Электронно-лучевая трубка – ЭЛТ (в англоязычном варианте – СRT) представляет собой вакуумный прибор, экран которого покрыт изнутри специальным химическим составом – люминофором, обладающим замечательным свойством – излучать свет при попадании на него потока электронов (рис.1). Поток электронов в ЭЛТ формируется так называемой электронно-оптической пушкой, основными элементами которой являются катод и его нагреватель.
Для того чтобы можно было видеть на экране изображение, электронный луч должен перемещаться по определенной траектории: из верхнего левого угла в нижний правый угол по зигзагообразной траектории, если смотреть на экран со стороны пользователя (рис.2). Перемещение электронного луча осуществляется электромагнитным способом с помощью отклоняющей системы, расположенной на горловине ЭЛТ и представляющей собой пару катушек. Одна катушка, создавая изменяющееся магнитное поле, перемещает луч в горизонтальном направлении (слева – направо и наоборот), вторая катушка – в вертикальном (сверху – вниз и снизу-вверх).
Начинает свое движение луч в верхнем левом углу и движется слева направо, формируя, таким образом, строку изображения. Этот этап движения получил название прямого хода луча по строке.
Строка получается несколько наклоненной вниз, так как в этот период времени происходит также отклонение луча и по вертикали, но оно настолько ничтожно, что этот наклон практически незаметен. При движении луча по строке он включается и выключается, создавая изображение. После того, как строка будет сформирована, луч быстро перемещается влево (практически горизонтально) на начало следующей строки, и этот этап движения луча получил название – обратный ход луча по строке. Для получения качественного и четкого изображения луч во время обратного хода должен быть выключен, т.е. это движение не должно отображаться на экране. Далее луч снова включается и формируется следующая строка изображения. В результате, картинка на экране монитора состоит из отдельных, очень близко расположенных друг к другу строк. Кроме того, каждая строка состоит из отдельных точек.
После того, как будет сформирована последняя строка изображения, луч перемещается в верхний левый угол из нижнего правого угла. Это движение носит название обратного хода луча по вертикали. На самом деле траектория движения луча во время обратного хода по вертикали является не прямолинейной, как показано на рис. 2, а имеет зигзагообразную форму (рис.3). Это связано с тем, что во время обратного хода по вертикали ток в строчных отклоняющих катушках продолжает протекать, и его частота значительно выше часты тока в кадровых отклоняющих катушках, поэтому за время обратного хода по вертикали в строчных катушках успевает сформироваться ток отклонения для нескольких строк. Как результат этого – появление нескольких “строк” во время обратного хода по вертикали. Кстати, при некоторых неисправностях монитора, когда яркость изображения повышена, можно видеть линии обратного хода по вертикали именно такого вида, как на рис.3. Строки, сформированные во время обратного хода по вертикали, получили название «холостых» строк. Соотношение тока строчных и кадровых катушек, а также причину появления «холостых» строк демонстрирует рис.4
Совокупность всех строк на экране, которые выводятся между периодами обратного хода по вертикали, получила название кадра или растра. Для того чтобы изображение получалось немерцающим, необходимо повторять формирование всех строк изображения не менее 50 раз в секунду, т.е. с частотой более 50 Гц. Эта частота получила название частоты кадра (кадровая частота). Особенность человеческого зрения, точнее, его инерционность будет воспринимать такое мерцающее изображение, как стабильное, хотя боковым зрением моргание экрана улавливается большинством людей даже и при более высоких частотах. В результате можно говорить о том, что электронный луч постоянно сканирует экран, регенерируя изображение. Чем выше частота кадра, тем меньше пользователь монитора замечает мерцание экрана и тем меньше он устает, сидя за монитором. Для современных мониторов практически стандартом стала частота кадровой развертки, равная 85 Гц и даже 100 Гц, хотя еще совсем недавно это значение равнялось 72 – 75 Гц. Современные высококачественные мониторы уже могут поддерживать в некоторых режимах частоту кадров до 250 Гц.
Следует обратить внимание, что в мониторах может применяться два типа развертки:
- - построчная (прогрессивная);
- - чересстрочная (чередующаяся).
Построчная (прогрессивная) развертка в англоязычной документации обозначается как Noninterlaced (Noni, ni). Суть такой развертки заключается в том, что все строки формируются последовательно друг за другом, т.е. сначала формируется первая строка, потом вторая, затем третья и т.д. После того, как закончится формирование кадра, луч перемещается на начало первой строки и все повторяется снова.
