Exit

Уроки онлайн

Уровень

Электронно-лучевые трубки

В разделе рассмотрены электронно-лучевые трубки, наиболее широко используемые для отображения в компьютерной графике - черно-белые и цветные электронно-лучевые трубки (кинескопы).

 

0.7.1  Черно-белые кинескопы

Наиболее просто устроена черно-белая электронно-лучевая трубка (рис. 0.7.1а). Нагретый катод испускает электроны, которые проходят через модулятор, управляющий яркостью и фокусируются фокусирующими электродами, так, чтобы пятно на экране было порядка 0.1 - 0.3 мм. Далее электронный пучок отклоняется отклоняющей системой. Для черно-белых трубок дисплеев обычно используется электромагнитное отклонение с помощью катушек, надетых на горловину кинескопа, но используется и электростатическое отклонение с помощью отклоняющих пластин, как это показано на рис. 0.7.1б. Отклоненный пучок попадает на внутреннюю поверхность колбы, покрытую сплошным слоем люминофора, и вызывает его свечение. Ускоряющее напряжение для таких кинескопов » 10 Кв, ток пучка » 10 мка. При диаметре пятна » 0.25 мм выделяемая мощность » 150 Вт/см2 (электроплитка » 7 Вт/см2).

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

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

 


Рисунок 31

 


Рисунок 32

 

б) Электростатическая отклоняющая система

 

Рис. 0.7.1: Устройство черно-белого кинескопа

 

 

0.7.2  Цветные кинескопы

Устройство цветных кинескопов подобно устройству черно-белых с тем отличием, что обязательно имеется три типа люминофора для красного, зеленого и синего цветов, а также средств для формирования и управления тремя отдельными электронными лучами (в некоторых, скорее экспериментальных цветных кинескопах используется единственный электронный луч).

Первый цветной масочный кинескоп с тремя отдельными электронными пушками, установленными друг относительно друга под 120° был разработан в США в 1950 г (кинескоп с дельта-образным расположением пушек). На рис. 0.7.2-0.7.5 иллюстрируется устройство такого кинескопа.

Основные параметры таких кинескопов следующие: Uанода » 20ё25 Кв, IS » 1.5ё2 ма диаметр пятна » 0.25 мм P » 2000 Вт/см2.

 


Рисунок 33

 

Рис. 0.7.2: Общая схема цветного кинескопа

 

 


Рисунок 34

 

Рис. 0.7.3: Устройство цветного кинескопа

 

 


Рисунок 35

 

Рис. 0.7.4: Электронно-оптическая система цветного кинескопа

 

 


Рисунок 36

 

Рис. 0.7.5: Схема формирования отдельных цветов в масочном кинескопе

 

 

Проблемы цветных масочных кинескопов

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

· большие напряжения и токи,

· малая яркость (на экран из-за маски попадает 20% электронов),

· малый срок службы,

· недостаточно высокая чистота цвета - однородность свечения экрана по каждому цвету в отдельности,

· статическое сведение лучей,

· динамическое сведение лучей,

· статический и динамический балансы белого.

 

Кинескопы с планарным расположением пушек

В настоящее время наиболее массовым типом цветного кинескопа является т.н. планарный кинескоп (рис. 0.7.6), называемый также кинескопом со штриховым люминофором, или кинескопом с щелевой маской (PIL - Precision In Line). У таких кинескопов все электроды электронно-оптической системы кроме катодов - общие. Требуется прецизионное изготовление и сборка всех узлов трубки.

 


Рисунок 37

 

Рис. 0.7.6: Структура экрана и маски планарного кинескопа

 

Достоинства планарных кинескопов:
· б'ольшая прозрачность маски,
· б'ольшее заполнение экрана люминофором,
· б'ольшая яркость и меньшее энергопотребление,
· до углов отклонения в 90° не нужно динамическое сведение лучей.

 

Трехлучевой тринитрон

Подобен планарному кинескопу (рис. 0.7.7), но имеется один, а не три катода. Отдельные лучи формируются диафрагмами. Используется цилиндрическая щелевая маска. Применяется в малогабаритных устройствах. Характерная особенность изображений на тринитронах - тонкий горизонтальный штрих на примерно 1/3 высоты экрана, вызванный конструктивными особенностями.

 


Рисунок 38

 

Рис. 0.7.7: Структура экрана и маски трехлучевого тринитрона

 

 

Трехлучевой хроматрон - США, 1951 г.

Основные проблемы любого масочного кинескопа - потеря части электронов на маске в результате чего понижается яркость свечения. Этот недостаток практически полностью устранен в трех- и однолучевых хроматронах и индексных кинескопах. В трехлучевом хроматроне (рис. 0.7.8) лучи отклоняются тонкой фокусирующей сеткой.

