1 Úvod 6 2 Monitory CRT 7 2.1 Historie vývoje CRT jednotek

Obsah
1 Úvod
6
2 Monitory CRT
2.1 Historie vývoje CRT jednotek . . . . . . . . .
2.2 Princip tvorby obrazu . . . . . . . . . . . . .
2.3 Princip CRT displeje . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Parametry CRT monitorů . . . . . . . . . . .
2.5.1 Velikost monitoru – úhlopříčka . . . .
2.5.2 Rozlišení . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.3 Horizontální frekvence . . . . . . . . .
2.5.4 Vertikální frekvence . . . . . . . . . .
2.5.5 Šířka pásma . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.6 Bodová rozteč . . . . . . . . . . . . . .
2.5.7 MTF – Modulation Transfer Function
2.5.8 Obnovovací frekvence . . . . . . . . .
2.5.9 Barva . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.10 Záření monitorů . . . . . . . . . . . .
2.5.11 Vliv setrvačnosti . . . . . . . . . . . .
2.5.12 OSD–On Screen Display . . . . . . . .
2.6 Chyby CRT monitorů . . . . . . . . . . . . .
2.7 Způsoby připojení monitoru . . . . . . . . . .
2.7.1 VGA rozhraní . . . . . . . . . . . . . .
2.7.2 RGB rozhraní . . . . . . . . . . . . . .
2.7.3 DVI rozhraní . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
7
7
7
9
12
14
14
14
15
15
15
16
16
17
17
18
20
21
21
22
22
22
22
3 Monitory LCD
3.1 Historie vývoje LCD jednotek . . .
3.2 Princip tvorby obrazu . . . . . . .
3.3 Role polarizace . . . . . . . . . . .
3.4 Vytvoření displeje . . . . . . . . .
3.5 Podsvícení dipleje . . . . . . . . . .
3.6 Technologie . . . . . . . . . . . . .
3.6.1 Pasivní displeje . . . . . . .
3.6.2 Aktivní displeje . . . . . . .
3.7 Princip LCD displeje . . . . . . . .
3.8 Parametry LCD monitorů . . . . .
3.8.1 Úhel pohledu . . . . . . . .
3.8.2 Technologie . . . . . . . . .
3.8.3 Doba odezvy . . . . . . . .
3.8.4 Kontrast . . . . . . . . . . .
3.9 Výhody a nevýhody LCD displejů
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
23
23
23
25
26
27
27
27
28
31
32
32
32
34
34
34
1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.9.1 Výhody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9.2 Nevýhody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10 Výběr monitoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Ergonomie
34
35
37
38
5 Monitory plazmové
5.1 Princip tvorby obrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Princip plazma displeje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 ALiS – Alternate Lighting of Surfaces . . . . . . . .
5.3.2 Asymetrické luminofory . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3 Single Scan Technology – jednoduché adresování . .
5.3.4 Dual Scan Technology . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.5 Plasma Addressed Liquid Crystal Display (PALCD)
5.4 Výhody a nevýhody PDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 Výhody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2 Nevýhody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 Další technologie
6.1 Dotykové LCD . . . . . . . . . . . . . .
6.2 OLED – Organic Light-Emitting Diode
6.2.1 Vývoj OLED . . . . . . . . . . .
6.3 QD-OLED – Quantum Dot OLED . . .
6.4 FED – Field Emission Display . . . . .
7 Závěr
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
41
41
43
43
43
44
45
45
45
45
45
45
.
.
.
.
.
47
47
47
48
48
49
51
2
Seznam obrázků
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
CRT displej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schéma běhu elektronového paprsku . . . . . . . . . . . .
Princip řádkování . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Princip prokládaného řádkování . . . . . . . . . . . . . . .
Maska Invarové obrazovky . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maska Trinitronové obrazovky . . . . . . . . . . . . . . .
Maska CromaClear obrazovky . . . . . . . . . . . . . . . .
Bodová rozteč Invarových a štěrbinových obrazovek v mm
Rozdělení technologií LCD displejů . . . . . . . . . . . . .
Sedmisegmentový displej . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Struktura pasivního displeje . . . . . . . . . . . . . . . . .
Struktura TFT displeje . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Jednotlivé sub-pixely TFT displeje . . . . . . . . . . . . .
Princip činnosti LCD displeje . . . . . . . . . . . . . . . .
Úhly pohledu LCD displejů . . . . . . . . . . . . . . . . .
Uvolnění fotonu z plynového iontu . . . . . . . . . . . . .
Princip činnosti jedné buňky plazma displeje . . . . . . .
Srovnání klasické PDP technologie a ALiS . . . . . . . . .
Struktura FED displeje . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
9
10
11
11
13
13
14
16
24
26
28
29
30
32
33
41
42
44
50
Seznam tabulek
1
2
3
4
Maximální velikost bodů pro různé obrazovky
Pozorovací úhly a doba odezvy . . . . . . . .
Dovolené meze vadných bodů . . . . . . . . .
Porovnání CRT a LCD . . . . . . . . . . . . .
4
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
17
33
36
36
Zkratky
ALiS - Alternate Lighting of Surface
CRT - Cathode Ray Tube
DAC - Digital to Analog Converter
DVI-I - Digital Video Interface
DSP - Digital Signal Processor
DSTN - Double-layer Super Twisted Nematic
FED - Field Emmision Display
FOLED - Flexible Organic Light Emitting Device
FPD - Flat Panel Display
IPS - In Plane Switching
LC - Liquid Crystal
LCD - Liquid Crystal Display
LCP - Liquid Crystal Phase
LEP - Light Emmiting Polymer
MVA - Multi-Domain Vertical Alignment
MTF - Modulation Transfer Function
OLED - Organic LIght Emmiting Diode
OSD - On Screen Display
PALCD - Plasma Addressed Liquid Crystal Display
PCM - Pulse Code Modulation
PDP - Plasma Display
5
PHOLED - Phosphorescent Organic Light Emitting Device
QD-OLED - Quantum Dot OLED
RAMDAC - RAM Digital Analog Converter
RGB - Red-Green-Blue
SOLED - Stacked Organic Light Emitting Device
STN - Super Twisted Nematic
TCO - Švédská norma pro ergonomii
TN - Twisted Nematic
TFT - Thin Film Transistor
TOLED - Transparent Organic Light Emitting Device
UDC - Universal Display Corporation
USB - Universal Serial Bus
VGA - Video Graphic Adapter
6
1
Úvod
Diplomová práce se zabývá zobrazovacími prostředky počítačů – monitory,
které jsou nezbytnou součástí každého počítače. Obrazovka monitoru je
jedním ze základních prostředků pro komunikaci s počítačem, umožňuje
zobrazovat alfanumerické znaky, diagramy, grafy a obrázky barevně nebo
monochromaticky. Slouží k zobrazení zpracovaných nebo právě zpracovávaných dat. Je realizovaná většinou na principu elektronových paprsků, tekutých krystalů, emitací elektronů, nebo jejich kombinací. Vlastnosti monitoru
ovlivňují kvalitní práci uživatele a jeho neustálý vývoj jde kupředu.
Pro pochopení fungování monitorů je potřeba znát fyzikální principy
a konstrukce monitorů, což tato práce ve větší míře umožňuje.
V první kapitole se diplomová práce zabývá vývojem a historií CRT monitorů. Další kapitoly jsou rozděleny podle typu monitoru na LCD, PDP
a další technologie. V každé z těchto kapitol jsou probrány principy zobrazování, technologie a vývoj monitorů.
Největší část diplomové práce je věnována právě nejpoužívanějším LCD
monitorům, které jsou používány pro zobrazování dat v největší míře a také
nejdéle.
7
2
2.1
Monitory CRT
Historie vývoje CRT jednotek
Monitory jsou nejrozšířenější zobrazovací jednotky osobních počítačů sloužící k zobrazování textových a grafických informací [?]. Svou konstrukcí velmi
připomínají televizní přijímač. U prvních počítačů se jako zobrazovací jednotka používal televizní přijímač. Pro jeho malou rozlišovací schopnost a nekvalitní obraz však bylo od něj upuštěno. Hlavním rozdílem mezi televizorem
a monitorem je skutečnost, že monitor zpracovává nemodulovaný signál,
zatímco televizor modulovaný.
Základní princip monitoru se od počátku století, kdy byl objeven příliš
nezměnil. Výrobci monitorů však v této oblasti dosáhli pokroku a vylepšili
tuto technologii tak, že ji lze využít pro výrobu větších a plošších obrazovek
s vyšším rozlišením, jež lze vyrobit za příznivější cenu.
Monitor je připojen kabelem do grafické karty, která se nachází uvnitř
počítače a která má na kvalitě obrazu důležitý podíl [?]. Grafická karta se
stará o komunikaci počítače s monitorem, aby informace přicházející z počítače dorazily do monitoru co nejrychleji a v dobré kvalitě. Proto ani ten nejlepší monitor, který je připojen na pomalou a nevýkonnou grafickou kartu,
nedokáže využít všechny své schopnosti.
Jev, kdy se určitá látka (luminofor) rozsvítí při dopadu elektronu, byl
objeven a popsán už v roce 1869. Princip obrazovky – katodovou paprskovou
trubici (CRT – Cathode Ray Tube) objevil roku 1897 dr Brown. První CRT
obrazovka byla vyrobena v roce 1926, barevný model už v roce 1928. Roku
1938 byla patentována první televizní obrazovka. Od této doby se kvalita
monitoru neustále zlepšovala a používaly se nové technologie.
Monitory se vyrábějí v několika velikostech a provedeních. Velikostí monitoru určuje jeho úhlopříčka. Proto, když slyšíme, že monitor je patnáctipalcový, musíme si uvědomit, že úhlopříčka obrazovky má patnáct palců.
Skutečná velikost obrazovky však bývá o něco menší. Dnešní monitory mají
velikost 14”, 15”, 17”, 19”, 20”, 21”, lze narazit i na monitory větší.
2.2
Princip tvorby obrazu
Obrazovka je vzduchoprázdná skleněná baňka, jejíž přední část tvoří stínítko potažené luminiscenční látkou (luminoforem). Když sledujeme obraz
na monitoru, díváme se vlastně na jeho stínítko, na kterém se zobrazují jednotlivé pixely. Jedná se o kovovou děrovanou fólii, jejímž úkolem je přichytit
luminofory na stínítku a rozdělit je do malých buněk.
Každá buňka je tvořena trojicí různých druhů luminoforů, z nichž jeden září červeně (R–Red), druhý zeleně (G–Green) a třetí modře (B–Blue).
Luminofor je látka, která po předchozím dodání energie vyzařuje světlo
(fyzikálně se tento jev nazývá luminiscence). Luminofory s krátkou dobou
dosvitu vyžadují častější obnovování, obraz tvořený luminofory s dlouhou
8
dobou dosvitu zase není možno tak rychle překreslovat. Přesnost této doby
je velice důležitá, pokud není obraz dostatečně často obnovován, kolísá jas
a obraz bliká.
Výsledná buňka je však natolik malá, že lidské oko není schopno zaregistrovat jednotlivé luminofory a proto body monitoru vidíme jako jednu
barvu. Různými kombinacemi intenzit vyzařování jednotlivých složek RGB
dostaneme zabarvení bodu. Energii, potřebnou k rozsvícení luminoforu, dodává elektronový paprsek vystřelovaný z katodové trubice CRT. K zobrazení
zabarveného bodu potřebujeme tři katodové trubice zobrazující jednotlivé
složky RGB.
V jednom okamžiku je obsloužena pouze jedna trojice luminoforů, proto
musí být svazek paprsků vychylován, aby rozzářil všechny body na obrazovce. Jelikož luminofory pouze bliknou a zase velmi rychle pohasnou, musí
se tato procedura opakovat neustále dokola. Kmitání svazku paprsků zajišťují vychylovací cívky. Jednotlivé body se vykreslují zleva doprava a shora
dolů. Obrazovka musí být rozměrná do hloubky, protože proud elektronů
nelze vychylovat do velkých úhlů. Paprsek vycházející z trubice putuje k masce pod úhlem 90◦ . Na okrajích obrazovky je však tento úhel posunut, takže
tvar jednotlivého bodu není tak přesně kulatý, ale spíše oválný. Často se
osvítí více něž jeden bod a tím se naruší ostrost obrazu.
Jakmile pronikne paprsek skrz masku, naráží na fosfor, který se rozsvítí a vydává barvu. Tato fosforová vrstva se na přední stranu monitoru
vykrajuje pomocí laseru. Vrstva fotorezistního materiálu je pomocí laseru
vykrajována na místech, kam je třeba dostat fosfor. Ten se pak položí na
tuto vrstvu a smyje se. Kde vrstva fotorezistního materiálu zůstane, se fosfor
neudrží. Tento proces se opakuje třikrát, jelikož každá barevná obrazovka se
skládá ze tří základních barev, které vzájemnou kombinací umožňují vznik
miliónů barev. Pokud se na obrazovku monitoru podíváme z dostatečné blízkosti, uvidíme drobné body tří barev uspořádané do pravidelné struktury.
U monitorů s klasickým stínítkem jsou tyto body uspořádány ve tvaru trojúhelníku známého jako triáda, zatímco u monitorů s mřížkou jsou tyto body
umístěny do delších proužků odpovídajícím mezerám mezi dráty. Štěrbinová maska zarovnává červené, zelené a modré pruhy horizontálně, další je
pak umístěna o kousek dál. Tato fosforová triáda vytváří dohromady pixel.
Jakmile se pixel osvítí, je každá fosforová částečka zasažena jedním ze tří
děl.
Abychom okem postřehli pouze celistvý obraz, musí být vzdálenost mezi
jednotlivými částicemi bodu (bodová rozteč) kratší než 0,28 mm. Čím je
tato vzdálenost menší, tím je lepší obraz. Z tohoto důvodu výrobci uvádějí
jako jeden z nejdůležitějších parametrů monitoru jeho bodovou rozteč. Bodová rozteč se měří různými způsoby, což může vést k řadě nedorozumění.
