Monitory komputerowe CRT, LCD

MIROSŁAW ZELENT

W niniejszym wykładzie omówię następujące zagadnienia dotyczące monitorów: budowa oraz zasada działania monitora CRT i LCD, złącza, wady, zalety, parametry monitorów, oznaczenia, maski, rodzaje matryc: TN, PVA, MVA, IPS, wymiar przekątnej, rozdzielczość, wielkość plamki, wielkość piksela, jasność, kontrast, bad pixel, PDP, OLED, VGA, DSUB, HDMI, DVI, jaki monitor kupić?, porównanie CRT vs. LCD.

Rodzaje monitorów

W zależności od sposobu generowania obrazu (w praktyce zależy to od wewnętrznej budowy urządzenia) wyróżniamy dwa podstawowe typy monitorów:

CRT (ang. Cathode-Ray Tube)
LCD (ang. Liquid Crystal Display)

Budowa monitora CRT

Na rysunku poniżej przedstawiono odpowiednio: 1 - lampa katodowa (kineskopowa) w formie szklanej próżniowej tuby, 2 - działa elektronowe wraz z układami skupiającymi wiązki, 3 - wiązki elektronów, 4 - cewka odchylająca, 5 - luminofor, 6 - maska, 7 - anoda.

Jak powstaje obraz w monitorze CRT?

Zasada tworzenia obrazu w kolorowym monitorze CRT polega na wysyłaniu w kierunku przedniej szyby powleczonej warstwą luminoforu, trzech wiązek elektronów (po jednej dla każdego składowego koloru RGB) za pomocą trzech dział elektronowych umieszczonych w tylnej części próżniowej tuby kineskopu. Wiązki te są kierowane za pomocą silnego pola magnetycznego (cewki odchylające) tak, aby trafiały w odpowiedni obszar na luminoforze. Luminofor jest to świecący pigment - fosfor, materiał mający własności świecenia pod wpływem padającego nań promieniowania. Tworząc obraz wiązki przemiatają ekran wzdłuż pojedynczej poziomej linii, zwanej linią wybierania, od lewej do prawej, rozświetlając punkty luminoforu i powodując ich jaśniejsze bądź ciemniejsze świecenie, w zależności od chwilowego napięcia sterującego działem elektronowym.

Częstotliwość pozioma: częstotliwość z jaką monitor rysuje pojedynczą linię obrazu, mierzona w [kHz].

Po narysowaniu linii obrazu i osiągnięciu prawego brzegu ekranu wiązki są chwilowo wygaszane, po czym cewki odchylające kierują je na początek następnej linii ku dołowi ekranu i proces następuje od nowa, aż do zapełnienia całego ekranu linia po linii. Gdy cały ekran się zapełni, wiązki znowu zostają wygaszone, po czym cały cykl rysowania obrazu zaczyna się od nowa od góry ekranu (od pierwszej linii).

Częstotliwość odświeżania (pionowa): częstotliwość z jaką monitor rysuje cały ekran (wszystkie linie obrazu) - podawana w hercach [Hz]. Aby uniknąć migotania ekranu i zmęczenia oczu, obraz w pionie powinien być rysowany 85 razy w ciągu sekundy (częstotliwość odświeżania 85 Hz).

Maski. Rodzaje masek

Przed warstwą luminoforu znajduje się tzw. maska (ang. shadow mask), która pełni funkcję filtru dbającego o to, aby elektrony uderzały idealnie w powierzchnię wyznaczonych pól luminoforu (subpikseli) - co pozytywnie wpływa na jakość obrazu. Rodzaje masek:

Maska perforowana: występowała w pierwszych monitorach CRT, została opracowana przez firmę IBM. Jej największą wadą jest zbyt duża powierzchnia, co wpływa na obniżenie jasności obrazu.

Maska szczelinowa: została po raz pierwszy zastosowana w kineskopach SONY Trinitron oraz Mitsubishi Diamondtron. Charakteryzuje się bardzo niewielką powierzchnią, co sprawia że obraz jest jasny a kolory żywe. Wadą tej maski jest konieczność zastosowania poziomych drutów stabilizujących, które mogą być widoczne przy wyświetlaniu na całym ekranie jasnego koloru. Druty te służą do wytłumiania zabłąkanych elektronów i zredukowania wibracji.

