CRT Monitors

CRT Monitors

Сегодня уже не самый распространенный тип мониторов - это 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). Используемая в этом типе мониторов технология была создана много лет назад и первоначально создавалась в качестве специального инструментария для измерения переменного тока, проще говоря, для осциллографа. Развитие этой технологии, применительно к созданию мониторов, за последние годы привело к производству все больших по размеру экранов с высоким качеством и при низкой стоимости. Сегодня найти в магазине 14" монитор очень сложно, а ведь года три-четыре назад это был стандарт. Сегодня стандартными являются 15" мониторы, и наблюдается явная тенденция в сторону 17" экранов. Скоро 17" мониторы станут стандартным устройством, особенно в свете существенного снижения цен на них, а на горизонте уже 19" мониторы и более.

Рассмотрим принципы работы CRT-мониторов. CRT- или ЭЛТ-монитор имеет стеклянную трубку, внутри которой 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 используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически не производятся и мало кому интересны.

Для управления электронно-лучевой  трубкой необходима и управляющая  электроника, качество которой во многом определяет и качество монитора. каждая пушка излучает электронный луч (или поток, или пучок), который влияет на люминофорные элементы разного цвета (зеленого, красного или синего). Понятно, что электронный луч, предназначенный для красных люминофорных элементов, не должен влиять на люминофор зеленого или синего цвета. Чтобы добиться такого действия используется специальная маска, чья структура зависит от типа кинескопов от разных производителей, обеспечивающая дискретность (растровость) изображения. 

Существует два вида масок: Теневые и щелевые.

Теневая маска (shadow mask) - это самый распространенный тип масок для CRT-мониторов. Теневая маска состоит из металлической сетки перед частью стеклянной трубки с люминофорным слоем. Как правило, большинство современных теневых масок изготавливают из инвара (invar, сплав железа и никеля). Отверстия в металлической сетке работают, как прицел (хотя и не точный) , именно этим обеспечивается то, что электронный луч попадает только на требуемые люминофорные элементы, и только в определенных областях. Теневая маска создает решетку с однородными точками (еще называемыми триады), где каждая такая точка состоит из трех люминофрных элементов основных цветов - зеленого, красного и синего – которые светятся с различной интенсивностью под воздействием лучей из электронных пушек. Изменением тока каждого из трех электронных лучей можно добиться произвольного цвета элемента изображения, образуемого триадой точек.  
Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета 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.  
Теневая маска применяется в большинстве современных мониторов - Hitachi, Panasonic, Samsung, Daewoo, LG, Nokia, Viewsonic.

Щелевая маска (slot mask) - это технология, широко применяемая компанией NEC, под именем "CromaClear".В данном случае люминофорные элементы расположены в вертикальных эллиптических ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Фактически, вертикальные полосы разделены на эллиптические ячейки, которые содержат группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов. Минимальное расстояние между двумя ячейками называется slot pitch (щелевой шаг). Чем меньше значение slot pitch, тем выше качество изображения на мониторе.  
Щелевая маска используется, помимо мониторов от NEC (где ячейки эллиптические), в мониторах Panasonic с трубкой PureFlat (ранее называвшейся PanaFlat). Кстати, самым первым монитором с плоской трубкой был именно Panasonic с трубкой PanaFlat.

Но все-таки трубки с теневой маской дают более точное и детализированное изображение, поскольку свет проходит через отверстия в маске с четкими краями. Поэтому мониторы с такими CRT хорошо использовать при интенсивной и длительной работе с текстами и мелкими элементами графики, например в CAD/CAM-приложениях. 

Выбор размера монитора жестко связан с тем, как вы используете свой компьютер: выбор зависит от того, какие приложения вы обычно используете, например, играете, используете текстовый процессор, занимаетесь анимацией, используете CAD и т.д. Понятно, что, в зависимости от того, какое приложение вы используете, вам требуется отображение с большей или меньшей детализацией. Если вы профессионально занимаетесь версткой (DTP, Desk Top Publishing) или дизайном и моделированием в CAD-системах, то вам потребуется монитор с диагональю от 17" до 24" для работы в разрешениях от 1280x1024 до 1600x1200 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.

