Как устроена электронно-лучевая трубка

Мониторы Олег Татарников

В рекламных проспектах продавцы и производители делают акцент на тех характеристиках монитора, которые им выгодны (и которые зачастую только им и понятны).

Рассмотрим мониторы на базе электронно-лучевой трубки. CRT (Cathode Ray Tube), или ЭЛТ (электронно-лучевая трубка).

На рынке традиционных ЭЛТ-мониторов в качестве диагонали экрана в технических характеристиках указывается размер трубки по диагонали, а видимая ее область при этом в среднем на 1 дюйм меньше, так как края трубки скрыты в корпусе.

Классификация мониторов по типу маски

Современные мониторы с любым типом маски имеют практически плоский по форме экран, благодаря чему существенно снижаются искажения геометрии, особенно по углам. Поэтому тип маски по форме экрана определить не так просто.

На сегодняшний день в ЭЛТ-дисплеях используются три основные технологии формирования матриц и масок для RGB-триад:

 

трехточечная теневая маска (DOT-TRIO SHADOW-MASK CRT);

 

 

 

щелевая или гнездовая (SLOT-MASK CRT —);

 

 

апертурная решетка (APERTURE-GRILLE CRT;

 

 

Тип маски можно определить, посмотрев на экран в 10-20-кратную лупу.

При создании мониторов помимо масок используются различные отклоняющие системы и прочая сложная электроника. Хотя сам экран и является наиболее важным фактором, определяющим эксплуатационные параметры дисплея, отклоняющая система и видеоусилитель также играют значительную роль. Поэтому не следует думать, что при использовании одной и той же трубки изготовители получают мониторы с одинаковыми параметрами.

Производители различных моделей говорят о преимуществах именно своей технологии, но тот факт, что на рынке предлагается несколько моделей и, кроме того, многие производители мониторов выпускают модели с различными типами матриц, свидетельствует, что однозначного выбора быть не может. Предпочтения определяются только вкусами и целями пользователей.

Теневая маска

Итак, каждая пушка излучает пучок электронов, который влияет на люминофорные элементы разного цвета (зеленого, красного или синего). 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, структура которой зависит от типа кинескопов разных производителей и обеспечивает дискретность изображения (растр). Самые распространенные типы масок — теневые, которые бывают двух типов: трехточечная теневая маска и щелевая маска. Электронный луч достигает экрана, пройдя через теневую маску, которая может иметь различную (точечную или линейную) структуру.

Наиболее старая и широко распространенная технология — трехточечная теневая маска. Она использует перфорированную металлическую пластину с однородными точками (они называются триадами, так как каждая такая точка состоит из трех элементов люминофора основных цветов — зеленого, красного и синего), которые светятся с различной интенсивностью под воздействием лучей из электронных пушек. Изменением тока каждого из трех электронных лучей можно добиться произвольного цвета элемента (пиксела) изображения, образуемого триадой. В современных моделях с теневой маской применяется инвар — специальный сплав железа и никеля с очень небольшим коэффициентом температурного расширения, поэтому смещение масок при нагреве остается минимальным. Однако практика показывает, что ни один из мониторов не обеспечивает идеального выполнения этой задачи по всей поверхности экрана.

Ранние ЭЛТ-дисплеи с теневой маской имели выраженную криволинейную (сферическую) поверхность. Это позволяло добиваться лучшей фокусировки и уменьшало нежелательные эффекты и отклонения, вызываемые нагревом. В настоящее время большинство современных мониторов имеют практически плоский прямоугольный экран (типа FST).

Мониторы с теневой маской имеют следующие преимущества:

· текст выглядит лучше (особенно при малом размере точек);

· цвета натуральнее и точнее (что особенно важно для компьютерной графики и в полиграфии);

· отлаженная технология обеспечивает лучшее соотношение стоимости и эксплуатационных качеств.

Следовательно, такие мониторы можно рекомендовать для универсального применения, офисных приложений и домашнего использования.

Из минусов можно отметить меньшую яркость этих мониторов, недостаточную контрастность изображения и более короткий срок службы по сравнению с другими типами дисплеев.

Расстояние между люминофорными элементами одинакового цвета здесь называется Dot Pitch, или шаг точки, и является индексом качества изображения. Шаг точки обычно измеряется в миллиметрах. Чем меньше значение шага точки, тем выше возможное разрешение монитора.