Maska szczelinowo-perforowana: została po raz pierwszy zastosowana w kineskopach NEC Cromaclear. Stanowi kompromis między dwoma poprzednimi rozwiązaniami - kosztem nieznacznej utraty jakości obrazu zrezygnowano z dwóch drutów stabilizujących. Również koszt produkcji tej maski jest dużo niższy.

Zniekształcenia geometrii obrazu CRT

Błędy konwergencji (zbieżności)

Wady i zalety monitorów CRT

Zalety:

szybki czas reakcji
wieloczęstotliwość, czyli możliwość zmiany rozdzielczości
wierne odwzorowanie kolorów
duże kąty widzenia obrazu

Wady:

średnia jasność/kontrast obrazu
duże gabaryty / waga monitora, stąd trudniejsza regulacja
duży pobór mocy
zawsze istnieje wypukłość ekranu
częstotliwość odświeżania ma istotny wpływ na jakość obrazu oraz zmęczenie oczu
wyższa emisja promieniowania elektromagnetycznego

Budowa monitora LCD

Na rysunku poniżej przedstawiono odpowiednio: 1 - filtr polaryzacyjny, 2 - szklane podłoże, 3 - przezroczyste elektrody, 4 - warstwa wyrównująca, 5 - ciekłe kryształy, 6 - filtry koloru.

Zasada działania monitora LCD

Zasada tworzenia obrazu w kolorowym monitorze LCD jest nieco inna niż w monitorach CRT. Zrezygnowano z działa elektronowego, dzięki czemu monitor ma dużo mniejsze gabaryty i wagę. Źródłem światła są najczęściej cienkie lampy jarzeniowe (albo diody LED w dużo droższych monitorach ledowych). Światło jest przepuszczane przez filtr polaryzacyjny, który przepuszcza fale świetlne o określonej fazie.

Następnie strumień światła tafia na filtr z poziomymi szczelinami, po czym przechodzi przez warstwę polikrzemową zwaną ciekłymi kryształami i trafia na drugi filtr z pionowymi szczelinami. Jeżeli strumień światła nie zostanie załamany o 90° przez warstwę ciekłych kryształów, to światło zostanie całkowicie zatrzymane na drugim filtrze.

Jeżeli jednak strumień światła zostanie załamany o 90° przez molekuły ciekłych kryształów, to światło zostanie podane na ekran. Molekułami ciekłych kryształów sterujemy za pomocą tranzystorów - podanie napięcia powoduje odpowiednie zorientowanie cząstek i załamanie strumienia światła o 90° (wzbudzenie).

Każdy piksel w monitorze LCD składa się z trzech (tzw. triada) subpikseli odpowiadających kolorom RGB. Każdy subpiksel jest sterowany niezależnie oddzielnym tranzystorem.

Martwy piksel (ang. dead pixel): to subpiksel, który nie zmienia swojej barwy lub się nie wzbudza - np. w wyniku awarii tranzystora sterującego - brak załamania strumienia światła.

Rodzaje matryc ciekłokrystalicznych

Matryce pasywne: stosowano w początkach technologii LCD - pojedyncze tranzystory sterowały całymi wierszami i kolumnami pikseli. Monitory oparte na matrycach pasywnych smużyły (miały wolny czas reakcji, pojawiały się smugi i cienie).

Matryce aktywne: każdy subpiksel sterowany jest oddzielnym tranzystorem cienkowarstwowymi (ozn. TFT - Thin Film Transistor).

Powstało kilka odmian matryc aktywnych:

TN (Twisted Nematic)
MVA (Multidomain Vertical Alignment)
PVA (Patterned Vertical Alignment)
IPS (In-Plane Switching)
Super-IPS (Super In-Plane Switching)

TN (Twisted Nematic)

Przyłożenie napięcia powoduje obrót cząstek ciekłego kryształu do pozycji prostopadłej do płaszczyzn elektrod na przeciwległych ściankach ekranu i zablokowanie światła. Matryca posiada krótki czas reakcji (mniej niż 8 ms), lecz niestety także małe kąty widzenia i słabe odwzorowanie kolorów.

