Monitory na PC

Monitory na PC

Úvod
Už pri samotnom vzniku osobného počítača musel existovať monitor – zariadenie, pomocou ktorého vidíme, čo nám „chce počítač povedať“.
Tému „Monitory“ som si vybral preto, lebo som sa chcel dozvedieť niečo viac o prístrojoch, do ktorých sa pozerám, keď pracujem s počítačom. Niečo o tom, na akom princípe fungujú, aké vplyvy majú na ľudské zdravie alebo akú majú históriu. Budem sa venovať dvom typom monitorov: starším, ale stále používaným, obrazovkovým CRT monitorom a stále dostupnejším LCD monitorom.

1 Základné odborné pojmy
1.1  Monitor
Monitor je displej (zobrazovacia jednotka) slúžiaci na zobrazovanie textových a grafických informácií v oblasti počítačov, pôvodne hlavne na zobrazovanie hlásení o stave systému a priebehu jeho činnosti (odtiaľ pochádza aj názov monitor).

1.2  Rozlíšenie
Obraz na monitore sa skladá z mnohých bodov (pixelov) s určitým rozostupom (väčšinou 0,25 až 0,3 mm - menší bod znamená väčšiu ostrosť a viac detailov), ktoré sú rovnako ako u televízneho obrazu usporiadané do riadkov. Body zobrazené na celej obrazovke monitoru sa udávajú v horizontálnom a vertikálnom smere a označujú sa ako rozlíšenie. Rozlíšenie 800x600 bodov znamená, že na obrazovke vidíme 600 riadkov, pričom každý z nich obsahuje 800 bodov. Rozlíšenie sa nastavuje na grafickej karte počítača.

1.3  Veľkosť obrazu
  Veľkosť obrazu (screen size)– je veľkosť uhlopriečky obrazu udávaná v palcoch (asi 2,5 cm). Dnes sú najpredávanejšie 19“ LCD monitory. Pre CRT monitory je viditeľná plocha menšia od udávaného rozmeru obrazovky asi o 1“ (približne 2,45 cm), keďže sa udáva vonkajší rozmer celej obrazovky).

1.4  Doba odozvy
Je to čas za ktorý sa jeden bod dostane z aktívneho stavu (čierna) do inaktívneho stavu (biela) a späť. Meria sa v milisekundách a označuje , za akú dobu je displej schopný striedať zobrazované farby. Rýchlejšie prekresľovanie znamená väčšiu ostrosť v rýchlych scénach. Niektorí výrobcovia udávajú dobu odozvy len ako prechod z inaktívneho do aktívneho stavu, aby papierovo vyšli lepšie parametre.

1.5  Pomer obrazu
Pomer obrazu je horizontálny rozmer ku vertikálnemu rozmeru obrazu. Štandardom je pomer 4:3, čo zodpovedá 1024 bodov x 768 bodov. Tzv. širokouhlé monitory (wide) majú pomer obrazu 16:9 (1024 x 576). Tento pomer je priaznivejší pre ľudské oko. Existujú aj iné pomery obrazu, napr. 16:10 (1024 x 640).

1.6  Horizontálne a vertikálne frekvencie
Horizontálna (riadková) frekvencia sa udáva v kHz a je to údaj, ktorý hovorí o tom, koľko riadkov prejde elektronický lúč po obrazovke monitoru za jednu sekundu (pri CRT monitoroch). Vertikálna (obnovovacia) frekvencia sa udáva v Hz a je to údaj ktorý hovorí o tom, koľkokrát sa nakreslí (obnoví) obraz za jednu sekundu.

