Глава 17. Электронные средства и комплексы отображения информации

С точки зрения используемых технологий электронные средства и комплексы отображения информации можно разделить на два класса: светопропускающие и излучающие.

Рис. 17.1. Классификация СОИ по принципу действия

По принципу действия их можно классифицировать следующим образом.

Светопропускающие дисплеи:

• жидкокристаллические (LCD);

—с пассивной матрицей;

—с активной матрицей;

• электрохимические (ECD).

Излучающие дисплеи:

—электронно-лучевые трубки (CRT);

—плазменные (PDP);

—вакуумные флюоресцентные (VFD);

—светодиодные (LED);

—органические светодиодные (OLED);

—дисплеи с эмиссией полем (FED);

—светоизлучающие полимеры (LEP);

—электролюминесцентные дисплеи (ELD).

Здесь мы не сможем рассмотреть все существующие технологии, поэтому коснемся лишь тех, которые, на наш взгляд, представляют наибольший интерес с точки зрения применения в бортовых СОИ.

17.1. Устройства и системы отображения информации на элт

Устройства отображения информации на ЭЛТ делятся на черно-белые и цветные дисплеи.

Черно-белые дисплеи. Первые мониторы для представления графической информации на экране дисплея были векторными - в мониторах этого типа электронный пучок создает линии на экране, перемещаясь непосредственно от одного набора координат к другому.

Рис. 17.2. Векторные и растровые дисплеи на ЭЛТ

Соответственно, в таких мониторах отсутствует необходимость разбивать экран на пикселы. Позднее появились мониторы с растровым сканированием. В мониторах подобного типа электронный пучок сканирует экран слева направо и сверху вниз, пробегая каждый раз всю поверхность экрана.

Схематичное устройство черно-белой электронно-лучевой трубки можно представить следующим образом.

Рис. 17.3. Схема устройства ЭЛТ

Нагретый катод испускает электроны, которые проходят через модулятор, управляющий яркостью, и фокусируются фокусирующими электродами, так, чтобы пятно на экране было порядка 0,1 – 0,3 мм. Далее электронный пучок отклоняется отклоняющей системой. Для черно-белых трубок дисплеев обычно используется электромагнитное отклонение с помощью катушек, надетых на горловину кинескопа, но используется и электростатическое отклонение с помощью отклоняющих пластин.

Рис. 17.4. Схема электростатической отклоняющей системы

Электростатическая отклоняющая система обладает меньшей инерционностью, поэтому она используется там, где необходимо отображать быстро протекающие процессы, например, в некоторых типах радиолокационных трубок.

Отклоненный пучок попадает на внутреннюю поверхность колбы, покрытую сплошным слоем люминофора, и вызывает его свечение. Ускоряющее напряжение для таких кинескопов превышает 10 КВ, ток пучка более, чем 10 мкА. При диаметре пятна порядка 0.25 мм выделяемая мощность составляет свыше 150 Вт/см² (Для сравнения, электроплитка обеспечивает мощность на уровне 7 Вт/см²).

Пространственное разрешение таких ЭЛТ определяется диаметром пятна и составляет 3-10 точек/мм (85-250 точек/дюйм).

Адресное разрешение определяется схемотехническими решениями разработчиков дисплея и составляет для пользователей обычно 1024 пиксела по горизонтали (10 разрядов). Для уменьшения эффектов ступенчатости внутри цифровых систем разверток векторных дисплеев используется 11 или 12 разрядов.

Цветные дисплеи. Устройство цветных дисплеев подобно устройству черно-белых с тем отличием, что обязательно имеется три типа люминофора для красного, зеленого и синего цветов. Монитор получает сигнал от компьютера и передает его на электронно-лучевую пушку, которая формирует луч, передающий совокупность RGB сигналов на переднюю панель трубки. Электромагнитные поля отклоняющей системы управляют пучком электронов, изменяя направление потока частиц таким образом, что они достигают нужного места на экране. При этом поток электронов, проходя через теневую маску, падает на фосфоресцирующую поверхность и формирует изображение (активизированный электронным лучом участок экрана испускает свет, видимый глазом).