Všeobecně platným způsobem v případě klasického stínítka je změření vzdálenosti mezi dvěma body stejné barvy při úhlu 60◦ . Je důležité si uvědomit,
že bodová rozteč a rozteč masky jsou dva různé rozměry. Jelikož je maska
9
umístěná až za světlými body, je vzdálenost mezi otvory menší než vzdálenost fosforeskujících bodů na vnější straně obrazovky.
2.3
Princip CRT displeje
Abychom pochopili princip a funkci monitoru, musíme si vysvětlit jakým
způsobem obraz vzniká, viz obrázek 1. Tvorba obrazu začíná v grafické kartě
počítače [?]. Digitální signály z operačního systému nebo aplikačního software jsou přijímány adaptérem VGA. Tento signál je digitální a je třeba ho
nejprve převést na signál analogový prostřednictvím digitálně–analogového
převodníku (DAC – Digital to Analog Converter), kterému monitor dokáže
porozumět. Obvody DAC jsou většinou uloženy na jednom specializovaném
čipu, který ve skutečnosti obsahuje převodníky tři – pro každou ze tří základních barev používaných na displeji (RGB).
Obvody DAC převádějí číselné hodnoty zasílané počítačem na analogové
tabulky, které obsahují potřebné úrovně napětí pro tři základní barvy. Tyto
barvy jsou nutné k namíchaní barvy jednoho bodu. Jednotlivé elektronové
svazky jsou emitovány z nepřímo žhavené katody, která má na svém povrchu
nanesenu emisní vrstvu.
Celý proces začíná u elektronového děla, které je koncem každé katodové trubice. To po zahřátí vystřeluje vysokou rychlostí proudy elektronů
Elektronový paprsek
Wheneltův válec
g2 g3 g4 g5
Ostření
Katoda
g6
Konvergence
a
Vychylovací cívky
b
c
a - Luminofor
b - Maska
d
c - Elektronové svazky
d - Stínítko
Obrázek 1: CRT displej
pro jednu ze tří základních barev, jejichž základní fyzikální vlastností je
záporný náboj. Právě tato vlastnost je využívána ke správnému nasměrování částic. Elektrony cestou k obrazovce projdou filtrem, který má podobu
10
mřížky. Filtr propustí pouze požadované množství elektronů a tak řídí jejich intenzitu. Elektronové svazky pak procházejí tzv. Wheneltovým válcem,
který má vzhledem ke katodě záporný potenciál.
Anoda s vysokým napětím je umístěna na horním okraji trubice. Kladně
nabitá anoda neustále vytahuje elektrony z elektronového děla. Tyto elektrony se ale díky magnetickému poli vychylovacích cívek, které je odklání
směrem k fosforům na přední straně trubice, k ní nikdy nedostanou.
To způsobuje, že elektrony jsou jím odpuzovány a projde jich přes něj jen
požadované kvantum. Řízením napětí na Wheneltově válci se tedy řídí intenzita jednotlivých elektronových svazků. Po průchodu Wheneltovým válcem
procházejí elektronové svazky přes jednotlivé mřížky (g2 – g6), které mají
naopak vzhledem ke katodě kladný potenciál, díky kterému jsou elektrony
přitahovány. Tento kladný potenciál je na mřížce g2 nejnižší, na g3 vyšší a až
na g6 nejvyšší. Toto má za úkol elektronové svazky táhnout až na stínítko
obrazovky. Speciální funkci zde má mřížka g3 (ostření), která má za úkol
zaostřovat elektronové svazky a mřížka g6 (konvergence), od které se elektronové svazky postupně sbíhají. K jejich setkání dojde u masky obrazovky,
kde se překříží a dopadnou na své luminofory.
Elektronové svazky pak procházejí kolem vychylovacích cívek. Toto vychylovací zařízení ohýbá paprsek ve vertikálním a horizontálním směru a tím
jej směřuje k určenému bodu na obrazovce. Paprsek elektronů začne v levém horním rohu obrazovky, postupně dojde na pravý horní roh, vypne se
na dobu po kterou elektronové dělo mění zacílení elektronových paprsků,
sníží se o jeden řádek a opět pokračuje zleva doprava (viz obrázek 2). Tento
Počet sloupců
Počet řádků
Obrázek 2: Schéma běhu elektronového paprsku
proces se označuje termínem rastrování nebo řádkování (viz obrázek 3).
Jakmile paprsek projde celou obrazovku, magnetické vychylovací cívky plynule změní úhel, pod kterým se elektronový paprsek ohýbá tak, že postupně
putuje z pravého dolního rohu do levého horního rohu a začne další obnovovací cyklus. Celou cestu paprsku přes obrazovku označujeme termínem pole.
11
Obrazovka se normálně obnovuje refresh asi 60 krát za sekundu. Signály zasílané do vychylovací cívky určují rozlišení monitoru, počet barevných bodů
svisle a vodorovně a obnovovací frekvenci.
Obrázek 3: Princip řádkování
Některé adaptéry displejů pracují v každém poli v režimu prokládaného
řádkování interlacing (viz obrázek 4). Prokládané řádkování umožňuje adaptéru dosáhnout větší hustotu řádků s nepříliš nákladnými součástkami. Pohasínání fosforu mezi každým průchodem může být více patrné a může způsobit blikání obrazovky. Všechny moderní grafické adaptéry pracují i v nejvyšším rozlišení v neprokládaném režimu (non interlaced mode).
V prokládaném režimu se v prvním snímku nejprve vykreslí všechny sudé
linky obrazu a v druhém snímku linky liché. Tím je dosaženo dvojnásobné
frekvence snímkového rozkladu za nízké frekvence řádkového rozkladu. Nevýhodou těchto monitorů však je, že při některých změnách barev zobrazované informace obraz začne blikat se skutečnou frekvencí snímkového rozkladu (tedy s poloviční frekvencí). Je lepší, pokud je monitor schopen zobrazit informaci v režimu neprokládaném (non–interlaced). Řídící obvody musí
být ale rychlejší a dražší.
Obrázek 4: Princip prokládaného řádkování
Jelikož záporné elektrony mají tendenci se navzájem odpuzovat, což
12
může vést k rozostření vysílaného svazku, je těsně před stínítkem umístěna
maska, která tento nedostatek odstraní.
Jedná se o kovový plát, v němž jsou prostřednictvím kyseliny vypáleny
drobné dírky, kterými paprsek prochází. Stínítko se během této operace zahřívá a následně roztahuje, takže paprsky se hůře umisťují do správného
otvoru. Z tohoto důvodu musí být maska vyrobena z materiálu, který co
nejméně podléhá tepelné roztažnosti a působení magnetického pole. Tyto
dva jevy by totiž způsobily, že elektronové svazky nedopadnou přesně na
svůj luminofor, což by se projevilo zkreslením barev.
Aby se docílilo větší přesnosti svazku a lepšího zaostření paprsků, je
maska mírně zakulacená, což také umožňuje předvídat a korigovat pohyb
při roztahování. Maska následně propustí pouze tu část svazku, která je
zaostřená přesně. Toto zakulacení masky je důvodem zakulacení skla překrývající tuto masku.
Tímto způsobem dochází k rozsvícení jednoho bodu obrazovky. Kombinací intenzity jednotlivých barevných složek bodu je pak dosaženo zobrazení
určené barvy. Takto znova a znova následuje rastr (označení pro dráhu, kterou tento proud elektronů opisuje na obrazovce). Rastr je shodný s rozlišením
obrazovky a hustotou obrazu. Jeho změnou např. z rozlišení 1024 x 768 na
1280 x 1024 bodů dochází i ke změně ostření a vychylování paprsku.
2.4
Technologie
Podle umístění a tvaru otvorů masky a tím i odpovídajícímu nanesení luminoforů je možné rozlišit tři základní typy barevných obrazovek.
• Invar – jednotlivé otvory v masce jsou kruhové a jsou uspořádány do
trojúhelníků (velké písmeno delta). Stejným způsobem jsou uspořádány i luminofory na stínítku (viz obrázek 5). Nevýhodou tohoto typu
masky (obrazovky) je velká plocha, která je tvořena kovem masky
způsobující větší náchylnost k tepelné roztažnosti. Invarová maska je
vlastně část kulové výseče. První invarové masky byly dosti vypouklé,
ovšem postupně se klenutí dařilo zmenšovat. Přesto je i u nejmodernějších invarových masek toto klenutí nepřehlédnutelné. Díky tomuto
poskytovaly obrazovky typu Delta poměrně nekvalitní obraz a dnes se
již nepoužívají.
• Trinitron – alternativní řešení technologie Invar firmy Sony. Kovový
plát masky je zaměněn za konstrukci pevně natažených drátků umístěných v horizontálním směru obrazovky (viz obrázek 6). Tímto způsobem k fosforu proniká více elektronů, takže jednotlivé body září silněji. K přesnému upevnění drátků je třeba použít další dva vertikální
drátky ve třetině obrazovky, které udržují mřížku na místě. Výška obrazovky je menší než její šířka, a proto zde není třeba tolik působit
13
B
R
G
B
B
B
R
B
B
G
R
G
B
R
B
G
R
R
G
R
B
G
B
R
G
R
G
B
G
B
R
B
G
B
R
Obrázek 5: Maska Invarové obrazovky
magnetickým polem na vychýlení paprsků. Proto nedochází k přílišnému zkreslení paprsku ve vertikálním směru a horizontální zkreslení
upravují drátky. Z toho důvodu není nutné zakřivovat obrazovku na
výšku. Obrazovka působí válcovým dojmem s výsečí válce o poloměru
2 m.
R GB R GB R GB R GB R GB
Obrázek 6: Maska Trinitronové obrazovky
Stejně jako předcházející technologie má své výhody i nevýhody.
– Výhodou Trinitronových obrazovek je ostrost a kontrastnost v rozích, kde delta vykazuje výrazné zhoršení ostrosti.
– Nevýhodou je náchylnost k interferencím elektromagnetického
pole. Z tohoto důvodu se nedoporučuje umísťovat na strany monitoru reproduktory nebo jiný zdroj elektromagnetického pole.
Obraz může být nestálý, nebo může dojít k trvalému vychýlení
drátků.
• CromaClear – další alternativa firmy NEC. Jedná se o spojení výhod technologií Trinitron a Invar. Principem je spoutání paprsku na
14
výšku jako u Trinitronu a přidání pevné masky odolávající magnetickým polím. Má podobu kovového plátu (viz obrázek 7), ve kterém jsou
umístěny oválné mezery. Ty propouštějí více světla než kulaté otvory,
je však stále potřeba prohnutého stínítka. Maska s podélnými otvory
je náročná na výrobu a tedy i dražší. Kvalita obrazu není srovnatelná
s Trinitronem, ale překonává kvalitu technologie Invar.
R GB R GB R GB R GB R GB
Obrázek 7: Maska CromaClear obrazovky
• FD Trinitron – (Flat Display Trinitron), jedná se o poslední technologii ve vývoji obrazovek. Na rozdíl od původní Trinitronové technologie nabízí poloměr obrazovky 50m. Aby bylo možné docílit ostrosti
i v rozích, bylo nutné upravit vychylovací tubus obrazovky. Paprsek
prochází soustavou vychylovacích prvků, které dolaďují jeho směr, tvar
a sílu.
2.5
2.5.1
Parametry CRT monitorů
Velikost monitoru – úhlopříčka
Velikost monitoru se udává jako velikost úhlopříčky stínítka. Je počítána
v palcích (”) – 2,54 cm. Dnes je nejpoužívanější velikost monitorů 14”- 21”.
2.5.2
Rozlišení
Rozlišení nás informuje o hustotě obrazu. Je udáváno jako počet bodů nebo
obrazových elementů (picture element – pixel) v jednom řádku vynásobený
počtem řádků. Obrazovka 1024 x 768 má 1024 bodů (pixelů) v řádku a 768
řádků. Větší rozlišení umožňuje zobrazit na obrazovce více informací, ale
klade větší nároky na grafickou kartu a navíc se každý zobrazovaný objekt
bude jevit menší. Každý monitor má své maximální rozlišení, které je schopen zobrazit.
15
V závislosti na typu monitoru je nabízeno několik rozlišení monitorů,
mezi kterými lze přepínat. Při rozlišení 640 x 480 bodů se mnoho informací
na monitoru nezobrazí. Více informací zobrazíme až při rozlišení 800 x 600
bodů. Tato hodnota rozlišení nám už umožňuje používat grafická uživatelská
rozhraní (např. MS-Windows). Výhodné je ale použití grafických rozhraní
ještě při větších rozlišovacích schopnostech – 1024 x 768 bodů, 1280 x 1024
bodů, 1600 x 1200 bodů, nebo nejlépe 1840 x 1440 bodů.
2.5.3
Horizontální frekvence
Horizontální snímková frekvence, nazývaná také frekvence řádkového rozkladu, udává maximální zobrazitelný počet řádků (linek) za sekundu s jakou elektronový paprsek opíše řádek zleva doprava. Hodnoty této frekvence
bývají obvykle v intervalu od 30 do 120 kHz. Při běžném rozlišení 1024 x 768
musí monitor vykreslit 768 řádek. Za jednu sekundu se však obraz při obnovovací frekvenci 85 Hz obnoví 85krát. Tj.: 85 ∗ 768 = 65280 Hz – tedy
65,28kHz. Horizontální frekvence monitoru, zobrazujícího rozlišení 1024x768
při obnovovací frekvenci 85 Hz, musí být nejméně 65,28 kHz. Pokud je výrobcem udávaná hodnota nižší, musí se tvořit obraz prokládaně (tzv. ”interlaced”).
