Мониторы
Монитор — универсальное устройство визуального отображения всех видов информации.
По виду выводимой информации мониторы подразделяются на - алфавитно-цифровые - дисплеи, отображающие только алфавитно-цифровую информацию, и графические; монохромные и цветные.
По принципу работы можно выделить три типа мониторов:
1. Мониторы на основе электронно-лучевой трубки.
2. Жидкокристаллические мониторы.
3. Плазменные мониторы.
Монитор на основе электронно-лучевой трубки (CRT (Cathode Ray Tube) – мониторы) буквально 5-7 лет назад был самыми распространенными. Как видно из названия, в основе всех подобных мониторов лежит катодно-лучевая трубка, но это дословный перевод, технически правильно говорить "электронно-лучевая трубка" (ЭЛТ). Развитие этой технологии, применительно к созданию мониторов, за последние годы привело к производству все больших по размеру экранов с высоким качеством и при низкой стоимости. На конец эпохи CRT-мониторов (2003-2007г.г.) наиболее распространенными являлись 17" мониторы, и наблюдалась явная тенденция в сторону 19" экранов.
Рассмотрим принципы работы CRT-мониторов. CRT- или ЭЛТ-монитор имеет стеклянную трубку, внутри которой вакуум, т.е. весь воздух удален.
Устройство ЭЛТ цветного изображения. 1 —Электронные пушки. 2 — Электронные лучи. 3 — Фокусирующая катушка. 4 — Отклоняющие катушки. 5 — Анод. 6 — Маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, и т. д. 7 — Красные, зелёные и синие зёрна люминофора. 8 — Маска и зёрна люминофора (увеличенно).
С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором (Luminofor)(7). В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и т.п. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Для создания изображения в CRT-мониторе используется электронная пушка(1), которая испускает поток электронов(2) сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора(6), которая покрыта разноцветными люминофорными точками. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. В цветном CRT-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически не производятся и мало кому интересны. Все мы знаем или слышали о том, что наши глаза реагируют на основные цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) и на их комбинации, которые создают бесконечное число цветов. Люминофорный слой, покрывающий фронтальную часть электронно-лучевой трубки, состоит из очень маленьких элементов.
Макрофотография монитора. На белом фоне — стандартный курсор Windows
Эти люминофорные элементы воспроизводят основные цвета, фактически имеются три типа разноцветных частиц, чьи цвета соответствуют основным цветам RGB (отсюда и название группы из люминофорных элементов – триады). Понятно, что 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 ЭЛТ применяются теневые маски и так называемые апертурные решетки. Самые распространенные типы масок - это теневые, а они бывают двух типов: "Shadow Mask" (теневая маска) и "Slot Mask" (щелевая маска).
Теневая маска - это самый распространенный тип масок для CRT-мониторов. Теневая маска состоит из металлической сетки перед частью стеклянной трубки с люминофорным слоем. Как правило, большинство современных теневых масок изготавливают из инвара (invar, сплав железа и никеля). Отверстия в металлической сетке работают, как прицел (хотя и не точный), именно этим обеспечивается то, что электронный луч попадает только на требуемые люминофорные элементы, и только в определенных областях. Минимальное расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета называется dot pitch (или шаг точки) и является индексом качества изображения. Шаг точки обычно измеряется в миллиметрах (мм). Чем меньше значение шага точки, тем выше качество воспроизводимого на мониторе изображения. Теневая маска применяется в большинстве мониторов - Hitachi, Panasonic, Samsung, Daewoo, LG, Nokia, Viewsonic.
Щелевая маска - это технология, широко применяемая компанией NEC, под именем "CromaClear". 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. Минимальное расстояние между двумя ячейками называется slot pitch (щелевой шаг). Чем меньше значение slot pitch, тем выше качество изображения на мониторе.
Щелевая маска используется, помимо мониторов от NEC (где ячейки эллиптические), в мониторах Panasonic с трубкой PureFlat (ранее называвшейся PanaFlat). LG использует плоскую щелевую трубку Flatron с шагом 0.24 в своих мониторах.
Рис. 1 – Монитор LG Flatron 720В (2005 г.)
