«ЭЛТ, ЖК и Плазменные мониторы»
1.1 CRT (Cathode Ray Tube)
В основе этих мониторов лежит катодно-лучевая трубка, но 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 - осциллографа. Развитие этой технологии применительно к созданию мониторов привело к производству все больших по размеру экранов с высоким качеством и при низкой стоимости.
CRT монитор имеет стеклянную трубку, внутри которой находится вакуум. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. 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. Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение, которое вы видите на вашем мониторе. В цветном CRT мониторе используется три электронные пушки. Люминофорный слой, покрывающий фронтальную часть электронно-лучевой трубки, состоит из очень маленьких элементов. Эти люминофорные элементы воспроизводят основные цвета. Фактически имеются три типа разноцветных частиц, чьи цвета соответствуют основным цветам: красный, зеленый и синий. Каждая из трех пушек соответствует одному из основных цветов и посылает пучок электронов на различные частицы люминофора, чьё свечение основными цветами с различной интенсивностью комбинируется, и в результате формируется изображение с требуемым цветом. Например, если активировать красную, зеленую и синюю люминофорные частицы, то их комбинация сформирует белый цвет.
Для управления электронно-лучевой трубкой необходима и управляющая электроника, качество которой во многом определяет и качество монитора. Кстати, именно разница в качестве управляющей электроники, создаваемой разными производителями, является одним из критериев, определяющих разницу между мониторами с одинаковой электронно-лучевой трубкой.
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, обеспечивающая дискретность (растровость) изображения. ЭЛТ можно разбить на два класса: трехлучевые с дельтаобразным расположением электронных пушек и с планарным расположением электронных пушек. В этих трубках применяются щелевые (Slot mask) и теневые маски (Shadow mask).
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. Отверстия в металлической сетке работают как прицел, 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, где каждая такая точка состоит из трех люминофрных элементов основных цветов - зеленного, красного и синего, которые светятся с различной интенсивностью под воздействием лучей из электронных пушек. Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета называется шаг точки (dot pitch) и является индексом качества изображения. Шаг точки обычно измеряется в миллиметрах. Чем меньше значение шага точки, тем выше качество воспроизводимого на мониторе изображения. Теневая маска применяется в большинстве современных мониторов.
Щелевая маска (Slot mask) - это технология широко применяется компанией NEC. 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 щелевым шагом (slot pitch). Чем меньше значение щелевого шага, тем выше качество изображения на мониторе. Кроме мониторов NEC, щелевая маска также используется в мониторах Panasonic.
Есть
и еще один вид трубок, в которых
используется "Aperture Grill" (апертурная
или теневая решетка). Эти трубки стали
известны под названием Trinitron и впервые
были представлены на рынке компанией
Sony еще в 1982 году. В трубках с апертурной
решеткой применяется оригинальная
технология, где имеется три лучевые
пушки, три катода и три модулятора, но
при этом имеется одна общая
фокусировка(Рис.1.9).
Это решение не включает в себя металлическую
решетку с отверстиями, как в случае с
теневой маской, а имеет решетку из
вертикальных линий. 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. Такая система
обеспечивает высокую контрастность
изображения и хорошую насыщенность
цветов, что вместе обеспечивает высокое
качество мониторов с трубками на основе
этой технологии.
Минимальное расстояние между полосами люминофора одинакового цвета называется шагом полосы (strip pitch) и измеряется в миллиметрах. Чем меньше значение шага полосы, тем выше качество изображения на мониторе.
1.2 LCD (Liquid Crystal Display)
Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и распологаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.
Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.
Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.
Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.
Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).
Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.
Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.
Свет от лампы подсветки (идём по картинке снизу вверх) первым делом проходит сквозь нижний поляризующий фильтр (белая заштрихованная пластина). Теперь это уже не обычный поток света, а поляризованный. Дальше свет проходит через полупрозрачные управляющие электроды (жёлтые пластинки) и встречает на своём пути слой жидких кристаллов. Изменением управляющего напряжения поляризацию светового потока можно менять на величину до 90 градусов (на картинке слева), или оставлять неизменной (там же справа). После слоя жидких кристаллов расположены светофильтры и тут каждый субпиксель окрашивается в нужный цвет – красный, зелёный или синий. Если посмотреть на экран, убрав верхний поляризующий фильтр – мы увидим миллионы светящихся субпикселей – и каждый светится с максимальной яркостью, ведь наши глаза не умеют различать поляризацию света. Иными словами, без верхнего поляризатора мы увидим просто равномерное белое свечение по всей поверхности экрана.
Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённый в конкретных разработках.
1.3 PDP
Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными поверхностями. В качестве газовой среды обычно используется неон или ксенон. Разряд в газе протекает между прозрачным электродом на лицевой стороне экрана и адресными электродами, проходящими по его задней стороне. Газовый разряд вызывает ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, инициирует видимое свечение люминофора. В цветных плазменных панелях каждый пиксель экрана состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено высокочастотное напряжение, появится емкостной высокочастотный разряд. В межэлектродном пространстве образуется плазма. При этом она излучает ультрафиолетовый свет, который попадает на люминофоры в нижней части каждой полости. Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя. Таким образом, в плазменной технологии пиксели работают подобно люминесцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично. Первая трудность — размер пикселя. Суб-пиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному. Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен. К сожалению, плазменные панели могут быть такими большими, а слой оксида настолько тонким, что при протекании больших токов на сопротивлении проводников будет падение напряжения, которое сильно уменьшит и исказит сигналы. Поэтому приходится добавлять промежуточные соединительные проводники из хрома — он проводит ток намного лучше, но, к сожалению, непрозрачен.
