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 ЭЛТ на 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 развертки электронный 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 развертка имеет место в векторных дисплеях с ЭЛТ. Здесь электронный луч проходит вдоль линий изображения.

При развертке на экране радара электронный 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 кинескопе используются 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 ЭЛТ в 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.