2.5.4
Vertikální frekvence
Vertikální frekvence je definována jako počet obnovení či překreslení obrazu
za sekundu v hertzích (Hz). Vertikální frekvence může být odhadnuta vydělením horizontální frekvence počtem řádků v použitém rozlišení. Rozdíl
mezi takto vypočítanou a skutečnou hodnotou je dán dobou, kterou potřebují elektronové paprsky pro návrat do počáteční pozice po nakreslení
každého řádku. Používání vyšší frekvence snižuje namáhání očí omezováním
blikání a minimalizováním kolísání jasu obrazu. V současnosti je uváděno
85 Hz jako doporučovaná obnovovací frekvence. Vysoká frekvence je zvláště
důležitá při práci s bílým pozadím.
2.5.5
Šířka pásma
Jedná se o celkový počet bodů, kolik bodů je schopen monitor zobrazit za
jednu sekundu. Pro zobrazení např. 800 x 600 bodů při 72 Hz frekvenci snímkového rozkladu je potřebná teoretická šířka pásma 800 ∗ 600 ∗ 72 Hz =
34560000 Hz = 34,56 MHz. Ve skutečnosti je potřebná šířka pásma ještě
větší. Šířka pásma je charakterizována rychlostí elektroniky, která je nutná
k dostatečně rychlému přepínání jasu jednotlivých bodů a tím nutná pro
zajištění kvalitního zobrazení. To souvisí s jevem, kdy při zvyšování počtu
zobrazených bodů klesá kontrast a jas zobrazených bodů. Čím je tato hodnota vyšší, tím je elektronika monitoru kvalitnější a obraz věrohodnější.
16
2.5.6
Bodová rozteč
Vzdálenost bodů úzce souvisí s rozlišením monitoru. Tato vzdálenost nám
udává velikost zobrazovaného bodu na obrazovce monitoru. U nejhorších
monitorů je velikost bodu kolem 0,52 mm, u kvalitních špičkových monitorů
kolem 0,21 mm a méně. Elektronika monitoru tedy může bez problémů zobrazit např. 1024 bodů na řádek ale obrazovka je již zobrazit nemusí. Je tedy
nesmyslné udávat rozlišení 1024 x 768 bodů pro 14” monitor s velikostí bodu
0,31 mm (viz tabulka 1). Délka řádku u 14” monitoru je přibližně 25 cm. Pokud bychom chtěli na tuto vzdálenost dát 1024 bodů, musel by jejich rozměr
být maximálně 0,24 mm. Na obrázku 8 je znázorněno měření bodové rozteče
Invarových a štěrbinových obrazovek (CromaClear).
Aby oko postřehlo pouze celistvý obraz, musí být bodová rozteč kratší
než 0,28 milimetru. Čím je bodová rozteč menší, tím je obraz ostřejší a lépe
pozorovatelný. Jeden ze způsobů měření této vzdálenosti je měření mezi
dvěma body stejné barvy při úhlu 60◦ . Je nutné si také uvědomit, že existují rozdíly mezi bodovou roztečí a roztečí masky. Jelikož je maska umístěná
až za světlými body, je vzdálenost mezi otvory menší než vzdálenost fosforeskujících bodů na vnější straně obrazovky.
0,12
0,025
0,26
0,24
Obrázek 8: Bodová rozteč Invarových a štěrbinových obrazovek v mm
Bodová rozteč určuje velikost rozlišení. Pokud je po šířce obrazovky
umístěno méně než 1600 barevných triád, nebude monitor schopen pracovat
v rozlišení 1600 x 1200 bodů. K vytvoření jednoho pixelu však lze použít více
triád, takže rozlišení lze v případě CRT monitoru snižovat a zvyšovat. Tato
změna nemá význam na kvalitu obrazu.
2.5.7
MTF – Modulation Transfer Function
Vzácně bývá u monitorů udána i MTF (Modulation Transfer Function). Tato
funkce je závislostí kontrastu na počtu zobrazených bodů. Čím je hodnota
17
Úhlopříčka
14”
15”
17”
19”
21”
24”
320
0,78
0,80
0,86
0,91
0,95
1,02
640
0,39
0,40
0,43
0,45
0,47
0,51
720
0,34
0,35
0,38
0,40
0,42
0,45
Počet bodů
800 1024 1280
0,31 0,24
0,19
0,32 0,25
0,20
0,34 0,27
0,21
0,36 0,28
0,22
0,38 0,30
0,24
0,41 0,32
0,25
1600
0,16
0,16
0,17
0,18
0,19
0,21
2048
0,12
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
Tabulka 1: Maximální velikost bodů pro různé obrazovky
této funkce větší, tím je obraz kontrastnější a kvalitnější.
Při volbě rozlišení a kontrastu je nutné uvážit i nedokonalosti lidského oka.
Při malých velikostech bodu (velkých rozlišeních) může být text vysoký
2,5 mm sice ostrý, ale pro oko skoro nečitelný.
2.5.8
Obnovovací frekvence
Naše oči jsou závislé na tom, jak rychle dokáže monitor vykreslit obraz. Při
pomalém vykreslování obraz bliká. Proto je nutné používat monitor s vyhovující vertikální i horizontální obnovovací frekvencí. Lidské oko je schopné
postřehnout mihotání a blikání obrazu do frekvence 40 Hz, podvědomě však
toto mihotání vnímá až do frekvence 80 Hz. Body na stínítku totiž velice
rychle hasnou, a tak je při menších frekvencích (40–75 Hz) oko více namáháno neustálým přizpůsobováním světlu z rozsvícených bodů.
Čím vyšší je obnovovací frekvence, tím méně je nuceno oko reagovat, protože se intervaly mezi dobou rozsvícení a pohasnutí zmenšují úměrně této
frekvenci. Při zvýšení frekvence snímkového rozkladu dojde nejen ke snížení
blikání obrazu, ale i ke zvýšení nároků na rychlost veškeré elektroniky. Rychlejší musí být tedy nejen obvody monitoru, ale i obvody grafického adaptéru
– grafické karty. Monitor a grafická karta musí být tedy frekvenčně sladěny.
Pokud nebudou sladěny (např. 100 Hz monitor a 60 Hz grafická karta), může
se stát, že obraz bude nestálý nebo že monitor vůbec nebude schopen zobrazit obraz přicházející z grafického adaptéru.
2.5.9
Barva
Barvy jsou výsledkem vnímání lidských smyslů. Lidé ve skutečnosti vnímají
pouze světlo. Světlo různých vlnových délek interpretujeme jako barvu. Bílé
denní světlo vnímáme jako směs různých vlnových délek, jestliže nějaká vlnová délka chybí, pak takové světlo interpretujeme jako barvu.
Elektronový paprsek je schopen řídit intenzitu vyzařovaného světla, ale
není schopen řídit barvu. Má–li být obraz barevný, je třeba zobrazit tři
18
základní barvy, ze kterých se pomocí různého jasu každé barvy skládá celé
barevné spektrum. Proto jsou v barevné obrazovce tři elektronová děla a stínítko je složeno z trojic barevných luminoforů (RGB). Z těchto tří složek
luminoforů lze vytvořit miliony barev a to za předpokladu, že jednotlivé
barevné složky lze zobrazit s různou světelnou intenzitou. Aby monitor dokázal vytvořit miliony barev, musí umět z každé ze tří barevných složek
vytvořit 256 odstínů. Kvalita zobrazených barev jednoznačně určuje kvalitu celého monitoru. Elektronové paprsky z jednotlivých elektronových děl
osvítí trojici luminiscenčních bodů, které leží velmi blízko sebe. Protože od
určité vzdálenosti vnímá lidské oko tuto trojici bodů jako jeden, je výsledná
barva součtem velikosti jednotlivých barevných světel (aditivní skládání barev). Aby bylo zajištěno, že každý paprsek z příslušného elektronového děla
zasáhne správnou barvu luminoforu, je v malé vzdálenosti od stínítka vložena stínící maska s přesnými otvory, která zabrání zasažení luminoforů jiné
barvy.
Existují dva základní způsoby míchání barev na PC.
• aditivní míchání barev – založeno na principu ”sčítání” barev různě
zbarveného světla (monitory). Čím je světlo intenzivnější, tím světlejší
budou míchané barvy. Bílá vzniká při plné intenzitě všech barev.
• subtraktivní míchání barev – vzniká při nanášení barev (malba, tisk),
přičemž barevné pigmenty absorbují určité části dopadajícího světla
a odrážejí pouze zbytkové světlo vedoucí k požadovanému barevnému
vjemu pozorovatele.
2.5.10
Záření monitorů
Monitory jsou na rozdíl od televizorů přizpůsobeny ke sledování zblízka,
kvalitou obrazovky a obnovovací frekvencí nepůsobí tak velikou únavu očí
a hlavy jako obyčejná obrazovka. Monitor vydává záření, které může být uživateli škodlivé. Z tohoto důvodu vznikla celá řada standardů a norem, které
omezují záření obrazovky a škodlivé vlivy monitoru. Nejznámější z nich je
pravděpodobně Energy Star – EPA. Monitory bývají označeny také značkou MPR II, TCO–92/95, nebo TCO–99. Tyto normy zajišťují, že uživateli
nehrozí ze strany monitoru bezprostřední nebezpečí újmy na zdraví.
Kombinace ústředního vytápění/klimatizace, přítomnosti většího počtu
elektrických a elektronických přístrojů může vést k značnému poklesu vlhkosti vzduchu, což dále zvyšuje negativní působení na pokožku. Švédská studie z roku 1992 ukázala, že pracovníci trávící před obrazovkou čtyři a více
hodin denně byli dvakrát náchylnější na vznik kožních problémů než ti, kteří
u obrazovky pracovali méně než hodinu denně.
Dalším průvodním negativním jevem je působení kladných iontů, které
se kolem obrazovky uvolňují. U organismu vystaveného jejich vlivu se může
19
zvýšit produkce neurohormonu serotoninu, spojovaný s únavou a depresívními stavy. Statický elektrický náboj způsobuje dráždivé působení prachových částic na pokožku, působí kožní vyrážky, svědění, loupání pokožky a pocity podobné slabému úžehu (elektrostatické pole na tváři pracovníka před
obrazovkou může dosahovat hodnot až 100 V/cm2 ; působení stresu může
tyto projevy dále zesilovat). Výrobci přecházejí na výrobu nízko vyzařujících monitorů s dobrým stíněním některým druhům vyzařování a instalaci
obrazovkových filtrů přímo do monitoru. Zpravidla se používají především
z obavy před působením elektromagnetického záření z obrazovky, mají pozitivní vliv na omezení dosahu kladných iontů a působení statického elektrického náboje v okolí obrazovky. Jejich používání je doporučováno, zejména
přesáhne-li množství práce s obrazovkou několik hodin denně.
• MPR–90 – první normou, která se dotýkala oblasti vyzařování elektrického a magnetického pole pro monitory, byla německá norma MPR–87.
Dnešní norma je z roku 1990 a zavazuje výrobce k dodržení maximálních emisí měřených ve vzdálenosti 50 cm od plochy obrazovky,
• TCO–92 – se svojí předchůdkyní, normou TCO–91, představuje přísné
švédské požadavky na redukované emise elektrických a magnetických
polí, zároveň s automatickým vypínáním monitoru. Monitory odpovídající této normě mohou být označeny nálepkou Green.
• TCO–95 – tato norma přidává k požadavkům normy TCO–92 požadavky ekologické při výrobním procesu, adaptaci produktů a následnou
recyklaci,
• TCO–99 – tato norma nepřináší sice nic nového v oblasti emisí, ale
novinky jsou v oblasti testovacích procedur a vizuálních ergonomických požadavků. To by se mělo projevit ve zlepšení jednotnosti jasu
a kontrastu. Nejmenší doporučený obnovovací kmitočet pro monitory
s úhlopříčkou větší jak 20” je stanoven na 85 Hz a zlepšení by se mělo
projevit i na dalších parametrech,
• TÜV – výrobkům odpovídajícím ergonomickým požadavkům německé
zkušebny TÜV Rheinland je udělována visačka TÜV – Ergonomicky
zkoušeno. Kromě vyzařování elektrických a magnetických polí si všímá
i kvality obrazu.
Doporučení pro omezení nepříznivého působení elektrických a elektronických přístrojů:
• koupě pouze zobrazovací jednotky s nízkou úrovní vyzařování vyhovující doporučením pro úroveň emitovaného elektromagnetického pole,
• omezení doby strávené u monitoru,
20
• uspořádání pracoviště k minimalizaci vystavení pracovníků do blízkosti
obrazovek,
• osazení všech používaných obrazovek filtry omezující elektromagnetické pole a nízkofrekvenční (vysokofrekvenční) záření,
• odstranění všech nepotřebných elektrických zařízení (psací stroje, rádia) z pracovního prostoru počítače,
• umístění tiskáren a kopírek mimo obecně používané pracovní prostory,
• změna osvětlení pracoviště ze zářivek na žárovky,
• vypínání všech nepoužívaných zařízení,
• přechod z klasických CRT obrazovek na LCD obrazovky,
• správné uzemnění veškeré techniky.
Stále však platí, že čím kratší dobu strávíme před monitorem, tím menší
únavě, bolesti očí nebo hlavy se vystavujeme.
2.5.11
Vliv setrvačnosti
Monitor je při zobrazení pro většinu lidí zdánlivě klidný a nebliká díky dvěma
důležitým faktorům
• Setrvačnost luminoforu – luminofory na stínítku monitoru vydávají
světelné záření ještě krátkou chvíli po zasažení elektronovým paprskem.
