают цветными и монохромными, при этом цветной монитор может работать в монохромном режиме.
Такие мониторы работают с видеокартами стандарта VGA и выше. Они способны поддерживать разрешение более 640x480 пикселов.
Главная причина перехода к аналоговому видеосигналу состоит в ограниченности палитры цветов цифрового монитора. Аналоговый видеосигнал, регулирующий интенсивность пучка электронов, может принимать любое значение в диапазоне от 0 до 0,7 В. Поскольку этих значений бесконечно много, то палитра аналогового монитора не ограничена. Однако видеоадаптер может обеспечить только конечное количество градаций уровня видеосигнала, что в итоге ограничивает палитру всей видеосистемы в целом.
Для понимания принципа формирования растра цветных мониторов следует представлять механизм цветного зрения. Свет — это электромагнитные колебания в определенном диапазоне длин волн. Человеческий глаз способен различать цвета, соответствующие различным областям спектра видимого излучения, который занимает лишь незначительную часть общего спектра электромагнитных колебаний в диапазоне длин волн от 0,4 до 0,7.5 мкм. Совокупное излучение длин волн всего видимого диапазона воспринимается глазом как белый свет. Глаз человека имеет рецепторы трех типов, ответственные за восприятие цвета и различающиеся своей чувствительностью электромагнитным колебаниям различных длин волн. Одни из них реагируют на фиолетово-синий, другие — на зеленый, третьи — на оранжево-красный цвет. Если на рецепторы свет не попадает, глаз человека воспринимает черный цвет. Если все рецепторы освещаются одинаково, человек видит серый или белый цвет. При освещении объекта часть света отражается от него, а часть поглощается. Плотность цвета определяется количеством поглощенного объектом света в данном спектральном диапазоне. Чем плотнее цветовой слой, тем меньше света отражается и, как следствие, более темным получается оттенок цвета (тон).
Обычно световое излучение возбуждает все рецепторы человеческого глаза одновременно. Зрительный аппарат человека анализирует свет, определяя в нем относительное содержание различных излучений, а затем в мозгу происходит их синтез в единый цвет.
Благодаря замечательному свойству глаза — трехкомпонетности цветного восприятия — человек может различать любой из цветовых оттенков, поэтому нет необходимости в непосредственной передаче всех цветов, поскольку достаточно информации только о количественном соотношении интенсивностей трех основных цветов. С учетом физиологических особенностей цветового зрения, значительно сокращается объем информации о цвете и упрощаются многие технологические решения, связанные регистрацией и обработкой цветных изображений.
Еще одним важным свойством цветового зрения является пространственное усреднение цвета, которое заключается в том, что если на цветном изображении имеются близко расположенные цветные детали, то с большого расстояния цвета отдельных деталей не различимы. Все близко расположенные цветные детали будут выглядеть окрашенными в один цвет. Благодаря этому свойству зрения в электронно-лучевой трубке монитора формируется цвет одного элемента изображения из трех цветов расположенных рядом люминофорных зерен. Рассмотренные свойства цветового зрения использованы при разработке принципа действия ЭЛТ цветного монитора. В электронно-лучевой трубке цветного монитора расположены три электронные пушки с независимыми схемами управления, а на внутреннюю поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красного, синего и зеленого (RGB). Для того, чтобы каждая пушка направляла поток электронов только на пятна люминофора, соответствующего цвета, в каждом цветном кинескопе имеется специальная цветоделительная маска. На представлена схема образования цветов на экране монитора.
В зависимости от расположения электронных пушек и конструкции цветоделительной маски различают ЭЛТ четырех типов, используемых в современных мониторах:
ЭЛТ с теневой маской (Shadow mask) наиболее распространены в большинстве мониторов, производимых LG, Samsung, Viewsonic, Hitachi, Belinea, Panasonic, Daewoo, Nokia (рис. 11 а);
|
а) |
|
|
б) |
в) |
Рис. 11. Различные типы ЭЛТ -теневая маска (а), щелевая маска (б), апертурная решетка (в)
ЭЛТ с улучшенной теневой маской (EDP — Enhenced Dot Pitch) Для увеличения коэффициента пропускания фирма Hitachi разработала маску с овальными отверстиями, расположенными на уменьшенном расстоянии друг от друга по горизонтали.
ЭЛТ с щелевой маской (Slot mask) , в которой, люминофорные элементы расположены в вертикальных ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы разделены на ячейки, которые содержат группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов. Применяется этот тип маски фирмами NEC и Panasonic (рис. 11 б).
ЭЛТ с апертурной решеткой из вертикальных линий. (Aperturegrill). 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. По этой технологии производятся трубки Sony и Mitsubishi (рис. 11 в).
