Устройства отображения с электронно-лучевой трубкой
В XX в, самыми распространенными типами устройств отображения информации являлись устройства на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ—CRT — cathode ray tube, букв, ка годно-лучевая трубка).
Электронно-лучевая трубка — электровакуумный прибор, преобразующий электрические сигналы в световые. Строго говоря, электронно-лучевыми трубками называют ряд электронно-лучевых приборов, самым распространенным из которых является кинескоп, используемый в телевизорах и компьютерных мониторах.
Кроме кинескопа, к электронно-лучевым приборам относят используемые в специальных областях науки и техники: осциллографи-ческую, знакопечатающую, индикаторную, запоминающую электроннолучевые трубки, потенциалоскоп и др., а также передающую телевизионную трубку, которая преобразует оптическое изображение в электрические сигналы.
Нить подогревателя катода. 2 — катод, 3 — управляющий электрод, 4 — ускоряющий электрод, 5 — первый анод. 6 — второй анод, 7 — проводящее покрытие. 8 — катушки вертикального отклонения луча. 9 — катушки горизонтального отклонения луча, 10 — электронный луч, 11 — экран, 12 — вывод второго анода
Ниже будут рассмотрены устройство и принцип действия монохромных и цветных ЭЛТ.
ЭЛТ представляет собой стеклянную трубку (баллон), внутри которой создан глубокий вакуум. С лицевой стороны, которая собственно и является экраном, внутренняя поверхность стекла трубки покрыта люминофором — веществом, способным испускать свет при бомбардировке его заряженными частицами — электронами. В качестве люминофоров в монохромных ЭЛТ используются кристаллофосфоры [17, с. 75 — 76), а для цветных — составы на основе редкоземельных металлов (иттрия, эрбия и т. п.).
Рассмотрим вначале принцип работы монохромной ЭЛТна примере кинескопа (рис. 3.1).
Для создания изображения на экране используется устройство, называемое электронной пушкой, которая испускает поток электронов — электронный луч. Источником электронов является катод, нагреваемый нитью накала. Изменением напряжения на управляющем электроде можно изменять интенсивность электронного луча и соответственно яркость изображения. Кроме управляющего электрода, пушка ЭЛТ содержит фокусирующийэлектрод, предназначенный для фокусировки пятна на экране кинескопа в точку, ускоряющий электроддля дополнительного разгона электронов в пределах пушки и анод. Покинув пушку, электроны ускоряются анодом, представляющим собой металлизированное покрытие внутренней поверхности конуса кинескопа, соединенное с одноименным электродом пушки. Далее луч проходит через отклоняющую систему, которая может менять направление луча (применяется магнитная отклоняющая система, обеспечивающая большие углы отклонения). Для управления электронно-лучевой трубкой необходима также управляющая электроника, качество работы которой во многом определяет и качество воспроизводимого изображения.
Электронный луч попадает в экран, покрытый люминофором. Люми-нофорный слой состоит из малых по размеру элементов (соответству- ющих пикселам воспроизводимого изображения). В результате бомбардировки электронами люминофор светится и быстро перемещающееся пятно переменной яркости создает на экране изображение.
В чёрно-белых кинескопах состав люминофора подбирают таким, чтобы он светился нейтрально-серым цветом, а в видеотерминалах, радарах и т. д. чаще используют люминофор, светящийся жёлтым или зеленым цветом для меньшего утомления глаз.
Чтобы создать на экране изображение, электронный луч должен постоянно проходить по экрану с высокой частотой — не менее 25 раз в секунду. Этот процесс называется разверткой. Существует несколько способов развертки изображения.
При использовании растровой разверткиэлектронный луч проходит весь экран последовательно элемент за элементом, строка за строкой. Возможны два варианта растровой развертки: построчная (прогрессивная) и чересстрочная.
Прогрессивная развертка,или прогрессивное сканирование, является системой формирования выводимого на экран изображения, при которой каждая строка изображения передается одна за другой (1 — 2 — 3 — 4 — 5 —...). Этот режим воспроизведения сигнала отличается от традиционного — чересстрочной развертки(используемой, например, при воспроизведении изображения на экране старых и некоторых современных моделей телевизоров), когда на экране воспроизводятся 25 кадров в секунду: сначала четные строки (2 —4—6—8 — ...), а затем — нечетные (1—3 — 5—7 — ...). Прогрессивная развертка обеспечивает воспроизведение с частотой 50 кадров в секунду, поэтому воспроизводимое изображение является более четким: кадр отображается полностью за один проход, а не состоит из двух полукадров, как при чересстрочной развертке.
Прогрессивная развертка используется в области компьютерных технологий: обычный монитор компьютера построен на принципе именно прогрессивной развертки. В случае с компьютерным сигналом, изображение изначально формируется цифровым (прогрессивным) методом и, следовательно, не требует «реструктуризации». В случае, когда воспроизводится телевизионный сигнал или сигнал с видео- или ОУО-проигрывателя, то видеоинформация, будучи, как правило, представленной в чересстрочном формате, нуждается в оцифровке.