V ideálním případě by měly svítit přesně tak dlouho, dokud je paprsek
nezasáhne znovu. Prakticky se ale intenzita záření luminoforu snižuje
s časem postupně, takže někdy vidíme na tmavém pozadí slabý obraz
původně světlého objektu i po jeho odstranění,
• Setrvačnost receptoru lidského oka – buňky oční sítnice, citlivé na
světlo, mají při vnímání také určitou setrvačnost. Podobně jako na
stínítku obrazovky září ještě nějakou dobu po zasažení elektronovým
paprskem, vysílají i receptory (světlocitlivé buňky) v oku elektrické
signály do mozku ještě po odebrání příslušného zdroje světla. Sítnice
lidského oka obsahuje dva typy buněk, citlivých na světlo. Prvním
z nich jsou tyčinky zajišťující pouze černobílé světelné vjemy a čípky
zajišťující barevné vidění. Tyčinky se ve větším počtu nacházejí v oblastech periferního vidění; obecně jsou citlivější a při vnímání mají
menší setrvačnost.
21
2.5.12
OSD–On Screen Display
Česky řečeno menu na obrazovce. Funkce monitoru se ovládají pomocí menu,
které se vyvolá stisknutím příslušného tlačítka na monitoru. Menu obsahuje
základní funkce jako vertikální a horizontální velikost, pozici obrazu, jas,
kontrast. Dále může obsahovat pokročilé funkce jako soudkovitost, poduškovité zkreslení, rotace obrazu, nastavení teploty barev, uživatelské módy
atd. .
2.6
Chyby CRT monitorů
• Geometrie obrazu – geometrické parametry obrazu jsou ovlivněny
použitým rozlišením. V ideálním případě by měl monitor umět zobrazit
všechna rozlišení, na která je konstruován bez deformací. Obraz se
nejčastěji deformuje na okrajích nebo rozích obrazovky,
– soudkovitost – obraz je po stranách zúžený nebo rozšířený
– lichoběžníkovitost – na spodním nebo horním okraji monitoru se
obraz zužuje nebo rozšiřuje
– rovnoběžnost – obraz se souběžně rozšiřuje nebo zužuje
• Ostrost a čitelnost – špatně zaostřená obrazovka způsobuje rozptyl
paprsku. Pro odstranění chyby ostření se mění rozměry obrazu nebo
se snižuje kontrast, čímž se redukuje tloušťka paprsku,
• Jas a kontrast – jas určuje úroveň černé barvy na monitoru. Jestliže
je nastaven příliš velký jas, monitor nemůže zobrazit skutečně černou
barvu. Je-li naopak jas nízký, šedé barvy se budou ztrácet a některé
tmavé odstíny budou zobrazeny jako černé. Kontrast určuje úroveň
bílé barvy. Optimální úroveň bílé závisí na okolním osvětlení,
• Konvergence – bílá čára je na obrazovce zobrazena složením všech
tří barevných čar (červená, zelená, modrá). Při chybě konvergence se
zobrazí všechny tři barevné čáry místo jedné bílé. Chyba konvergence
kolísá pro různé oblasti obrazovky a je rozdílná pro každou z barev
RGB. Nejlepší konvergence bývá uprostřed obrazovky, nejhorší pak
v rozích. Při této chybě je zhoršena ostrost obrazu,
• Moiré – tento jev způsobuje stínící maska a rozlišení, které používáme.
Nejlépe je moiré pozorovatelné na tmavě šedém pozadí. Pro odstranění
rušivých vzorů musíme upravit ostrost,
• Pumpování obrazu – tímto termínem se nazývá efekt rozpínání
a smršťování obrazu se změnou jasu. Na většině monitorů se tato vada
projevuje zvětšením obrazu při světlé obrazovce a zmenšením při tmavém obrazu. Pumpování může působit na celou obrazovku nebo jen
22
na její části. Největší deformace lze pozorovat na svislých okrajích
obrazovky. Příčinou tohoto jevu je malá stabilita vysokého napětí monitoru.
• Magnetizace – v prostředí s velkým magnetickým polem se maska
monitoru magnetizuje a dochází zpravidla k barevným deformacím obrazu. Aby se tento jev odstranil, používá se demagnetizace. Je to velmi
důležitá funkce monitoru. Ten automaticky při zapnutí odmagnetizuje
proudovým nárazem stínítko obrazovky. Při práci je vhodné masku
monitoru občas manuálně demagnetizovat, předchází se tak nevratnému zmagnetizování.
2.7
2.7.1
Způsoby připojení monitoru
VGA rozhraní
Monitor je připojen patnácti-pinovým kabelem do grafické karty a napájení
má buď vlastní (další kabel do zásuvky) nebo pomocí napájecího kabelu
z počítače. Jedinou nevýhodou jsou dva silné kabely vedoucí z monitoru.
2.7.2
RGB rozhraní
Připojení RGB používá tři kabely, kde každá barva má ”svůj” kabel. Výhodou jsou jasné a reálné barvy. Nevýhodou je poměrně vysoká cena takových
monitorů. RGB připojení se používá především v grafických studiích nebo
při potřebě zobrazení reálných barev.
2.7.3
DVI rozhraní
V roce 1999 se na trhu začaly objevovat klasické monitory obsahující rozhraní DVI, převzaté z konstrukce plochých LCD panelů. Výhodou tohoto
rozhraní je zvýšení kvality obrazu, lepší příjem signálu a přesné automatické
nastavení. K využití monitoru s tímto rozhraním je ale nutné mít nainstalované do počítače grafickou kartu s příslušným výstupem. DVI totiž používá
speciální konektor s 20 vývody, zatímco monitory s analogovým rozhraním
mají konektory typu DB-15 s 15 vývody.
23
3
3.1
Monitory LCD
Historie vývoje LCD jednotek
V roce 1877 použil Otto Lehmann polarizační mikroskop s kontrolou teploty
vzorku k prozkoumání přechodů mezi fázemi různých látek [?]. Zjistil, že
jedna z látek při přechodu z tekuté do pevné fáze vytvoří jakousi mezifázi
a že optické vlastnosti látky jsou závislé na směru a polarizaci dopadajícího
světla.
Princip tekutých krystalů, jeho biologicky-chemicko-fyzikální podstatu,
objevil v roce 1888 rakouský botanik Friedrich Reinitzer. Všiml si, že během
tání látky podobné cholesterolu zvané cholesterylbenzoát, který má podobu
zakalené tekutiny, se látka při vzrůstající teplotě pročišťuje. Látka roztavená
na 145,5 ◦ C tvoří mezifázi a kapalná je teprve až při teplotě 178,5 ◦ C. Tato
fáze byla nazvána fáze tekutých krystalů (LCP – Liquid Crystal Phase). Při
chlazení pak tekutina nabývá modré barvy a nakonec zkrystalizuje.
Po roce 1888 začala éra výzkumu a vývoje tekutých krystalů. Vzniklo
velké množství významných teoretických prací. V roce 1922 v Paříži provedl
Georges Freidel mnoho experimentů. Experimentálně objevil, že molekuly
tekutých krystalů se orientují ve směru elektrického pole. Navrhl klasifikační
schéma pro dělení tekutých krystalů na nematické (”néma” je řecky vlákno),
smektické a cholesterické.
Trvalo však ještě téměř dalších 40 let, než v roce 1963 výzkumník Richard Williams
objevil, že světlo, procházející tenkou vrstvou tekutých krystalů, je ohýbáno
podle krystalické struktury. Pomocí těchto poznatků se mu v roce 1968 podařilo se svým kolegou Georgem Heilmaierem vyrobit první experimentální
displej z tekutých krystalů, a proto se objevilo označení tekuté krystaly (LC
– Liquid Crystal). Jelikož princip lomu světla v tekutinách je v podobné
formě základem takřka všech počítačových displejů, prosadilo se označení
LCD (Liuid Crystal Displays).
Nástup LCD displejů nebyl rozhodně nějak radikální. Přestože například
Sharp uvedl svou první kalkulačku s displejem z tekutých krystalů už v roce
1973 a následoval ji roku 1975 průhlednými stolními LCD hodinami, ještě
do roku 1977 úspěšně vítězily displeje založené na segmentech diod LED.
Masivní zájem o technologii LCD však přišel až v polovině 80 let v souvislosti se zvyšujícím se obratem spotřební elektroniky. Na přelomu 80. a 90.
let byl pak potvrzen nástupem notebooků, plochých monitorů a projektorů.
LCD displeje lze rozdělit na několik technologií (viz obrázek 9).
3.2
Princip tvorby obrazu
LCD panel se skládá z buněk, které jsou tvořeny elektroluminiscenční výbojkou a dvěma polarizátory [?]. Mezi dvěmi orientačními filtry se nachází
24
Ploché displeje
Podsvícené
Alternativní
LCD
LED
Light Emitting Diode
Pasivní LCD
STN
DSTN
Aktivní LCD
TFT
PDP
Plasma Displays
FED
Field Emission Displays
LTPS
Low Temperature Polysilicon
Obrázek 9: Rozdělení technologií LCD displejů
vrstva tekutých krystalů. V klidovém stavu prochází světlo tekutými krystaly – buňka svítí. Zapnutý zdroj střídavého napětí změní vnitřní strukturu
tekutého krystalu a světlo je zablokováno na polarizátoru – buňka nesvítí.
Intenzita světla se mění v závislosti na velikostí napětí připojeného k elektrodám.
Pro černobílý obraz v rozlišení 1024 x 768 bodů je třeba 768 432 buněk.
Pro barevný 3x více, protože ze třech základních barev (RGB) lze namíchat
všechny barvy spektra. LCD displeje mají pevně dané rozlišení, takže na
displeji s rozlišením 1024 x 768 bodů lze pracovat s rozlišením 800 x 600
pouze se zmenšeným obrazem. Větší rozlišení lze nastavit pouze virtuálně,
ale v tom případě se obraz na obrazovku nevejde a musí se posouvat. Dnes již
existují ploché displeje schopné s větším či menším úspěchem přepočítávat
rozlišení. Téměř vždy je znát deformace obrazu pouhým okem, takže delší
práce je v tomto rozlišení nepříjemná.
U kapalných krystalů rozlišujeme 2 základní druhy uspořádání:
• Nematické uspořádání – v nematickém uspořádání jsou molekuly volné
a mohou se pohybovat ve všech směrech, tzn. molekuly nemají polohové uspořádání. Přesto se v průměru udržují v jednom směru. Pokud
jsou molekuly, tvořící nematický kapalný krystal chirální, nazývá se
tato fáze chirálně nematická (cholesterická). V tomto stavu mají molekuly snahu ležet vzájemně pootočené. To znamená, že v každé vrstvě
materiálu je jejich směr trochu jiný a tvoří ”spirálu”. Chirálně nematická struktura se v displejích využívá nejčastěji
Tyto displeje se používají např. v hodinkách a označují se TN–LCD
(Twisted Nematic–LCD). V těchto displejích je chirální nematický ka25
palný krystal umístěn mezi příčnými polarizačními filtry. Jejich vnitřní
povrch je speciálně upravený tak, aby molekuly na povrchu ležely stejným směrem jako polarizační filtry. Pokud by mezi polarizačními filtry
tekuté krystaly nebyly, světlo by jimi neprocházelo. Nicméně točící se
struktura molekul vede světlo a způsobí, že projde i druhým polarizačním filtrem.
Po připojení napětí se rozpadne šroubovitá struktura a většina molekul
se srovná ve směru elektrického pole. Výsledný efekt je stejný jako
kdyby mezi polarizačními filtry nic nebylo a světlo neprochází.
• Smektické uspořádání – ve smektickém stavu existuje polohové uspořádání v rozsahu jedné dimenze. To znamená uspořádání molekul do
vrstev. Některé smektické fáze mají polohové uspořádání i ve více než
jedné dimenzi. Stejně jako chirálně nematická fáze existuje i fáze chirálně smektická. Stejným způsobem jako u cholesterické fáze i tady
směr molekul rotuje napříč vrstvami. V každé vrstvě je molekula pootočená.
3.3
Role polarizace
Pro základní pochopení funkce LCD je třeba si uvědomit, jak pracuje polarizační filtr. Ten je schopen pomocí velmi jemné struktury rovnoběžných vlásečnic propustit pouze světelný tok, který z původně heterogenního proudu
má jednotlivé vlny orientovány rovnoběžně.
Výsledek si lze představit jako velké množství rovnoběžných světelných
vrstev, místo jednotlivých proudů fotonů kmitajících všemi směry. Barva
světla polarizací ovlivněna není, je však snížen jas. Když na sebe položíme
dvě polarizační skla orientovaná stejným směrem, světlo projde oběma. Pokud je ale vzájemně otočíme o 90◦ , druhé polarizační sklo nepropustí jinak
polarizovaný proud světla a světlo neprojde.
Jádrem LCD je tedy TN (twisted nematic) struktura, která je z obou
stran obklopena polarizačními vrstvami orientovanými stejně jako jsou natočeny drážkované destičky. Světlo tedy projde prvním polarizačním sklem
a polarizuje se. Poté prochází vrstvami pootočených tekutých krystalů, které
světlo otočí než projde i druhým polarizačním sklem, které je otočeno o 90◦
jiným směrem.
Takto se TN-LCD chová v klidovém stavu bez přivedeného napětí a propouští světlo. Jakmile začne tekutými krystaly protékat slabý elektrický
proud, krystalická struktura se začne orientovat podle směru toku proudu.
Všechna zrnka se tedy stočí jedním směrem a přestane docházet k otáčení
světla. První polarizační vrstva tedy světlo polarizuje, skrz krystaly projdou
paprsky nezměněny a druhá polarizační vrstva světlo definitivně zablokuje,
neboť jeho polarita je o 90◦ odlišná. Velikostí proudu je pak možné regulovat průchod světla a dosáhnout tak u moderních displejů obvykle 256 úrovní
26
jasu.