2 CRT monitory
2.1  História
- 1869 - objavenie a popísanie luminiscenčného javu
- 1897 – popísanie princípu fungovania CRT monitorov
- 1926 - vyrobená prvá CRT obrazovka
- 1928 - prvá farebná CRT obrazovka
- 1938 – patentovaná prvá televízna obrazovka

2.2  Technológia
Základnými prvkami monitoru CRT (Cathode Ray Tube) sú vákuová banka, elektrónové delo a tienidlo. Obrazovka CRT monitoru je vzduchoprázdna sklenená banka, ktorej prednú časť tvorí tienidlo pokryté luminoforom (luminiscenčnou látkou). Aby sme pochopili princíp a funkciu monitoru, musíme si vysvetliť, akým spôsobom obraz vzniká. Tvorba obrazu začína v grafickej karte počítača. Digitálne signály z operačného systému alebo aplikačného software sú prijímané adaptérom VGA. Tento signál je digitálny a je potrebné ho najprv previesť na analógový signál prostredníctvom digitálno-analógového prevodníku (DAC – Digital to Analog Converter), ktorému monitor dokáže porozumieť. Obvody DAC sú väčšinou uložené na jednom špecializovanom čipe, ktorý v skutočnosti obsahuje 3 prevodníky – pre každú z troch základných farieb používaných na displeji (RGB – Red Green Blue).
 
Obvody DAC prevádzajú číselné hodnoty zasielané počítačom na analógové tabuľky, ktoré obsahujú potrebné úrovne napätia pre 3 základné farby – červená, zelená, modrá. Tieto farby sú potrebné k namiešaniu farby jedného bodu.

Celý proces sa začína pri elektrónovom dele, ktoré sa skladá z katódy s nepriamym žeravením (žeraviace vlákno vnútri), mriežok, urýchľovacej anódy, zaostrovacej a vychyľovacej cievky. Záporne nabitá katóda pri ohrievaní vystreľuje 3 samostatné elektrónové lúče (pre každú z 3 farieb) vysokou rýchlosťou (elektróny sú „vystreľované“ preto, lebo ich priťahuje kladná anóda).

Základnou fyzikálnou vlastnosťou elektrónov je záporný náboj. Práve táto vlastnosť je využívaná ku správnemu nasmerovaniu častíc. Elektróny po vystrelení prejdú filtrom v podobe mriežky, ktorý prepustí len požadované množstvo elektrónov a tak riadi ich intenzitu. Potom elektrónové zväzky prechádzajú Wehneltovou trubicou, ktorá je vzhľadom ku katóde záporne nabitá. Slúži na usmernenie a kontrolu intenzity elektrónového lúča. Je používaná aj v iných zariadeniach, v ktorých musia byť tenké elektrónové lúče presne nasmerované (elektrónový mikroskop).

Toto všetko sa deje v zadnej časti monitoru (v blízkosti katódovej trubice). Elektróny sú z katódy priťahované anódou, ktorú predstavuje vnútro celej banky pokryté kladne nabitou uhlíkovou vrstvou (a mriežky g2 – g6, o ktorých sa hovorí v nasledujúcom odseku).  Po prechode Wehneltovou trubicou prechádzajú elektrónové zväzky cez jednotlivé mriežky (g2 – g6), ktoré majú vzhľadom ku katóde kladný potenciál, vďaka ktorému sú elektróny priťahované. Kladný potenciál je najnižší na mriežke g2, vyšší na mriežke g3 a na g6 najvyšší. Tieto mriežky majú za úlohu ťahať elektróny smerom na tienidlo obrazovky. Špeciálnou funkciou mriežky g3 je zaostrovať elektrónové zväzky. Od mriežky g6 sa elektróny postupne zbiehajú do jedného luminoforového bodu na obrazovke. Zaostrovaniu elektrónového lúča ešte pomáhajú zaostrovacie cievky svojím magnetickým poľom.

Takýmto spôsobom by elektrónový lúč doletel presne do stredu obrazovky. Ale vychyľovacie cievky ho usmerňujú horizontálne a vertikálne do požadovaného bodu obrazovky. Tesne pred luminoforovou vrstvou obrazovky je dierovaná maska (kovová mriežka), ktorá zabraňuje dopadu rozptýlených elektrónov na luminofor vedľajšej farby, než pre ktorý je lúč určený.