 


Рисунок 39

 

Рис. 0.7.8: Принцип работы трехлучевого хроматрона

 

Одной триаде из RGB полосок люминофора соответствует одна проволока фокусирующей сетки.

Для поддержания высокой чистоты цвета требуется пять электромагнитных катушек:
· один охватывает весь экран,
· четыре - по углам экрана.

Яркость хроматрона выше чем у любого масочного кинескопа.

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

 

Однолучевой хроматрон

Несколько более простую конструкцию по сравнению с трехлучевым хроматроном имеет однолучевой хроматрон (рис. 0.7.9). Но как видно из рисунка требуется втрое более скоростная система управления отклоняющими напряжениями на сетке.

 


Рисунок 40

 

Рис. 0.7.9: Принцип работы однолучевого хроматрона

 

Все остальные конструктивные особенности, достоинства и недостатки у однолучевого хроматрона соответствуют таковым для трехлучевого.

 

Индексный кинескоп

Наиболее точное управление лучом обеспечивается в индексном кинескопе (рис. 0.7.10).

 


Рисунок 41

 

Рис. 0.7.10: Принцип работы индексного кинескопа

 

На внутреннюю поверхность экрана колбы (см. рис. 0.7.10) нанесены вертикальные полоски триад люминофора, разделенные индексными полосками, излучающими в ультрафиолетовом диапазоне внутрь колбы. Излучение принимается датчиком. Таким образом точно известно положение луча по горизонтали.

В зависимости от положения луча его ток модулируется напряжением для красного, зеленого или синего цветов (UR, UG или UB).

Недостатки индексного кинескопа следующие:
· сложность поэлементной коммутации цветов,
· высокая линейность строчной развертки,
· более низкие яркость, контрастность, четкость.

 

0.7.3  Разрешение мониторов

Число строк на мониторе с растровым сканированием зависит от расстояния наблюдения и остроты зрения человека. Для получения хорошего качества и меньшего утомления глаза человека число строк должно быть таким, чтобы при наблюдении с выбранного расстояния отдельные строки не были различимы.

Пусть с расстояния L две смежных строки видны под углом f (рис. 0.7.11), в этом случае выполняется соотношение:

 

tan( f
2
) = h/2
L
= (H/N)/2
L
,

где

h - расстояние между строками,
L - расстояние от глаза до экрана,
H - высота экрана,
N - число строк разложения.

Так как угол f очень мал, то tan([(f)/ 2]) @ [(f)/ 2], отсюда следует:

 

N = 1
f
· H
L
 

Для неразличимости двух строк угловое расстояние между ними должно составлять величину порядка 1 (на самом деле это значение варьируется возле 4/10000 радиана @ 1.38).

Отсюда получаем:

 

N = 2500 · H
L
 

Важным параметром в определении числа строк является отношение высоты экрана H к расстоянию до глаза L. Имеется оптимальное отношение. Если расстояние мало, глаз не видит весь объект. Напротив, при большом расстоянии становятся неразличимыми детали. При формате кадра 4:31 оптимальное расстояние наблюдения составляет 4...6 высот экрана. Таким образом получаем, что оптимальное число строк составляет от 416 до 625.

 


Рисунок 42

 

Рис. 0.7.11: Определение количества строк разложения

 

Кроме психофизиологических условий разрешение мониторов определяется технологией изготовления. Для цветного кинескопа разрешение определяется расстоянием h между пятнами люминофора одного и того же цвета (рис. 0.7.12). Для современных кинескопов это расстояние равно 0.26 мм.

 


Рисунок 43

 

Рис. 0.7.12: Разрешение цветного кинескопа

 

 

0.7.4  Люминофоры

 


Рисунок 44

 

Рис. 0.7.13: Зависимость световой эмиссии люминофора от времени

 

Экран электронно-лучевых трубок покрывается изнутри люминофором, который излучает свет при падении на него электронного луча (флуоресценция). После выключения луча излучение продолжается еще некоторое время (фосфоресценция) (рис. 0.7.13). Время этого послесвечения является одним из важных параметров трубки, так как определяет как часто будет требоваться регенерация изображения, т.е. его повторный вывод для того чтобы пользователь видел немерцающую картину. Параметры некоторых люминофоров приведены в таблице0.7.1.