Апертурная решетка (aperture grill) - это тип маски, используемый разными производителями в своих технологиях для производства кинескопов, носящих разные названия, но имеющих одинаковую суть, например, технология Trinitron от Sony или Diamondtron от Mitsubishi. Это решение не включает в себя металлическую решетку с отверстиями, как в случае с теневой маской, а имеет решетку из вертикальных линий. Вместо точек с люминофорными элементами трех основных цветов апертурная решетка содержит серию нитей, 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, применяемая в трубках фирмы Sony (Mitsubishi, ViewSonic), представляет собой тонкую фольгу, на которой процарапаны тонкие вертикальные линии. Она держится на горизонтальной (ых) (одной в 15", двух в 17", трех и более в 21") проволочке, тень от которой Вы и видите на экране. Эта проволочка применяется для гашения колебаний и называется damper wire. Ее хорошо видно, особенно при светлом фоне изображения на мониторе. Некоторым пользователям эти линии принципиально не нравятся, другие же, наоборот, довольны и используют их в качестве горизонтальной линейки. Минимальное расстояние между полосами люминофора одинакового цвета называется strip pitch (или шагом полосы) и измеряется в миллиметрах (мм). Чем меньше значение strip pitch, тем выше качество изображения на мониторе.
Апертурная решётка используется в мониторах от Viewsonic, Radius, Nokia, LG, CTX, Mitsubishi, во всех мониторах от SONY.
Жидкокристаллические мониторы
LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча проходящего сквозь них. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня они достигли 19" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 17" и более LCD-мониторы.
Рис. 555 – Новинка 2009 года - Монитор Dell IN1720BK: разрешение - 1440*900, соотношение сторон экрана - 16:10, яркость - 250кд/м2, контрастность - 600:1, 8мс, тип матрицы - TN, углы обзора - 160/150.
Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и распологаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.
Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны.
В отсутствие напряжения кристаллы выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит практически без потерь.
Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.
Рис. 555 - Схематическое устройство красного субпиксела ЖК-монитора
Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.
Разрешение LCD-мониторов одно, и его еще называют native, оно соответствует максимальному физическому разрешению CRT-мониторов. Именно в native разрешении LCD-монитор воспроизводит изображение лучше всего. Это разрешение определяется размером пикселей, который у LCD-монитора фиксирован. Например, если LCD-монитор имеет native разрешение 1024x768, то это значит, что на каждой из 768 линий расположено 1024 электродов, читай: пикселей. При этом есть возможность использовать и более низкое, чем native, разрешение. Для этого есть два способа. Первый называется "Centering" (центрирование); суть метода в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселей, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине. Все неиспользуемые пиксели остаются черными, т.е. вокруг изображения образуется широкая черная рамка. Второй метод называется "Expansion" (растяжение). Суть его в том, что при воспроизведении изображения с более низким, чем native, разрешением используются все пиксели, т.е. изображение занимает весь экран. Однако, из-за того, что изображение растягивается на весь экран, возникают небольшие искажения, и ухудшается резкость. Поэтому при выборе LCD-монитора важно четко знать, какое именно разрешение вам нужно.
Яркость и контрастность LCD-мониторов не стандартизованы. При этом в центре яркость LCD-монитора может быть на 25% выше, чем у краев экрана. Контрастность LCD-монитора определяется отношением яркостей между самым ярким белым и самым темным черным цветом, является одним из основных параметров дисплея.
По отношению к свету матрица ЖК-дисплея является не активным, а пассивным элементом, она не способна излучать свет, а лишь способна модулировать проходящий через нее. Поэтому позади ЖК-матрицы всегда размещается модуль подсветки, а матрица лишь управляет своей прозрачностью. Регулировка прозрачности осуществляется за счет поворота плоскости поляризации – жидкие кристаллы расположены между двумя сонаправленными поляризаторами: сонаправленность означает, что если свет между ними не изменил свою плоскость поляризации, то он проходит через второй поляризатор без потерь.
Если плоскость поляризации повернута, то световой поток задерживается и соответствующая ячейка будет выглядеть черной. Однако по различным причинам – из-за неидеальности поляризаторов, не идеально точного расположения кристаллов и так далее – задержать весь свет невозможно, а потому какой-то его процент всегда будет проходить через матрицу, слегка "подсвечивая" черный цвет монитора.
