2. Электронно-лучевые трубки и плоские панели

Одним из основных устройств видеосистемы является дисплей – устройство отображения, являющееся оконечным устройством видеосистемы. Несколько упрощая, можно сказать, что дисплеем принято называть устройство, расположенное на системном блоке компьютера или рядом с ним на столе, которое и осуществляет визуализацию выводимых на экран данных – текстовых и графических. Однако, элементы этого устройства могут быть размещены не только в самом устройстве, но и на системной плате компьютера. А если иметь в виду программное обеспечение, осуществляющее подготовку и формирование выводимых данных, видео BIOSи другие программные продукты, то понятие дисплея должно трактоваться более широко. Нисколько не сужая понятие дисплей, отметим что дисплей может быть основан на различных физических принципах: здесь применимы электронно-лучевые трубки, газоплазменные матрицы, жидко-кристаллические индикаторы и другие приборы.

Наибольшее распространение получили дисплеи на электронно-лучевых трубках. Конкурируют с ними (пока ещё проигрывая им по ряду параметров и стоимости) дисплеи на жидкокристаллических панелях – так называемые плоские дисплеи.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой вакуумный прибор с электромагнитной системой отклонения луча, которая характерна и для телевизионных, и для компьютерных мониторов.

Первые дисплеи на ЭЛТ появились ещё до персональных ЭВМ, и в них кроме ЭЛТ с окружающими её схемами генераторов развёртки и видео-усилителей находились и узлы, формирующие изображение (чаще ал- фавитно-цифровое). Такие дисплеи применяются и сейчас как терминалы многопользовательских машин (например, систем UNIX). В ПЭВМ узлы, формирующие изображения, «переехали» в системный блок, в результате дисплей, как оконечное устройство видеосистемы упростился и стал похож на монитор, применяемый в телевидении.Монитор содержит только ЭЛТ с видео-усилителями сигналов яркости лучей, генераторы развёрток, блок питания и схемы управления этими узлами.

Существенное влияние на технические характеристики дисплея в целом оказывает ЭЛТ, которая определяет характеристики эргономического типа: разрешение, шаг луча по горизонтали, яркость, контрастность, утомляемость пользователя и др.

Схема, поясняющая конструкцию ЭЛТ на примере монохромного дисплея приведена на рис. 2.1,а.

Схема, приведённая на рисунке иллюстрируют простейшую трубку, которая уже не используется в современных дисплеях, но позволяет понять принцип действия ЭЛТ, без которого сложно понять работу дисплея в целом. Схема трубки содержит:

1. Электронную «пушку» – источник электронов;

2. Управляющую сетку – электрод, осуществляющий модуляцию луча в трубке;

3.Фокусирующую систему;

4. Отклоняющую систему, управляющую отклонением луча по строке и кадру;

5. Анод – электрод, на который подаётся высокое напряжение (несколько киловольт), обеспечивающее движение электронов от пушки к экрану трубки.

Внутренняя поверхность дна трубки покрыта специальным веществом – люминофором, частицы которого светятся, когда на них попадает пучок электронов. При хорошей фокусировке луча светящийся люминофор обеспечивает высокую чёткость и разрешающую способность трубки. Фактически определяет эти параметры генераторы развёрток (кадровой и строчной).

На рис. 2.2,б приведена конструкция ЭЛТ с улучшенной фокусировкой фирмы Flatron(диагональ экрана 17 дюймов – 43 сантиметра). На рисунке цифрами помечены:

1. Плоский экран электронно-лучевой трубки;

2. Специальное цветное покрытие;

3. Защитное стекло;

4. Блок фокусировки;

5. Корпус трубки;

6. 0,24-мм щелевая маска;

7. Рамка ограждения.

В цветных мониторах люминофор неоднороден – имеется три типа частиц в материале люминофора, каждая из которых при попадании на неё электронов даёт свечение своим, так называемым базовым цветом – красным, зелёным, синим (R,G,B). Соответственно, в трубке имеются три электронных

пушки, каждая из которых «обстреливает» только «свои» частицы люминофора.