MVA (Multidomain Vertical Alignment)

Zastosowano skośne (skrętne) ustawienie cząstek ciekłego kryształu, dzięki zastosowaniu specjalnych roztworów poliamidowych pozwalających ustawiać cząstki pod dowolnym kierunkiem. Skręcenie pozwala uzyskać identyczny obraz z szerokich kątów obserwacji (ponad 170°).

PVA (Patterned Vertical Alignment)

Technologia PVA została opracowana przez firmę Samsung jako alternatywa dla MVA. Konstrukcja matryc PVA jest podobna do MVA - kryształy zlokalizowane w domenach zmieniają położenie tak, aby użytkownik patrząc dużego kąta widział zawsze niezmienny obraz. Pomimo podobieństw, większość parametrów jak i sam proces technologiczny wytwarzania ekranów PVA różni się na tyle znacząco od MVA, że obie technologie można traktować jako niezależne.

IPS (In-Plane Switching), Super-IPS

W tej matrycy elektrody są umieszczone tylko na tylnej ściance, a cząstki ciekłego kryształu nie są skręcone względem siebie. Po przyłożeniu napięcia "prowadzenie" światła odbywa się wzdłuż krótszych brzegów molekuł i obraz widoczny jest nawet pod szerokim kątem. W technologii Super-IPS wprowadzono elektrody łamane ułożone w zygzaki, co jeszcze bardziej ogranicza przebarwienia dla dużych kątów obserwacji.

Wady i zalety monitorów LCD

Zalety:

bardzo dobra jasność/kontrast obrazu
bardzo dobra geometria obrazu
mały pobór mocy
małe gabaryty/waga stąd łatwa regulacja
idealnie płaski monitor
dużo mniejsza emisja promieniowania elektromagnetycznego niż w CRT
małe znaczenie częstotliwości odświeżania dla jakości obrazu

Wady:

optymalny obraz tylko dla natywnej rozdzielczości
średni czas reakcji
gorsze odwzorowanie kolorów niż w CRT
jakość obrazu zależna od kąta widzenia
problem rozdzielczości - typowy 17-calowy monitor LCD wyświetli obraz w trybie 1200x1024, zaś monitor CRT o podobnej przekątnej wyświetli bez problemu rozdzielczość 1600x1200

Podłączenie monitora do komputera

Złącze analogowe DSUB

Złącze popularne w czasach monitorów CRT - analogowe, posiada 15 pinów. Niepożądane w monitorze LCD, ponieważ zachodzi wówczas dwukrotna konwersja sygnału: zamiana sygnału cyfrowego na analogowy w karcie graficznej oraz zamiana sygnału analogowego na cyfrowy w monitorze. Podwójna konwersja powoduje straty w jakości obrazu i zwiększa podatność na zakłócenia.

Złącze cyfrowe DVI

DVI (ang. Digital Video Interface) - cyfrowy standard przesyłania sygnału wideo, w odmianach DVI-I oraz DVI-A umożliwia także przesyłanie sygnału analogowego. Kabel łączący monitor z komputerem nie powinien być dłuższy niż 5m. Rodzaje złącza DVI:

DVI-D - obraz prawdziwie cyfrowy, przesyłany między cyfrowym wyjściem karty graficznej a cyfrowym wejściem monitora
DVI-A - używany do podłączenia nowoczesnej karty graficznej z wyjściem DVI do monitora z wejściem analogowym
DVI-I - zapewnia możliwość przesyłu sygnału analogowego źródła do analogowego monitora jak również cyfrowego sygnału źródła do cyfrowego monitora

Różnica pomiędzy wejściami typu Single Link a Dual Link polega na zwiększonej dwukrotnie mocy, szybkości i jakości transmisji dla wejść Dual Link. Czy można podłączyć analogową kartę graficzną do cyfrowego monitora? Tak, ale należy użyć elektronicznego konwertera VGA to DVI-D.