Щелевая маска

Щелевые маски (Slot Mask) используются в кинескопах с планарным расположением пушек, а люминофор трех основных цветов здесь наносится на экран не в виде точек, а в виде вертикальных чередующихся полосок (пунктиром) таким образом, чтобы одному щелевидному отверстию соответствовала своя RGB-триада. Вертикальные полосы фактически разделены на эллиптические ячейки, которые содержат группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов. В таких ЭЛТ все три электронные пушки соосны друг другу, расположены в одной вертикальной плоскости и наклонены под небольшим углом к горизонтальной плоскости. Подобная гибридная технология позволяет сочетать все преимущества других типов масок — при отсутствии их недостатков. Четкий и ясный текст, натуральные, но достаточно яркие цвета и высокая контрастность изображения неизменно привлекают к этим мониторам внимание всех групп пользователей.

Расходясь после точки схождения, лучи образуют эллипс, охватывающий одновременно только одно отверстие щелевой маски и соответственно три полоски люминофора, находящиеся за ней. Отверстие щелевой маски находится напротив средней (зеленой) полоски люминофора.

Отношение площади отверстий к общей площади маски в электронно-лучевых трубках такого типа значительно выше, чем у обычной теневой маски, поэтому тот же уровень яркости свечения может быть достигнут при значительно меньшей мощности электронных пучков, следовательно, срок службы таких кинескопов существенно больше.

Минимальное расстояние между двумя ячейками называется Slot Pitch, или щелевой шаг. Чем меньше значение щелевого шага, тем выше возможное разрешение монитора.

Апертурная решетка

Апертурная решетка (Aperture Grill) — это тип маски, которую впервые предложила фирма Sony, выпустив мониторы с трубкой Trinitron. Теперь подобные технологии используются разными производителями кинескопов, в частности Diamondtron от Mitsubishi. В электронных пушках этих трубок используются динамические квадрупольные магнитные линзы, позволяющие формировать очень тонкий и точно направленный пучок электронов. Благодаря такому решению значительно снижается астигматизм — рассеивание электронного пучка, приводящее к недостаточной резкости и контрастности изображения (особенно по горизонтали). Но главное отличие от технологии теневой маски состоит в том, что вместо металлической пластины с круглыми отверстиями, выполняющей функции маски, здесь используется вертикальная проволочная сетка (апертурная решетка), люминофор наносится не в виде точек, а в виде вертикальных полос трех основных цветов. Для гашения поперечных колебаний и придания проволочной сетке дополнительной жесткости применяются горизонтальные проволочки, которые называются Damper Wire — демпферные нити (одна в 15-дюймовых, две — в 17-дюймовых и больших мониторах). Тени от нитей видны на экране, особенно на светлом фоне, и вызывают раздражение у некоторых пользователей. Кроме того, если в процессе работы такой монитор слегка качнуть, то колебания изображения будут видны даже невооруженным глазом. Именно поэтому мониторы с этими трубками не рекомендуется ставить на системные блоки типа desktop. Остается добавить, что в электронно-лучевых трубках Sony Trinitron используется система трех пучков электронов, излучаемых одной пушкой, а в трубках Diamondtron с подобной апертурной решеткой компании Mitsubishi — система из трех лучей с тремя пушками.

Мониторы с апертурной решеткой имеют много преимуществ:

· в тонкой сетке меньше металла, что позволяет использовать больше энергии электронов на реакцию с люминофором, а значит, меньше энергиирассеивается на решетке и уходит в тепло;

· увеличенная площадь покрытия люминофором позволяет повысить яркость излучения при той же интенсивности пучка электронов;

· в связи со значительным общим повышением яркости можно использовать более темное стекло и получать на экране более контрастное изображение;

· экран монитора с апертурной решеткой более плоский, чем у дисплеев с теневой маской, а в последних моделях даже не цилиндрический, как раньше, а почти абсолютно ровный, что гораздо удобнее в работе и уменьшает количество бликов и отражений;

· расширены возможности регулировки цветовой температуры и насыщенности цвета;

· дисплей с такой ЭЛТ можно откалибровать точнее, чем с теневой маской.

Такие дисплеи можно порекомендовать для профессионального использования, презентационной графики, мультимедиа и работы с цветом.

