Мониторы на электронно-лучевых трубках
Мониторы на основе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ, кинескопов) в настоящее время наиболее распространены. В них происходит преобразование энергии луча электронов в энергию видимого света. Собственно свет излучают кусочки люминофора на фронтальной поверхности ЭЛТ, если на них падает электронный луч. Люминофор может светиться с различной яркостью в зависимости от энергии падающих на него электронов. В цветных мониторах используются люминофоры трех цветов — красного, зеленого и синего. Варьируя яркость каждого из трех люминофоров, можно создавать различные цвета.
Источником электронов в мониторе является так называемая электронная пушка. В ней имеется электрод, называемый катодом. В схеме электронно-лучевой трубки катод имеет отрицательный заряд. Катод разогревают, чтобы он излучил электроны (отрицательно заряженные частицы). В результате образуется облако из электронов. Электроны, имеющие одинаковые заряды, отталкиваются друг от друга, но их энергия недостаточно велика, чтобы электронное облако могло распространиться далеко. Это облако является исходным аморфным материалом, из которого надо создать узкий луч. Иначе говоря, электроны нужно разогнать, сфокусировав в узкий пучок, и доставить на другой конец трубки, покрытый слоем люминофоров — особого вещества, способного излучать видимый свет. В месте падения электронного луча на слой люминофоров возникает световое пятно в результате взаимодействия электронов с люминофором. Если с помощью специальной отклоняющей системы изменять направление луча по вертикали и горизонтали, то на экране будет оставаться след его перемещения. Это происходит от того, что люминофоры инерционны: они не сразу гаснут при прекращении бомбардировки электронами, так что пока они светятся, можно успеть добавить новую информацию или подготовиться к воспроизведению следующей.
Электронный луч сканирует фронтальную поверхность ЭЛТ, покрытую люминофорами, смещаясь по горизонтали слева направо и создавая тем самым строку изображения. Затем быстро возвращается в левый край, но чуть ниже, чтобы приступить к прорисовке следующей строки. Спустившись до нижней кромки экрана, электронный луч быстро возвращается в левый верхний угол, чтобы начать прорисовку нового кадра изображения. В исправных мониторах обратный ход луча незаметен. Описанный процесс называется созданием растра изображения путем его горизонтальной (строчной) и вертикальной (кадровой) развертки. Он характеризуется частотами соответственно горизонтальной и вертикальной разверток.
Рис. 111. Монитор на основе ЭЛТ
Рис. 112. Схема ЭЛТ
Горизонтальная и вертикальная развертки характеризуются частотами, которые еще называют частотами строчной и кадровой синхронизации. Чем больше их значения, тем выше качество изображения. Частота горизонтальной развертки принимает значения несколько десятков кГц и показывает, сколько тысяч раз в секунду пробегает луч слева направо. Частота вертикальной развертки принимает значения в диапазоне от 50 до 200 Гц и показывает, сколько раз в секунду луч обегает весь экран. Например, для 15 - 17-дюймовых мониторов с разрешением 800x600 или 1024x768 оптимальное значение частоты вертикальной развертки — 85 Гц. При меньшем значении возможно заметное мерцание изображения. Чтобы проверить это, посмотрите на изображение в затемненном помещении с расстояния 3 - 5 метров. Едва уловимое или даже практически незаметное мерцание изображения все же улавливается нашим зрением (но не фиксируется сознанием) и вызывает усталость глазных мышц. В конце концов это приводит к ослаблению зрения.
Чтобы при различных углах отклонения луча электроны пробегали одинаковые расстояния от пушки до люминофорного покрытия, поверхность экрана сначала делали выпуклой, в виде сферического сегмента. В противном случае были бы искажения изображения, или потребовалась бы сложная система управления лучом. Затем с помощью специальных технических решений добились, чтобы экран представлял собой поверхность цилиндра и даже стал полностью плоским.
В монохромных мониторах используется одна электронная пушка, а в цветных, как правило, три. Каждая пушка соответствует одному из базовых цветов. Сначала пушки располагали как бы в вершинах треугольника (дельтавидное расположение), а затем появились ЭЛТ с планарным расположением пушек (т. е. в одной плоскости). Лучи электронных пушек требуется направить на люминофоры соответствующих цветов. Понятно, что электронный луч, предназначенный для красных люминофоров, не должен влиять на люминофор зеленого или синего цвета. Решение этой задачи называется сведением лучей. Чтобы добиться его, используется специальная маска, называемая теневой. Простая теневая маска (shadow mask), применяемая, как правило, при дельтавидном расположении пушек, представляет собой металлический экран с отверстиями, через которые должны проходить электронные лучи. Таким образом, теневая маска как бы форматирует люминофорный слой на триады разноцветных точек, называемых также экранными пикселами.