Такая технология называется «эмиссионной». 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.

Рис. 17.5. Цветной кинескоп

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;

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

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

Эти элементы в основном определяют качество изображения на экране дисплея.

Электронная пушка состоит из подогревателя, катода, испускающего поток электронов, модулятора, ускоряющего и фокусирующего электродов.

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 и происходит испускание (эмиссия) электронов с поверхности катода. Остальные электроды трубки используются для ускорения и формирования пучка электронов.

В случае трех электронных пушек, каждая из них создает пучок электронов для формирования своего цвета. При этом различают ЭЛТ с дельтовидным и планарным расположением пушек.

Рис. 17.6. Схема устройства электронной пушки

При дельтовидном расположении электронные пушки размещаются в вершинах равностороннего треугольника под углом 1° к оси кинескопа. Ошибка в значении угла наклона не должна превышать . Наклон пушек выбирается таким образом, чтобы электронные лучи пересекались в некоторой точке (точке схождения) и дальше, расходясь на определенный угол, образовывали на маске небольшой круг, в пределах которого одновременно может находиться только одно отверстие теневой маски и одна RGB-триада (три точки люминофора основных цветов). Соответственно точки люминофора при этом также располагают по вершинам равностороннего треугольника, образующего эту триаду. Центр каждого отверстия в теневой маске расположен напротив оси симметрии данной триады точек люминофора. Электронные лучи, расходясь после теневой маски, попадают на точки люминофора соответствующего цвета и заставляют их светиться.

В настоящее время наиболее массовым типом цветного кинескопа является т.н. планарный кинескоп, называемый также кинескопом со штриховым люминофором, или кинескопом с щелевой маской (PIL - Precision In Line). В таких ЭЛТ все три электронные пушки соосны друг другу, расположены в одной вертикальной плоскости и наклонены под небольшим углом к горизонтальной плоскости. Такое расположение в значительной мере позволяет скомпенсировать воздействие на пучки электронов магнитного поля Земли и упростить сведение лучей. У планарных кинескопов все электроды электронно-оптической системы кроме катодов - общие. Поэтому требуется прецизионное изготовление и сборка всех узлов трубки. Достоинства планарных кинескопов связаны с большей прозрачностью маски, большим заполнение экрана люминофором, большей яркостью и меньшим энергопотреблением. Кроме того, до углов отклонения в 90^° не нужно динамическое сведение лучей.

Отклоняющая система устанавливается с тыльной стороны монитора и включает катушки горизонтального и вертикального отклонения луча, которые придают лучу, при протекании по ним тока, нужное направление.

Рис. 17.7. Схема размещения основных элементов ЭЛТ

Отклоняющие системы подразделяются на седловидно-тороидальные и седловидные. Последние предпочтительнее, поскольку создают пониженный уровень излучения.

Теневая маска. Электронный луч достигает экрана, пройдя через теневую маску, которая может иметь различную (точечную или линейную) структуру.

Рис. 17.8. Схема теневой маски

Теневая маска, выполненная из тонкого сплава, направляет электронный луч на флуоресцирующий материал определенного цвета. При этом маска задерживает 70-85% всех электронов, испускаемых катодами, в результате чего она нагревается до высокой температуры.

Раньше маски изготавливали из сплавов на основе железа, и при сильном нагревании они деформировались, в результате чего отверстия смещались относительно триад люминофора. Для компенсации смещений маска крепилась к экрану при помощи системы «замков» из материала со специально подобранным коэффициентом температурного расширения; при нагревании эти «замки» перемещали маску вдоль оси ЭЛТ в сторону экрана.

В современных моделях применяется теневая маска из инвара - специального сплава с очень небольшим коэффициентом температурного расширения, поэтому смещение масок при нагреве остается минимальным.