Минимальное расстояние между полосами люминофора одинакового цвета здесь называется Strip Pitch, или шаг полосы, и измеряется в миллиметрах. Чем меньше значение Strip Pitch, тем выше возможное разрешение монитора.

Разрешение

Разрешающая способность характеризует качество воспроизведения изображения монитором. Для получения высокого разрешения в первую очередь высококачественным должен быть видеосигнал. Электронные цепи должны обработать его таким образом, чтобы обеспечить правильные уровни и сочетания фокусировки, цвета, яркости и контраста. Разрешающая способность характеризуется числом точек или, как еще говорят, пикселов (Dot) на число строк (Line). Например, разрешение монитора 1024×768 означает возможность различить до 1024 точек по горизонтали при числе строк до 768.

Горизонтальная развертка

Кроме шага точки, или величины «зерна», на максимально поддерживаемое монитором разрешение напрямую влияет частота горизонтальной развертки электронного луча, измеряемая в килогерцах (кГц). Время горизонтального перемещения луча от левого до правого края экрана называется периодом горизонтальной развертки. Величина, обратно пропорциональная этому периоду, называется частотой горизонтальной развертки, или просто горизонтальной разверткой (иногда встречаются названия «частота строчной развертки», «строчная частота»). Например, для монитора с разрешением 1024×768 пикселов горизонтальная развертка обратно пропорциональна времени, за которое луч сканирует 1024 пиксела. При увеличении разрешающей способности за тот же период времени луч должен отсканировать большее число пикселов. При увеличении частоты кадров также должна быть увеличена частота горизонтальной развертки. Соответственно, чем больше предельное значение (именно оно, как правило, указывается на коробке для монитора), тем выше разрешение может поддерживать монитор при приемлемой частоте кадров. Предельная частота строк является критичным параметром при разработке CRT-монитора. В таких мониторах используются магнитные системы отклонения электронного луча, представляющие собой обмотки с довольно большой индуктивностью. Амплитуда импульсов перенапряжения на катушках строчной развертки возрастает с частотой строк, поэтому данный узел оказывается одним из самых узких мест конструкции и одним из главных источников помех в широком диапазоне частот. Мощность, потребляемая узлами строчной развертки, также серьезно учитывается при проектировании мониторов.

Полоса пропускания

Под частотой точек (Dot Rate) понимают максимальное число входящих точек в секунду, которое определяется разрешением по горизонтали и периодом сканирования по горизонтали источника сигнала. Полоса пропускания видеоусилителя характеризует то, насколько полно исходный видеосигнал преобразуется в выходной. Грубо говоря, это максимальная частота, с которой электронный луч перескакивает с пиксела на пиксел. Таким образом, видеоусилитель и генератор строчной развертки должны соответствовать друг другу по качеству:

Частота точек = (разрешение по горизонтали): (горизонтальная развертка).

Полоса пропускания = 0,35 × 2: (время нарастания или спада сигнала).

Светопередача монитора

Отношение полезной световой энергии, прошедшей через переднее стекло монитора, к излученной внутренним фосфоресцирующим слоем называется коэффициентом светопередачи. Как правило, чем темнее выглядит экран при выключенном мониторе, тем ниже данный коэффициент.

При высоком коэффициенте светопередачи для обеспечения требуемой яркости изображения нужен небольшой уровень видеосигнала, а схемотехнические решения упрощаются. Однако при этом уменьшается перепад между излучающими участками и соседними, что влечет за собой ухудшение четкости и снижение контрастности изображения и, как следствие, — ухудшение его общего качества.

При низком же коэффициенте светопередачи улучшаются фокусировка изображения и качество цвета, но для получения достаточной яркости необходим мощный видеосигнал и усложнение схемы монитора.

Монитор должен позволять осуществлять регулировку яркости и контрастности в широких пределах. Именно «заделы» яркости и контрастности являются показателями качества.

Обычно 17-дюймовые мониторы имеют коэффициент светопередачи 52-53%, а 15-дюймовые — 56-58%, хотя в зависимости от конкретно выбранной модели эти значения могут варьироваться. Поэтому для определения точного значения коэффициента светопередачи следует обращаться к документации производителя.

Яркость

Регулировкой яркости устанавливается ее уровень на экране в целом, включая зону растра. Управление контрастом позволяет устанавливать яркость зоны данных, изменяя коэффициент усиления входного видеосигнала и не влияя на яркость зоны растра.