Po dopade elektrónov na tienidlo obrazovky pokryté luminoforom bod vydáva svetlo jednej vlnovej dĺžky (jednej farby) s pomerne krátkym dosvitom (aby pri pohyblivom obraze pohybujúce sa objekty „neťahali za sebou chvost“). Toto je možné vďaka vlastnosti luminorofu zvanej katódoluminiscencia – vlastnosť rozžiariť sa viditeľným svetom po dopade elektrónu. Celkový obraz sa tvorí tak, že elektrónový lúč je cievkami smerovaný najprv do ľavého horného rohu obrazovky, prejde do pravého horného bodu obrazovky, vypne sa na dobu, kým elektrónové delo mení zacielenie elektrónových lúčov – zníži sa o jeden riadok nižšie a znovu pokračuje zľava doprava (riadkovanie obrazovky). Týmto spôsobom sa postupne dostane až do pravého dolného rohu obrazovky. Akonáhle sa tam dostane (prejde celú obrazovku), magnetické vychyľovacie cievky plynule zmenia uhol, pod ktorým sa elektrónový lúč ohýba tak, že putuje z pravého dolného rohu do ľavého horného rohu a začne ďalší obnovovací cyklus.

Obrazovka je pokrytá vrstvou skla s prímesou olova, ktorá zlepšuje optické vlastnosti a chráni pred radiáciou.Celý obraz obrazovky sa normálne obnoví asi 60-krát za sekundu (refresh).

2.3  Výhody a nevýhody
2.3.1 Žiarenie CRT monitorov
Monitory sú síce na rozdiel od televízorov prispôsobené na sledovanie zblízka, avšak vyžarujú žiarenie, ktoré môže byť užívateľovi škodlivé. Vznikla teda celá rada štandardov a noriem, ktoré obmedzujú žiarenie obrazovky a škodlivé vplyvy monitoru. Najznámejšia je pravdepodobne Energy Star - EPA, monitory tiež bývajú označené značkou MPR-II, TCO-92, TCO-95, TCO-99, Blue Angel a samozrejme aj inými. Normy užívateľovi zaisťujú, že mu nehrozí zo strany monitoru žiadne nebezpečie ujmy na zdraví. Stále však platí, že čím kratšiu dobu strávi užívateľ pred monitorom, tým menšej únave, bolesti očí či hlavy sa vystavuje.

Okolo sklenenej dosky prebieha kolom dokola magnetická cievka. Tá má za úlohu odmagnetizovať masku, aby sa tak zabránilo chybám vo farebnosti: pri spustení monitoru automaticky a behom prevádzky manuálne. Väčšina elektrónov, ktoré sú „vystreľované“ na svetelnú vrstvu, je transformovaná na svetlo, teda obraz. Zbytok zachytí magnetická cievka a odvracia ho späť dovnútra. Tým sú chránené oči (nízke žiarenie).

2.3.2 Všeobecne
 
Výhody
· Lacné
· Verné farby
· Vysoká obnovovacia schopnosť
· Fyzicky odolné

Nevýhody
· Žiarenie, namáhavé pre oči
· Veľké a ťažké
· Geometrické vady obrazu, rozostrené rohy
·  Neekologické: olovo, vákuum – hrozba implózie (montujú sa poistky),
energeticky náročné
(implózia je prudké vyrovnanie tlakov smerom dovnútra; opak: explózia.)

3 LCD monitory
3.1  História LCD displejov
Počiatky technológie LCD siahajú do roku 1888, keď rakúsky botanik Friedrich Reinitzer spolu s Ottom Lehmannom zistili, že niektoré kryštály sa hneď netopia na kvapalinu, ale vytvárajú medzi kryštalickým a tekutým stavom ďalší stabilný stav. V tomto stave látka nie je tekutá, ale ani pevná.

V polovici šesťdesiatych rokov vedci objavili, že tekuté kryštály, ak sú stimulované elektrickým výbojom, môžu zmeniť vlastnosť svetla prechádzajúceho cez ne. V tomto období sa vyrobili prvé prototypy LCD displejov, ktoré boli ešte príliš nestabilné na masovú výrobu.

