Файл: Характеристики и типы мониторов для персональных компьютеров (Мониторы с электронно-лучевой трубкой ).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Монитор — конструктивно законченное устройство, предназначенное для визуального отображения информации. Данное устройство – одно из важнейших составляющих компьютера, монитор является визуальным каналом связи со всеми прикладными программами, относится к внешним устройствам, подключаемым к персональному компьютеру. Бурное развитие ИТ-технологий требует разработки новых моделей мониторов с новыми возможностями и большего размера, так как процесс развития информационных систем неутомимо набирает обороты в жизни людей и общества. Появляются все новые технологии, одна приходит на замену другой. И, вследствие чего, становится необходимым разработка и производство нового оборудования, а в частности самих мониторов. Данная тема актуальна, так как чтобы приобрести более или менее качественны й монитор желательно предварительно хотя бы в общих чертах изучить его устройство и разбираться в его характеристиках. Цель данной работы рассмотреть основные характеристики и типы мониторов для персонального компьютера. Будут проанализированы результаты и сделаны соответствующие выводы. В соответствии с темой были выделены следующие задачи:
1. Изучение источников информации по данной теме;
2. Рассмотрение разных типов мониторов и принцип их работы;
3. Изучить характеристики мониторов.

1. Типы мониторов и принцип их действия

1.1. Мониторы с электронно-лучевой трубкой

В настоящее время это наиболее распространенный тип мониторов для
персональных компьютеров. Мониторы с (ЭЛТ, CRT — Cathode Ray Tube) по принципу действия напоминают обыкновенные цветные телевизоры, имеют чуть меньший размер и обладают очень четким изображением. В качестве основного элемента формирования изображения используется кинескоп. Изображение на экране ЭЛТ появляется вследствие свечения нанесенных на его поверхность триад элементов люминофора (вещества, испускающие свет при попадании на них разогнанных электронов). Если говорить простыми словами, каждая точка изображения на экране монитора с ЭЛТ состоит из трех расположенных рядом друг с другом элементов люминофора. Каждый элемент при попадании триады, начинает излучать свет с разной интенсивностью, собственным цветом (красным, зеленым или синим) Общий результат свечения всех трех элементов виден человеческому глазу как какой-то один из бесконечного количества цветов. Для того чтобы разогнанные электроны попадали именно на те элементы триад, которые нужно, перед ними установлена специальная маска, представляющая собой металлический экран с проделанными в нем отверстиями, расположенными напротив элементов триад. В зависимости от конструкции такой маски, а так же формы и расположения отверстий, проделанных в ней, ЭЛТ может быть трех типов:

А) ЭЛТ с теневой маской (shadow mask);

Б) ЭЛТ с апертурной решеткой (aperture grill);

В) ЭЛТ со щелевой маской (slot mask).

1.1.1. Элт с теневой маской

У ЭЛТ этого типа маска представляет собой металлическую (обычно инваровую) сетку с круглыми отверстиями напротив каждой триады элементов люминофора. Критерием качества (четкости) изображения является так называемый шаг зерна или точки (dot pitch), который характеризует расстояние в миллиметрах  между двумя элементами (точками) люминофора одинакового цвета. Чем меньше это расстояние, тем более качественное изображение сможет воспроизводить монитор. Экран ЭЛТ с теневой маской обычно представляет собой часть сферы достаточно большого диаметра, что может быть заметно по выпуклости экрана мониторов с таким типом ЭЛТ (а может и не быть заметно, если радиус сферы очень большой). К недостаткам ЭЛТ с теневой маской следует отнести то, что большое количество электронов (порядка 70%) задерживается маской и не попадает на люминофорные элементы. Это может привести к нагреву и тепловой деформации маски (что в свою очередь может вызвать искажение цветов на экране). Кроме того, в ЭЛТ такого типа приходится использовать люминофор с большей светоотдачей, что приводит к некоторому ухудшению цветопередачи. Если же говорить о достоинствах ЭЛТ с теневой маской, то следует отметить хорошую четкость получаемого изображения и их относительную дешевизну.

1.1.2. Элт с апертурной решеткой

В такой ЭЛТ точечные отверстия в маске (обычно изготавливаемой из фольги) отсутствуют. Вместо них в ней проделаны тонкие вертикальные отверстия от верхнего края маски до нижнего. Таким образом она представляет собой решетку из вертикальных линий. Из-за того, что маска изготовлена таким образом она очень чувствительна ко всякому виду вибраций, (которые например могут возникнуть при легком постукивание по экрану монитора. Она дополнительно удерживается тонкими горизонтальными проволочками. В мониторах с размером 15 дюймов такая проволочка одна в 17 и 19 две, а в больших три и более. На всех таких моделях заметны тени от этих проволочек особенно на светлом экране. Сначала они могут несколько раздражать, но со временем вы привыкните. Наверное, это можно отнести к основным недостаткам ЭЛТ с апертурной решеткой. Экран таких ЭЛТ представляет собой часть цилиндра большого диаметра.  В результате он полностью плоский по вертикали и чуть выпуклый по горизонтали. Аналогом шага точки (как для ЭЛТ с теневой маской) здесь является шаг полосы (strip pitch) — минимальное расстояние между двумя полосами люминофора одинакового цвета (измеряется в миллиметрах).  Достоинством таких ЭЛТ по сравнению с предыдущим, является более насыщенными цветами и более контрастным изображением, а также более плоский экран, что достаточно ощутимо снижает количество бликов на нем. К недостаткам можно отнести чуть меньшую четкость текста на экране.

1.1.3. ЭЛТ с щелевой маской

ЭЛТ с щелевой маской представляет собой компромисс между двумя уже описанными ранее технологиями. Здесь отверстия в маске, соответствующие одной триаде люминофора, выполнены в виде продолговатых вертикальных щелей небольшой длины. Соседние вертикальные ряды таких щелей немного смещены друг относительно друга. Считается, что ЭЛТ с таким типом маски обладают сочетанием всех достоинств, присущих ей. На практике же, разница между изображением на ЭЛТ с щелевой или апертурной решеткой мало заметна. ЭЛТ с щелевой маской обычно имеют названия Flatron, DynaFlat и др.

1.2. Жидкокристиллические мониторы

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).

Экраны LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул. Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 году. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике: есть такие вещества и все, и никому, кроме физиков и химиков, они не были интересны. Итак, жидкокристаллические материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот, в конце 1966 года, корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD — цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975-го уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 году Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.

Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы «просеивает» свет. Этот эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.

Рисунок 1. Конструкция ЖК дисплея

Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD для настольных компьютеров.

Рисунок 2. Плоскость поляризации

Экран LCD представляет собой массив маленьких сегментов, называемых пикселями, которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой (см. рис. 1). 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) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). Как видно на рисунке 2, плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели. При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы (см. рис. 3).

Рисунок 3. Плоскость поляризации.

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, так как 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 (см. рис. 4).

Рисунок 4. Поляризация светового луча без напряжения

Рисунок 5. Поляризация светового луча с напряжением.

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) (см. рис. 5). 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 принимать 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. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.
Вообще-то в случае с цветом 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. Первый метод проще, второй эффективнее.