Основными проблемами цветных масочных кинескопов, определившими необходимость разработки альтернативных конструкций масок, являются следующие:

• большие напряжения и токи;

• малая яркость (на экран из-за маски попадает ~ 20% электронов);

• малый срок службы;

• недостаточно высокая чистота цвета - однородность свечения экрана по каждому цвету в отдельности;

• статическое сведение лучей;

• динамическое сведение лучей;

• статический и динамический балансы белого.

В кинескопах с планарным расположением пушек используются щелевые маски (вертикальная проволочная сетка - апертурная решетка), а люминофор трех основных цветов наносится на экран в виде вертикальных чередующихся полосок таким образом, чтобы одному щелевидному отверстию соответствовала 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.

Рис. 17.8. Схема щелевой маски

Отношение площади отверстий к общей площади маски в электронно-лучевых трубках такого типа значительно выше, чем у теневой маски, поэтому та же яркость свечения может быть достигнута при значительно меньшей мощности электронных пучков и, следовательно, срок службы таких кинескопов существенно больше. Однако нельзя однозначно утверждать, что технология, использующая апертурную решетку, лучше трехточечной теневой маски, поскольку ответ на этот вопрос зависит от того, требуют ли приложения, с которыми вы работаете, более четкой картинки или более насыщенных цветов. Дело в том, что использование апертурной решетки позволяет получить пикселы большего размера и меньшее общее разрешение, но яркость в целом увеличивается, а при использовании решетки с теневой маской пикселы получаются меньшего размера, разрешение больше, но при этом снижается яркость. В любом случае качество маски определяется тем, насколько тесно на ней расположены отверстия или щели, и измеряется так называемым шагом (dot pitch) теневой маски и шагом апертурной решетки.

И, наконец, последний, комбинированный тип маски, так называемая гнездовая маска (SLOT-MASK CRT), представляет собой вариант, в котором используются не круглые отверстия, а щели, как в апертурной решетке, только короткие «пунктиром», и люминофор наносится в виде таких же эллиптических полосок, а полученные таким образом гнезда для большей равномерности расположены в «шахматном» порядке.

Такая гибридная технология позволяет сочетать все преимущества вышеописанных типов при отсутствии их недостатков. Четкий и ясный текст, натуральные, но достаточно яркие цвета и высокая контрастность изображения неизменно привлекают к этим мониторам все группы пользователей.

Рис. 17.9. Схема гнездовой маски

Экран монитора. По достижении поверхности экрана луч взаимодействует с ним, при этом энергия электронов преобразуется в световую. Экран представляет собой обладающую особыми оптическими свойствами стеклянную поверхность, на которой распылен специальный фосфоресцирующий материал. Высокое качество изображения достигается правильным выбором материалов и технологии. Фосфоресцирующий материал должен обеспечивать требуемую энергетическую эффективность, разрешающую способность, долговечность, точную цветопередачу и послесвечение.

Маска электронно-лучевой трубки монитора имеет определенное число отверстий, через которые проходят электронные лучи RGB. Расстояние между соседними отверстиями теневой маски влияет на величину зерна изображения. Под величиной зерна понимается расстояние между соседними точками одного цвета. Распространенный показатель разрешающей способности монитора — число точек на дюйм (dpi — dots per inch) — определяется отношением числа точек к размеру экрана в дюймах по горизонтали. Например, dpi 14-дюймового монитора в режиме VGA (640 точек по горизонтали) составляет 65.

Рис. 17.10. Оценка величины зерна изображения

Увеличение шага приводит к ухудшению фокусировки. Обычно у мониторов хорошего качества шаг не превышает 0,28 мм в моделях с теневой маской и 0,3 мм — в мониторах с апертурной решеткой. В настоящее время появились ЭЛТ с шагом точек менее 0,15 мм.