3.4
Vytvoření displeje
Pro konstrukci LCD panelů se používají nematické kapalné krystaly. Krystaly jsou založeny na bázi hexylkyanidbifenylu, jehož molekuly mají podlouhlý (tyčovitý) tvar. První vrstva skleněná destička je pokryta tenkou vrstvou
metal oxidu, který působí jako elektroda. Tento film je uspořádán do sloupců
a řad (displej s pasivní maticí) nebo do individuálních obrazců (displej s aktivní maticí). Elektrody jsou použity k nastavení napětí mezi částmi, které
chceme zviditelnit. Následuje polymerová zarovnávací vrstva (obvykle polyamid). Tato vrstva prochází procesem škrábání, který v ní zanechá série
rovnoběžných drážek. Tyto drážky pomáhají zarovnávat molekuly LC do
správného směru. Jsou připraveny 2 stejné destičky, jedna z nich je z vnitřní
strany pokryta distanční vrstvou kuliček polymeru. Tato vrstva zajišťuje
konstantní mezeru 20µm mezi destičkami, kam budou umístěny tekuté krystaly. Obě destičky jsou spojeny a jejich hrany se slepí epoxidem. Roh je
ponechán otevřený, aby mezi ně mohly být ve vakuu injektovány tekuté
krystaly. Jakmile je displej naplněný tekutými krystaly, roh se zalepí a na
povrch skel se nanesou polarizační filtry v odpovídajícím směru. Displej je
dokončen připojením vývodů, kterými se přivádí napětí do určených částí
displeje.
Pro jednodušší zobrazení se používá systém statické adresace. Při něm
existuje pouze jediná zem a ke každém segmentu vede samostatný vodič.
Statické systémy jsou obecně jednodušší na obsluhu, bohužel však vyžadují
pro každý segment (v případě matice pro každý pixel) samostatný vodič viz
obrázek 10. To dost dobře nelze realizovat u jiného než několika segmentového displeje, u maticových displejů je takový přístup nepřijatelný.
Polarizátor
Vodící vrstva
Tekuté krystaly
Elektroda displeje
Vodící vrstva
Polarizátor
Segmentové elektrody
Obrázek 10: Sedmisegmentový displej
Výše popsaná struktura odpovídá jedinému segmentu jednoduchého dis27
pleje. Například obyčejný alfanumerický displej používá pro zobrazení všech
číslic 7 segmentů. Statické systémy adresace se používají u nízko informačních displejů a mají jednodušší obslužné obvody.
Druhým systémem je dynamický systém adresace. K rozsvícení příslušného segmentu dojde při správné kombinaci svrchního a spodního vodiče.
Bohužel nevýhodou dynamického systému adresace je poměrně problematické přesné zaměření jednotlivých bodů v matici. Tento efekt je znatelný
zejména u barevných maticových displejů typu STN (Super Twist Nematic)
nebo DSTN (Double-Layer Super Twist Nematic), svým principem pouze
rozšiřují klasický typ TN. Všechny body displeje se adresují čistě dynamickým systémem adresace. Stačí zvolit správný řádek a sloupec a příslušný
bod displeje se rozsvítí. Obě strany displeje jsou ovládány integrovanými
obvody starající se o rozsvícení pouze odpovídajících bodů. Problém spočívá ve vzájemném propojení jednotlivých bodů jak vodiči, tak integrovanými obvody a není technicky možné přesně regulovat proud procházející
jednotlivými body (pixely). Kvůli tomu jsou na displejích tohoto typu často
patrné postupně slábnoucí horizontální a vertikální čárky, které se rozebíhají od rozsvíceného pixelu (vybraný pixel je aktivní – černý – ale okolí
je rovněž částečně aktivní - šedé) a dokazují tak způsob zaměřování konkrétního bodu. Systém dynamické adresace je relativně pomalý. Jednotlivý
bod je schopen zareagovat na změnu za 300 ms, což odpovídá zhruba třem
snímkům za sekundu. Dosahuje se tak nízké obnovovací frekvence (počtu
obrázků, které je displej schopen zobrazit za vteřinu). Proto mají LC displeje potíže se zobrazováním rychlejší grafiky, pro video jsou zcela nevhodné
(je vyžadována odpověď do 40 ms). Ke spojení jednotlivých segmentů se
používají velmi tenké proužky z oxidu india a cínu, které jsou dostatečně
průhledné. Obyčejné měděné drátky by byly na displeji dobře patrné.
3.5
Podsvícení dipleje
Je přirozené, že samotné LCD panely odebírají energii. Některé je třeba k
natáčení krystalů a v případě TFT displejů jí je velké množství nutné také k
otevírání a zavírání tranzistorů. Mnohem větší množství energie však spotřebuje podsvícení, které se nejčastěji aplikuje pomocí fluorescentních výbojek
na některé ze stran displeje. Pomocí světlo vodivého panelu z polykarbonátu
nebo pomocí optických vláken se pak světlo rozvede po celé ploše monitoru.
3.6
3.6.1
Technologie
Pasivní displeje
LCD monitory s pasivní maticí mají mřížku vodičů s pixely nacházejícími
se na každém průsečíku v mřížce (viz obrázek 11). Proud protéká dvěma
vodiči v mřížce, aby aktivoval světlo pro každý pixel. Takové monitory mají
elektrody v řádcích na jedné polovině skla monitoru a na druhé polovině
28
jsou elektrody umístěné ve sloupcích. Elektrody jsou zpravidla vyráběné
z ITO (Indium Tin Oxide), což je poloprůhledný metal-oxid. Když elektrický
impuls projde jedním řádkem a jestliže je určitý sloupec uzemněný, vznikne
elektrické pole, které změní stav kapalného krystalu (z bílého na černý).
Opakováním tohoto procesu vznikne na monitoru obraz.
Problémy vznikají při nárůstu počtu řádků a sloupců, protože s vyšší hustotou pixelů musí být velikost elektrody redukovaná a velikost napětí nutně
narůstá. Toto se projevuje nepříliš ostrým obrazem, kdy se z jediného rozsvíceného bodu rozbíhají postupně slábnoucí horizontální a vertikální čárky,
které přesně ukazují, jakým způsobem je zaměřen konkrétní pixel. Vybraný
pixel je aktivní (černý), ale okolí je rovněž částečně aktivní (šedé). Částečně
aktivní pixely snižují kontrast a kvalitu obrazu na monitoru. Není zároveň
možné dosáhnout příliš vysoké rychlosti. Doba odezvy, tedy reakčního času
pixelu na změnu podle dat dodaných z grafické karty, se často pohybuje v
rozmezí 150 až 250 ms, odpovídá přibližně 3 snímkům za sekundu. Toto se
projevuje viditelnou stopou za kurzorem myši, nebo zmizením kurzoru při
rychlém pohybu myši při použití rychlé grafiky.
Katoda
Anoda
"
#
$
%
&
'
(
(
)
"
#
$
%
&
'
(
(
)
"
#
$
%
&
'
(
(
)
"
#
$
%
&
'
(
(
)
"
#
$
%
&
'
(
(
)
"
#
$
%
&
'
(
(
)
"
#
$
%
&
'
(
(
)
"
#
$
%
&
'
(
(
)
"
#
$
%
&
'
(
(
)
,
,
-
.
.
/
!
*
*
+
,
,
-
.
.
/
!
*
*
+
,
,
-
.
.
/
!
*
*
+
,
,
-
.
.
/
!
*
*
+
,
,
-
.
.
/
!
*
*
+
,
,
-
.
.
/
!
*
*
+
,
,
-
.
.
/
!
*
*
+
,
,
-
.
.
/
!
*
*
+
,
,
-
.
.
/
!
*
*
+
2
3
2
3
0
0
1
2
3
2
3
0
0
1
2
3
2
3
0
0
1
2
3
2
3
0
0
1
2
3
2
3
0
0
1
2
3
2
3
0
0
1
2
3
2
3
0
0
1
2
3
2
3
0
0
1
2
3
2
3
0
0
1
R GBR GB R GBR GB R GBR GB R GBR
Obrázek 11: Struktura pasivního displeje
3.6.2
Aktivní displeje
LCD monitory s aktivní maticí byly vyvinuty, aby eliminovaly problémy monitorů s pasivní maticí známé jako TFT displeje (TFT – Thin Film Tranzis29
tor), viz obrázek 12. První TFT byly vyrobeny roku 1972 z CdSe – Cadmium
Selenide, ale při investicích do solárních panelů se přešlo na amorfní křemík
(a-Si) a později na polykrystalický křemík (p-Si).
Maticové zobrazovače mají tranzistor nebo diodu na každém průsečíku
pixelů, takže potřebují méně proudu na ovládání svítivosti pixelů. Díky tomu
může být proud v maticovém zobrazovači vypínaný a zapínaný mnohem
častěji. Tím se zvýší obnovovací frekvence obrazovky (RF – Refresh Rate), tj.
frekvence s jakou se obnovuje obraz na obrazovce. Pomocí regulační funkce
tranzistoru, případně ve spolupráci s kondenzátorem, je možné velmi přesně
regulovat proud procházející pixelem a svítivost daného bodu.
Elektroda X
Aktivní element
(tranzistor)
Elektroda Y
Světlo
Obrázek 12: Struktura TFT displeje
TF tranzistory kompletně izolují jeden pixel od ostatních v displeji a eliminují tak problémy vznikající při částečně aktivních pixelech. Jeden pixel
představuje nejmenší zobrazitelnou jednotku na obrazovce, což však platí
v případě mono displejů. U barevných monitorů jeden pixel tvoří 3 další
sub - pixely (RGB). Tyto body jsou uspořádány horizontálně vedle sebe
(viz obrázek 13). V případě nativního rozlišení displeje 1600 x 1200 je vedle
sebe ve skutečnosti 4800 sub - pixelů. Šířka těchto bodů musí být samozřejmě velice malá a pohybuje se standardně v rozmezí cca 0,24 – 0,29 mm.
Rozteč bodů také ovlivňuje maximální rozlišení při dané úhlopříčce, a proto
se jen výjimečně objevují malé monitory s vysokým rozlišením.
Aby se vyrobil plně funkční barevný VGA displej pro rozlišení 640 x 480,
musí být pro každý bod (pixel) použity 3 TF tranzistory, což znamená celkem 921 600 TF tranzistorů. Výsledkem je tedy, v porovnání s klasickými
pasivními displeji, skvělá kvalita obrazu. Běžně se dosahuje kontrastního poměru až 400 : 1, doba odezvy se často dostává až na 20 ms, což odpovídá
frekvenci 50 snímků za sekundu. Obraz je čistý, bez rušivých vlivů.
Základním problémem je způsob vytvoření jednotlivých tranzistorů. Displej s rozlišením 1024 x 768 bodů obsahuje více než 786 432 bodů pro každou
30
R
G
B
R
G
B
R
G
B
!
"
#
!
#
Tranzistor
"
Pixel
Sub-pixel
Rozteč bodů
Obrázek 13: Jednotlivé sub-pixely TFT displeje
ze tří základních barev. Na celém panelu, např. na ploše 100 000 mm2 (v případě 18” LCD), je pak potřeba vytvořit 2 359 296 jednotlivých tranzistorů
poměrně daleko od sebe.
Výroba takto oddělených tranzistorů se provádí záblesky vysokovýkonného laseru, který v místě přechodu krátkodobě vytvoří teplotu až 1400 ◦ C.
Tranzistory musí být vyrobeny z jednoho kusu křemíku, což při milionech
tranzistorů není možné bez určitého procenta chybovosti. Z tohoto důvodu
je každá buňka osazována až pěti tranzistory, z nichž se vybere ten nejlepší.
Taková výroba je dost drahá a nepříliš úspěšná.
31
Existují dva druhy rozložení pixelů na TFT displejích.
• Pruhové rozložení – při tomto rozložení se na obrazovce střídají pásy
červené, zelené a modré barvy. Tato technika se používá u LCD monitorů.
• Trojúhelníkové rozložení – barevné pixely jsou rozložené v trojúhelníkovém tvaru, určené pro multimediální a promítací LC displeje.
3.7
Princip LCD displeje
Aby byl obraz na displeji čitelný je nutné podsvětlení, tedy zadní světelný
zdroj (1) - nejčastěji elektroluminiscenční výbojka. Polarizační filtry (2,5)
propustí pouze část světla na vstupu, jen světlo polarizované v horizontální
či vertikální rovině. Mezi dvěma orientačními filtry (3) se nachází vrstva
tekutého krystalu (4). Molekuly tekutého krystalu jsou v klidovém stavu
vzájemně pootočeny, mezní stavy jejich natočení udává právě orientační filtr
[?]. V klidovém (standardním) stavu je světlo ze zadního světelného zdroje
propuštěno – displej ”svítí”. Průchodem polarizátorem (2) získáme světlo
polarizované v horizontální rovině. To dále prochází tekutým krystalem.
Protože jsou ovšem ve vrstvě tekutého krystalu jednotlivé molekuly pootočeny, je průchodem světla změněna i jeho polarizace z horizontální na vertikální. Světlo s vertikální polarizací je propuštěno polarizátorem (5), a proto
displej ”svítí” (6). Připojíme-li na elektrody tekutého krystalu (v rámci zjednodušení shodné s orientačními filtry) zdroj střídavého napětí, změní se jeho
vnitřní struktura. Molekuly krystalu již nejsou vzájemně pootočeny, ale ”napřímeny”, viz obrázek 14.
Světlo procházející vrstvou tekutého krystalu tedy nemůže změnit svou
polarizaci z horizontální na vertikální a je tak zablokováno na polarizátoru
(5), který propouští pouze světlo s polarizací vertikální. Displej tedy zůstává tmavý (světlo ze zadního světelného zdroje neprojde). Postavení molekul tekutého krystalu ovládá průchod světla. V praxi nestačí mezní stavy –
světlo projde / neprojde – nutností je také regulace množství propuštěného
světla, resp. změna jasu. Toho lze docílit změnou velikostí napětí připojeného
k elektrodám. Konstrukce barevných displejů je téměř stejná jako u jednobarevných. Každý bod displeje obsahuje červený, zelený a modrý filtr, které
jsou umístěny na horní skleněné destičce vedle sebe. Barevný displej je vždy
podsvícen. Propouštěním světla do barevných filtrů a jeho smícháním dostaneme výslednou barvu.