Электронные лучи всех трёх пушек синхронно сканируют экран. Управляя интенсивностью каждого из электронных лучей (величина тока луча) с помощью модуляторов, получают требуемый цвет изображения каждой точки экрана. Таким образом, в трубке строится три изображения – красное, зелёное и синее, которые, складываясь на экране, (аддитивная модель цветности) дают цветное изображение. Существуют различные технологии построения цветных ЭЛТ, различающихся типом модели цветности, способом наведения лучей на «свои» частицы люминофора и другими технологическими параметрами трубок.

Классической является ЭЛТ с теневой маской (ShadowMask). Её экран покрывается не сплошным и однородным слоем люминофора, а отдельными зёрнами-триадами, состоящими из трёх крупиц люминофора, которые при попадании на них потока электронов светятся базовыми цветамиR-красным,G-эелёным,B- синим. Интенсивность свечения определяется током луча, поэтому базовые цвета в точке экрана могут либо вообще отсутствовать, либо иметь разную интенсивность, что обеспечивает более широкую цветовую гамму. Крупицы триад имеют строго фиксированное относительное расположение, а сами триады наносятся на внутреннюю поверхность дна ЭЛТ в виде равномерной матрицы. Крупицы каждого цвета «обстреливаются» из отдельной пушки черезтеневую маску с отверстиями, расположенными в соответствии расположением зёрен матрицы люминофора. Точность попадания лучей в свои крупицы обеспечиваются точностью изготовления трубки, параллельностью установки теневой маски по отношению к экрану трубки и настройкой системы сведения лучей в мониторе. На рис.2.2,а приведена теневая маска и фрагмент экрана трубки.

В трубках фирмы Trinitronприменяются объединённая пушка с тремя лучами. В ней используетсяапертурная решётка (AppertureGrilles). Люми- нофор нанесён на вертикальные нити (каждая нить своего «цвета»), выстроенные частоколом. Вместо теневой маски используется решётка из вертикально натянутых тонких струн (см. рис 2.2,б).

В ЭЛТ со щелевой маской (SlotMask) вместо круглых отверстий имеются вертикальные щели, а форма пятен цветного люминофора иная (см. рис. 2.2,в).

Дисплеи на ЭЛТ имеют два неустранимых недостатка – большие габариты (объём) и большую потребляемую мощность. Это особенно важно для портативных компьютеров (ноутбуков).

За последние несколько лет появился достаточно широкий спектр так называемых плоских экранов (панелей), удовлетворяющих основным требованиям, предъявляемым к дисплеям:

1. Хорошая «читаемость» изображений,

2. Высокая разрешающая способность,

3. Быстрая реакция на изменение изображения,

4. Низкое энергопотребление,

5. Малый вес,

6. Простое управление панелью,

7. Воспроизведение широкой цветовой гаммы.

В дисплеях с плоским экраном, получивших в литературе название «плоский дисплей», используются различные физические принципы для обеспечения свечения точек плоской панели. Различают следующие типы дисплеев:

1. Дисплеи на жидкокристаллических (ЖК) панелях – LCD-дисплеи (Liqu-idCrystallDisplay),

2. Газоплазменные панели (GasPlasma),

3. Электролюминисцентные дисплеи (EL),

4. Светодиодные матрицы,

5. Дисплеи на светящихся полимерных полупроводниках (LEP).

Мониторы на ЖК-панелях (LCD-панелях) в настоящее время занимают более половины рынка для переносных компьютеров и значительную часть рынка для ПЭВМ настольного типа.LCD-панель работает с использованием принципаоптической поляризации отражённого или проходящего света под действием электрического поля.На рис.2.3 приведена структураLCD-панели.