LCD Monitors

LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Жидкие кристаллы были открыты давным-давно, но изначально они использовались для других целей. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD-мониторы для настольных компьютеров.

Экран LCD-монитора представляет собой  массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которые могут манипулироваться для отображения информации. LCD-монитор  имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) в отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в такой световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковые повороты плоскости поляризации для всех ячеек.  Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели.

При появлении электрического поля молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вдоль поля, и угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов.

Поворот плоскости поляризации  светового луча незаметен для  глаза, поэтому возникла необходимость  добавить к стеклянным панелям еще  два других слоя, представляющих собой  поляризационные фильтры. Эти фильтры  пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна вот по какой причине: первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем. В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью). Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность, при правильном управлении потенциалами этих электродов, отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут иметь любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно, на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD-монитора и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света. Для вывода цветного изображения необходима подсветки монитора сзади, так, чтобы свет порождался в задней части LCD-дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение хорошего качества, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинация трех основных цветов для каждой точки или пикселя экрана дает возможность воспроизвести любой цвет.

Вообще-то, в случае с  цветом есть несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (что приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидко-кристаллической 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. Первый метод проще, второй эффективнее. 

Первые LCD-дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в  то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 19" и более LCD-мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN технологии.

Технология STN

STN - это акроним, означающий "Super Twisted Nematic". Технология STN позволяет  увеличить торсионный угол (угол  кручения) ориентации кристаллов  внутри LCD дисплея с 90° до 270°,  что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора. Часто STN-ячейки используются в паре. Это называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), и этот метод очень популярен среди мониторов для портативных компьютеров, использующих дисплеи с пассивной матрицей, где DSTN обеспечивает улучшение контрастности при отображении изображений в цвете. Две STN-ячейки располагаются вместе так, чтобы при вращении они двигались в разных направлениях. Также STN-ячейки используются в режиме TSTN (Triple Super Twisted Nematic), когда два тонких слоя пластиковой пленки (полимерной пленки) добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов. Мы упомянули термин "пассивная матрица", сделаем пояснение. Термин "пассивная матрица" (passive matrix) появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, 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. Матрица называется пассивной, потому что технология создания LCD-дисплеев, которую мы только что описали, не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Только что описанный 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. Мы также должны принимать во внимание тот факт, что между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.

Dual Scan Screens

Для решения части  вышеописанных проблем применяют специальные хитрости, например, разделение экрана на две части и применение двойного сканирования в одно и тоже время обоих частей, в результате экран дважды регенерируется, и изображение не дрожит и плавно отображается.

Также лучших результатов  с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей, которые, впрочем, стоят дороже. В активной матрице 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 отклонением до 45° и более (т.е. при угле обзора 120°-140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD-мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160°, и есть все основания предполагать, что технология будет и дальше совершенствоваться. В случае с активной матрицей вы можете отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 ms против 300 ms для пассивной матрицы, и качество контрастности лучше, чем у CRT-мониторов. Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофора CRT-монитора сразу после похождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD-мониторов достаточной является частота регенерации 60 Гц. Благодаря лучшему качеству изображений эта технология также используется и в мониторах для настольных компьютеров, что позволяет создавать компактные мониторы, менее опасные для нашего здоровья.

В будущем следует  ожидать расширения вторжения LCD-мониторов на рынок благодаря тому факту, что с развитием технологии конечная цена устройств снижается, что дает возможность большему числу пользователей покупать новые продукты. Функциональные возможности LCD-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчной регенерации дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае 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. Частично проблема отсрочки затухания изображения в пассивных матрицах решается за счет использования большего числа жидкокристаллических слоев для увеличения пассивности и уменьшения перемещений, теперь же, при использовании активных матриц, появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые "Thin Film Transistor" (или просто TFT).