32
2
1
3
3
5
4
Světlo
6
Molekuly tekutých displejů
Polarizační filtry
Skleněné desky
Obrázek 14: Princip činnosti LCD displeje
3.8
3.8.1
Parametry LCD monitorů
Úhel pohledu
Polarizátory a tekutý krystal absorbují více než 50% dopadajícího světla.
Když paprsek světla dopadne na krystal, paprsek se rozštěpí na dva samostatné kolmé paprsky. Když se paprsky rozdělí, jejich dráhy jsou různě
dlouhé a dosáhnou uživatelovo oko v nepatrně jiném čase. Při pohledu na
monitor z jiného zorného úhlu se může stát, že tyto dva paprsky budou vidět najednou. To se může projevit zmizením nebo pomícháním barev, např.
světlé barvy budou tmavé a tmavé barvy budou světlé. Díky stále se zlepšující technologii polarizátorů a materiálu tekutých krystalů se však objevují
LCD monitory s větším počtem zobrazovaných barev a s větším možným
zorným úhlem (viz obrázek 15).
3.8.2
Technologie
• In-Plane Switching (IPS) – také nazývána Super-TFT. Technologie
IPS od společnosti Hitachi založena na urovnání tekutých krystalů paralelně se substrátem. Největší výhodou je úhel pohledu kolem 170◦ .
Kvůli paralelnímu uspořádání krystalů je nutné umístit elektrody ”hře33
Vertikální pozorovací úhel
Horizontální pozorovací úhel
Konvenční TFT
45
45
15
◦
35
◦
◦
◦
Vertikální pozorovací úhel
Horizontální pozorovací úhel
Zdokonalené TFT
80
80
80
◦
◦
80
◦
◦
Obrázek 15: Úhly pohledu LCD displejů
benovitě” na zadní skleněnou plochu. Důsledkem je nízký kontrast displeje a vyšší doba odezvy,
• Multi-Domain Vertical Alignment (MVA) – Pravděpodobně nejlepší
technologií výroby společnosti Fujitsu. Široké pozorovací úhly až kolem 160◦ jsou zajištěny použitím ”výčnělků” (protrusions). Díky vertikálnímu uspořádání tekutých krystalů MVA umožňuje nízké doby
odezvy, protože změna natočení netrvá tak dlouho jako u TN či IPS.
TFT
TN
TN + film
IPS/Super-TFT
MVA
Horizontální pozorovací úhel
80 - 100
120 - 140
160 - 180
16 - 170
Typická
odezva
30 ms
16-25-30ms
30 ms
20 ms
Tabulka 2: Pozorovací úhly a doba odezvy
34
3.8.3
Doba odezvy
Tekuté krystaly stále nejsou tak rychlé, aby dosáhly kvalit CRT monitorů.
Než se krystaly přeorientují ze stavu propouštějící všechno světlo do stavu
nepropouštějícího, musí projít molekulární změnou trvající určitý čas. Tento
čas nazýváme dobou odezvy a udává dobu přechodu pixelu z černé na bílou.
Někteří výrobci místo doby odezvy uvádějí dobu náběhu pixelů (rise time)
a dobu dosvitu pixelů (fall time).
Doba odezvy je pak součtem doby náběhu a doby dosvitu pixelů. Doba
náběhu bývá kratší a definuje, za jak dlouho se rozsvítí zobrazovací bod
na požadovanou úroveň. Tato hodnota se pohybuje od 3 do 10 ms. Druhý
parametr, doba dosvitu, je delší a definuje, za jak dlouho se utlumí svit
zobrazovacího bodu na požadovanou úroveň. Tato hodnota se pohybuje od
8 do 15 ms.
Obě hodnoty je nutné ve finále sečíst a výsledkem je celková doba odezvy
(orientačně od 12 do 25 ms). Navíc různé barevné odstíny mají různou dobu
odezvy. Rozdíl může dosáhnout desítky procent. Na jednom panelu se tak
mohou vyskytovat body s dobou odezvy kolem 10 ms, které při zobrazení
některých barev několikanásobně zpomalí. Proto se výrobci profesionálních
panelů nezaměřují ani tak na co nejrychlejší odezvu bodů v jednom zobrazení, ale na sladění rychlosti odezvy při různých odstínech. Doba odezvy
16 ms je dostačující parametr pro sledování filmů a hraní her. Pro běžnou
kancelářskou práci se doporučují monitory s dobou odezvy kolem 20 ms.
3.8.4
Kontrast
Kontrast je jedním z faktorů určující kvalitu monitoru. V případě zhasnutí
všech tří barevných složek je zobrazena černá, jenže s ohledem na jas podsvětlujících katod a na fyzikální vlastnosti tekutých krystalů tomu tak vždy
není. Pouze vysoko-kontrastní monitory mají schopnost zobrazit opravdu
černou.
3.9
3.9.1
Výhody a nevýhody LCD displejů
Výhody
• Kvalita obrazu – dokonalá geometrie obrazu LCD displejů patří mezi
hlavní výhody. Obrazovka je dokonale plochá, pixely jsou na obrazovce
pevně určeny. Obraz je naprosto ostrý i na krajích obrazovky. LCD
displeje časem neztrácejí kvalitu zobrazování, protože tekutý krystal
se po odpojení napájecího napětí vrátí do původní polohy,
• Životnost LCD displeje – stárnutí obrazovky je vždy nevyhnutelné.
V oblasti monitorů se měří životnost produktu jako doba snižování jasu
obrazovky na polovinu původní hodnoty. Jediný stárnoucí prvek LCD
displeje je systém podsvícení, tvořený jednou nebo více fluorescenčních
35
trubic. Životnost těchto trubic než dojde ke snížení jasu na poloviční
hodnotu je 50 000 hodin,
• Spotřeba energie – spotřeba energie LCD monitoru je o 25% nižší
než spotřeba CRT se stejnou velikostí obrazovky, navíc je hodnota
tepelné energie generovaná LCD monitorem značně nižší než u CRT,
• Odrazivost a oslnivost – materiál, ze kterého je vyrobena přední
strana obrazovky CRT a LCD monitorů, je značně rozdílný. U CRT
monitoru je přední strana vyrobena ze skla s úpravu snižující odrazivost. Tato proti odrazivá úprava ale snižuje kvalitu obrazu,
• Emise – jelikož k provozu LCD monitorů není třeba vysokého napětí,
monitory jsou v podstatě bez emisních záření. Menší velikost LCD
monitorů znamená také snadnější zakomponování krytu proti záření
do vlastního designu monitoru. Obraz je také méně rušen externím
zářením nebo třeba GSM signálem, magnetickým polem generovaným
např. blízkostí reproduktoru, mobilního telefonu nebo elektrického větráku způsobující velké problémy s čistotou obrazu CRT.
3.9.2
Nevýhody
• Teplota – při nízkých teplotách je pohyblivost elektronů velmi malá
a čas reakce větší. Naopak, při vysokých teplotách se mění odpor tekutého krystalu a výkon klesá. Požadované elektrické napětí se přes
LCD displej mění v závislosti na teplotě okolí,
• Interpolace – každý LCD monitor má pevně dané nativní (přirozené) rozlišení představující počet pixelů. Při použití nižšího rozlišení
dochází k interpolaci. Obraz se roztáhne na celou plochu a dochází
k rozmazání, což v případě textu je problém. Jediný případ, kdy nedochází k interpolaci při snížení rozlišení, je u velkých monitorů. Rozlišení
1600 x 1200 lze snížit na 800 x 600 bez snížení kvality textu. Jeden pixel
je v tomto případě reprezentován 2x2 body,
• Vadné pixely – 17-palcové LCD displeje obsahují 3,9 milionů bodů
(1280 x 1024 x 3 barevné složky) a poměrně často se stává, že nejsou
všechny řídící tranzistory v pořádku. Kvalitou displejů se zabývá norma
ISO 13406-2. Všichni významní výrobci reklamace podle této normy
posuzují. Je potřeba rozlišovat, zda jde o chybu pixelu (stále bílý nebo
černý bod) nebo sub-pixelu (chybná je jen jedna ze složek RGB). Dále
se rozeznává chyba v tzv. clusteru – bloku 5x5 bodů. Údaje uvedené
v tabulce 3 platí pro nejrozšířenější kvalitativní třídu II. Třída III
dovoluje více vadných bodů, třída I nedovoluje žádné vadné body (vyskytuje se minimálně a je patřičně drahá),
36
Rozlišení
Vadné
pixely
Vadné
sub-pixely
1024x768
1280x1024
1600x1200
2
3
4
4
7
10
Vadné
sub-pixely
clusteru
2
3
4
Tabulka 3: Dovolené meze vadných bodů
• Barva – přestože je u všech LCD udávaná podpora 32-bitových barev,
nikdy se takové hloubky nedosáhne. Tekuté krystaly nejsou schopny
realisticky reprodukovat všech 16,7 milionu barev s potřebnou sytostí,
• Cena – poslední nejpodstatnější nevýhoda je cena, která je stále ještě
vysoká. Díky větší viditelné ploše můžeme srovnávat 17” LCD a 19”
CRT monitory, ale jejich cena je stále rozdílná. Přesto v poslední době
ceny klesají a prodej LCD monitorů vzrůstá.
Jas
Kontrast
Pozorovací úhel (kontrast)
Pozorovací úhel (barva)
Chyby konvergence
Ostrost
Geometrické chyby
Chyby pixelů
Vstupní signál
Úprava rozlišení
Podání barev
Jednotnost obrazu
Čistota barev
Blikání obrazu
Doba odezvy
Spotřeba energie
Velikost/váha
TFT
(+) 170 · · · 250 cd/m2
(≈) 200:1 · · · 400:1
(≈) 110 · · · 170◦
(-) 50 · · · 125◦
(+) žádná
(+) vyhovující
(+) žádná
(-) až 8
(+) analog nebo digital
(-) žádné nebo přepočítané
(≈) vyhovující
(≈)jasnější v rozích
(≈) dobrá
(+) žádné
(-) 20 · · · 30 msec
(+) 25 · · · 40 watt
(+) tenké, lehké
CRT
(≈) 80 · · · 120 cd/m2
(+) 350:1 · · · 700:1
(+) přes 150◦
(≈) přes 120◦
(≈)0,20 · · · 0,30 mm
(≈) vyhovující
(≈) možné
(+) žádné
(≈) analog
(+) velmi dobré
(+) realistické
(≈) jasnější ve středu
(+) vysoká
(≈) do 85 Hz
(+) nepostřehnutelná
(-) 60 · · · 150 watt
(-) rozměrnější, těžší
Tabulka 4: Porovnání CRT a LCD
Legenda: (+) pozitivní (≈) průměrné, akceptovatelné (-) negativní
37
3.10
Výběr monitoru
O tom, že monitor je jedním z nejdůležitějších periferních zařízení, asi není
sporu. S tím však často nekoresponduje skutečnost, že jen málokterý uživatel si jej vybírá s takovou péčí, jako třeba samotný počítač. Přitom monitor
je zařízení, které může nejvíce ohrozit naše zdraví. Každý monitor si raději
před koupí prozkoušíme, tím se vyhneme případným problémům s jeho používáním i eventuálnímu zklamání z poskytované kvality obrazu. Význam
lidského zraku není radno podceňovat, v případě několikahodinové každodenní práce s monitorem.
Při výběru nového LCD se musíte nejprve rozhodnout, pro jaké účely jej
chcete používat, popřípadě jaké aplikace na LCD monitoru poběží. Pokud
budete LCD monitor používat např. v kanceláři (MS office, internet) tak
Vám postačí LCD panely nižších modelových řad, obvykle sami výrobci
mají pro kanceláře určené modelové řady např.: ”Value”,”Business” atd.
Vybíráme takové typy, které splňují poslední ergonomická doporučení.
38
4
Ergonomie
V ergonomii použití monitoru hraje roli několik faktorů. Poloha monitoru
ovlivňuje polohu těla při práci, spolu s optickými vlastnostmi ovlivňuje zátěž
očí a s tím spojený krevní tlak. Koncentrace iontů kolem obrazovky může
vyvolávat alergické reakce kůže a vznik kožních problémů.
Monitor by měl být umístění zhruba 50 - 70 cm od očí, 15 - 20◦ pod úrovní
očí (horní část monitoru má být ve výšce očí). Pro minimalizaci nadměrné
zátěže očí při práci s monitorem je nutné volit režimy zobrazení, které mají
dostatečnou frekvenci obnovy obrazu, tj. vertikální frekvenci alespoň 70 Hz
(u levnějších monitorů to může znamenat nutnost vyvarovat se grafických
režimů s velkým rozlišením). Pro dosažení maximální optické pohody při
práci s obrazovkou můžeme použít následující doporučení:
• jedna z nejméně vhodných barevných kombinací je primární barva
modrá zobrazená na temném pozadí,
• jasnost pozadí by měla být ztlumena natolik, že není možné rozeznat
rastr obrazovky,
• velikost zobrazeného písma by měla být co největší (studie z roku 1989
ukázaly, že používání menšího typu písma vede ke zvýšení krevního
tlaku uživatelů),
• není vhodné používat příliš temné pozadí na obrazovce, kontrast mezi
úrovní jasu obrazovky a dalších pracovních ploch v zorném poli uživatele (např. bílá stěna, bílý papír) může způsobovat potíže při čtení
písemných dokumentů – minimální úroveň jasu pozadí na obrazovce
by měla být 300 - 500 Luxů,
• celkový charakter osvětlení pracovního místa by měl zamezit odrazu
na obrazovce nebo jasných plochách kolem ní, vhodné je použití antireflexních filtrů,
• pro sezení před obrazovkou není vhodná poloha proti oknu ani zády
k němu,
• nejvhodnější je nepřímé osvětlení, při kterém dochází k nasvětlení
stropu a odrazu světla od něho (při výšce stropu větší než 2,5 m).