Хорошим контрастным соотношением для современных мониторов считается 500-800:1, что обеспечивает воспроизведение живых насыщенных цветов.
Указывая большие цифры, производители явно лукавят, потому как высокие показатели контрастности получают в эталонных производственных условиях, а в реальном же мониторе добавляется влияние его электроники, и в некоторой степени управляется пользователем, регулирующим яркость, контрастность, цветовую температуру и другие параметры, а потому и реальные параметры монитора очень часто не соответствуют заявленным.
Единственный способ определить, подходит ли вам яркость и контрастность конкретного LCD-монитора, это сравнить его яркость с другими LCD-мониторами.
Для первых моделей ЖК-мониторов наиболее "популярной" характеристикой являлось «время отклика ».
Как уже говорилось, состояние пиксела в ЖК-панели меняется за счет изменения угла поворота жидких кристаллов под действием приложенного к ним электрического поля. Однако жидкие кристаллы – вещество сравнительно вязкое, поэтому поворот происходит не мгновенно, а за достаточно большое время порядка единиц или даже десятков миллисекунд. Традиционно производители матриц и мониторов измеряют время отклика как суммарное время переключения пиксела с черного на белый и обратно. Измеренное таким образом время отклика является минимальным, какое вообще может показать матрица. Если же, нас интересует переключение пиксела не с черного на белый, а с черного на темно-серый. Тогда, с одной стороны, кристаллам надо повернуться на меньший угол, но, с другой стороны, скорость их поворота пропорциональна напряженности приложенного электрического поля, а именно им и определяется угол поворота – чем меньший угол нам нужен, тем меньше должно быть электрическое поле.
Таким образом, у нас есть две противоборствующие тенденции – уменьшается не только угол поворота, но и его скорость, так что на практике время поворота кристалла (отклика) будет зависеть от соотношения этих тенденций.
Измерить время отклика без использования специального оборудования в домашних услових невозможно, можно лишь субъективно оценить его, запустив какую-нибудь динамичную игру.
Другой традиционной характеристикой проблемой ЖК-мониторов являются углы обзора – если изображение на ЭЛТ практически не страдает даже при взгляде почти параллельно плоскости экрана, то на многих ЖК-матрицах даже небольшое отклонение от перпендикуляра приводит к заметному падению контрастности и искажению цветопередачи.
В то же время все производители на данный момент заявляют, казалось бы, более чем достаточные углы обзора – у большинства моделей мониторов они составляют не менее 160 градусов как по вертикали, так и по горизонтали. Проблема здесь, как и с временем отклика, в том, как эти углы измеряются.
Большинство производителей указывают только вертикальные и горизонтальные углы обзора, в то время как, очевидно, на монитор можно посмотреть и, скажем, справа сверху. Ниже приведен график зависимости контрастности от обоих углов обзора (по данным компании Fujitsu):
Рис. 1 - График зависимости контрастности от обоих углов обзора.
Еще одной важной характеристикой ЖК-мониторов является цветопередача. С точки зрения цветопередачи производители обычно указывают лишь одну цифру – количество цветов, которое традиционно равняется 16,2 млн. или 16,7 млн. Это не совсем верно – дело в том, что очень многие из выпускаемых сейчас матриц не умеют отображать более 262 тысяч цветов (что соответствует 18 битам, или по 6 бит на каждый из трех базовых цветов). По этой причине производители матриц реализуют в них так называемый FRC (Frame Rate Control) – метод эмуляции недостающих цветов, при котором цвет пиксела меняется с каждым кадром в небольших пределах. Допустим, нам надо вывести цвет RGB:{154; 154; 154}, который наша матрица физически не поддерживает, однако она поддерживает два соседних цвета – RGB:{152; 152; 152} и RGB:{156; 156; 156}. Если теперь поочередно (с частотой кадровой развертки) выводить эти два цвета, то, в результате близости их цветов и инерционности как человеческого глаза, так и самой матрицы мы будем видеть некий усредненный цвет, то есть искомый RGB:{154; 154; 154}. Разумеется, это все же эмуляция, не дотягивающая до полноценной "true color" цветопередачи, а потому в описаниях мониторов с такими матрицами обычно указывают, что он воспроизводит 16,2 млн. цветов – иначе говоря, указание такого количества цветов однозначно говорит о том, что у монитора 18-битная матрица
На практике могут применяться более сложные механизмы FRC, работающие в сочетании с более привычным для пользователей дизерингом (когда нужный цвет формируется несколькими расположенными рядом пикселами с немного различающимися цветами), то есть меняющие на каждом кадре цвет не одного пиксела, а, скажем, группы из четырех пикселов – это позволяет более точно передавать недоступные матрице оттенки цвета, однако суть от этого в общем-то не меняется – "полноцветными" такие матрицы можно называть лишь условно.
Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей. Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России - ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс — 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий — 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих.
Рис. 1 - Макрофотография типичной ЖК-матрицы. В центре - два дефектных субпикселя (зелёный и синий).
Тем не менее, описанные проблемные места не помешали LCD-мониторам вытеснить с рынка мониторы на основе ЭЛТ, привлекая покупателей компактностью, минимальным энергопотреблением, а с последнего времени и доступной ценой. Исход битвы двух технологий стал ясен после того, как IBM объявила о выпуске монитора с матрицей, имеющей 200 пикселей на дюйм, то есть, с плотностью в два раза больше, чем у CRT-мониторов. Как утверждают эксперты, качество картинки отличается так же, как при печати на матричном и лазерном принтерах. Сравнение LCD-мониторов и CRT-мониторов приведено в таблице.
| Параметры | LCD monitor | CRT monitor |
| Разрешение | Одно разрешение с фиксированным размером пикселей. Оптимально можно использовать только в этом разрешении; в зависимости от поддерживаемых функций расширения или компрессии можно использовать более высокое или более низкое разрешение, но они не оптимальны. | Поддерживаются различные разрешения. При всех поддерживаемых разрешениях монитор можно использовать оптимальным образом. Ограничение накладывается только приемлемостью частоты регенерации. |
| Частота регенерации | Оптимальная частота 60 Гц, чего достаточно для отсутствия мерцания. | Только при частотах свыше 75 Гц отсутствует явно заметное мерцание. |
| Точность отображения цвета | Поддерживается True Color и имитируется требуемая цветовая температура. | Поддерживается True Color и при этом на рынке имеется масса устройств калибровки цвета, что является несомненным плюсом. |
| Формирование изображения | Изображение формируется пикселями, число которых зависят только от конкретного разрешения LCD-панели. Шаг пикселей зависит только от размера самих пикселей, но не от расстояния между ними. Каждый пиксель формируется индивидуально, что обеспечивает великолепную фокусировку, ясность и четкость. Изображение получается более целостным и гладким. | Пиксели формируются группой точек (триады) или полосок. Шаг точки или линии зависит от расстояния между точками или линиями одного цвета. В результате, четкость и ясность изображения сильно зависит от размера шага точки или шага линии и от качества CRT. |
| Угол обзора | В настоящее время стандартным является угол обзора 150o и выше; с дальнейшим развитием технологий следует ожидать увеличения угла обзора. | Отличный обзор под любым углом. |
| Энергопотребление и излучения | Практически никаких опасных электромагнитных излучений нет. Уровень потребления энергии примерно на 70% ниже, чем у стандартных CRT-мониторов. | Всегда присутствует электромагнитное излучение, однако его уровень зависит от того, соответствует ли CRT d какому-либо стандарту безопасности. Потребление энергии в рабочем состоянии на уровне 80 Вт. |
| Интерфейс монитора | Цифровой интерфейс, однако большинство LCD-мониторов имеют встроенный аналоговый интерфейс для подключения к наиболее распространенным аналоговым выходам видеоадаптеров. | Аналоговый интерфейс. |
| Сфера применения | Стандартный дисплей для мобильных систем. В последнее время начинает завоевывать место и в качестве монитора для настольных компьютеров. Идеально подходит в качестве дисплея для компьютеров, т.е. для работы в Интернет, с текстовыми процессорами и т.д. | Стандартный монитор для настольных компьютеров. Крайне редко используются в мобильном виде. Идеально подходит для отображения видео и анимации. |
Тем не менее, существуют и другие технологии, которые создают и развивают разные производители, например технология PDP (Plasma Display Panels), или просто "Plasma".