Рис. 113. Теневая маска
Минимальное расстояние между люминофорными элементами (зернами) одинакового цвета, расположенными в соседних строках экрана, называется шагом (dot pitch) люминофорного покрытия и измеряется в миллиметрах. Из-за того что разноцветные люминофоры расположены в вершинах треугольника, минимальное расстояние между одноцветными люминофорами в соседних строках оказывается меньше, чем в одной строке. Чтобы вычислить расстояние между соседними одноцветными зернами в одной строке, следует шаг умножить на 0,866. Шаг является важной характеристикой ЭЛТ, существенно влияющей на качество отображаемого изображения. Чем меньше шаг, тем выше качество отображения. По существу, шаг определяет размер экранного пиксела (трехцветной точки).
Рис. 114. Шаг люминофорного покрытия в ЭЛТ с обычной теневой маской
Теневые маски рассмотренного выше вида применяют с момента изобретения цветных мониторов. Их обычно изготавливают из магнитного сплава железа с никелем (инвара). Он имеет низкий коэффициент теплового расширения. А это очень важно. Дело в том, что значительная часть (70—80%) электронов наталкивается на маску и нагревает ее. Это приводит к изменению размеров и смещению отверстий и, как следствие, — к ухудшению качества изображения.
Другой тип теневой маски называется апертурной решеткой (aperture grille). Она применяется в ЭЛТ с пленарным (в одной плоскости) расположением электронных пушек. Такое расположение облегчает задачу поворота электронных лучей на большой угол, а также делает их фокусировку независимой от магнитного поля земли. Другими словами, лучше решается задача сведения лучей. ЭЛТ с планарным расположением пушек и апертурной решеткой называют еще «трубками с самосведением лучей».
Рис. 115. Апертурная решетка
Рассмотрим принцип устройства ЭЛТ с апертурной решеткой. Люминофоры трех базовых цветов в такой трубке наносятся на экран в виде сплошных вертикальных полос. Апертурная решетка, играющая роль теневой маски, представляет собой тонкую металлическую фольгу с вертикальными щелями. Для стабилизации решетки (гашения колебаний) к ней прикрепляются тонкие проволочные струны (damper wire). В мониторах с размером по диагонали 15 дюймов применяется одна такая струна, в 17-дюймовых — две, а в 21-дюймовых — три и более. Они заметны на светящемся экране, но это не дефект (как кто-то думает), а конструктивная особенность. Некоторым пользователям это не нравится, а другие используют их в качестве линеек при рисовании.
Минимальное расстояние между полосами люминофора одинакового цвета называется шагом полос (strip pitch) и измеряется в миллиметрах. Чем меньше значение шага полос, тем выше качество изображения на мониторе. Обратите внимание, что шаг в случае ЭЛТ с апертурной решеткой измеряется по горизонтали в отличие шага в ЭЛТ с обычной теневой маской, измеряемого по диагонали.
Третий тип теневой маски называется щелевой маской. Это решение представляет собой комбинацию идей, лежащих в основе теневой маски и апертурной решетки. В данном случае люминофорные элементы имеют форму вытянутых по вертикали овалов и расположены вдоль воображаемых вертикальных линий. Напомним, что в трубках с обычной теневой маской люминофоры расположены в вершинах равносторонних треугольников. Собственно щелевая маска представляет собой множество вертикальных прямоугольных прорезей в металлическом экране. Таким образом, экранный пиксел (трехцветная точка) приобретает прямоугольную форму. В данный момент эта технология обеспечивает ширину пиксела 0,21 мм против 0,25 в случае апертурной решетки.
Рис. 116. Шаг люминофорного покрытия в ЭЛТ с апертурной решеткой
Возникает вопрос: какая маска лучше? Маска — всего лишь один из элементов монитора, очень важный, но не полностью определяющий его потребительские свойства. Электронные блоки регулировок тоже совершенствуются, и многое из того, что недоделано в механике, они виртуозно компенсируют. Обычные теневые маски, изобретенные раньше других, не сошли со сцены. Так, сейчас можно встретить мониторы с обычными теневыми масками, которые не уступают, а подчас и превосходят мониторы с апертурными решетками. В конце концов мы покупаем монитор, а не теневую маску.
Рассмотрим особенности некоторых наиболее популярных современных ЭЛТ. При этом следует учитывать, что технологии в области производства ЭЛТ быстро развиваются и, возможно, к моменту выхода в свет этой книги указанные технические характеристики будут превозойдены.