Контраст

Контраст характеризует яркость экрана по сравнению с темной зоной в отсутствие видеосигнала. Контраст можно настроить специальной регулировкой, воздействующей на входной видеосигнал.

Равномерность

Под равномерностью понимается постоянство уровня яркости по всей поверхности экрана монитора, обеспечивающее пользователю комфортные условия для работы. Временная неравномерность цвета может быть устранена размагничиванием экрана. Принято различать термины «равномерность распределения яркости» и «равномерность белого»:

· равномерность распределения яркости — большинство мониторов имеют разную яркость в различных участках экрана. Отношение яркости в наиболее светлой части к яркости в наиболее темной называется равномерностью распределения яркости;

· равномерность белого (White Uniformity) — характеризует различие в яркости белого цвета на экране монитора по всей его поверхности (при выводе изображения белого цвета). Численно равномерность белого равна отношению максимальной и минимальной яркости.

Сведение

Для получения четкого изображения и чистых цветов на экране монитора красный, зеленый и синий лучи, исходящие из всех трех электронных пушек, должны попадать в точно заданное место на экране. Термин «несведение лучей» означает отклонение красного и синего от центрирующего зеленого.

· статическое несведение — разброс «смещений» в тройке цветов (RGB-триаде), которые должны быть одинаковыми по всей поверхности экрана; вызывается незначительной погрешностью при сборке электронной пушки. Изображение на экране может быть откорректировано регулировкой статического сведения;

· динамическое несведение — в то время как в центре экрана монитора изображение остается четким, на его краях может проявиться несведение. Оно вызывается ошибками в обмотках или при их установке и может быть устранено с помощью магнитных пластин.

Динамическая фокусировка

Если не предприняты специальные меры, электронный луч расфокусируется (увеличивается в диаметре) по мере своего удаления от центра экрана. Для компенсации искажения формируется специальный компенсирующий сигнал. Величина компенсирующего сигнала зависит от свойств ЭЛТ и ее отклоняющей системы. Чтобы устранить смещение фокуса, вызванное различием в путях пробега луча (расстоянии) от электронно-лучевой пушки до центра и до краев экрана, требуется с помощью высоковольтного трансформатора увеличивать напряжение в соответствии с ростом отклонения луча от центра.

Мерцание

Монитору в принципе свойственно мерцание. Оно вызывается тем, что по прошествии определенного времени происходит ослабление излучения света фосфором. Чтобы поддерживать свечение, экран должен подвергаться периодическому воздействию луча от электронно-лучевой трубки. Мерцание становится заметным, если слишком велик интервал времени между воздействиями или если недостаточно время послесвечения фосфоресцирующего вещества экрана. Эффект мерцания может также усугубляться ярким экраном и большим углом зрения к нему. Устранению мерцания как проблеме эргономики в последнее время уделяется все больше внимания; уровень мерцание экрана, таким образом, становится ключевым коммерческим показателем товара. Уменьшение мерцания достигается увеличением частоты регенерации (обновления) экрана на каждом уровне разрешения. Стандарт VESA рекомендует использовать частоту не менее 85 Гц.

Муар

Муаром называются искажения, воспринимаемые глазом как волокноподобные, волнообразные разводы изображения, вызванные неправильным взаимодействием теневой маски и сканирующего луча. Фокус и муар являются взаимосвязанными показателями мониторов на базе ЭЛТ. Вообще, муар должен допускаться в некоторой мере для обеспечения хорошего фокуса.

Дрожание (Jitter)

Дрожание изображения возникает вследствие высокочастотных вибраций отверстий маски монитора, вызванных как взаимовлиянием сети, сигналов видео, смещения, блока управления микропроцессорными цепями, так и неправильной организацией заземления. Термин «дрожание» относится к колебаниям с частотами выше 30 Гц. При частотах от 1 до 30 Гц чаще употребляют термин «плавание», а ниже 1 Гц — «дрейф». Дрожание в той или иной степени свойственно всем мониторам. Хотя незначительное дрожание может остаться для пользователя незаметным, оно все же вызывает утомление глаз и должно быть отрегулировано. В предписаниях по эргономике допускается диагональное отклонение точки не более 0,1 мм. Если вы не можете устранить дрожание электрическими средствами, попробуйте увеличить частоту регенерации экрана.

Мониторы Олег Татарников

В рекламных проспектах продавцы и производители делают акцент на тех характеристиках монитора, которые им выгодны (и которые зачастую только им и понятны).