 

Таблица 0.7.1: Параметры некоторых люминофоров

Тип Состав Длина Цвет После- Приме-
    волны   свеч. нение
    (нм)   10%  
P1 Zn2SiO4:Mn 525 YG 24 Радар,
          осцилл.
P2 ZnS:Cu 543 YG 35-100 Осцилл.
P4 ZnS-CdS:Ag 460/560 W 25/60 TV
P7 ZnS-CdS:Cu 440/560 B/YG .05/300 Радар,
          осцилл.
P11 ZnS:Ag 460 B .025/.08 Фотозап.
P12   Оранж. Or 210  
P13   Зелен. G 0.038  
P16 Ca2Mg2Si2O7:Ge 385 UV 0.12 мкс Фотозап.,
          скан.
P18   YG YG 600  
P20 ZnS-CdS:Ag 560 YG 0.05-2  
P22-B ZnS:Ag 440 B 22мкс TV
P22-G ZnS-CdS:Ag 535 YG 60мкс TV
P22-R Y2O2S:Eu 635 R 1 TV
P22-GLP Zn2SiO4:Mn:As 525 YG 150 Дисплеи
P31 ZnS:Cu 522 G 40мкс Осцилл.
P39 Zn2SiO4:Mn:As 525 YG 150 Больш.
          послесв.
P42 Zn2SiO4:Mn:As 520 YG 10 Высок.
          яркость
P43 Cd2O2S:Tb 544 YG 1 Дисплеи
P44 La2O2S:Tb 540 YG 1 Дисплеи
P45 Y2O2S:Tb 420/540 W 2 Дисплеи
P49 Zn2SiO4:Mn 525/615 YG/R 30/1.2 Дисплеи
          на пене-
          тронах

 

 

0.7.5  Гамма-коррекция

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

I = a×Ng,
(0.7.1)

где a и g - константы. Число электронов пропорционально напряжению U на управляющей сетке монитора, определяемому значением кода пиксела V, поэтому соотношение 0.7.1 может быть переписано в виде:

I = k×Ug    =   c×Vg,
(0.7.2)

Более точно это соотношение имеет вид:

I = k×Ug(U)  + I0,
(0.7.3)

где k - константа, g зависит от U, I0 - паразитная засветка. Для упрощения полагают I0 = 0, а g - константой. У различных типов мониторов g меняется от 1.4 до 3.0. Для компьютерных мониторов значение g обычно принимают равным 2.5. Таким образом, если мы имеем соотношение между яркостями двух вычисленных пикселов V1 / V2 = 0.5, то на мониторе соотношение их яркостей будет равно 0.177.

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

На самом деле зависимости более сложные. Необходимо учитывать уровень освещения в комнате, где находится компьютер, яркость и контрастность, установленные на мониторе, и наконец субъективное восприятие пользователя.

 

Встроенные гамма-коррекции

Некоторые графические системы имеют встроенную аппаратную гамма-коррекцию, которая может регулироваться. Как правило, встроенная гамма-коррекция отличается от усредненного значения гаммы мониторов, равного 2.5 и близка к минимальному значению гаммы мониторов (см. выше). Дополнительная гамма-коррекция, требуемая для обеспечения верности воспроизведения, называется "системной".

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

IBM PC и графические станции фирмы SUN не имеют встроенной гамма-коррекции, т.е. их системная гамма примерно равна 2.5. Поэтому для верного воспроизведения сигнал (значение кода пиксела) следует возводить в степень 1/2.5.

Графические станции фирмы Silicon Graphics имеют встроенную аппаратную гамма-коррекцию, равную 1.7, т.е. при посылке пиксела в буфер кадра его значение возводится в степень 1/1.7. Таким образом программное обеспечение должно само вначале отрегулировать сигнал возведением в степень 1/1.5 (2.5/1.7    ~   1.5). Т.е. системная гамма для этих станций составляет 1.5.

Графические станции Макинтош имеют встроенную аппаратную гамма-коррекцию, равную 1.4. Таким образом для полной гамма-коррекции программное обеспечение должно само вначале отрегулировать сигнал возведением в степень 1/1.8 (2.5/1.4    ~   1.8). Т.е. системная гамма для этих станций составляет 1.8.

 

Влияние гамма-коррекции на передачу цветов

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

Влияние значения гаммы на цветопередачу очевидно. Пусть, например мы имеем изображение цветного квадрата, построенного с использованием модели RGB (см. раздел 0.4) и вычисленным соотношением яркостей цветов равным 8:2:2. После воспроизведения на графической системе без гамма-коррекции мы получим соотношение, равное 32:1:1.

Все цветовые модели можно разделить на два типа - зависящие и не зависящие от системной гаммы. В таблице 0.7.2 приведена классификация некоторых из моделей цветов.

 

Таблица 0.7.2: Зависимость моделей цветов от системной гаммы

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

1 Формат кадра 4:3 выбран из тех соображений, что зона действия желтого пятна глаза составляет 8по горизонтали и 6 по вертикали. Объект, попадающий на желтое пятно, виден наиболее ясно и целиком, т.е. соотношение его сторон также должно быть порядка 4:3.