Плазменные мониторы
Такие крупнейшие производители, как Fujitsu, Matsushita, Mitsubishi, NEC, Pioneer и другие, уже более пяти лет производят плазменные мониторы.
Работа плазменных мониторов очень похожа на работу неоновых ламп, которые сделаны в виде трубки, заполненной инертным газом низкого давления. Внутрь трубки помещена пара электродов, между которыми зажигается электрический разряд и возникает свечение. Плазменные экраны создаются путем заполнения пространства между двумя стеклянными поверхностями инертным газом, например, аргоном или неоном. Затем на стеклянную поверхность помещают маленькие прозрачные электроды, на которые подается высокочастотное напряжение. Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком. Фактически, каждый пиксель на экране работает, как обычная флуоресцентная лампа (иначе говоря, лампа дневного света). Высокая яркость и контрастность наряду с отсутствием дрожания являются большими преимуществами таких мониторов. Кроме того, угол по отношению к нормали, под которым можно увидеть нормальное изображение на плазменных мониторах, существенно больше, чем в случае с LCD-мониторами. Главными недостатками такого типа мониторов является довольно высокая потребляемая мощность, возрастающая при увеличении диагонали монитора, и низкая разрешающая способность, обусловленная большим размером элемента изображения. Кроме этого, свойства люминофорных элементов быстро ухудшаются, и экран становится менее ярким, поэтому срок службы плазменных мониторов ограничен 10000 часами (это около 5 лет при офисном использовании). Из-за этих ограничений такие мониторы используются пока только для конференций, презентаций, информационных щитов, т.е. там, где требуются большие размеры экранов для отображения информации. Однако есть все основания предполагать, что в скором времени существующие технологические ограничения будут преодолены, а при снижении стоимости такой тип устройств может с успехом применяться в качестве телевизионных экранов или мониторов для компьютеров. Подобные телевизоры уже есть, они имеют большую диагональ, очень тонкие (по сравнению со стандартными телевизорами) и стоят достаточно дорого - до 100000 рублей.
Ряд ведущих разработчиков в области LCD и Plasma-экранов совместно разрабатывают технологию PALC (Plasma Addressed Liquid Crystal), которая соединяет в себе преимущества плазменных и LCD-экранов с активной матрицей. Далее мы рассмотрим основные направления развития технологий устройств визуализации.
Сенсорные мониторы
Сенсорные мониторы – плоскопанельные координатные устройства, сочетающие функции вывода визуальных данных с выбором и вводом отдельных элементов данных или меню путем прикосновения к поверхности монитора. Сенсорные мониторы позволяет создать гибкий интуитивный интерфейс, который широко используется в карманных и планшетных устройствах. В зависимости от принципа действия различают сенсорные мониторы следующих типов[28].
– Резистивные мониторыотличаются многослойной поверхностью экрана, на которой в момент нажатия возникает контакт между слоями с одновременной регистрацией электрического сигнала и координат места контакта. Резистивные сенсорные экраны дёшевы и стойки к загрязнению. Недостатками являются невысокая долговечность и недостаточная вандалоустойчивость.
– Проекционно-ёмкостные мониторы основаны на регистрации координат при изменении ёмкости между сеткой электродов на экране и телом человека в момент прикосновения. Емкостные мониторы допускают использование толстых защитных стекол, поэтому применяются в уличных автоматах.
– Поверхностно-акустические мониторы оснащены пьезоэлектрическими излучателями, которые распространяют поверхностно-акустическую волну (ПАВ) по поверхности экрана. Прикосновение к экрану меняет картину распространения акустических колебаний, что позволяет вычислить координаты места возмущения. Экраны на ПАВ отличаются большим ресурсом, применяются в основном в игровых автоматах или в охраняемых справочных системах.
– Инфракрасные сенсорные панели покрыты сеткой горизонтальных и вертикальных инфракрасных лучей, которые при касании к монитору прерываются и выдают данные о координатах контакта. Такие панели не допускают загрязнений, поэтому имеют ограниченное применение, например, в образовательных учреждениях в качестве интерактивных панелей большого размера.
В связи с массовым распространением телефонов, смартфонов, планшетных компьютеров сенсорные мониторы являются самым востребованным средством вывода в мобильной компьютерной технике.