Векторная разверткаимеет место в векторных дисплеях с ЭЛТ. Здесь электронный луч проходит вдоль линий изображения.
При развертке на экране радараэлектронный луч проходит вдоль радиусов экрана, при этом служебная информация (карта, надписи) дополнительно развёртывается растровым или векторным способом.
Поскольку процесс развертки происходит очень быстро, наблюдатель воспринимает изображение, формирумое на экране, высвечиваемым постоянно. Зрительная система человека сохраняет воспринимаемый зрительный образ около I /20 с. Поэтому, когда луч осуществляет полное сканирование экрана за время, меньшее 1 /25 с, человек наблюдает на экране изображение с небольшим мерцанием. Мерцание ЭЛТ явно можно наблюдать боковым зрением. Чем выше частота смены кадров, тем менее заметно мерцание. Низкая частота ведет к утомляемости глаз и может привести к нарушению зрения.
Установлено, что мерцание становится практически незаметным при частоте повторения (проходов луча по всем элемента изображения) примерно 75 кадров в секунду (Гц). В наибольшей степени чувствует мерцание пользователь компьютера с монитором на основе ЭЛТ, поэтому рекомендуется настраивать монитор компьютера на частоту от 85 Гц и выше. Однако эта величина в определенной степени зависит от размера монитора. Поскольку периферийные области сетчатки глаза содержат светочувствительные элементы с меньшей инерционностью, мерцание мониторов с большими углами обзора становится заметным при больших частотах кадров.
В цветном кинескопеиспользуются три электронные пушки. В трехлучевых кинескопах расположение электронных пушек может быть дельтаобразным и пленарным.
Люминофорный слой цветной ЭЛТ состоит из расположенных в определенном порядке элементов (соответствующих субпикселам воспроизводимого изображения) трех типов люминофоров, способных при бомбардировке электронами испускать световые излучения основных цветов аддитивного синтеза: красного, зеленого и синего. Как было рассмотрено выше, три субпиксела основных цветов образуют цветной пиксел воспроизводимого изображения.
Каждая из трех пушек участвует в генерации одного из излучений основных цветов и посылает пучок электронов на соответствующие элементы люминофора. Свечение люминофоров основными цветами с различной интенсивностью комбинируется и в результате формируется пиксел изображения требуемого цвета. При этом на «красный» люминофор попадает только луч от «красной» пушки, на «зеленый» —только от «зеленой», на «синий» — только от «синей». Это достигается тем, что между пушками и экраном установлена металлическая решетка, называемая маской. В цветных ЭЛТ используют три типа масок.
Рис. 3.2. Виды масок: а — теневая, б — щелевая, в — апертурная решетка: К — красный. 3 — зеленый. С — синий субпикселы, 1 — шаг точки, щели, полосы
Теневая маска(shadow mask) представляет собой металлическую сетку, установленную перед внутренней поверхностью экрана с люми- нофорным слоем. Теневую маску используют в кинескопах с дельта-образным расположением электронных пушек. Как правило, теневые маски изготавливают из инвара (сплав железа и никеля).
При использовании теневой маски расположенные на экране лю-минофорные элементы трех основных цветов образуют триангуляционную структуру (рис. 3.2а).
Расходясь после точки схождения в отверстии маски, лучи соответствующей пушки попадают только на требуемые люминофорные элементы и только в области воспроизводимого пиксела, напротив центра которого и расположено отверстие решетки.
Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета называется шагом точки (dot pitch) и является показателем четкости воспроизводимого изображения. Чем меньше шаг точки, тем выше четкость изображения.
Щелевая маска(slot mask) применяется как теневая маска для кинескопов с пленарным расположением электронных пушек. Маска выполнена в виде рядов вертикальных чередующихся щелевидных (эллиптических) отверстий. Люминофорные элементы экрана расположены в вертикальных эллиптических ячейках (рис. 3.26): фактически вертикальные полосы разделены на эллиптические ячейки, которые образуют чередующиеся триады люминофорных элементов основных цветов. Причем люминофор трех основных цветов нанесен на экран таким образом, что одному щелевидному отверстию соответствует своя RGB-триада.
Расходясь после точки схождения, лучи образуют эллипс, охватывающий одновременно только одно отверстие щелевой маски и соответственно три находящиеся за ней полоски люминофора. Отверстие щелевой маски находится напротив средней (зеленой) полоски люминофора.
Минимальное расстояние между двумя ячейками (пикселами) называется щелевым шагом (slotpitch).
Подобным образом реализованы технологии Flatron (компания LG) HCromaClear(NEC).