Наконец, требуется подобрать правильные люминофоры. Они зависят от требуемого цвета:
* Зелёный: Zn2SiO4:Mn2+ / BaAl12O19:Mn2+
* Красный: Y2O3:Eu3+ / Y0,65Gd0,35BO3:Eu3+
* Синий: BaMgAl10O17:Eu2+
Три этих люминофора дают свет с длиной волны между 510 и 525 нм для зелёного, 610 нм для красного и 450 нм для синего.
Последней проблемой остаётся адресация пикселей, поскольку, для получения требуемого оттенка нужно менять интенсивность цвета независимо для каждого из трёх суб-пикселей. На плазменной панели 1280x768 пикселей присутствует примерно три миллиона суб-пикселей, что даёт шесть миллионов электродов. Проложить шесть миллионов дорожек для независимого управления суб-пикселями невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать. Передние дорожки обычно выстраивают в цельные строчки, а задние — в столбцы. Встроенная в плазменную панель электроника с помощью матрицы дорожек выбирает пиксель, который необходимо зажечь на панели. Операция происходит очень быстро, быстрее, чем сканирование лучом на ЭЛТ-мониторах. Тем не менее, многие зрители замечают мерцание плазменных экранов, особенно на больших светлых участках изображения. Лишь самые последние модели PDP (начиная, примерно, с 2009 года) не имеют этого недостатка (они мерцают на частотах 200-400 Гц, что совершенно незаметно для человеческих глаз).
1.4 Сравнение
Плюсы ЖК мониторов:
* Отсутствует мерцание, присущее ЭЛТ всвязи с постоянным перерисовыванием экрана. На ЖК-дисплее пиксели занимают строго определенное, фиксированное положение, и цвет их менятся только в том месте экрана, где на "картинке" происходит движение.
* Никаких проблем связанных со сведением лучей. У цветного ЭЛТ-монитора не одна, а три пушки, каждая на свой цвет, и которые посылают каждая по лучу, возникает проблема настроек по сведению и фокусировке лучей, идеально ничего не бывает, а потому опять страдает качество изображения. В ЖК-мониторе каждый пиксель, как уже говорилось, расположен в фиксированной матрице.
* Бликов на экране ЖК монитора в несколько раз меньше. Коэффициент отражения света от поверхности ЖК монитора в три и более раз меньше, чем от поверхности кинескопа с очень хорошим антибликовым покрытием
* ЖК-монитор не создает вокруг себя очень вредного для здоровья человека постоянного электростатического потенциала, так как имеет нулевой постоянный потенциал дисплея, потому что не обстреливается из электронной пушки.
* Малый вес ЖК-монитора.
* Энергопотребление ЖК-мониторов в 2—4 раза меньше, чем у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров.
Минусы ЖК мониторов:
*В отличие от ЭЛТ мониторов, могут отображать чёткое изображение лишь в одном разрешении. Остальные достигаются интерполяцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320?200) вообще не могут быть отображены на многих ЖК мониторах.
*Цветовой охват ЖК мониторов и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На многих мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах). Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений (поэтому многие дизайнеры работают на ЭЛТ мониторах). Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения. Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки).
*Фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев. Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично.
*Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.
*Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация.
*Также существует проблема дефектных пикселей. Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2. Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс первый, он вообще не допускает наличия дефектных пикселей в ЖК мониторе. Самый низкий класс четветрый, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих в мониторе. Вопреки расхожему мнению пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев не подверженных деградации пикселей.
Преимущества Газоразрядных мониторов:
• Компактность (глубина не превышает 10 - 15 см) и легкость при достаточно больших размерах экрана (40 - 50 дюймов).
• Малую толщину - газоразрядная панель имеет толщину около одного сантиметра или менее, а управляющая электроника добавляет еще несколько сантиметров.
• Высокую скорость обновления (примерно в пять раз лучше, чем у ЖК-панели).
• Отсутствие мерцаний, и смазывания движущихся объектов, возникающих при цифровой обработке. поскольку отсутствует гашение экрана на время обратного хода, как в ЭЛТ.
• Высокая яркость, контрастность и четкость при отсутствии геометрических искажений.
• Отсутствие проблем сведения электронных лучей и их фокусировки присуще всем плоскопанельным дисплеям.
• Отсутствие неравномерности яркости по полю экрана.
• 100-процентное использование площади экрана под изображение.
• Большой угол обзора, достигающий 160° и более.
• Отсутствие рентгеновского и других вредных для здоровья излучений,поскольку не используются высокие напряжения.
• Невосприимчивость к воздействию магнитных полей
• Не страдают от вибрации, как ЭЛТ-мониторы.
• Отсутствие необходимости в юстировке изображения.
• Механическую прочность.
• Широкий температурный дипазон.
• Небольшое время отклика (время между посылкой сигнала на изменение яркости пикселя и фактическим изменением) позволяет использовать их для отображения видео- и телесигнала.
• Более высокая надежность.
• Плазменный экран можно снимать видеокамерой, и картинка при этом не дрожит, так как используется другой принцип отображения информации
Недостатки плазменных мониторов:
*Большой размер пикселя.
*Довольно высокая потребляемая мощность, возрастающая при увеличении диагонали монитора, и низкая разрешающая способность, обусловленная большим размером элемента изображения.
*Свойства люминофорных элементов быстро ухудшаются, и экран становится менее ярким, поэтому срок службы плазменных мониторов ограничен 10000 часами (из-за этих ограничений такие мониторы используются пока только для конференций, презентаций, информационных щитов, т.е. там, где требуются большие размеры экранов для отображения информации).
*Высокая стоимость.