Файл: Характеристики и типы мониторов для персональных компьютеров (ЭЛТ Мониторы).pdf

Введение

Монитор (дисплей) компьютера – это устройство, предназначенное для вывода на экран текстовой и графической информации. Его можно смело назвать самой важной частью персонального компьютера. C экраном монитора мы постоянно контактируем во время работы. От его размера и качества зависит, насколько будет комфортно нашим глазам. Монитор должен быть максимально безопасным для здоровья по уровню всевозможных излучений. Также он должен обеспечивать возможность комфортной работы, предоставляя в распоряжение пользователя качественное изображение. Не было даже речи об отображении текста. Параллельно c этим, для вывода информации использовался телетайп – электронная пишущая машинка, которая могла вывести сгенерированных ЭВМ текст. В то время компьютеры часто оснащали осциллографами, которые, однако использовались не для вывода информации, а для проверки электронных цепей вычислительной машины. В начале 60‑х годов прошлого века, конструкторы поняли, что можно использовать электронно-лучевую трубку как замену бумаге в телетайпе. Открытие Фердинанда Брауна во второй половине XIX века положило путь к созданию монитора, ученый путем долгих экспериментов на протяжении 18 лет пытался создать и, в конце концов, создал прибор, который формировал изображение при помощи электронно-лучевой трубки. Браун не запатентовал своё изобретение и на протяжении десятилетий этот механизм совершенствовали другие специалисты в области техники. Такие приборы получили названия «кинескопы». Первые электронно-лучевые мониторы были векторными. В мониторах этого типа электронный пучок создает линии на экране, перемещаясь непосредственно от одного набора координат к другому. Из-за этого нет необходимости разбивать экран на пиксели. Именно это устройство было заложено в основе первых ЭВМ. Главный минус векторного кинескопа — невозможность отображать долгое время графические элементы. Поэтому на смену векторным пришли растровые, однако они в свою очередь подходили больше для телевидения, чем для компьютерной техники. Их использование требовало большой объем памяти для восстановления картинки. Первые компьютеры выводили всю информацию на печатные носители. По мере развития электронно-лучевой трубки, ее начали внедрять в ЭВМ. Впервые такое устройство было представлено 1948 году и носило название «Manchester Small-Scale Experimental Machine». Наряду c этим механизмом были созданы и другие, но все они отличались от современных компьютерных мониторов, так как в основном работали как осциллографы. Начиная c 1951 года, электронно-лучевые трубки активно развиваются в CША. Их использовали для отображения в небе вражеских самолётов в случае воздушной атаки. Уже к 1960-м годам такие мониторы стали одной из составляющих ЭВМ. При этом для улучшения работы монитора, а также качества изображения, в устройство добавили дисплейные станции. Они форматировали знаки на экране. Так как в те времена ЭВМ была дорогостоящая вещь, решением этой проблемы стало создание терминалов (экранов), позволявших подключаться к одному компьютеру c разных мониторов. Сначала это приспособление помогало отображать только текст из 12 строк по 80 символов в каждом. В 1972 году терминал мог демонстрировать 4 цвета. В 1975 году был выпущен первый компьютер со встроенным монитором. Однако скорость его работы была медленной. Поэтому в 1981 году был создан видеоадаптер Monochrome Display Adapter, бравший на себя работу центрального процессора. Однако он мог выводить лишь текстовые изображения. Несколько месяцев спустя был выпущен цветовой адаптер, отображавший 16 цветов на экране, но такие устройства не позволяли сделать картинку качественной и четкой. Монитор, использовавший все функции адаптера, был создан в 1983 году. Первопроходцем можно назвать компанию IBM, уже за ней стали появляться аналоги по всему миру. Первый компьютер Macintosh выпущенный 24 января 1984 года представлял собой монохромный 9‑дюймовый дисплей, способный воспроизводить растровую графику в черном и белом цветах. Размер изображения был всего 512х342 пикселей. За три года, которые компания потратила на разработку, она стала передовым брендом, выпускавшей прекрасные на тот момент мониторы, с точной цветопередачей и высокой резкостью. Появление аддитивной цветовой модели RGB, позволило Apple, IBM и другим брендам совершить настоящий прорыв: теперь с помощью смешивания, можно было синтезировать на экране миллионы цветов. Разработчиком этой технологии считается компания Atari ST.