Одной из наиболее важных характеристик экрана ЭЛТ является разрешение монитора. Число строк на мониторе с растровым сканированием зависит от расстояния наблюдения и остроты зрения человека. Для получения хорошего качества и меньшего утомления глаза человека число строк должно быть таким, чтобы при наблюдении с выбранного расстояния отдельные строки не были различимы. Для неразличимости двух строк угловое расстояние между ними должно составлять величину порядка 4/10000 радиана.

Важным параметром в определении числа строк является отношение высоты экрана к расстоянию до глаза. Имеется оптимальное значение этого отношения. Так, если расстояние мало, глаз не видит весь объект. Напротив, при большом расстоянии становятся неразличимыми детали. При формате кадра 4:3 оптимальное расстояние наблюдения составляет 4...6 высот экрана. Таким образом, оптимальное число строк составляет от 416 до 625.

Кроме психофизиологических условий разрешение мониторов определяется технологией изготовления. Выше мы говорили, что для цветного кинескопа разрешение определяется величиной зерна изображения (расстоянием между пятнами люминофора одного и того же цвета).

Еще одним параметром, определяющим качество экрана монитора, является время послесвечения. Это время, в течение которого после выключения луча продолжается световая эмиссия (фосфоресценция) люминофора.

От времени послесвечения зависит, как часто будет требоваться регенерация изображения, т.е. его повторное отображение для того, чтобы пользователь видел немерцающую картину. Параметры некоторых люминофоров приведены в табл. 7.1.

Современные мониторы с любой маской имеют практически плоскую форму экрана, благодаря которой существенно снижаются искажения геометрии, особенно по углам. 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 апертурная решетка (APERTURE-GRILLE CRT);

• гнездовая маска (SLOT-MASK CRT).

Хотя сам экран и является наиболее важным фактором, определяющим эксплуатационные параметры дисплея, отклоняющая система и видеоусилитель также играют важную роль. Поэтому рассмотрим, как влияют все эти конструктивные элементы в комплексе на параметры дисплеев.

ЭЛТ-мониторы с трехточечной теневой маской используют наиболее старую технологию с перфорированной металлической пластиной, помещаемой перед люминофором. Практика показывает, что этот способ не обеспечивает необходимой концентрации каждого луча по всей поверхности экрана. Ранние ЭЛТ-дисплеи подобного типа имели выраженную криволинейную (сферическую) поверхность. Это позволяло добиваться лучшей фокусировки и уменьшало нежелательные эффекты и отклонения, вызываемые нагревом. В настоящее время большинство профессиональных и специализированных мониторов имеет практически плоский прямоугольный экран (типа FST).

Таблица 7.1

Параметры некоторых люминофоров

Тип	Состав	Длина волны (нм)	Цвет	Послесвечение, 10%	Применение
P1	Zn2SiO4:Mn	525	YG	24	Радар, осциллографические трубки
P2	ZnS:Cu	543	YG	35-100	Осциллографические трубки
P4	ZnS-CdS:Ag	460/560	W	25/60	TV
P7	ZnS-CdS:Cu	440/560	B/YG	0,05/300	Радар, осциллографические трубки
P11	ZnS:Ag	460	B	.025/.08	Фотозапоминающие трубки
P12		Оранж.	Or	210	Фотозапоминающие трубки
P13		Зелен.	G	0.038	Фотозапоминающие трубки
P16	Ca2Mg2Si2O7:Ge	385	UV	0,12 мкс	Фотозапоминающие и сканирующие трубки
P18		YG	YG	600	Фотозапоминающие и сканирующие трубки
P20	ZnS-CdS:Ag	560	YG	0,05-2	Фотозапоминающие и сканирующие трубки
P22-B	ZnS:Ag	440	B	22мкс	TV
P22-G	ZnS-CdS:Ag	535	YG	60мкс	TV
P22-R	Y2O2S:Eu	635	R	1	TV
P22-GLP	Zn2SiO4:Mn:As	525	YG	150	Дисплеи
P31	ZnS:Cu	522	G	40мкс	Осциллографические трубки
P39	Zn2SiO4:Mn:As	525	YG	150	Большое послесвечение
P42	Zn2SiO4:Mn:As	520	YG	10	Высокая яркость
P43	Cd2O2S:Tb	544	YG	1	Дисплеи
P44	La2O2S:Tb	540	YG	1	Дисплеи
P45	Y2O2S:Tb	420/540	W	2	Дисплеи
P49	Zn2SiO4:Mn	525/615	YG/R	30/1,2	Дисплеи на пенетронах