Рассмотрим мониторы на базе электронно-лучевой трубки. CRT (Cathode Ray Tube), или ЭЛТ (электронно-лучевая трубка).

На рынке традиционных ЭЛТ-мониторов в качестве диагонали экрана в технических характеристиках указывается размер трубки по диагонали, а видимая ее область при этом в среднем на 1 дюйм меньше, так как края трубки скрыты в корпусе.

Как устроена электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ, или CRT, Cathode Ray Tube) — это традиционная технология формирования изображения на дне герметично запечатанной стеклянной «бутылки». Мониторы получают сигнал от компьютера и преобразуют его в форму, воспринимаемую электронно-лучевой пушкой, расположенной в «горлышке» этой огромной бутылки. Пушка «стреляет» в нашу сторону, а широкое дно (куда мы, собственно, и смотрим) состоит из маски и люминесцентного покрытия, на котором создается изображение. В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов (иттрия, эрбия и т.п.). Люминофор — это вещество, испускающее свет при бомбардировке его заряженными частицами. Электромагнитные поля управляют пучком электронов: поток на пути к люминофору проходит через модулятор интенсивности и ускоряющую систему, работающие по принципу разности потенциалов; отклоняющая система изменяет направление потока частиц таким образом, что они достигают нужного места на экране, проходя через теневую маску, падают на фосфоресцирующую поверхность и формируют на нем изображение (активизированный электронным лучом участок экрана испускает свет, видимый глазом,
). Такая технология называется эмиссионной.

Цвет — одно из свойств объектов материального мира, воспринимаемое нами как зрительное ощущение. Зрительные ощущения возникают под действием на органы зрения излучений видимого диапазона, длины волн которых находятся примерно в пределах 380-780 мкм. Физические свойства излучения тесно связаны со свойствами вызываемого ими ощущения: с изменением мощности изменяется светлота, а с изменением длины волны — цветность (характеристиками цвета являются цветовой тон и насыщенность). Таким образом, восприятие цвета — продукт нашего мозга, поэтому у каждого человека оно индивидуально.

Цвета на мониторе (впрочем, как и на телевизионном экране) получаются аддитивным (суммарным) смешением трех основных цветов — RGB, то есть красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Эта триада, смешанная с одинаковой интенсивностью, дает нам белый цвет, а для того, чтобы добиться цветовых оттенков, интенсивность каждого из этих цветов дозируется в необходимой пропорции.

ЭЛТ-мониторы, как правило, имеют три отдельные электронные пушки (по одной на каждый из основных цветов триады), которые бьют по небольшому участку люминофора своего цвета с различной интенсивностью.

Экран монитора представляет собой матрицу, состоящую из гнезд-триад, определенной структуры и формы (зависящей от конкретной технологии изготовления). Каждое такое гнездо состоит из трех элементов (точек, полос или других структур), формирующих RGB-триаду, в которой основные цвета располагаются настолько близко друг к другу, что отдельные элементы неразличимы для глаза.

Таким образом, электронно-лучевые трубки, используемые в современных мониторах, имеют следующие основные элементы:

· электронные пушки (по одной на каждый цвет RGB-триады или одну, но испускающую три пучка);

· отклоняющую систему, то есть набор электронных «линз», формирующих пучок электронов;

· маску, обеспечивающую точное попадание электронов от пушки каждого цвета в «свои» точки экрана;

· слой люминофора, формирующий изображение при попадании электронов в точку соответствующего цвета.

Указанные элементы и находятся в центре непрерывной борьбы производителей за качество изображения.

Электронная пушка состоит из подогревателя, катода, испускающего поток электронов, и модулятора, ускоряющего и фокусирующего электроны. В современных кинескопах применяются оксидные катоды, в которых электроны испускаются эмиссионным покрытием из редкоземельных элементов, нанесенным на никелевый колпачок с расположенной внутри него нитью накала. Подогреватель обеспечивает нагревание катода до температуры 850-880 °C, при которой происходит испускание (эмиссия) электронов с поверхности катода. Остальные электроды трубки используются для ускорения и формирования пучка электронов. Соответственно каждая из трех электронных пушек создает пучок электронов для формирования своего цвета. Электронные лучи, расходясь после соответствующей маски, попадают на точки люминофора нужного цвета и заставляют их светиться.