Со временем инженеры придумали, как избавиться от необходимости подключения отдельного вида мониторов для каждого типа адаптера. Монитор от компании MultiSync, динамически поддерживающий целый ряд резолюций, дал толчок к внедрению стандарта VGA, который был представлен в 1987 году. По сравнению c другими устройствами он мог отобразить 256 цветов, а его разрешение было 640×480 пикселей, чего не было раньше. Этот разрешение признали мониторным-стандартом. Однако вскоре на смену ЭЛТ пришли ЖК мониторы. И если XX век можно назвать эрой электронно-лучевых трубок, то последние десятилетия на пике популярности расположились жидкокристаллические мониторы. Параллельно c этим, велась разработка ЖК-мониторов, первые экземпляры которых появились еще в 60‑х годах и использовались в электронных часах и калькуляторах. Новый ЖК-монитор был введен в 1971 году. Несмотря на то, что жидкие кристаллы были открыты очень давно, сначала они применялись для разных целей. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменить свою ориентацию и, как следствие, изменить свойства проходящего через них светового пучка. Основываясь на этом открытии и благодаря дальнейшим исследованиям, стало возможным обнаружить связь между увеличением электрического напряжения и изменением ориентации кристаллических молекул, чтобы обеспечить создание изображения Первые ноутбуки использовали монохромные дисплеи, которые отличались низким энергопотреблением. Однако они требовали отдельной подсветки и отличались низкой контрастностью.

Технология совершенствовалась и к концу 90‑х годов спровоцировала настоящий бум: на тот момент компьютер уже не был какой-то «диковиной», а вот ноутбук считался статусной вещью, которая по карману только состоятельным господам. На тот момент они имели достойную цветопередачу, приемлемый угол обзора, собственную подсветку.

Это дало толчок к применению ЖК-мониторов в связке c компьютером. Как обычно бывает, первые модели были технически несовершенными, имели небольшую диагональ, но при этом стоили чертовски дорого. В 1997, сразу несколько компаний представили Led-мониторы, которые по качеству изображения и цене, наконец то смогли конкурировать c ЭЛТ.В 2007 году объемы продаж жидкокристаллических мониторов впервые превзошли таковые у ЭЛТ. Их доля на рынке стремительно увеличивалась, а сегодня купить новый дисплей c электронно-лучевой трубкой невозможно, так как их выпуск фактически прекратился. А и использование такого винтажного девайса – не самая лучшая идея: для человеческих глаз самый дешевый ЖК-монитор менее вреден, чем топовые модели ЭЛТ прошлых годов. При этом наблюдается тенденция к увеличению диагонали. Сегодня 22 или 24 дюйма считается стандартом для игрового ПК. Более продвинутые эстеты используют мониторы c разрешением до 4К, а то и несколько таких устройств сразу. Однако и это уже – не пик прогресса: в последнее время активно разрабатываются VR-технологии. Статусным уже считается иметь дома шлем виртуальной реальности, который позволяет полностью погрузиться в игровой процесс.

Глава 1. Виды мониторов

1.1 ЭЛТ мониторы

В типичном цветном ЭЛТ электроны генерируются несколькими электронными пушками (обычно три, производящие основные цвета: красный, зелёный и синий), расположенными в узком конце (шейке) ЭЛТ (см. 1 на рис №1). Источником электронов является покрытый оксидом элемент, называемый катодом. Катод должен быть нагрет для получения необходимого потока электронов (отрицательно заряженных), которые затем притягиваются к экрану - который заряжается положительно. Хомут - катушка, установленная на горловине трубки, синхронизируется с входным видеосигналом (с компьютера) и отвечает за синхронизированное горизонтальное и вертикальное перемещение изображения на экране (см. 2 на рис №1). ЭЛТ, как лампочка, требует вакуума для работы. Типичное вакуумное давление на ЭЛТ составляет 14 фунтов на дюйм или около 5000 фунтов. от общего давления, оказываемого на трубу снаружи. Вот почему ЭЛТ должен быть построен из толстого, прочного стекла (см. 3 на рис №1). Более того, это одна из причин, по которой ЭЛТ-монитор настолько тяжел по сравнению с его размером. Передняя часть ЭЛТ называется лицевой панелью. Лицевая панель ЭЛТ состоит из полностью волоконной оптики, которая обладает особыми характеристиками. Внутренняя поверхность лицевой панели покрыта люминофором. Фосфор преобразует электрическую энергию в энергию света. Уровень энергии кристалла фосфора повышается, когда на него падают электронные лучи. Это явление называется катодолюминесценцией. Свет, излучаемый фосфорным возбуждением, называется флуоресценцией. Когда электронный луч прекращается, кристалл фосфора восстанавливает свое первоначальное положение и выделяет квант световой энергии, который называется фосфоресценцией или постоянством.