Złącze cyfrowe HDMI

Jest to cyfrowy standard przesyłania sygnału audio/wideo umożliwiający transmisję w wysokiej rozdzielczości (ang. High Definition Multimedia Interface) i dźwięku wielokanałowego. Stosowany w odtwarzaczach DVD, Blu-Ray, telewizorach typu LCD i plazmowych oraz konsolach do gier. Maksymalna długość okablowania: 15m

Złącze cyfrowe DisplayPort

Uniwersalny interfejs cyfrowy (zatwierdzony w maju 2006) opracowany przez VESA (ang. Video Electronics Standards Association). Głównym zamierzeniem nowego standardu jest połączenie komputer-monitor lub komputer-system kina domowego (w tym np. projektory, telewizory). DisplayPort już w swojej pierwszej wersji 1.0 osiągnął to, co HDMI udało się osiągnąć dopiero w wersji 1.3b czyli: maksymalna rozdzielczość 2560x1600, 24 bitowa głębia kolorów, maksymalna przepustowość sygnału w granicach około 10 Gb/s. Pełną specyfikację jesteśmy w stanie osiągnąć na kablu o długości 15 metrów, przy dłuższych kablach rozdzielczość zostaje zmniejszona do 1920x1080.

Oznaczenia spotykane na monitorach

Na rysunku poniżej przedstawiono kolejno: 1 - monitor spełnia normę polską bezpieczeństwa użytkowania, 2 - monitor spełnia normy Unii Europejskiej, 3 - monitor spełnia normy Szwedzkiej Konfederacji Pracowników Umysłowych, 4 - międzynarodowy program promujący artykuły energooszczędne.

Przyszłość? Wyświetlacze PDP, OLED

Przyjrzyjmy się teraz potencjalnym technologiom przyszłości. Czy zdobędą popularność i zdominują rynek? Czas pokaże.

PDP (ang. Plasma Display Panel): w kineskopach plazmowych wykorzystuje się właściwości gazów szlachetnych, które pobudzone wysokim napięciem przechodzą w stan tzw. plazmy. Reakcja ta odbywa się jednocześnie w kilku milionach pikseli na całym ekranie. Każdy piksel składa się z trzech tzw. subpikseli dla kolorów podstawowych: RGB (czerwony, zielony i niebieski). Subpiksel to rurka szklana z ksenonem, na jej końcach znajdują się elektrody do których przykładane jest wysokie napięcie. Różnica potencjałów rzędu kilkuset woltów zamienia gaz w plazmę, co powoduje emisję promieniowania UV. Promieniowanie ultrafioletowe nie jest widoczne dla człowieka, dlatego umieszczono warstwę fosforu, który pobudzony tym promieniowaniem emituje światło widzialne.

OLED (ang. Organic Light-Emitting Diode): organiczne diody świecące. Pierwszego odkrycia związku organicznego emitującego światło widzialne na skutek przepływu prądu dokonano w laboratorium Uniwersytetu w Cambridge, ale prawdziwy przełom w tej technologii nastąpił w 2007 roku. Firma SONY przedstawiła mały, elastyczny wyświetlacz o przekątnej 2.5 cala oraz 11-calowy telewizor o rozdzielczości 960×540 pikseli oraz kontraście 1000000:1. Ma on grubość jedynie 3 mm. Odbiornik waży około 2 kg i posiada złącze HDMI. Wadą wyświetlaczy OLED jest ograniczona żywotność materiałów organicznych. Surowcem do produkcji świecących diod organicznych jest organiczny polimer, znany wcześniej jako surowiec do wyrobów z folii i innych tworzyw. Umieszczając taki przewodzący polimer pomiędzy dwoma elektrodami, na których występuje różnica potencjałów uzyskujemy przepływ prądu oraz towarzyszące mu promieniowanie świetlne.

Ostateczne porównanie CRT i LCD

Dobór parametrów monitorów

Na co zwrócić szczególną uwagę kupując monitor CRT lub LCD? Przyjrzyjmy się najważniejszym parametrom obu rodzajów monitorów.

Użyteczny rozmiar ekranu (CRT i LCD): wymiar przekątnej ekranu monitora (wyrażony w calach).