Мониторы с теневой маской имеют свои преимущества:

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

—цвета «натуральнее» и точнее (что особенно важно для реалистического отображения навигационных карт и закабинного пространства);

—отлаженная технология обеспечивает лучшее соотношение стоимости и эксплуатационных качеств.

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

ЭЛТ-мониторы с щелевой апертурной решеткой. 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). Мониторы с апертурной решеткой имеют следующие преимущества:

—в тонкой сетке меньше металла, что позволяет использовать большую часть энергии электронов на реакцию с люминофором, а значит, меньшая ее часть рассеивается 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.

Из недостатков можно отметить только «неприятные» горизонтальные нити — ограничители, используемые в таких мониторах для придания проволочной сетке дополнительной жесткости. Хотя проволочки в апертурной решетке туго натянуты, в процессе работы они могут вибрировать под воздействием пучков электронов. Демпферная нить (а в экранах больших размеров — две нити) служит для ослабления колебаний и гашения вибрации. Тем не менее, в условиях сильной вибрации дисплея становятся заметными колебания изображения.

Трехлучевой тринитрон. Этот тип дисплеев относится к кинескопам с планарным расположением пушек, но имеет один, а не три катода. Отдельные лучи формируются диафрагмами. Используется цилиндрическая щелевая маска.

Рис. 17.11. Формирование изображения в трехлучевом тринитроне

Данный тип дисплея применяется в малогабаритных устройствах. Характерная особенность изображений на тринитронах - тонкий горизонтальный штрих на примерно 1/3 высоты экрана, вызванный конструктивными особенностями.

Трехлучевой хроматрон. Как отмечалось, основные проблемы любого масочного кинескопа связаны с потерей части электронов на маске, в результате чего понижается яркость свечения. Этот недостаток практически полностью устранен в трех- и однолучевых хроматронах и индексных кинескопах. В трехлучевом хроматроне лучи отклоняются тонкой фокусирующей сеткой.

Одной триаде из RGB полосок люминофора соответствует одна проволока фокусирующей сетки. Для поддержания высокой чистоты цвета требуется пять электромагнитных катушек: одна охватывает весь экран, четыре расположены по углам экрана. Яркость хроматрона выше, чем у любого масочного кинескопа.

Недостатки: сложная система поддержания чистоты цвета, меньшее разрешение, требуется высокая стабилизация питания.

Рис. 17.12. Схема трехлучевого хроматрона

Однолучевой хроматрон имеет несколько более простую конструкцию по сравнению с трехлучевым хроматроном. Но, как видно из рисунка, требуется втрое более скоростная система управления отклоняющими напряжениями на сетке.

Рис. 17.13. Схема однолучевого хроматрона

Все остальные конструктивные особенности, достоинства и недостатки у однолучевого хроматрона аналогичны трехлучевому хроматрону.

Индексный кинескоп характеризуется наиболее точным управлением лучом. Это обеспечивается следующими конструктивными особенностями.

Рис. 17.14. Схема индексного кинескопа

На внутреннюю поверхность экрана колбы нанесены вертикальные полоски триад люминофора, разделенные индексными полосками, излучающими в ультрафиолетовом диапазоне внутрь колбы. Излучение принимается датчиком. Таким образом точно известно положение луча по горизонтали. В зависимости от положения луча его ток модулируется напряжением для красного, зеленого или синего цветов (U_R, U_G или U_B).

Недостатки индексного кинескопа следующие:

• сложность поэлементной коммутации цветов;

• высокая линейность строчной развертки;

• более низкие яркость, контрастность, четкость.

