Классификация мониторов (дисплеев) показана на рисунке 1.53

Рисунок 1.53 - Классификация мониторов

ЭЛТ-мониторы (мониторы с электронно-лучевой трубкой CRT - Cathode Ray Tube). Этот тип мониторов позволяет создание изображения с максимальной контрастностью, яркостью и цветностью. Их недостатки – высокое потребление электроэнергии, большие габариты.

В качестве основного элемента формирования изображения используется кинескоп. Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, откуда исходит поток электронов. Сквозь металлическую маску или решетку они попадают на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта люминофорными точками (рисунок 1.54).

Поток электронов (луч) может отклоняться в вертикальной и горизонтальной плоскости, что обеспечивает последовательное попадание его на все поле экрана. Отклонение луча происходит посредством отклоняющей системы.

Отклоняющая система состоит из нескольких катушек индуктивности, размещенных у горловины кинескопа. С помощью переменного магнитного поля две катушки создают отклонение пучка электронов в горизонтальной плоскости, а другие две - в вертикальной. Изменение магнитного поля возникает под действием переменного тока, протекающего через катушки и изменяющегося по определенному закону, при этом катушки придают лучу нужное направление.

Рисунок 1.54 – Устройство электронно-лучевой трубки

Частота перехода на новую линию называется частотой горизонтальной (или строчной) развертки. Частота перехода из нижнего правого угла в левый верхний называется частотой вертикальной (или кадровой) развертки.

После отклоняющей системы поток электронов на пути к фронтальной части трубки проходит через модулятор интенсивности, который ускоряет поток электронов.

Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет (поток электронов заставляет точки люминофора светиться). Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение на мониторе.

Для формирования изображения на экране, электронный луч сканирует по экрану слева направо и сверху вниз, создавая "растр". Элементы текста или графики создаются включением либо выключением точек растра (рисунок 1.55).

Рисунок 1.55 - Прохождение луча для создания растра

Сплошные линии - это прямой ход луча, используемый для формирования изображения, пунктирные линии – обратный ход луча, в этом состоянии интенсивность его излучения минимальна, поэтому его не видно.

Для создания цветного изображения используют три пушки для реализации свечения красного, зеленого и синего люминфоров. Каждая пушка излучает электронный луч, который должен влияет на люминофорные элементы своего цвета.

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.

В зависимости от конструкции такой маски, а так же формы и расположения отверстий, проделанных в ней, ЭЛТ может быть трёх типов.

В большинстве мониторов используется теневая маска. Она бывает двух типов – теневая и щелевая. Кроме теневой маски, применяются также апертурные решетки (рисунок 1.56).

Рисунок 1.56 - Типы масок (теневая, апертурная, щелевая)

Теневая маска (shadow mask) - это самый распространенный тип масок, она применяется со времени изобретения первых цветных кинескопов. Поверхность у кинескопов с теневой маской обычно сферической формы (выпуклая). Это сделано для того, чтобы электронный луч в центре экрана и по краям имел одинаковую толщину. Теневая маска состоит из металлической пластины с круглыми отверстиями, которые занимают примерно 25% площади. Находится маска перед стеклянной трубкой с люминофорным слоем (рисунок 1.57). Как правило, большинство современных теневых масок изготавливают из инвара. Инвар (InVar) - магнитный сплав железа [64%] с никелем [36%]. Этот материал имеет низкий коэффициент теплового расширения, поэтому, когда электронные лучи нагревают маску, она не влияет отрицательного на чистоту цвета изображения. 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 - зеленного, красного и синего - которые светятся с различной интенсивностью под воздействием лучей из электронных пушек.

Рисунок 1.57 - Люминофор для теневой маски

Недостатки теневой маски - во-первых, это малое соотношение пропускаемых и задерживаемых маской электронов (20-30% проходит через маску), что требует применения люминофоров с большой светоотдачей, а это в свою очередь ухудшает монохромность свечения, уменьшая диапазон цветопередачи, а во-вторых, обеспечить точное совпадение трех не лежащих в одной плоскости лучей при отклонении их на большие углы трудно.

Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета в соседних строках называется шагом точек (dot pitch) и является индексом качества изображения. Шаг точек обычно измеряется в миллиметрах (мм).

Теневая маска применяется в большинстве современных мониторов - Hitachi, Panasonic, Samsung, Daewoo, LG, Nokia, ViewSonic.

Рисунок 1.58 - Формирование светового пятна в ЭЛТ с теневой маской

Апертурная решетка (Aperture Grille). В трубках с апертурной решеткой применяется технология, где имеется три лучевые пушки, три катода и три модулятора, но при этом имеется одна общая фокусировка (рисунок 1.59).

Рисунок 1.59 - Формирование светового пятна в ЭЛТ с апертурной решеткой

Эта технология имеет решетку из вертикальных линий, 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. Маска представляет собой тонкую фольгу, на которой процарапаны тонкие вертикальные линии. Она держится на горизонтальной (одной в 15", двух в 17", трех и более в 21") проволочке. Эта проволочка применяется для гашения колебаний.

Минимальное расстояние между полосами люминофора (для красного, зеленого и синего цвета) одинакового цвета называется шагом полос (strip pitch) и измеряется в миллиметрах (мм). Чем меньше значение шага полос, тем выше качество изображения на мониторе. При апертурной решетке имеет смысл только горизонтальный размер точки. Вертикальный размер определяется фокусировкой электронного луча и отклоняющей системой.

Щелевая маска (slot mask) - это технология применяется компанией NEC под именем "CromaClear". На практике представляет собой комбинацию теневой маски и апертурной решетки. 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 (рисунок 1.60).

Рисунок 1.60 - Формирование светового пятна с щелевой маской

Нельзя напрямую сравнивать размер шага для трубок разных типов: шаг точек (или триад) трубки с теневой маской измеряется по диагонали, в то время как шаг апертурной решетки, иначе называемый горизонтальным шагом точек, - по горизонтали. Поэтому при одинаковом шаге точек трубка с теневой маской имеет большую плотность точек, чем трубка с апертурной решеткой. Для примера, шаг полос 0.25 мм приблизительно эквивалентен шагу точек, равному 0.27 мм.

Если сравнивать монитор с теневой маской, имеющий шаг точки 0.25 мм и монитор с таким же шагом точки, в основе апертурной решетки, то сравнение будет в пользу первого, т.к. измерение расстояний ведется различными способами: в мониторе с апертурной решеткой - по горизонтали, а в мониторе с теневой маской - под углом к ней.

Наличие BNC-входов (пять круглых разъемов, внешне идентичные разъемам на сетевых картах с "коаксиальным" входом). Через эти входы монитор можно подключить к видеокарте коаксиальным кабелем (в нем используются коаксиальные 75-омные кабели, подсоединяющиеся к монитору каждый через свой собственный BNC-разъем). Такой кабель позволяет улучшить качество картинки.

ЖК-мониторы (жидкокристаллические мониторы). Работа таких мониторов (LCD, Crystal Display) основана на изменении ориентации молекул жидких кристаллов (и как следствие изменение их оптических свойств) под воздействием внешнего электрического поля. Экран LCD монитора представляет собой матрицу ячеек таких кристаллов, каждая из которых может светиться нужным цветом.

Устройство и принцип действия TFT-LCD мониторов показаны на рисунках 1.61.

Рисунок 1.61 – Устройство TFT монитора

Свет от лампы подсветки (идём по картинке снизу вверх) проходит сквозь нижний поляризующий фильтр (белая заштрихованная пластина). Теперь это 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, где 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. Без верхнего поляризатора увидим просто равномерное белое свечение по всей поверхности экрана.

Рисунок 1.62 – Работа TFT монитора

Рисунок 1.63 - Устройство TFT LCD монитора

Некоторые субпиксели так и останутся ярко светящимися, у которого поляризация была изменена на 90 градусов, а некоторые погаснут, так как верхний поляризатор стоит в противофазе нижнему и не пропускает света с дефолтной (той, что по умолчанию) поляризацией. Есть и субпиксели с промежуточной яркостью – поляризация потока света, прошедшего через них, была развёрнута не на 90, а на меньшее число градусов, например, на 30 или 55 градусов.