W monitorach LCD przekątna ekranu wynosi dokładnie tyle, ile deklaruje producent, ponieważ panele ciekłokrystaliczne mają idealnie płaskie ekrany. W monitorach CRT rzeczywista powierzchnia robocza ekranu jest nieco mniejsza niż deklaruje producent, a to z powodu wypukłości ekranu, które zawsze występują w monitorze kineskopowym. Nawet w najnowszych modelach mających prawie płaskie ekrany (FST - Flat Square Tube) występują niewielkie wypukłości poziome. Zwróć też uwagę na fakt, że monitory CRT mają proporcje ekranu 4:3, zaś większość nowych paneli LCD to monitory panoramiczne o formacie 16:10 lub 16:9 (z możliwością prezentowania obrazu HD).

Rozdzielczość (CRT i LCD): parametr określający liczbę pikseli obrazu wyświetlanego na ekranie w bieżącym trybie pracy monitora komputerowego; rozdzielczość wyrażana jest w postaci liczby pikseli obrazu w poziomie i w pionie.

Obecnie w monitorach CRT standardowymi rozdzielczościami są np. 1024×768 (XVGA), 1280×1024 (SXGA) oraz 1600×1200 (UXGA). Ze względu na możliwość wyświetlania wielu rozdzielczości (wieloczęstotliwość) ważne jest tylko, aby monitor zapewnił odpowiednią częstotliwość odświeżania pionowego dla wysokiej rozdzielczości. Monitory LCD posiadają rozdzielczość natywną - wyświetlają optymalny obraz tylko w jednej rozdzielczości, pozostałe tryby są uzyskiwane poprzez matematyczne skalowanie obrazu, co znacznie pogarsza jego jakość.

Rozmiar plamki (CRT): odległość w mm pomiędzy dwoma pikselami (triadami) w danym kineskopie.

W monitorze CRT fizyczny piksel ułożony na powierzchni ekranu nie przekłada się bezpośrednio na piksel "komputerowy" rozumiany jako najmniejszy element obrazu przetwarzanego przez kartę graficzną. Najczęściej w przypadku pracy z monitorem CRT na pojedynczy piksel obrazu komputerowego generowanego przez kartę graficzną przekłada się na kilkanaście pikseli fizycznych maski. Dlatego aby semantycznie odróżnić pojęcie piksela obrazu przesyłanego z karty graficznej oraz piksela rzeczywistego kineskopu wprowadzono pojęcie plamki. Im mniejsza plamka, tym elementy są gęściej rozmieszczone, co przekłada się na lepszą ostrość obrazu. Najczęstsze wielkości plamki: 0.2, 0.24, 0.25 lub 0.28 mm.

Wielkość piksela (LCD): odległość w [mm] pomiędzy dwoma pikselami w danej matrycy LCD.

Wielkość piksela zależy bezpośrednio od wielkości ekranu LCD i jego rozdzielczości naturalnej. Aby obliczyć wielkość piksela wystarczy zmierzyć (lub zajrzeć do specyfikacji ^^) szerokość powierzchni roboczej ekranu i podzielić przez rozdzielczość poziomą - np. monitor 19-calowy ma zwyczajowo szerokość 376 mm a jego typowa pozioma rozdzielczość naturalna to 1280px. A więc: 376/1280 = 0.294 mm. Różnice wielkości piksela w przypadku stacjonarnych panelów LCD dochodzą do 16.5%, ale gdy pod uwagę weźmiemy jeszcze matryce w notebookach to różnice dochodzą nawet do 36%, a to już bardzo dużo. Rozważmy 17-calowy panel LCD o rozdzielczości 1280x1024 oraz monitor o krok większy (czyli 19-calowy) mający taką samą rozdzielczość natywną. Monitor o większej przekątnej będzie siłą rzeczy posiadał dużo większy piksel.

Typ matrycy (LCD): typ matrycy wpływa na szerokość kątów widzenia obrazu oraz czas jej reakcji.

Rodzaje matryc to (jak wspomniano wcześniej): TN, MVA / PVA, IPS / S-IPS. Szczegóły ich budowy oraz wady i zalety każdego z rozwiązań przedstawiono w tym wykładzie wcześniej. Kąty widzenia powinny dochodzić do min. 160° ale przy dobrym kontraście i braku przebarwień. Wszystkie współczesne monitory LCD zapewniają czas reakcji poniżej 8 ms, a najlepsze nawet poniżej 2 ms.