V sedemdesiatych rokoch sa objavil materiál so stabilnými vlastnosťami a začala sa výroba prvých LCD displejov, ktoré nahradili dovtedy používané LED displeje. Táto technológia, označovaná ako TN (Twisted Nematic) používala kryštály, ktoré sa pri budení elektrickým prúdom otočia o 90 stupňov a pasívnu maticu. Na začiatku osemdesiatych rokov sa už TN-displeje masovo používali v kalkulačkách a hodinkách. Pri snahe zobraziť TN-displejom stovky riadkov informácií sa zhoršoval uhol pohľadu a kontrast medzi čiernou a bielou farbou. V roku 1985 sa na trhu objavuje nový typ displeja označovaný ako STN (Super Twisted Nematic). Tu sa kryštály otáčajú až o 240 stupňov. Na výrobu farebných displejov s vysokým rozlíšením bolo potrebné adresovať veľké množstvo pixelov, a tak sa na konci osemdesiatych rokov objavuje na trhu prvý displej s aktívnou maticou. Riadenie pomocou aktívnej matice bolo využité už v polovici sedemdesiatych rokov, ale vtedy bolo zavrhnuté ako príliš nákladné.

3.2  Technológia
Monitory LCD používajú zobrazovacie jednotky z tekutých kryštálov. Sú vyrobené z látky, ktorá sa nachádza v tekutom skupenstve, no pritom má niektoré vlastnosti kryštalických látok. Je to vlastne tekutosť s čiastočne optickými vlastnosťami, závislými od usporiadania a orientácie molekúl. Je umožnená rotácia molekúl, nie však voľný pohyb (anizotropia).

Princíp činnosti LCD monitoru je založený na polarizácii svetelného lúča. Je známe, že tzv. polaroidné kryštály dokážu prepustiť len tú zložku svetla, ktorej vektor elektromagnetickej indukcie leží v rovine rovnobežnej s optickou rovinou polaroidu. Pre zvyšnú časť svetelného lúča bude polaroid nepriepustný. Takto polaroid akoby „preosieval“ svetlo – tento jav sa nazýva polarizácia svetla. Keď boli skúmané tekuté kryštály dlhých molekúl, ktoré reagujú na elektrostatické pole a vedia polarizovať svetlo, vznikla možnosť riadiť polarizáciu. V súčasnosti sa používajú výlučne zobrazovacie jednotky založené na princípe efektu poľa (nazývajú sa otáčavé bunky).

LCD panel sa skladá z buniek, ktoré sú zložené z elektroluminiscenčnej výbojky a dvoch polarizátorov. Medzi dvoma orientačnými filtrami sa nachádza vrstva tekutých kryštálov. V kľudovom stave (bez napätia) prechádza svetlo tekutými kryštálmi a bunka svieti. Zapnutý zdroj striedavého napätia zmení vnútornú štruktúru tekutého kryštálu (každá molekula sa natočí jedným smerom), svetlo je zablokované na polarizátore a bunka nesvieti. Intenzita svetla sa mení v závislosti od veľkosti napätia pripojeného k elektródam.
  TN displej je najzákladnejší LCD displej z najjednoduchšou štruktúrou, ktorú teraz popíšem. (čísla v zátvorkách patria k obrázku 6 v prílohe) Aby bol obraz na displeji čitateľný, je nutné podsvietenie, teda zadný svetelný zdroj – najčastejšie elektroluminiscenčná výbojka. Polarizačné filtre (2, 5) prepustia iba časť svetla na vstupe, teda len svetlo polarizované v horizontálnej alebo vertikálnej rovine. Medzi dvoma orientačnými filtrami (3) sa nachádza vrstva tekutého kryštálu (4). Molekuly tekutého kryštálu sú v kľudovom stave (bez elektrického napätia) vzájomne pootočené – pri výstupe sú už otočené o 90 stupňov. Tento stav udáva práve orientačný filter. V tomto kľudovom stave je svetlo zo zadného zdroja prepúšťané – displej svieti: Po prechode svetla vstupným polarizátorom (2) získame svetlo polarizované vo vertikálnej rovine. To ďalej prechádza tekutým kryštálom. Kvôli pootočeniu jednotlivých molekúl tekutého kryštálu sa mení aj polarizácia svetla z vertikálnej na horizontálnu. Svetlo s vertikálnou polarizáciou je prepustené polarizátorom, a preto displej svieti (6, vrchný obrázok). Ak pripojíme na elektródy tekutého kryštálu zdroj striedavého napätia, zmení sa jeho vnútorná štruktúra. Molekuly kryštálu už nie sú vzájomne pootočené, ale „napriamené“ za sebou (spodný obrázok). Svetlo, ktoré teraz prechádza vrstvou tekutého kryštálu, nemôže zmeniť svoju polarizáciu z vertikálnej na horizontálnu a je tak zablokované na výstupnom polarizátore (5), ktorý prepúšťa len svetlo s horizontálnou polarizáciou. Displej teda zostáva tmavý (svetlo zo zadného svetelného zdroja neprejde).
 