Конструктивно теневая маска представляет собой металлическую пластину из специального материала - инвара с системой отверстий, соответствующих точкам люминофора, нанесенным на внутреннюю поверхность кинескопа. Температурная стабилизация формы теневой маски при ее бомбардировке электронным пучком обеспечивается малым значением коэффициента линейного расширения инвара. Апертурная решетка образована системой щелей, выполняющих ту же функцию, что и отверстия в теневой маске.
Первый тип маски представляет собой металлическую сетку из инвара - сплава железа с никелем с круглыми отверстиями, которые как раз и обеспечивают изоляцию люминофора от «чужого» пучка, выступая в роли своеобразных «коридоров» для потоков электронов.
На самом деле все типы масок являются теневыми, но исторически это название закрепилось именно за маской с круглыми отверстиями. Поверхность экрана монитора с теневой маской обычно, выпуклая: в противном случае электронный пучок будет иметь большую толщину на краях экрана, чем в центре, что неприемлемо. Мониторы на основе теневой маски достаточно технологичны, не слишком дороги и обеспечивают хорошую детализацию экранного изображения. К их недостаткам их следует отнести постепенную деформацию маски под воздействием электронного пучка, что приводит к смещению цветов, малый коэффициент пропускания электронов через маску (около 25%), плохое совмещение лучей при большом угле отклонения, то есть по краям экрана.
Оба типа трубок (с теневой маской и апертурной решеткой) имеют свои преимущества и области применения.
Трубки с теневой маской дают более точное и детализированное изображение, поскольку свет проходит через отверстия в маске с четкими краями. Поэтому мониторы с такими ЭЛТ рекомендуется использовать при интенсивной и длительной работе с текстами и мелкими элементами графики.
Рис. 12. Различие ЭДТ с теневой маской и апертурной решеткой
Трубки с апертурной решеткой имеют более ажурную маску, она меньше заслоняет экран, и позволяет получить более яркое, контрастное изображение в насыщенных цветах. Мониторы с такими трубками хорошо подходят для настольных издательских систем и других приложений, ориентированных на работу с цветными изображениями. Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета в теневых масках называется dot pitch (или шаг точки) и является индексом качества изображения. Шаг точки обычно измеряется в миллиметрах (мм). Чем меньше значение шага точки, тем выше качество воспроизводимого на мониторе изображения. Среднее расстояние между точками люминофора называется зерном. У различных моделей мониторов данный параметр имеет значение от 0,25 до 0,41 мм (у хороших мониторов — не более 0,28 мм). В ЭЛТ с апертурной решеткой среднее расстояние между полосами называется strip pitch (или шагом полосы) и измеряется в миллиметрах (мм). Чем меньше значение strip pitch, тем выше качество изображения на мониторе. Нельзя 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, 0.25 мм strip pitch приблизительно эквивалентно 0.27 мм dot pitch.
Помимо электронно-лучевой трубки монитор содержит управляющую электронику, которая обрабатывает сигнал, поступающий напрямую от видеокарты PC. Эта электроника должна оптимизировать усиление сигнала и управлять работой электронных пушек. Выводимое на экране монитора изображение выглядит стабильным, хотя на самом деле таковым не является. Изображение на экране воспроизводится в результате процесса, в ходе которого свечение люминофорных элементов инициируется электронным лучом проходящим последовательно по строкам. Этот процесс происходит с высокой скоростью, поэтому кажется, что экран светится постоянно. В сетчатке глаза изображение хранится около 1/20 секунды. Это означает, что если электронный луч будет двигаться по экрану медленно, глаз воспринимает это как отдельную движущуюся яркую точку, но когда луч начинает двигаться с высокой скоростью, прочерчивая на экране строку 20 раз в секунду, глаз различит равномерную линию на экране. Если обеспечить последовательное сканирование лучом экрана по горизонтальным линиям сверху вниз за время меньшее 1/25 секунды, глаз воспримет равномерно освещенный экран с небольшим мерцанием. Движение самого луча происходит настолько быстро, что глаз не в состоянии его заметить. Считается, что мерцание становится практически незаметным при частоте повторения кадров (проходов луча по всем элемента изображения) примерно 75 в секунду.
Высвеченные пиксели экрана должны продолжать светиться в течение времени, которое необходимо электронному лучу, чтобы просканировать весь экран и вернуться снова для активизации данного пикселя при прорисовке уже следующего кадра. Следовательно, минимальное время послесвечения должно быть не меньше периода смены кадров изображения — 20 мс.
Назад к разделу "Монитор (устройство отображения)"
Вперед к разделу "Характеристики, выбор и безопасность ЭЛТ-мониторов"