Апертурная решетка(aperture grill). В этой технологии люмино-форные элементы экрана выполнены в виде вертикальных полос трех основных цветов (рис. 3.2в). Маска представляет собой тонкую фольгу, на которой процарапаны тонкие вертикальные линии. Фольга удерживается на горизонтальных проволочках, предназначенных для гашения колебаний. (Тень от проволочек видна на экране, особенно на светлом фоне изображения.)
Такая система обеспечивает высокие яркость и контрастность изображения и насыщенность цветов, поскольку маска меньше заслоняет экран. Минимальное расстояние между полосами люминофора одинакового цвета называется шагом полосы (strip pitch).
Подобным образом реализованы технологии Trinitron (Sony), Diamondtron (Mitsubishi), ViewSonic.
В современных ЭЛТ шаг маски находится на уровне 0,25 мм. Каждая из используемых технологий масок имеет свои преимущества и недостатки. Трубки с теневой и щелевой маской дают более точное идетализированное изображение, поскольку свет проходит через отверстия маски с четкими краями. Апертурная маска обеспечивает более насыщенные цвета при высоких яркости и контрасте. Щелевая маска, кроме того, склонна к муарам (искажения, изображения, воспринимаемые глазом как «узорчатость» и волнообразные разводы).
Радиус кривизны экрана много больше расстояния от него до электронно-оптической системы (вплоть до бесконечности в плоских кинескопах). В этой связи точка пересечения лучей цветного кинескопа находится на постоянном расстоянии от электронных пушек. Если не добиться того, чтобы эта точка находилась точно на поверхности маски, то образуется рассовмещение трех цветовых составляющих изображения, увеличивающееся от центра к краям экрана. Для устранения этого эффекта необходимо должным образом сместить электронные лучи. В кинескопах с дельтаобразиым расположением пушек это выполняется специальной электромагнитной системой, управляемой блоком сведения. В кинескопах с пленарным расположением пушек регулировка производится при помощи специальных магнитов, расположенных на горловине кинескопа.
Как указывалось выше, в настоящее время подавляющее распространение получили растровые устройства отображения информации, однако ограниченно, в специальных областях, используются векторные (например, осциллографические трубки, векторные дисплеи).
В векторных дисплеях(дисплеях с произвольным сканированием луча) изображение строится в виде совокупности отдельно и достаточно точно выдаваемых отрезков.
Самым простым из устройств на ЭЛТ является дисплей на запоми-нающейтрубке с прямым копированием изображения. Запоминающая трубка обладает свойством длительного времени послесвечения: изображение остается видимым в течение длительного времени (до одного часа). При выводе изображения интенсивность электронного луча увеличивают до уровня, при котором происходит запоминание следа луча на люминофоре. Стирание происходит путем подачи на всю трубку специального напряжения, при котором свечение исчезает, и эта процедура занимает приблизительно 0,5 с. Поэтому изображения, полученные на экране, нельзя стереть частично, а стало быть, динамические изображения или анимация на таком дисплее невозможны.
Другой тип — это векторные дисплеи с регенерацией изображения. При перемещении луча по экрану в точке, на которую попал луч, возбуждается свечение люминофора экрана. Это свечение достаточно быстро прекращается при перемещении луча в дру1ую позицию (обычное время послесвечения — менее 0,1 с). Поэтому, для того чтобы изображение было постоянно видимым, его приходится «перерисовывать» (регенерировать) 50 (25) раз в секунду. Необходимость регенерации изображения требует сохранения его описания в специально выделенной памяти. Очевидно, что такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану.
Обычно серийные векторные дисплеи успевали 50 раз в секунду строить только около 3000 — 4000 отрезков. При большем числе отрезков изображение начинало мерцать, так как отрезки, построенные в начале очередного цикла, полностью гасли к тому моменту, когда строились последние.
Другим недостатком векторных дисплеев является малое число градаций яркости воспроизводимого изображения (обычно от двух до четырех). Были разработаны, но не нашли широкого применениядвух -и трехцветные ЭЛТ, также обеспечивавшие несколько градаций яркости.
Сегодня устройства отображения на основе ЭЛТв телевидении и компьютерных технологиях практически вытеснены утройствами других типов. Это связано с их большими габаритами и массой, а также с тем, что они генерируют опасные для здоровья человека электромагнитные излучения. Они остаются незаменимыми лишь в тех областях, где требуются высокая четкость воспроизводимого изображения и точная передача цветов (телевидение высокой четкости, дизайн, полиграфия, фотография).
Черно-белые мониторы на основе ЭЛТ используются там, где не требуется высокого качества воспроизводимого изображения (например, в системах видеонаблюдения) либо применяется только текстовой режим отображения (например, в компьютерных системах для расчетно-кассовых операций). Цветные кинескопы используются также в системах проекционного телевидения и видеопроекторах, осциллографи-ческие ЭЛТ— в системах отображения функциональных зависимостей: осциллографах, вобулоскопах, в качестве устройства отображения на радиолокационных станциях и в устройствах специального назначения. Знакопечатающие ЭЛТ применяются в специальной аппаратуре.