Рассмотрим теперь параметры, определяющие качество ЭЛТ-дисплеев.

Диагональ трубки и видимая диагональ. Одним из основных параметров ЭЛТ-дисплеев является размер диагонали трубки. Различают непосредственно размер диагонали трубки и видимый размер, который обычно примерно на 1 дюйм меньше, чем диагональ трубки, частично закрывающаяся корпусом монитора.

Коэффициент светопередачи. Коэффициент светопередачи определяется как отношение полезной световой энергии, излучаемой вовне, к энергии, излучаемой внутренним фосфоресцирующим слоем. Обычно этот коэффициент лежит в пределах 50-60%. Чем выше коэффициент светопередачи, тем меньший требуется уровень видеосигнала для обеспечения необходимой яркости. Однако при этом снижается контрастность изображения в силу снижения перепада между излучающими и неизлучающими участками поверхности экрана. При низком коэффициенте светопередачи улучшаются фокусировка изображения, однако требуется более мощный видеосигнал и соответственно усложняется схема монитора. Обычно 15-дюймовые мониторы имеют коэффициент светопередачи в пределах 56-58%, а 17-дюймовые - 52-53%.

Горизонтальная развертка 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», или «строчная частота»), и измеряется в килогерцах (кГц). Например, для монитора с разрешением 1024x768 пикселов горизонтальная развертка обратно пропорциональна времени, за которое луч сканирует 1024 пиксела. При увеличении разрешающей способности за тот же период времени лучом должно быть отсканировано большее число пикселов. При увеличении частоты кадров частота горизонтальной развертки также должна быть увеличена.

Вертикальная развертка, или частота кадров. Вертикальной разверткой называется количество обновлений изображения на экране в секунду, этот параметр также называют частотой кадров. Чем выше величина вертикальной развертки, тем меньше заметен для глаза эффект смены кадра, который проявляется в мерцании экрана. Считается, что при частоте 75 Гц мерцание практически незаметно для глаза (режим без мерцания), однако стандарт VESA рекомендует работу на частоте 85 Гц.

Частота горизонтальной развертки тесно связана с частотой кадров, поскольку частота горизонтальной развертки пропорциональна произведению числа строк на частоту вертикальной развертки.

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 пикселов (dot) на число строк (line). Например, разрешение монитора 1024x768 означает возможность различить до 1024 точек по горизонтали при числе строк до 768.

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 характеризует то, насколько полно исходный видеосигнал преобразуется в выходной, а именно: частота точек равна отношению разрешения по горизонтали к горизонтальной развертке.

Частота пикселов (Pixel Rate). Этот параметр равен отношению разрешения по горизонтали к периоду отображения данных. Например, если горизонтальное разрешение 820 точек, а период отображения данных по горизонтали 10,85 нс, то требуется частота пикселов (pixel rate) примерно 76 МГц. Монитор с высоким разрешением может выводить на экран в 24 раза больше информации, нежели телевизор.

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

Рис. 17.15. Схема распределения зон растра и данных

Контраст, равномерность. Контраст характеризует яркость экрана по сравнению с темной зоной в отсутствие видеосигнала. Контраст можно настроить регулировкой «Усиление», воздействуя на входной видеосигнал.

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

Равномерность распределения яркости, белого. Большинство мониторов имеют различную яркость в разных 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: статическое, динамическое. 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.

Под статическим несведением понимается несведение трех цветов (RGB), одинаковое на всей поверхности экрана, вызванное незначительной погрешностью при сборке электронной пушки. Изображение на экране может быть откорректировано регулировкой статического сведения.

Динамическое сведение. 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.