Není-li možné tento způsob osvětlení použít, musejí být všechna světla
opatřena alespoň rozptylujícími členy,
• nábytek a stěny místnosti by měly být z málo odrazivých materiálů
zamezujících vzniku odlesků a odrazů,
• okna je nutno osadit regulovatelnými stínidly (žaluziemi) umožňujícími
upravovat množství světla přicházejícího zvenku.
39
Pracovníci používající brýle mohou zvážit i možnost pořízení speciálních
brýlí ”vyladěných” na prakticky fixní vzdálenost, ve které pracují po dlouhé
časové úseky. Zpravidla je použití speciálních brýlí vhodnější než bifokální
čočky. V zemích Evropského společenství se začíná uplatňovat legislativa
přikazující zaměstnavatelům uhradit svým pracovníkům u monitorů speciální brýle všude tam, kde brýle používané pro normální účely nevyhovují.
Co se negativních vlivů práce s monitory na zrak týče, existuje překvapivě
málo efektů, které by byly dostatečně dobře prokázány. Není to tím, že by
tyto efekty neexistovaly nebo nebyly dostatečně silné, ale tím že přirozený
rozptyl očních vad je natolik velký, že výsledné statistiky nehovoří dostatečně průkazně. Silně podezřelé jsou zejména negativní změny schopnosti
oka ostřit, poškozování optického nervového systému v míře rostoucí s délkou doby práce s monitory, chronické změny očních čoček, či náchylnost ke
vzniku zákalů.
Nejméně hodnověrných závěrů je možné v současné době činit o vlivu
elektromagnetického vyzařování, kterému je pracovník u terminálu vystaven.
Řada odborníků se domnívá, že trvale působící vliv elektromagnetického záření emitovaného monitory počítačů a související magnetické pole může mít
nepříznivý vliv na reprodukční mechanismy a na spouštění některých druhů
zhoubného bujení tkání. Mezi podezřelé patří vlivy podobné dlouhodobému
působení polí kolem vedení vysokého napětí v souvislosti s depresívními
stavy, sebevraždami a větší nemocností a výskytem rakoviny způsobenými
oslabením imunitního systému. Existující studie prokazují vzrůst počtů případů dětské leukémie v souvislosti s velikostí expozice, stejné riziko je v
literatuře uváděno pro mozkové nádory. Výsledky výzkumu publikované v
roce 1993 ukazují, že magnetická pole indukovaná kmitočtem sítě potlačují schopnost melatoninu zvládat růst buněk lidského karcinomu prsu, a
to dokonce i u mužů. Tyto výsledky jsou ovšem velice problematické pro
reprezentativnost svých závěrů a míru vyloučení dalších vlivů prostředí. Citované praktické případy (např. skupina onemocnění karcinomem prsu na
telefonní ústředně v australském Queenslandu) budí svou izolovaností rozpaky a těžko mohou vážně zpochybňovat převládající ”oficiální”. stanoviska
zdůrazňující, že elektrická pole extrémně nízkých frekvencí nejsou karcerogenním faktorem (vliv na povzbuzování růstu existujících nádorů však již
tak kategoricky zpochybňován není). O některých vlivech pulsního magnetického pole typu pole vyzařovaného počítačovými monitory byly již roku
1988 publikovány velkým mezinárodním výzkumným projektem ”Henhouse
Project” výsledky ukazující nepříznivý vliv těchto polí na vývoj kuřecích
embryí. Projekt byl specificky motivován snahou ověřit hypotézu o vlivu
magnetických polí o nízké frekvenci na genetický materiál účastnící se dělení
buněk a zdá se potvrzovat skutečnost, že i pole velmi nízké intenzity mohou
být biologicky aktivní. Jiným podezřelým jsou vysokofrekvenční pole, která
jsou emitována z některých špatně odstíněných monitorů a která mohou indukovat proud interferující s důležitými elektrickými impulsy podstatnými
40
pro činnost živého organismu. Zdraví škodlivé faktory zmíněné v předchozím odstavci jsou velmi snadno zpochybnitelné odkazem na neznámou míru
přenositelnosti laboratorních výzkumů na situaci v běžném životě, kde je
organismus vystaven souhrnu působení řady dalších vlivů, které mohou být
jistě srovnatelné s eventuálním nepříznivým vlivem počítačových zobrazovacích jednotek. Tato zpochybňování však mohou být poměrně ošidná - i
o výskytech RSI se před časem soudilo, že jsou hodny spíše odkazu do říše
utkvělých představ, psychózy nebo hysterie, ale dnes není možné jejich reálnost ani míru jejich rizika odmítnout. Výrobci zobrazovacích jednotek mají
přirozený ekonomický zájem na bagatelizaci možných problémů, ale i oni v
poslední době přecházejí na výrobu nízko vyzařujících monitorů s dobrým
stíněním a samozřejmou doplňující ochrannou pomůckou se stávají obrazovkové filtry omezující nejen vznik nežádoucích reflexů, ale stínící některým
druhům vyzařování i omezující koncentraci kladných iontů v bezprostředním okolí obrazovky. Rozhodně tedy lze doporučit alespoň jistou dávku rezervované opatrnosti při nákupu monitorů a orientaci na monitory s nízkou
úrovní vyzařování, které jsou dnes již na trhu běžně dostupné. Perspektivně
je možné, že s růstem rozlišení kvality zobrazení obrazovek používajících
tekuté krystaly dojde k podstatné redukci možných vlivů elektromagnetických polí na uživatele počítačů, protože použití tekutých krystalů podstatně
redukuje intenzitu působení těchto faktorů.
41
5
Monitory plazmové
5.1
Princip tvorby obrazu
Abychom pochopili princip plazma displejů, musíme si nejdříve objasnit
pojem plazma a funkci technologie PDP (Plasma Display Panel).
Plazma je skupenstvím složeným z iontů a elementárních částic. Protože
plazma není plynem, kapalinou ani pevnou látkou, nazývá se někdy čtvrtým
skupenstvím.
V klidovém stavu se v plazma displejích nachází směs vzácných plynů
(argon – neon – xenon). Jelikož to jsou elektro–neutrální atomy, musíme najít způsob, jak z nich vytvořit plazmu. Ta se vytváří zavedením elektrického
proudu do plynu, čímž se objeví mnoho volných elektronů. Srážky mezi elektrony a částicemi plynu vyvolají ztrátu elektronů některých atomů a vznikají
kladně nabité ionty. Spolu s elektrony tedy získáváme plazmu.
Jednotlivé nabité částice se vlivem vytvořeného elektrického pole začnou
pohybovat ke svým opačným pólům. Ionty plynů k záporně a elektrony ke
kladně nabitému pólu. V plazmě tímto způsobem dochází k velkým pohybům a ve vzniklém ”zmatku” se začnou jednotlivé částice srážet. Ionty
plynů se dostávají do excitovaného stavu a poté uvolní foton (světlo), viz
obrázek 16.
Elektrony
1
Jádro
2
3
Uvolněný foton
Obrázek 16: Uvolnění fotonu z plynového iontu
1 – srážka s rychlou částicí přivede atom do excitovaného stavu
2 – přijetím energie přejde elektronu na vyšší energetickou hladinu
3 – elektron se vrací na původní dráhu a přebytečná energie je uvolněna ve
formě fotonu
Při nárazu volného elektronu do jednoho z elektronů iontu na nižším
42
orbitalu získá tato částice energii, která jí dovolí na krátký čas přejít na
vyšší energetickou hladinu, ale hned poté ho elektromagnetické síly donutí
k návratu na původní hladinu a přebytečná energie je uvolněna ve formě
fotonu.
Energie fotonu, který je uvolněn ionty neonu a xenonu, je často tak
vysoká, že vlnová délka přesahuje možnosti lidského oka. Uvolňuje se totiž
ultrafialové záření, které je pro lidské oko neviditelné. Aby vznikl na plazma
displeji obraz, musí být ultrafialové záření převedeno na viditelné světlo. To
je stejně jako u CRT monitorů zajištěno luminoforem, kterým je pokryta
zevnitř každá obrazová buňka. Luminofor způsobuje po přijetí elektronu či
ultrafialového záření vyzáření viditelného světla.
Celý plazma displej je tvořen maticí miniaturních fluorescentních buněk (pixelů) ovládaných sítí elektrod. Horizontální řádky tvoří adresovací
elektrody, vertikální sloupce zobrazovací (výbojové) elektrody. Vzniká tak
mřížka, ve které lze každou buňku adresovat zvlášť. Buňky jsou uzavřeny
mezi dvěma tenkými skleněnými tabulkami, každá obsahuje malý kondenzátor a tři elektrody. Adresovací elektroda je umístěna na zadní stěně buňky,
dvě transparentní zobrazovací elektrody na přední stěně. Tyto dvě elektrody
jsou izolovány dielektrikem a chráněny vrstvou oxidu hořečnatého (MgO).
Všechny pixely se u barevných plasma displejů skládají ze tří barevných subpixelů, z červeného, zeleného a modrého. Struktura displeje je tedy maticí,
kde horizontální řádky tvoří adresovací elektrody, zatímco vertikální sloupce
jsou zobrazovací (někdy se jim říká výbojové) elektrody. Vzniká tak mřížka,
ve které lze každou buňku adresovat zvlášť. Všechny pixely se u barevných
plasma displejů skládají ze tří barevných RGB sub-pixelů.
Na obrázku 17 je zjednodušené schéma buňky v PDP. Jde jen o jednu
třetinu pixelů, které vyzařují jednu barevnou složku.
Viditelné světlo
Vrstva MgO
Čelní skleněná deska
Vrstva dielektrika
UV
Zobrazovací elektroda
UV
UV
UV
Žebro (separátor)
Fosfor
Zadní skleněná deska
Adresovací elektroda
Obrázek 17: Princip činnosti jedné buňky plazma displeje
43
5.2
Princip plazma displeje
Do obou zobrazovacích elektrod je pouštěno střídavé napětí. Po zavedení
napětí je indukován výboj, který začne ionizovat plyn a vytvářet plazmu.
Dielektrikum a oxid hořečnatý sice výboj zastaví, ale po změně polarity střídavého proudu ionizace pokračuje a tím je dosaženo stálého výboje. Napětí
na elektrodách je udržováno těsně pod hladinou, vzniku plazmy a k ionizaci
dojde i při velmi nízkém zvýšení napětí na adresovací elektrodě.
Po vzniku plazmy získají nabité částice díky elektrickému poli kinetickou
energii a začnou do sebe narážet. Neon a xenon jsou přivedeny do excitovaného stavu a po návratu elektronu do své hladiny uvolní ultrafialové záření. Díky tomuto záření pak excitují atomy luminoforu a ty uvolní viditelné
světlo. V každém pixelu jsou tři různě barevné luminofory, jejichž kombinací
vzniká výsledná barva.
K dosažení co největší škály zobrazovaných barev a úrovní intenzity musí
být buňky ovládány zvlášť. Ovládaní intenzity funguje na principu modulace
pulsního kódu (PCM – Pulse Code Modulation). Tato modulace slouží k
převedení analogového signálu s nekonečným rozsahem na binární slovo s
pevně danou délkou, proto jsou plazma obrazovky plně digitální. Intenzita
každého sub-pixelu je určována počtem a šířkou napěťových pulsů, které
dostává buňka během každého snímku. Toho je dosaženo rozdělením trvání
každého snímku na několik kratších částí (pod snímků).
Během této periody jsou pixely, které mají svítit, nabuzeny pomocí zobrazovacích elektrod na určité napětí. Během zobrazovací fáze je pak napětí
aplikováno pomocí adresovacích elektrod na celý displej. Tím se rozsvítí
pouze jen nabuzené sub-pixely s danou úrovní nabití. Standardní metoda
určuje 256 úrovní nabití pro každý sub-pixel, protože každý snímek je rozdělen na 8 podsnímků ovládaných 8-bitovým slovem. Tato technologie se
nazývá ADS (Address/Display Separated) a byla vyvinuta v roce 1984 společností Fujitsu. Protože každý bod je přímo zdrojem světla a brání mu minimum překážek, není nutné zpětné podsvícení a obraz je jasný, kontrastní,
s velkými pozorovacími úhly beze změny barev v ploše.
5.3
5.3.1
Technologie
ALiS – Alternate Lighting of Surfaces
Technologie ALiS vychází z metody prokládání. U klasického plazma displeje jsou pixely ovládány vždy dvojicí elektrod, které musí mít mezi sebou
rozestupy, aby nedocházelo k rušení. Tyto mezery nejsou využity k zobrazování, jsou tmavé a snižují jas celého displeje. Navíc je u plazma displeje
omezeno rozlišení.
ALiS pracuje při zachování stejného počtu elektrod, dosahuje vyššího
rozlišení a jasu. Elektrody mají stejné rozestupy a minimalizuje se tak plocha, kterou zabírají mezery, tedy tmavé linky (z 60% na 35%). Protože
44
každá elektroda pracuje pro dva řádky, musí každý snímek vystřídat zobrazení sudého a lichého řádku. Znázornění tohoto principu je na obrázku
18.
Bežné PDP
Adresovací elektroda
Alis PDP
Zobrazovací elektroda
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
2
3
4
5
6
První pole
Druhé pole
Liché pole + Sudé pole
Snímek
Nevyzařovací oblast
Obrázek 18: Srovnání klasické PDP technologie a ALiS
Každá mezera mezi dvěma elektrodami je jednou za snímek po dobu
trvání poloviny snímku využita pro zobrazení, což zdvojnásobuje rozlišení.