Экран ЭЛТ — это место, где происходит окончательное преобразование и где появляется изображение (см. 4 на рис №1). Изображение создается путем нанесения люминофорного покрытия на внутреннюю поверхность лица ЭЛТ при бомбардировке электронами - другими словами, они флуоресцируют (очень похоже на флуоресцентную трубку). Пучок электронов проходит через перфорированную маску, которая позволяет ударить соответствующие люминофоры (которые создают цвет) на 20-30%, поглощая остальное в виде тепла. Перфорированная маска стала называться теневой маской. 

Рисунок 1

Состав ЭЛТ монитора

Итак, самые распространенные типы масок — это теневые, а они бывают двух типов: "Shadow Mask" (теневая маска) и "Slot Mask" (щелевая маска).

Теневая маска (shadow mask) — это самый распространенный тип масок для ЭЛТ-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 люминофорных 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". Это решение на практике представляет собой комбинацию двух технологий, описанных выше. 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.

Компания Sony разработала свою собственную технологию создания плоских трубок - FD Trinitron. Разумеется, с использованием апертурной решётки, но не обычной, а с постоянным шагом.

В 1968 году Компания Sony разработала свою собственную технологию создания плоских трубок - FD Trinitron. Разумеется, с использованием апертурной решётки, но не обычной, а с постоянным шагом. Монитор Trinitron также улучшил конструкцию ЭЛТ, используя только одну электронную линзу (для повышения точности), улучшенную поверхность трубки (для отражения большего количества окружающего света), и люминофоры наносились в виде вертикальных полос, а не точек (уменьшая шаг пикселя на экран существенно). Эти качества позволили технологии Sony Trinitron заслужить репутацию монитора ЭЛТ самого высокого качества, и люминофоры применялись в виде вертикальных полос, а не точек (существенно уменьшая шаг пикселя на экране). Компания Mitsubishi разработала технологию DiamondTron NF. Судя по всему, никакой связи с FD Trinitron от Sony нет. При этом в трубках DiamondTron NF применяется апертурная решетка с переменным шагом.

Есть и еще один вид трубок, в которых используется "Aperture Grill" (апертурная, или теневая решетка). Эти трубки стали известны под именем 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. Иногда в технической литературе говорится, что пушка всего одна. Однако вопрос о числе электронных пушек не столь принципиален. Мы будем придерживаться мнения, что электронных пушек три, поскольку есть возможность управлять током всех трех лучей независимо. С другой стороны, можно сказать, что электронная пушка одна, но трехпучковая. Сама Sony использует термин "unitized gun" (объединенная пушка), но связано это лишь с катодной структурой. Заметим, что существует ошибочное мнение о том, что в трубках с апертурной решеткой применяется одна электронно-лучевая пушка, а цвет создается методом временного мультиплексирования. На самом деле это не так, а объяснение приведено выше. Другое ошибочное мнение, иногда встречающееся, состоит в том, что в трубках с апертурной решеткой используется однолучевой хроматрон. То есть имеется одна пушка с переменной энергией пучка и двухслойный люминофор. Пока энергия пучка мала, светится один люминофор (например, красный). По мере повышения энергии начинает светиться другой слой (например, зеленый), что дает желтый цвет. Если энергия станет еще больше, то электроны пролетают первый слой, не возбуждая его и получается зеленый цвет. Такие трубки использовались лет 20-30 назад и теперь практически вымерли.