Чистота изображения. Чистота и четкость изображения достигается, когда каждый из электронных лучей RGB падает на поверхность экрана в строго определенной точке. Отсюда следует, что требуется выверенная взаимосвязь между электронной пушкой, отверстиями теневой маски и точками фосфоресцирующей поверхности (люминофора) экрана. Нарушение чистоты и четкости изображения могут быть обусловлены следующими причинами:

— наклоном электронной пушки или смещением луча;

—смещением центра пушки вперед или назад;

—отклонением луча, вызванным влиянием внешних магнитных полей, включая магнитное поле Земли.

Мерцание. Монитору свойственно мерцание. Оно связано с тем, что по истечении определенного времени происходит ослабление излучения света фосфором. Чтобы поддерживать свечение, экран должен быть подвержен периодическому воздействию луча от электронно-лучевой трубки. Мерцание становится заметным, если интервал времени между воздействиями слишком велик или недостаточно время послесвечения фосфоресцирующего вещества экрана. Эффект мерцания может также усугубляться ярким экраном и большим углом зрения к нему. Уменьшение мерцания достигается увеличением частоты регенерации (обновления) экрана на каждом уровне разрешения.

Муар. Под муаром понимаются искажения, воспринимаемые глазом как «волокнистость» и волнообразные разводы изображения, вызванные неправильным взаимодействием теневой маски и сканирующего луча. Фокус и муар являются взаимосвязанными показателями мониторов на базе ЭЛТ. Так, 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 части 3 ISO 9241 допускается диагональное отклонение точки не более 0,1 мм.

Насыщенность. Под насыщенностью понимается степень дифференциации цвета. К примеру, если белый солнечный свет пропустить через призму, цвета окажутся весьма дифференцированными, сильно различимыми (насыщенными). Обычно цвет содержит примесь белого в том или ином соотношении, которое и называется насыщенностью. Чем дальше находится цвет от центра (белого) по цветовой диаграмме, тем более насыщенным является цвет.

Рис. 17.16. Цветовая диаграмма

Тон/Насыщенность. Изменение тона цвета на экранном меню монитора характеризуется величиной угла поворота, например, от красного к синему или зеленому. Насыщение характеризуется расстоянием от центра цветовой диаграммы до периферии.

Деформация маски. Все мониторы с теневой маской в той или иной степени подвержены искажениям, связанным с термической деформацией маски. Часть лучей от электронно-лучевой пушки попадает на теневую маску, вследствие чего происходит нагрев и последующая деформация теневой маски. Происходящее смещение отверстий теневой маски приводит к возникновению эффекта пестроты экрана (смещения цветов RGB). Существенное влияние на качество монитора оказывает материал теневой маски. Предпочтительным материалом для маски является инвар — сплав, имеющий малый коэффициент линейного расширения.

Для улучшения качества изображения ЭЛТ-дисплеев применяются следующие методы.

Гамма-коррекция. Электронно-лучевые трубки мониторов обладают нелинейной зависимостью интенсивности свечения люминофора I от числа электронов в луче N. Упрощенно эта зависимость имеет вид:

,

где a и - константы.

Рис. 17.17. Эффект деформации маски

Число электронов пропорционально напряжению U на управляющей сетке монитора, определяемому значением кода пиксела V, поэтому приведенное выше соотношение может быть представлено следующим образом:

.

Более точно это соотношение имеет вид:

.

где k - константа, зависит от U, I₀ - паразитная засветка. Для упрощения полагают I₀ = 0, а - константой. У различных типов мониторов меняется от 1,4 до 3,0. Для компьютерных мониторов значение обычно принимают равным 2,5. Таким образом, если мы имеем соотношение между яркостями двух вычисленных пикселов V₁ / V₂ = 0,5, то на мониторе соотношение их яркостей будет равно 0,177.

Чтобы избежать искажений, используется гамма-коррекция входного сигнала. Для этого входное значение возводится в степень 1/и затем передается монитору.

На самом деле зависимости более сложные. Необходимо учитывать уровень внешней освещенности, яркость и контрастность, установленные на мониторе, и наконец субъективное восприятие пользователя.

