Еще одна тенденция– расширение числа аппаратно поддерживаемых функций наиболее распространенныхAPI-интерфейсов: DirectX, OpenGL и Glide (рисунок 5).

Рисунок 5 – Взаимодействие видеоадаптеров с графическими программами

Быстродействие современных видеоадаптеров обычно измеряется количеством графических элементов (треугольников), которые рисуются за 1 секунду (triangle throughput), и максимальной производительностью закраски(точек в секунду, fill rate).

2.1.2. Мониторы

CRT монитор. Экран электронно-лучевых трубок покрывается изнутри люминофором, который излучает свет при падении на него электронного луча (флуоресценция). Электронно-лучевые трубки мониторов обладают нелинейной зависимостью интенсивности свечения люминофора I от числа электронов в луче N. Число электронов пропорционально напряжению U на управляющей сетке монитора, определяемому значением кода пиксела.

Упрощенно эта зависимость имеет вид:

I = kU g + I0

(1)

где k – константа,

γ – коэффициент, зависящий от U, I0 – паразитная засветка.

Для упрощения полагают I0 = 0 , а γ – константой. У различных типов мо-

ниторов γ меняется от1,4 до 3,0. Для компьютерных мониторов значениеγ

19

обычно принимают равным2,5. Таким образом, если мы имеем соотношение между яркостями двух вычисленных пикселовV1 /V2 = 0.5 , то на мониторе со-

отношение их яркостей будет равно 0,177.

Чтобы избежать искажений, используется гамма-коррекция входного сигнала. Для этого входное значение возводится в степень1/ g и затем передается монитору.

На самом деле зависимости более сложные. Необходимо учитывать уровень освещения в комнате, где находится компьютер, яркость и контрастность, установленные на мониторе, и наконец, субъективное восприятие пользователя. Значения гаммы для различных мониторов могут быть различны для красного, зеленого и синего каналов. Кроме этого мониторы могут отличаться и по спектральным характеристикам люминофоров. Поэтому для обеспечения верности воспроизведения изображения, построенного на другом мониторе, может потребоваться подбор гаммы.

Все цветовые модели можно разделить на зависящие и не зависящие от системной гаммы. Например, RGB и CMY – зависимые, а CIE XYZ и L*a*b* – независимые.

FED дисплеи. Дисплеи с полевой эмиссией (Field Emission Display, FED),

называемые также плоскими ЭЛТ. Они базируются на давно известном принципе миниатюрной электронной лампы с холодным катодом, в которой электроны «срываются» с поверхности последнего под воздействием электрического поля высокой напряженности, созданного очень близко расположенным анодом. По дороге к нему они проникают сквозь зазор шириной всего1 мкм между излучающими конусами катода и управляющей сеткой(в нем создан вакуум) и бомбардируют слои люминофора. В принципе простые, полевые дисплеи вы-

двигают очень высокие требования к качеству литографических процессов и

плоскостности составляющих «пирог» стеклянных слоев. Они обеспечивают

о

высокую яркость изображения и угол обзора 160 во всех направлениях, а также имеют очень короткое время отклика, легки, тонки, потребляют мало электроэнергии, могут работать в широком температурном диапазоне.

PDP дисплеи. Дисплеи с плазменной панелью(Plasma Display Panels - PDP) используют явление свечения при разряде в газе. Как показано на рисунке

6, первые плазменные панели состояли из параллельных покрывающих -про зрачных пластин, пространство между которыми заполнено газом(на основе неона) под атмосферным давлением. Между покрывающими пластинами находится стеклянная пластина с отверстиями(маска), разделяющая газ на растр из

20

маленьких ячеек. На покрывающих пластинах с их внутренних сторон нанесены группы прозрачных полосок параллельных проводников, находящихся напротив отверстий в маске. Проводники на одной пластине перпендикулярны проводникам на другой пластине. Таким образом каждая ячейка представляет собой нечто вроде маленькой неоновой лампочки (тиратрона).