Každá buňka je využita jen polovinu času oproti PDP, to zvyšuje trvanlivost
luminoforu.
5.3.2
Asymetrické luminofory
Složení pixelů je realizováno dvěma způsoby.
• Symetrické luminofory – všechny RGB barevné složky mají v pixelu
stejný podíl. Výroba matice je jednodušší, protože velikost všech buněk
je stejná a vytváří tak síťovitou strukturu.
• Asymetrické luminofory – používá rozdílné velikosti RGB barevných
složek. Modrá barva určuje teplotu barev a je-li modrá jasnější, je
možné použít i jasnější červenou. Z toho důvodu má modrá barva největší podíl a červená nejmenší. Kromě vyšších výrobních nákladů má
ovšem tato technologie podstatnější nevýhodu v rozdílném napájení
každé buňky, což vyžaduje přesnější ovládací prvky.
45
5.3.3
Single Scan Technology – jednoduché adresování
V jednoduchém adresování dochází k adresaci (před nabití) všech bodů ještě
před zobrazovací fází, kdy jsou elektrody buzeny napěťovými pulsy. K adresaci je potřeba jen jedna sada ovladačů zajišťující adresaci, a proto je
výrobní cena přijatelná.
5.3.4
Dual Scan Technology
V duálním adresování je obrazovka rozdělena na dvě poloviny. Jedna sada
ovládacích prvků je na horní části obrazovky, druhá sada ve spodní části
obrazovky. K adresaci všech bodů dojde za poloviční dobu než u Single
Scan technologie, zbývající čas je určen pro zobrazovací fázi. V zobrazovací
fázi je možno vyslat více pulsů a tím se zvyšuje jas displeje, ale zvyšuje se
spotřeba energie a také se zkracuje životnost luminoforu.
5.3.5
Plasma Addressed Liquid Crystal Display (PALCD)
Jedná se o LCD displej, který není ovládán tranzistorovou aktivní maticí,
ale soustavou anod a katod, které pomocí plazmových výbojů způsobují
natáčení tekutých krystalů. Protože není třeba vyrábět tranzistorové matice,
není produkce PALCD tolik náročná na dokonale čisté prostředí, a proto je
levnější.
5.4
5.4.1
Výhody a nevýhody PDP
Výhody
Mezi největší přednosti plazmových displejů jednoznačně patří vysoce kvalitní, kontrastní obraz, který nabízí plný rozsah barev stejně jako CRT
televizory. Jelikož plazma displeje samy emitují světlo, nepotřebují žádné
další podsvícení. Mají vynikající pozorovací úhly kolem 160-170◦ , takže jsou
vhodné pro prezentační účely. Mezi další výhody patří minimální hloubka
a hmotnost displeje v poměru k možným úhlopříčkám obrazu, odolnost vůči
vlivům elektromagnetického rušení.
5.4.2
Nevýhody
Plazmové displeje mají výrazný paměťový efekt. Obraz je rychlý, ale hrozí
vypálení jasných neměnných obrazců při neměnném obrazu do jednotlivých
bodů. Z tohoto důvodu se plazmové displeje nedoporučují používat na běžnou práci s počítačem, kde se obraz často nemění. Zvláště jim nesvědčí
horizontální poloha, při které se mohou nenávratně poškodit zobrazovací
body. Tím vzniknou světlé mrtvé body vypálené do obrazovky, které kazí
celkový dojem z obrazu.
46
Levnější plazma displeje mají problémy s kontrastem. Důvodem je neustálé udržování napětí mezi elektrodami pod prahem ionizace, aby měl
displej dostatečně rychlou odezvu. K minimální ionizaci ale dochází i bez
napětí na adresovací elektrodě, což omezuje schopnost zobrazit nejtmavější
odstíny a tím snižuje kontrast. S tímto problémem souvisí neschopnost dokonale zobrazovat stupnici šedi. V tmavých scénách se barvy blízké černé
slévají v jednu a přechody nejsou zdaleka plynulé. Moderní plazma displeje
tímto nedostatkem netrpí a škála zobrazovaných odstínů je širší.
47
6
Další technologie
6.1
Dotykové LCD
Na vodivě pokovené skleněné podložce je přilepena vrchní polyesterová deska
potažená ochranným tvrzeným filmem proti poškrábání. Napětí je přivedeno
na horní vrstvu. Při doteku se tato přitlačí a kontaktuje skleněnou podložku
a elektrický proud teče do čtyř rohů úměrně dle vzdálenosti bodu doteku
od rohů. Kontroler pak vypočítá polohu bodu doteku na základě velikosti
jednotlivých proudů. Protože 5-ti drátová technologie odvozuje oba dotekové
souřadnicové systémy X a Y přímo ze základní, stabilní skleněné vrstvy, není
činnost a přesnost systému ovlivněna porušením svrchní dotekové vrstvy
(způsobené intenzivním používáním nebo neopatrností).
Mohou být aktivovány jakýmkoliv předmětem, prstem, ukazovátkem
atd. Jsou vysoce odolné proti poškrábání, průzračné a vykazují dlouhou
životnost. Proto se hodí i pro náročné průmyslové aplikace, nevadí jim vystaveni vodě, olejům atd. Voda se ale nesmí dostat ke kontaktům a elektrodám.
6.2
OLED – Organic Light-Emitting Diode
OLED technologie byla vynalezena roku 1980 firmou Eastman Kodak, první
experimentální displej byl však představen až v polovině devadesátých let.
Podobně jako u LCD displejů se skládá z vrstev na skleněném podkladu,
zásadním rozdílem je ovšem princip. Displej tvoří jednotlivé body, které
vyzařují světlo. Tyto body jsou tvořeny několika tenkými polovodičovými
vrstvami. Vyzařovací vrstva je tvořena organickými, vysoce svítivými molekulami a polymery. Při průchodu proudu diodou se rozsvítí příslušná vrstva
a displej září. Tento proces se nazývá elektrofosforescence.
Displeje nevyžadují podsvětlení, svítí samy a navíc mají nízkou spotřebu
energie (2-10V). Díky absencí podsvětlení jsou tyto displeje extrémně tenké
a mají vysoké pozorovací úhly kolem 160◦ . Stejně jako u LCD se i OLED
vyrábějí v aktivní a pasivní verzi.
• Pasivní OLED – jsou vhodné pro zobrazování obsahu o nižší úrovni
informace (alfanumerické displeje). Jejich jednoduchá struktura, tvořená křížícími se řadami a sloupci, je podobná tradičním pasivním
LC displejům. Proud zavedený do příslušné řady a sloupce rozsvítí
daný bod. Výhodou tohoto systému je, že elektronické ovládání pasivního OLED displeje se shoduje s ovládáním LC displejů, nové displeje
proto mohou být použity ve stávajících přístrojích. Své uplatnění nachází v mobilních telefonech s barevnými displeji, kde dnes vyrobitelné
malé úhlopříčky stačí. Má malou spotřebu a rozměry, jen svou rychlostí
nevyhovuje použití v běžných monitorech.
48
• Aktivní OLED – ve struktuře displeje je integrována další elektronická vrstva TFT, díky této vrstvě displej dosahuje vyššího rozlišení
a rychlosti. Každý bod se adresuje samostatně, řídící tranzistor udržuje
po stanovenou dobu danou intenzitu světla. TFT pracuje v aktivních
OLED displejích podobně jako v aktivních LCD, díky tranzistorům je
displej velmi rychlý, má vysokou obnovovací frekvenci a obraz je stálý.
6.2.1
Vývoj OLED
Kodak vyrábí displeje náročnou technologií tzv. ”malých molekul” – ukládání luminiscenčního materiálu na substrát probíhá ve vakuu. Druhá technologie je založena na bázi polymerů, nazývá se LEP (Light Emitting Polymer). Její nespornou výhodou je skutečnost, že výroba nemusí probíhat ve
vakuu a jednotlivé kapénky polymerů je možné nanášet tiskem.
Technologie OLED je perspektivní, ale vývojářské týmy se potýkají s mnoha
problémy. Displej musí být dobře zapouzdřen a chráněn proti vlhkosti, prachu a oxidaci metalických elektrod. Organické materiály jsou zase citlivé
na vyšší teploty. Stále se nedaří vyrobit displeje o větší zobrazovací ploše,
proto se zatím počítá s implementací OLED technologie pouze do mobilů a
PDA. Velkým problémem je výdrž svitu organických materiálů. Po několika
tisících hodinách provozu ztrácí intenzitu červené pixely, pak modré a nakonec zelené. Právě tento problém vedl vývojáře k cílené snaze o vylepšení
používaných materiálů.
Britská společnost UDC (Universal Displays Corporation) vyvinula nové
materiály, které významně vylepšují parametry OLED diplejů. Při výrobě
organického materiálu používá fosforeskující legovací látku, díky ní ještě více
klesá spotřeba displeje a výrazně se prodlužuje jeho výdrž.
• (PHOLED – Phosphorescent Organic Light Emitting Device) – vylepšené OLED displeje,
• (FOLED – Flexible Organic Light Emitting Device) – ohebné OLED
displeje,
• (TOLED – Transparent Organic Light Emitting Device) – transparentní OLED displeje,
• (SOLED – Stacked Organic Light Emitting Device) – pixel se skládá
z navrstveného červeného, modrého a zeleného průhledného segmentu,
který je schopen zobrazit celé barevné spektrum.
6.3
QD-OLED – Quantum Dot OLED
Quantum Dot OLED je založena na kombinaci organického a současného
LCD displeje. Využívají ”kvantové tečky” (quantum dots), mikroskopické
49
otvory v krystalické struktuře, které jsou navrženy ke shromažďování elektronů. Světlo je vyzařováno v okamžiku, kdy tyto elektrony do otvoru vstupují nebo z něj vystupují. O barvě rozhoduje velikost a prostor otvoru.
Výroba těchto displejů spočívá ve vytvoření sendvičové struktury složené
ze tří desek. Jedna z vnějších desek je nabitá elektrony, druhá je bez elektronů a mezi těmito deskami pak leží deska s kvantovými otvory. Tloušťka
prostřední desky je široká právě jednu kvantovou tečku, přibližně 3 nm. Tato
vzdálenost nabízí možnost průchodu elektronu kvantovou tečkou a umožňuje
vyzáření více světla. Takový displej je stabilní, tenký, dosahuje vysokých rozlišeních, má menší spotřebu energie a snadno se vyrábí. Masové nasazení této
technologie v praxi je ovšem ještě vzdálenější než u OLED.
6.4
FED – Field Emission Display
Panely technologie FED (Field Emission Display) mají podobný princip,
jako klasické CRT monitory. Pomocí elektrostatického proudu dojde k emisi
elektronů (odpovídá elektronovému dělu v CRT) do prostoru směrem k transparentní anodě, ještě před dopadem jsou elektrony nuceny narazit do fluorescentního materiálu (to odpovídá stínítku CRT monitoru). Při dostatečné
miniaturizaci panelu se tak dá dosáhnout velmi krátké doby odezvy a pozorovacího úhlu běžně o velikosti 160◦ v obou směrech.
FED displeje nepoužívají žhavenou katodu jako CRT, ale pole malých
emitorů (microtips) viz obrázek 19. Tyto emitory mají tvar kužele, který
spolu s blízkostí hradlové elektrody zajistí vysoké elektrostatické pole na
špičkách jednotlivých emitorů. Na jeden pixel se používá více paralelně spojených takových emitorů. Protože tyto špičky emitorů jsou velmi blízko stínítka, nejsou zde žádné zakřivovací dráhy paprsku. Proto zde podobně jako
u LCD odpadají problémy s linearitou, konvergencí a zarovnáváním obrazu.
Elektrony potom dopadají na stínítko (anodu) s luminoforem a výsledný obrázek je jasově srovnatelný s dnešními CRT obrazovkami. Provozní napětí
se pohybuje v rozsahu 300 - 5000 V, na rozdíl od CRT, kde jsou hodnoty
15 - 30 kV.
Efektivní proudová hustota tvoří další rozdíl mezi světlem generovaným
CRT a FED. U CRT je každý pixel adresován v běhu paprsku po dobu
ne delší, než několik nanosekund. U FED je celý řádek pixelů adresován
najednou. Jednotlivé body zde setrvají řádově mikrosekundy. Použijeme zde
luminofor s podstatně kratší dobou dosvitu než luminofor CRT.
Nevýhodou těchto luminoforů je nižší životnost. Nízko voltové FED používají vyšších proudových hustot ke snížení excitačního napětí, ale vyšší
proudové hustoty snižují rychleji kvalitu luminoforu. Řešením jsou nízko
voltové luminofory, které jsou mnohem účinnější.
50
Světlo
Substrát anody
−
−
e− e− e− e− e e− e− e e−
Průhledná anoda
Fosfor
Emisní vrstva
Kužel
Va
Hradlová elektroda
Izolační vrstva
Vb
Substrát katody
Obrázek 19: Struktura FED displeje
51
Odporová vrstva
Katoda
7
Závěr
Diplomová práce popisuje zobrazovací prostředky počítačů – monitory. Všechny technologie byly vysvětleny a popsány názornými obrázky. Cílem bylo
vytvořit srozumitelný popis jednotlivých technologií.
Výběr této práce bude používána jako studijní materiál pro studenty
informatiky, VŠB-TU Ostrava, ale celkově je pro kohokoliv se zájmem této
oblasti. Může čtenáři hlouběji pochopit popisované problémy, které nemůžou
být vysvětleny na přednáškách v takovém detailu. Principy technologií jsou
popsány srozumitelnou formou, text je doprovázen kvalitně zpracovanými
obrázky.
Diplomová práce může být kdykoli v budoucnu podle potřeb doplňována
o nové poznatky a technologie.
52