Jasność obrazu (LCD): maksymalna jasność możliwa do uzyskania w matrycy LCD, mierzona w cd/m² (liczba kandeli na metr kwadrat).

Jasność panelu ma znaczący wpływ na różnorodność wyświetlanych kolorów oraz zdolność do prezentowania szczegółów obrazu. Przykładowa wartość: 250 cd/m² (dla porównania typowa jasność monitora CRT to ok. 100-120 cd/m²). Oczywiście jest to maksymalna jasność; np. podczas pracy biurowej zbyt duża jasność może szybko zmęczyć wzrok. Niektóre monitory posiadają przełączane tryby, które zmieniają jasność (oraz inne parametry, np. balans kolorów) tak, aby wyświetlana zawartość wyglądała jak najlepiej - dla filmów lub gier stworzono profil o wysokiej jasności, natomiast podczas pracy biurowej korzystamy z profilu o obniżonej jasności.

Kontrast obrazu (LCD): określa różnicę pomiędzy jasnością najjaśniejszego odcienia bieli do najciemniejszego odcienia czerni, które są możliwe do uzyskania na wyświetlaczu.

Przykładowa wartość: 1000:1. Teoretycznie, im większy współczynnik kontrastu, tym lepsze możliwości prezentowania poszczególnych barw posiada panel. Warto przypomnieć, iż panele LCD mają duże problemy w prezentowaniu czarni, która czasami może być bardziej ciemnozielona niż czarna. Producenci monitorów LCD często podają w specyfikacji urządzenia tzw. kontrast dynamiczny, który może sięgać nawet 1.000.000:1 w odróżnieniu od dużo mniejszego kontrastu statycznego. Jest to jednak zabieg czysto marketingowy. Trick polega na na regulacji jasności świecenia lamp jarzeniowych podających światło w zależności od jasności obrazu. Różnica jasności lampy podającej światło powoduje sztuczne zwiększenie różnicy jasności białego i czarnego koloru.

Do wyświetlania statycznych obrazów (np. prezentacje slajdów) kontrast dynamiczny słabo się nadaje, ponieważ przy zmianie slajdu będzie zauważalna zmiana jasności tła, aczkolwiek przy wyświetlaniu filmów zmiany jasności lampy nie będą tak widoczne, a film wydawać się będzie bardziej kontrastowy, choć i tak będzie wyglądał gorzej niż na urządzeniu mającym wyższy kontrast statyczny. Monitor lub telewizor z włączoną funkcją kontrastu dynamicznego nie nadaje się do pracy na komputerze, szczególnie jeśli chodzi o obróbkę dokumentów czy grafiki.

Częstotliwość odświeżania (CRT): określa, ile razy w ciągu sekundy cały obraz (wszystkie linie) jest wyświetlany na ekranie monitora; wyrażona w hercach [Hz].

W monitorach kineskopowych (CRT) wyróżnia się poziomą i pionową częstotliwość odświeżania. Częstotliwość odświeżania pionowego informuje, ile razy na sekundę rysowany jest cały ekran. Częstotliwość odświeżania poziomego określa, ile razy w ciągu sekundy wiązka elektronów jest w stanie narysować linię poziomą. Częstotliwość pozioma ma bardzo dużą wartość (wyrażoną w kilohercach), więc z czysto praktycznego punktu widzenia ma małe znaczenie. Mówiąc więc o częstotliwości odświeżania mamy zawsze na myśli częstotliwość pionową. Częstotliwość poniżej 80Hz szybko zmęczy oczy (widoczne migotanie obrazu), optymalnie powinna wynosić 85÷100Hz przy danej rozdzielczości.

Źródła

W przygotowaniu niniejszego wykładu pomogły mi między innymi następujące źródła:

Urządzenia techniki komputerowej. Podręcznik do nauki zawodu technik informatyk. Helion. Tomasz Kowalski
Urządzenia techniki komputerowej. WSIP. Tomasz Marciniuk
Wikipedia