Рисунок 6 – Структура PDP дисплея

Если для незажженной ячейки между проводниками нарастает напряжение, то при достижении напряжения зажигания U З ячейка загорается.

Газ в ячейке ионизируется, в ячейке возникает плазменный столбик, ток через нее заметно увеличивается, а напряжение падает до напряжения горения U Г , заметно меньшего, чем напряжение загорания. При уменьшении прило-

женного напряжения до напряжения потуханияU П разряд в ячейке прекраща-

ется и она гаснет за время порядка20 мкс, за которое все ионы попадут на отрицательный электрод.

Известны и другие конструкции плазменных панелей, например, для вывода цветных полутоновых изображений. В таких панелях отдельный пиксель представляет собой триаду газоразрядных тиратронов, имеющих общий электрод для поддержания разряда в смеси редких газов типа He и Xe (рисунок 7).

Возникающее при этом ультрафиолетовое излучение возбуждает люминофоры, которыми покрыты торцы тиратронов. Эти люминофоры имеют соответствующие фотолюминесцентные характеристики и излучают красный, зеленый и синий цвета. Эффект изменения яркости моделируется за счет зажигания/поджигания разряда с требуемой (не слишком большой) частотой.

21

Рисунок 7 – Структура тиратрон

LCD дисплеи. Дисплеи на жидких кристаллах(LCD – Liquid Crystal Display). В 1973 г. был разработан первый дисплей на жидких кристаллах для переносной ЭВМ. Сейчас технологии плоскопанельных и жидкокристаллических мониторов являются наиболее перспективными. Хотя в настоящее время на долю ЖК–мониторов приходится лишь около 10% продаж во всем мире, этот сектор рынка является наиболее быстрорастущим (65% в год).

Жидкие кристаллы (ЖК) находятся в некотором числе фаз, промежуточных между твердым и жидким состояниями. Их молекулы являются стержнеобразными органическими соединениями и находятся в различных ориентациях в этих фазах. В изотропической фазе, которая является жидкой фазой при повышении температуры, и позиция и ориентация молекулцианофенила случайны. Если температура понижается, то в ЖК совершаются переходы через различные фазы, одна из которых– так называемая нематическая фаза используется в дисплеях (twisted nematic liquid crystal displays – дисплеи на закрученных нема-

тических жидких кристаллах). В этой фазе позиции молекул все еще случайны, но все они ориентированы в одном направлении.

22

Рисунок 8 – Структура LCD дисплея

Если температура понижается далее, то молекулы получают периодическую упорядоченность в слоях (смектическая фаза). Таким образом, при понижении температуры в ЖК увеличивается упорядоченность , ив конце концов, наступает твердое состояние.

Молекулы в нематической фазе принудительно закручиваются за счет их помещения между двумя стеклянными пластинами, каждая из которых имеет линейчатую гравировку, перпендикулярную к другой. На поверхности стекла молекулы вынужденно размещаются вдоль гравировки, а так как гравировки взаимно перпендикулярны, то между пластинами формируются перекрученные цепочки ЖК–молекул. Расстояние между пластинами составляет, порядка 10 мкм. В зависимости от расстояния между пластинами и типа ЖК– кристалла за-

крученность составляет обычно90° или 270° (twisted nematics и super-twisted nematics, TN и STN). При приложении электрического поля молекулы, вследствие их анизотропии, ориентируются вдоль поля. В этом случае цепочки возможность поворота плоскости поляризации. ЖК-дисплеи имеют два перекрещенных поляризатора с перекрученным жидким кристаллом между ними. Благодаря вращению плоскости поляризации ЖК–цепочками свет проходит и дисплей становится ярким. При приложении электрического поля к взаимно перпендикулярным прозрачным электродам, нанесенных на внутренние стороны пластин, эффект поворота плоскости поляризации пропадает и соответствующий пиксель становится темным.

23

Рисунок 9 – Поляризация ЖК ячейки

Для создания цветныхLCD дисплеев существует несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом(приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны(проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя.

Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки – их обязательный атрибут. Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало(см. рисунок 10), поэтому большинство LCD-матриц в центре имеют яркость выше, чем по краям.

Рисунок 10 – Подсветка в LCD дисплеях

Пассивная матрица (passive matrix): каждая точка изображения, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча, независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения.

24

Вышеописанная технология создания LCD дисплеев не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения наот дельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Такой дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения.

Вактивной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей.

Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с -от клонением до 45° и более (то есть при угле обзора 120–140°), что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Время реакции дисплея с активной матрицей около50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, кроме того, контрастность мониторов с активной матрицей выше, чем у

ЭЛТ-мониторов.

Вслучае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию(двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал.

Запоминающие транзисторы располагаются на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые Thin Film Transistor (или просто

TFT, его толщина 0,1– 0,01 мкм).

TFT мониторы. В первых, TFT-дисплеи, появившиеся в 1972 году, использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si).

25

Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико.

Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три цветных фильтра(красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек (см. рисунок 12)8.

Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1024x768, существует ровно 1024х3x768 = 2 359 296 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15,1-дюймового дисплея TFT (1024x768) приблизительно равен 0,0188 дюйма (или 0,3 мм), а для 18,1-дюймового дисплея TFT — около 0,011 дюйма (или 0,28 мм).

TFT обладают рядом преимуществ перед ЭЛТ-мониторами, среди которых — пониженное потребление энергии и теплоотдача, плоский экран и отсутствие следа от движущихся объектов.

Рисунок 11 – Общая структура TFT дисплея

В настоящее время при изготовлении практически любых жидкокристаллических матриц происходит замена технологий: TN LCD (Twisted Nematic Liquid Crystal Display) на a-Si TFT LCD (amorphous-Silicon Thin Film Transistor LCD). Во многих областях применения обычныеLCD-экраны будут заменены или дополнены следующими устройствами:

8

В технологии «color filter on TFT» светофильтры, закрывающие тонкопленочные транзисторы, формируются с помощью фотолитографии на нижней стеклянной подложке. В обычных дисплеях светофильтры наносятся на вторую, верхнюю подложку, что требует очень точного совмещения двух пластин.

26

•светоизлучающие дисплеи на базе органических материалов – LEP (Light Emission Plastics)

•дисплеи на базе автоэлектронной эмиссии - FED (Field Emisson Display);

•дисплеи с использованием низкотемпературного поликристаллического кремния LTPS (Low Temperature PolySilicon);

OLED дисплеи. OLED (Organic Light Emitting Diode) содержатся два кар-

динальных отличия от LCD технологии – "органический" и "светоизлучающий". Впервые предложенная Kodak схема (1987 г.) с двумя слоями органики между электродами вместо одного и сегодня остается основным вариантом, используемым для создания OLED устройств. В 1999 году был создан первый в мире OLED-дисплей с полноцветной активной матрицей.

Структура OLED – панели также состоит из нескольких слоев: двух пластин управляющих электродов(один из них может содержать транзисторные ячейки, тогда получается активная матрица) и находящейся между ними органической полимерной пленки, которая при прохождении тока излучает свет. Вся эта система имеет толщину менее500 нм, вместе с задней подсветкой, каковой она, помимо всего прочего, сама и является! Технология, при которой все

слои OLED-панели	являются прозрачными, получила название Transparent
OLED (TOLED). Ее	разновидность с гибкими пластинами– Flexible OLED

(FOLED). Самая интересная с точки зрения перспективы разработка называется

Stacked OLED (SOLED).

Рисунок 12 – Строение цветной ячейки OLED-панели.

OLED экраны полностью повторяют путь пройденный их предшественниками (LCD), также делятся на экраны с пассивной и активной матрицей, но потом, по мере совершенствования технологий, пассивная матрица осталась лишь в узком классе устройств с небольшой диагональю.

27