3.3  Pasívne displeje
3.3.1 TN (Twisted Nematic)
Medzi prvé a najjednoduchšie LCD displeje patria TN-displeje. Ich princíp je vysvetlený v časti „4.2 Technológia“. Tekuté kryštály sú v nich umiestnené medzi dvoma sklenenými panelmi, na ktorých sú nanesené elektródy a polarizačný filter. Obraz vzniká na základe kontrastu aktívnych (čiernych) a pasívnych (bielych) bodov, takže žiadnych odtieňov sivej medzi tým.  Nevýhodou tejto technológie je dvojitý lom dopadajúceho svetla, pričom dôjde k pohlteniu niektorých jeho vlnových dĺžok. Toto má za následok zmenu farby svetla. Množstvo pohltených vlnových dĺžok je závislé od výšky vrstvy tekutých kryštálov. Bod na ploche sa neobjaví biely ale farebný tiež v dôsledku toho, že dopadajúce svetlo sa láme viac alebo menej podľa rôznych vlnových dĺžok každej farby. Druhou nevýhodou je slabý kontrast spôsobený pohlcovaním svetla sklenenými doskami (svetlo stráca na intenzite). Výsledný kontrast po týchto stratách je 3:1 (biely bod je trikrát svetlejší ako tmavý).

3.3.2 STN (Super Twisted Nematic)
Uhol natáčania tyčiniek (molekúl) sa z pôvodných 90° zväčší na 240°. Značne sa zlepší kontrast, ale zväčší sa taktiež farebné skreslenie (dopadajúce svetlo sa láme viac alebo menej podľa rôznych vlnových dĺžok každej farby).

3.3.3 DSTN (Double Twisted Nematic)
V praxi sú to dve vrstvy STN na sebe. Jedna vrstva (aktívna) je elektricky ovplyvnená tak, že sa tyčinky prestanú natáčať. V druhej vrstve (pasívna) sa tyčinky stále natáčajú o 240° proti smeru hodinových ručičiek. Dopadajúce svetlo sa v tejto vrstve láme rovnako ako u STN panelov, druhá vrstva túto chybu opäť koriguje. Výsledkom je lepší kontrast ako u predchádzajúceho typu.
 
3.4  Aktívny TFT displej (Thin Film Tranzistor) -  v monitoroch
Tu sa budeme zaoberať podsvietenými LCD displejmi s aktívnou TFT maticou. Vrstva tekutých kryštálov je umiestnená medzi dvoma vrstvami polarizovaného skla. Každý obrazový bod (teda pixel) je aktívne ovládaný tromi tranzistormi (jednotkami CE). Tieto tranzistory sú umiestnené v tenkom filme (tranzistory na tenkej podložke – Thin Film Tranzistor). Moderná technológia tenkých vrstiev dovoľuje vytvoriť miniatúrne plošné tranzistory, pre ktoré je pri každej bunke vyhradená časť z plochy elektródy. Tranzistory sú v tejto vrstve usporiadané do matice a zodpovedajú x-ovým a y-ovým (horizontálnym a vertikálnym) súradniciam na obrazovke.