Чересстрочная (чередующаяся) развертка в англоязычной документации обозначается как Interlaced (i). В этом случае кадр разбивается на два полукадра: четные строки и нечетные строки. Сначала формируется первая строка, потом третья, потом пятая и т.д. После того, как закончится формирование нечетных строк, луч во время обратного хода по вертикали переместиться на начало второй строки и начинается формирование четных строк, т.е. вторая, четвертая и т.д. При чересстрочной развертке реальная частота кадра снижается вдвое, и операторы, работающие с таким монитором, будут значительно больше напрягаться и уставать. Поэтому применение чересстрочной развертки в мониторах нежелательно и на практике она практически не используется. Уделом чересстрочной развертки на текущее время остается телевидение. Однако стоит помнить, что современные мониторы с хорошими техническими характеристиками позволяют работать с двумя типами разверток и, кроме того, имеется несколько режимов работы видеоадаптеров, использующих чересстрочную развертку, например, режим IBM8514A. Чересстрочная развертка использовалась и используется обычно в режимах с высоким разрешением, причем ее применение обусловлено тем, что видеоадаптер не успевает обрабатывать данные из видеопамяти при выводе на экран, и приходится эти данные обрабатывать поочередно для четных и нечетных строк. Другими совами, применение чересстрочной развертки диктуется ограниченной производительностью видеоадаптеров. Отличие построчной и чересстрочной разверток можно видеть на рис.5.
В цветных мониторах изображение создается с помощью трех основных цветов: красного (Red – R), синего (Blue – B), зеленого (Green – G). Поэтому в цветных ЭЛТ имеется три электронно-оптические пушки – для каждого из основных цветов. Соответственно, и экран ЭЛТ покрывается тремя различными люминофорами с тремя цветами свечения. При этом каждый электронный луч должен попадать на люминофор только одного цвета, поэтому иногда электронные лучи называют: луч красного, луч синего и луч зеленого цветов. Любой цвет, и его любой оттенок можно получить на экране монитора аддитивным смешением эти трех основных цветов. Т.е. точки, имеющие малый размер и расположенные очень близко, воспринимаются человеческим глазом как одна точка другого (комбинированного) цвета. Отсутствие всех трех цветов воспринимается как черный цвет, наличие всех трех цветов равной яркости – как белый цвет. При сложении двух основных цветов получаются дополнительные цвета, например: R+G = желтый, B+G = бирюзовый, R+B = пурпурный. Оттенки этих цветов получают изменением яркости, т.е. изменением тока лучей.
Люминофоры трех составляющих, относящихся к одной цветной точке, могут располагаться либо по углам треугольника – так называемое дельтаобразное расположение (рис.6), или в одну линию – планарное расположение (рис.7).
Для того чтобы, каждый электронный луч попадал только на “свои’ точки люминофора, и не подсвечивал соседние, вблизи от поверхности экрана внутри ЭЛТ имеется теневая маска (апертурная решетка) и общее устройство цветной ЭЛТ изображено на рис.8. Маска представляет собой тонкий лист из определенного металла (обычно инвара) с множеством регулярно расположенных отверстий, причем их число равно числу точек на экране. После прохождения сквозь отверстия маски лучи расходятся, попадая каждый на свою точку люминофора. Если бы маска отсутствовала, каждый из лучей, двигаясь по строкам и кадрам, возбуждал бы кроме своих и точки двух других люминофоров. Маска препятствует попаданию электронных лучей не на свои люминофорные точки. Принцип действия маски поясняется на рис.9.
Для получения качественного изображения, как уже ранее отмечалось, во время обратного хода (и по горизонтали, и по вертикали) луч должен быть выключен, и его движение не должно отображаться. Поэтому управление лучом (включение и выключение луча) должно быть синхронизировано с его перемещением по экрану, т.е. с изменением тока в отклоняющих катушках. Для такой синхронизации цвета с формированием растра предназначены сигналы строчной развертки (горизонтальной синхронизации, HSYNC, HS, H) и кадровой развертки (вертикальной синхронизации, VSYNC, VS, V). Эти сигналы формируется видеоадаптером ПК и подаются на вход монитора. Сигналы эти являются цифровыми сигналами стандарта TTL. Оба сигнала могут быть активны как высоким, так и низким уровнем, в зависимости от режима работы.
Как уже говорилось, картинка на экране монитора состоит из отдельных, очень близко расположенных друг к другу строк. Кроме того, каждая строка состоит из отдельных точек. Таким образом, вся картинка на экране монитора – это совокупность огромного количества точек, расположенных по строкам и по столбцам. Чем больше точек используется для создания изображения, тем выше его качество, т.е. изображение становится более четким, и лучше прорисовываются мелкие детали. Для характеристики такого параметра монитора, как количество точек на экране, вводится понятие разрешающей способности. Разрешающая способность описывает количество точек в строке и количество строк на экране и поэтому она пишется в виде двух цифр, например, 800х600. Это значит, что на экране отображается 600 строк, в каждой из которых выводится по 800 точек, т.е. видимое изображение состоит из 480.000 пикселов. Пиксел (pixel) – это та же самая точка. Термин пиксел произошел от английских слов Pi cture El emeht, что в переводе означает элемент изображения.