1. Яркость каждого субпикселя может меняться плавно, аналоговыми методами (можно завернуть поляризацию потока света на любой угол в промежутке от 0 до 90 градусов – это определяется управляющим напряжением, приложенным к ячейке).

2. Каждый субпиксель матрицы обслуживается своим персональным регулятором – тонкоплёночным транзистором (Thin Film Transistor – TFT). Здесь нет строчной развёртки, как в ЭЛТ. Каждый субпиксель экрана светится с нужной яркостью до тех пор, пока от управляющей схемы (видеокарты) не придёт команда сменить цвет точки. Поэтому мерцания на экране нет при любой частоте кадровой развёртки – хоть при 60 герцах.

3. Так как у каждого субпикселя есть персональный регулятор и следовательно, если какой-то управляющий транзистор сгорит – на экране «битая точка».

4. Поскольку в роли «заслонок» выступают вполне реальные жидкие кристаллы с присущей им вязкостью и отнюдь не мгновенной реакцией на управляющий импульс, смена яркости субпикселей происходит не мгновенно. Пока молекула жидкого кристалла закрутится на нужный угол, пока раскрутится обратно. Это ограничивает ограничивает скорость реакции и делает невозможным получение качественного отображения быстро меняющихся динамических сюжетов (скроллинг текста, быстрые 3D-Action-игры с высокими FPS и т. п.).

Классификация TFT-LCD дисплеев.

1. TN+Film. Практически все 15-дюймовые и многие 17-дюймовые мониторы сделаны по этой технологии. Аббревиатура TN+Film расшифровывается как Twisted Nematic+Film («скрученное состояние жидкого кристалла + плёнка»). Под плёнкой подразумевается дополнительное внешнее покрытие экрана, расширяющее угол обзора. В обычном состоянии, при отсутствии управляющего напряжения, жидкие кристаллы в TN+Film находятся в скрученной фазе и субпиксель ярко горит (как в левой части рисунка). Чем больше приложенное к ячейке напряжение – тем больше распрямляются молекулы жидких кристаллов. При максимальном управляющем напряжении субпиксель будет затемнён до предела. Из принципа работы TN+Film вытекают два недостатка этой технологии. Во-первых, если откажет управляющий транзистор, мы вынуждены будем постоянно созерцать ярко горящий субпиксель (5 «мёртвых» точек не считается неисправностью). Другой недостаток - из-за того, что даже при максимальном приложенном напряжении молекулы жидкого кристалла могут не раскрутиться до конца, чёрный цвет получается не идеальным, а скорее тёмно-тёмно-серым. Третий недостаток: угол обзора, несмотря на специальную плёнку-покрытие редко превышает 140-150 градусов.

2. IPS. In-Plane Switching – это технология, разработанная Hitachi и NEC. Отличительная особенность состоит в том, что оба управляющих полупрозрачных электрода расположены в одной плоскости – только на нижней стороне ЖК-ячейки. Жидкие кристаллы располагаются иначе, чем в случае с TN+Film: в расслабленном состоянии они не пропускают свет и субпиксель получается затемнённым. Чем больше управляющее напряжение – тем больше кристаллы закручивают поляризацию светового пучка и тем ярче горит субпиксель. За счёт другой конструкции IPS-матрицы имеют больший, чем у TN+Film, угол обзора. Чёрный цвет получается чёрным. Поэтому панели IPS имеют хорошую контрастность. Битые пиксели не так заметны (если субпиксел сгорит - получим тёмную точку на экране). Недостаток - большое время реакции (до 50 мс). Усовершенствованные технологии наподобие Super IPS или Dual Domain IPS позволяют достичь более быстрой скорости реакции ячеек и увеличить обзорность чуть ли не до предельных 180 градусов.