Aby vznikol obraz, potrebujeme dve zložky - svetlo a farbu. Svetlo je zaistené podsvieťujúcimi katódami. Niektoré LCD displeje (napr. v notebookoch) sa pýšia vysokým jasom a čistejším obrazom – má to jednoduché vysvetlenie – výrobca nepoužil jednu, ale dve lampy, a tak vzrástla svietivosť displeja. Tieto lampy vyžarujú len svetlo a je na LCD technológií, aby vyprodukovala výslednú farbu. Ako pri CRT monitoroch, akúkoľvek farbu môžeme zložiť z troch farebných zložiek - červenej, zelenej a modrej. A pre každú z troch farebných zložiek každého pixelu existuje jeden tranzistor ovládajúci tekuté kryštály (na každý pixel tri tranzistory). Ako sme už spomínali, tekuté kryštály sú materiály, ktoré pod vplyvom elektrického napätia menia svoju molekulárnu štruktúru a vďaka tomu určujú množstvo prechádzajúceho svetla. Každý obrazový bod je ohraničený dvoma polarizačnými filtrami, farebným filtrom (pre červenú, zelenú alebo modrú) a dvoma vyrovnávacími vrstvami, všetko je vymedzené tenkými sklenenými panelmi.

Tranzistor patriaci k obrazovému bodu kontroluje elektrické napätie, ktoré prechádza vyrovnávacími vrstvami a elektrické pole spôsobí zmenu štruktúry tekutého kryštálu a ovplyvňuje natočenie jeho častí. Takže tranzistory vlastne výškou napätia riadia, či majú tekuté kryštály daného bodu svetelnú zložku pohltiť, prepustiť alebo čiastočne prepustiť (vytvoriť odtieň).

Týmto spôsobom môžeme kryštál regulovať v niekoľko desiatkach až stovkách rôznych stavov a tak výsledný jas farebných odtieňov. Pretože sa obrazový bod skladá z troch farebných sub-pixelov (pozri obrázok 10), vznikajú tak státisíce až milióny rôznych farieb, aj keď tekuté kryštály stále nie sú dosť presné, aby dokázali zobraziť 32-bitovu farebnú hĺbku, teda 16,777,216 farieb.

Ako už bolo spomenuté, v skutočnosti sa každý pixel skladá s troch sub-pixelov. Tieto body sú usporiadane horizontálne na seba, a tak v prípade natívneho (prirodzeného, hardvérovo daného) rozlíšenia displeja 1600x1200 je vedľa seba v skutočnosti 4800 sub-pixelov. Šírka týchto bodov musí byť samozrejme veľmi malá a pohybuje sa štandardne v rozmedzí cca 0,24-0,29mm, u najvyspelejších panelov môže klesnúť až na 0,12mm. Rozptyl bodov takisto ovplyvňuje maximálne rozlíšenie pri danej uhlopriečke, a preto sa iba výnimočne objavujú malé monitory s vysokým rozlíšením.

Ak na LCD displeji zmeníme natívne rozlíšenie na iné, monitor nám to umožní, ale obraz nebude úplne presný. Poloha jednotlivých pixelov bude procesorom prepočítaná tak, aby „sadla“ na pôvodné prvky CE. U prichádza na rad interpolácia a rôzne iné metódy prepočítavania.

3.5  Výhody a nevýhody
Výhody
· Menej unavujú oči
· Skladné a estetické
· Geometricky presný obraz
· Energeticky nenáročné

Nevýhody
· Dlhšia doba odozvy
· Nerovnomerné podsvetlenie
· Drahé na výrobu
· Nepresný obraz pri zmene prirodzeného rozlíšenia

4 Záver
Som rád, že som sa v tomto projekte mohol venovať téme „Monitory“, lebo som sa už konečne dozvedel, na akom princípe fungujú. Už viem, že CRT a LCD monitory majú úplne inú technológiu a obraz vytvárajú úplne odlišne.
  Pri práci som čerpal z rôznych internetových zdrojov, snažil som sa zhrnúť nadobudnuté poznatky a spojiť ich do jedného veľkého celku. Dúfam, že sa mi to podarilo a vy ste sa dozvedeli veci, ktoré ste predtým nevedeli. Možno sa vám niekedy zídu.