LCD-панель представляет собой «бутерброд», состоящий из 2-х стёкол с поляризационными решётками. ЖК-вещество, помещённое между стёклами, способно изменять направление (вектор) поляризации проходящего света в зависимости от состояния молекул ЖК-вещества. При отсутствии электрического поля направление поляризации меняется на 90, а в панелях, изготовленных по технологииSTN(SuperTwistedNematic), поворот угла поляризации достигает 270. Под действием электрического поля молекулы ЖК-вещества «распрямляются», и угол поворота уменьшается. В сочетании с поляризационными решётками стёкол можно управлять прозрачностью эле-мента экрана, изменяя величину электрического поля.

Таким образом, дисплейная панель представляет собой большую матрицу ячеек, каждая из которых находится на пересечении вертикальных и горизонтальных проводников (см. рис.2.3).

Существует две разновидности матриц – пассивная и активная.

В пассивной матрице (PassiveMatrix) на жидкие кристаллы воздействует поле самих координатных проводников при пропускании по ним импульсов тока. Ячейкам пассивной матрицы свойственна инерционность порядка 300 – 400 миллисекунд. Специально для таких экранов применяется особый режим отображения указателя мыши на экране (курсора). За указателем тянется шлейф, без которого быстро перемещаемый указатель визуально теряется.

В активной матрице (AktiveMatrix) каждая дисплейная ячейка (см. рис.2.4) управляется транзистором (ТЯ- транзисторной ячейкой), которой, в свою очередь, управляют через координатные проводники, что приводит к увеличению контрастности свечения ячейкиLCDи уменьшению инерционности матрицы ячеек. Цветные матрицы имею более сложные транзисторные ячейки, состоящие из 3-х транзисторных элементов управления базисными цветами (R,G,B)/

Таким образом, плоские TFT(ThinFilmTransistor)LCD-дисплеи представляют собой «бутерброд» из двух стёкол, между которыми расположены слои: ЖК-вещество и матрица тонкоплёночных транзисторов.

Тонкоплёночный транзистор (TFT), применяется при производстве активных ЖК-матриц. Его размеры составляют всего 10 нм, поэтомуTFTдостаточно сложны в изготовлении. А если учесть, что для создания 15-дюймовогоLCD-монитора необходимо использовать около 2,5 млн.

транзисторов, то становится понятно, почему цены на ЖК-панели до недавнего времени были столь высоки.

На переднем и заднем стёклах ЖК-панели нанесены поляризационные решётки с взаимно перпендикулярными направлениями вектора поляризации. ЖК-прослойка при отсутствии электрического поля поворачивает угол поляризации проходящего света на 90, благодаря чему «бутерброд» становится прозрачным для проходящих лучей. Под действием электрического поля от напряжения, подаваемого транзистором каждой ячейке матрицы, угол поляризации может быть уменьшен до 0. Чем больше приложенное напряжение, тем меньше угол поворота вектора поляризации и тем прозрачней будет ячейка ЖК-вещества. Инерционность ячеек активной матрицы составляет 20-30 мс, что позволяет воспроизводить «живое видео» и динамические картинки.

В цветных дисплеях каждая точка экрана состоит из 3-х составляющих, каждая из которых снабжена своим светофильтром (R,G,B). Управляя тремя транзисторными схемами точки экрана, можно изменять его цвет и яркость.

Разрешающая способность по цвету у LCD-мониторов пока ниже – 6 бит на цветовой канал, так что 24-битовый режимTrueColor(дополнительные цвета, цветовые полутона) они могут только эмулировать (имитировать).

Размер пикселя LCD-монитора близок к зерну ЭЛТ-монитора:

• дисплей с диагональю экрана 15 дюймов с разрешением 1024х768 имеет размер пикселя около 0,3 мм;

• дисплей с диагональю экрана 18 дюймов с разрешением 1280х1024 – около 0,28 мм.

Из-за инерционности LCD-монитора (20-30 мс) не требуется высокой частоты развёртки – даже при частоте кадровой развёртки в 60 Гц мерцания экрана нет.

LCD- мониторы не лишены недостатков:

- контрастность LCD-мониторов несколько ниже, у ЭЛТ- мониторов

• качество изображения зависит от угла наблюдения;

• невозможность смены разрешения экрана;

• ещё сравнительно высока стоимость монитора.