3. MVA. Технология называется Multi-Domain Vertical Alignment. Молекулы жидких кристаллов ориентированы в вертикальном направлении (Vertical Alignment) и при отсутствии управляющего напряжения не меняют поляризации светового потока. Таким образом, битые субпиксели, как и в случае с IPS, превращаются в тёмные точки, что является плюсом. В связи с особенностями конструкции (длинные, вертикально ориентированные цепочки кристаллов), при изменении угла обзора может сильно меняться светоотдача субпикселя (а следовательно – цвет результирующего пикселя). Поэтому каждый субпиксель разделён на несколько зон (Multi-Domain), каждая из которых оптимизирована для наилучшей светоотдачи в своём секторе обзора. Таким оригинальным образом решена проблема сильно ограниченных углов обзора в исходной технологии VA. MVA-матрицы обладают плюсами технологии IPS (глубокий чёрный цвет фона, тёмный цвет битых пикселей, широкие углы обзора), но при этом имеют лучшую скорость реакции. Однако, переключения между крайними положениями яркости субпикселя происходят быстро, но переход молекул кристаллов в промежуточное состояние длится дольше. Поэтому пиксели MVA-матрицы быстро меняют цвет с белого на чёрный, но возможно смазывание картинки при быстрых перемещениях в динамичных играх.

Углы обзора TFT-LCD дисплеев. Для панелей TFT-LCD углом обзора считается сектор, в пределах которого контрастность меняется не более, чем в 10 раз от максимальной. Если у вашего монитора угол обзора 160 градусов, это значит, что при взгляде со стороны, когда вы отклонились на 80 градусов от перпендикулярной оси монитора (160/2=80), контрастность будет составлять 10% от той, какая наблюдается при перпендикулярном взгляде на экран.

Достоинства TFT-LCD мониторов:

- меньшие габариты;

- меньшее энергопотребление;

- меньший уровень вредных электромагнитных излучений;

- меньшая чувствительность к магнитным полям;

- идеальная геометрия изображения;

- почти идеальная чёткость элементов изображения;

- отсутствие необходимости подстраивать изображение и выбирать конкретный экземпляр монитора (все экземпляры одной модели практически одинаковы, в отличие по-разному настроенных ЭЛТ).

Недостатки TFT-LCD мониторов:

- практически невозможно избежать наличия «пробитых» пикселей;

- фиксированное рабочее разрешение TFT-монитора (в TFT-мониторе установлено определенное количество транзисторов под определенное разрешение, и хотя допускается переход на более низкое разрешение (на более высокое он перейти по-настоящему не может, т.к. все пиксели на TFT-панелях имеют фиксированный размер);

- маленький угол обзора;

- неравномерная освещенность матрицы, которая приводит к тому, что некоторые части экрана будут как-бы не в фокусе (напоминает эффект расфокусировки у CRT-мониторов).

Газоразрядные или плазменные мониторы. Выпускаются в виде панелей, состоящих из линейных сегментов для нескольких знакомест, а также в виде панелей, в которых образована точечная матрица. Рабочим элементом (пикселем), формирующим отдельную точку изображения, является группа из трех субпикселей, ответственных за три основных цвета соответственно. Каждый субпиксель представляет собой отдельную микрокамеру. Принцип действия основан на газовом разряде в среде инертных газов (рисунок 1.64). Для возбуждения и поддержания газового разряда используется постоянный или переменный ток. Лучшими характеристиками обладают газоразрядные индикаторные панели переменного тока, имеющие слоистую конструкцию. Проводники, выполняющие функции анодов и катодов, нанесены на стеклянные пластины-подложки, между которыми посредством уплотнителей формируется герметизированное пространство, заполняемое смесью аргона и неона. Проводники защищены от газовой среды слоем диэлектрика. Все элементы конструкции выполнены из прозрачного материала. На катоды и аноды подается знакопеременное поддерживающее напряжение, меньшее напряжения возникновения разряда. Возбуждение разряда в ячейке матрицы происходит при подаче импульсов возбуждения на соответствующие проводники катодов и анодов. При суммарном напряжении между ними превосходящем напряжение возбуждения, возникает разряд. При протекании разрядного тока на соответствующем данной ячейке участке диэлектрика накапливаются заряды, которые приводят к прекращению разряда в течение данного полупериода поддерживающего напряжение, однако способствует возникновению разряда в данной ячейке в следующем полупериоде, когда его полярность изменяется и совпадает с полярностью напряжения от накопленного заряда на диэлектрике. Так обеспечивается повторное возникновение разряда и "запоминание" информации. Для стирания информации подаются внешние импульсы, устраняющие заряд с участка диэлектрика данной ячейки. Благодаря запоминающим свойствам яркость изображения не зависит от размера поля экрана, при этом значительно снижаются требования к быстродействию.