Встроенные гамма-коррекции. Некоторые графические системы имеют встроенную аппаратную гамма-коррекцию, которая может регулироваться. Как правило, встроенная гамма-коррекция отличается от усредненного значения гаммы мониторов, равного 2,5 и близка к минимальному значению гаммы мониторов. Дополнительная гамма-коррекция, требуемая для обеспечения верности воспроизведения, называется «системной».

Файл изображения может иметь свою собственную гамму, равную величине гамма-коррекции, использованной при формировании файла. Эта гамма-коррекция называется «файловой». Большинство растровых графических файлов, за исключением файлов TGA и PNG, не предусматривают сохранения «файловой гаммы», поэтому при воспроизведении может потребоваться ее подбор.

IBM PC и графические станции фирмы SUN не имеют встроенной гамма-коррекции, т.е. их системная гамма примерно равна 2,5. Поэтому для верного воспроизведения сигнал (значение кода пиксела) следует возводить в степень 1/2,5. Графические станции фирмы Silicon Graphics имеют встроенную аппаратную гамма-коррекцию, равную 1,7, т.е. при посылке пиксела в буфер кадра его значение возводится в степень 1/1,7. Таким образом, программное обеспечение должно само вначале отрегулировать сигнал возведением в степень 1/1,5 (2,5/1,7 1,5). Т.е. системная гамма для этих станций составляет 1,5.

Графические станции Макинтош имеют встроенную аппаратную гамма-коррекцию, равную 1,4. Таким образом, для полной гамма-коррекции программное обеспечение должно само вначале отрегулировать сигнал возведением в степень 1/1,8 (2,5/1,4 1,8). Следовательно, системная гамма для этих станций составляет 1,8.

Влияние гамма-коррекции на передачу цветов. Значения гаммы для различных мониторов могут отличаться для красного, зеленого и синего каналов. Кроме этого, мониторы могут отличаться и по спектральным характеристикам люминофоров. Поэтому для обеспечения верности воспроизведения изображения, построенного на другом мониторе, может потребоваться подбор гаммы. Обычно это делается после оценки гаммы монитора с помощью калибровочных тестовых изображений.

Влияние значения гаммы на цветопередачу очевидно. Пусть, например мы имеем изображение цветного квадрата, построенного с использованием модели RGB и вычисленным соотношением яркостей цветов равным 8:2:2. После воспроизведения на графической системе без гамма-коррекции мы получим соотношение, равное 32:1:1.

Все цветовые модели можно разделить на два типа - зависящие и не зависящие от системной гаммы. В табл. 17.2 приведена классификация некоторых из моделей цветов.

Таблица 17.2

Зависимость моделей цветов от системной гаммы

Зависимые от системной гаммы	Независимые от системной гаммы
RGB	CIE XYZ
CMY	CIE xyY
CMYK	Lab
HSV	Luv
HLS	Munsell

Динамическая фокусировка. Электронный луч, если не предприняты специальные меры, расфокусируется (увеличивается в диаметре) по мере удаления его 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 увеличивать напряжение с ростом отклонения луча от центра с помощью высоковольтного трансформатора.

Экранное покрытие. Экраны CRT-монитора могут иметь различные покрытия, улучшающие качество изображения и потребительские свойства монитора.

—Антистатическое покрытие представляет собой тонкий слой специального химического состава, который предотвращает накопление электростатического заряда.

—Полированная панель имеет максимальную яркость и минимальные антибликовые свойства.

—Кварцевое покрытие — недорогое покрытие, которое уменьшает блики на экране, но ограничивает резкость изображения.

—Многослойное антибликовое покрытие обеспечивает высокую резкость при отсутствии бликов, но имеет высокую цену. Помимо антибликового покрытия используют также антибликовые панели, которые минимизируют отражающие свойства экрана и уменьшают электромагнитное излучение экрана, не ухудшая качества изображения. В силу своей высокой стоимости антибликовые панели используются только в дорогостоящих мониторах с большим разрешением.

Рис. 17.18. Схема динамической фокусировки