Рисунок 1.64 - Конструкция в ячейке

Высокая яркость (до 650 кд/м²) и контрастность (до 3000:1) наряду с отсутствием дрожания являются большими преимуществами таких мониторов. Высокая четкость изображения сохраняется на всей рабочей поверхности экрана. Кроме того, угол по отношению к нормали, под которым увидеть нормальное изображение на плазменных мониторах, существенно больше, чем у LCD-мониторов. К тому же плазменные панели не создают магнитных полей, не страдают от вибрации, как ЭЛТ-мониторы, а их небольшое время регенерации позволяет использовать их для отображения видео- и телесигнала. Отсутствие искажений и проблем сведения электронных лучей и их фокусировки.

Достоинство 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;

- отсутсвие проблем со сведение лучей;

- 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;

- 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.

Недостатками такого типа мониторов:

- высокая потребляемая мощность, возрастающая при увеличении диагонали монитора;

- низкая разрешающая способность, обусловленная большим размером элемента изображения;

- свойства люминофорных элементов быстро ухудшаются и экран становится менее ярким - службы плазменных мониторов ограничен 10000 часами (при 5-летнем использовании в офисе).

Дополнительная информация о LCD-мониторов "Samsung SyncMaster" представлена в приложении Г.

Вопросы.

1. Как классифицируются мониторы?

2. Что представляют собой ЭЛТ-мониторы (технические характеристики, принцип работы)?

3. Что представляют собой ЖК-мониторы (технические характеристики, принцип работы)?

4. Что представляют собой катодолюминисцентные мониторы (технические характеристики, принцип работы)?

5. Что представляют собой светодиодные (технические характеристики, принцип работы)?

6. Что представляют собой газоразрядные или плазменные индикаторы (технические характеристики, принцип работы)?

7. Что представляют собой тонкопленочные электролюминесцентные панели (технические характеристики, принцип работы)?

8. Какие маски используются в ЭЛТ?

9. Что такое блок строчной и кадровой развертки (назначение, параметры)?

10. Что представляет собой параметр – «Частота обновления» (регенерация экрана) и какие значения он имеет?

11. Что представляют собой такие типы искажений на экране монитора, как «Трапеция», «Мерцание» и «Несведение»?

12. Что представляет собой разъем монитора SVGA?

Манипулятор мышь

Мышь - это устройство, с помощью которого пользователь общается с системой на интерактивно-графическом рабочем месте. По принципу действия различают:

− оптико-механическую мышь;

− оптическую мышь.

Рисунок 1.65 - Устройство оптико-механической мыши

У оптико-механической мыши встроенный в корпус шарик движется по столу вместе с мышью. Вращательное движение путем трения передается на два потенциометра X, Y. В случае с оптической мышью, у которой нет шарика, она движется по мелкорастровому планшету, который считывается через фотоэлементы (рисунок 1.65). Чувствительность мыши измеряется в cpi (counts per inch - отсетов на дюйм) и обычно составляет от 100 до 200 cpi. Бывают мыши с 1, 2, 3 и до 16 клавишами. Оптические мыши отличаются высокой надежностью, так как практически не имеют механической начинки и трущихся частей (к механике можно отнести лишь кнопки и колесо прокрутки). В настоящее время используются мыши второго поколения. В нижней части такой мыши установлен специальный светодиод, который подсвечивает поверхность, по которой перемещается мышь. Миниатюрная камера "фотографирует" поверхность более тысячи раз в секунду, передавая эти данные процессору мыши, который и делает выводы об изменении координат мыши.

Альтернативой мыши - является трэкболл (шар) - (мышь наоборот, в которой движут шарик) или специальный джойстик на аналитическом плоттере.