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).

Черно-белые кинескопы

Н аиболее просто устроена черно-белая электронно-лучевая трубка (рис. 19а). 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. 19б. 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).

А дресное 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.

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.20-23 иллюстрируется устройство такого кинескопа. Основные параметры таких кинескопов следующие:

U_анода  2025 Кв, I_  1.52 ма диаметр пятна  0.25 мм P  2000 Вт/см².

Проблемы цветных масочных кинескопов

О сновными 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.

В настоящее время наиболее массовым типом цветного кинескопа является т.н. планарный кинескоп (рис. 24), 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.

Достоинства планарных кинескопов:  большая прозрачность маски,  большее заполнение экрана люминофором,  большая яркость и меньшее энергопотребление,  до углов отклонения в 90^ не нужно динамическое сведение лучей.

Трехлучевой тринитрон

Подобен планарному кинескопу, 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.

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.26) лучи отклоняются тонкой фокусирующей сеткой.

Одной триаде из RGB полосок люминофора соответствует одна проволока фокусирующей сетки. Для поддержания высокой чистоты цвета требуется пять электромагнитных катушек:

 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. Но как видно из рисунка требуется втрое более скоростная система управления отклоняющими напряжениями на сетке.

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

Индексный кинескоп

Наиболее точное управление лучом обеспечивается в индексном кинескопе.

Принцип работы индексного кинескопа

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

В зависимости от положения луча его ток модулируется напряжением для красного, зеленого или синего цветов (U_R, U_G или U_B).

Недостатки индексного кинескопа следующие:

 сложность поэлементной коммутации цветов,

 высокая линейность строчной развертки,

 более низкие яркость, контрастность, четкость.

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.

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).

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.

Кроме психофизиологических условий разрешение мониторов определяется технологией изготовления. Для цветного кинескопа разрешение определяется расстоянием h между пятнами люминофора одного и того же цвета (рис.29). Для современных кинескопов это расстояние равно 0.26 мм.

Люминофоры

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.30). 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 таблице.

Стандарт GKS

ISO - международная организация стандартизации. Первым стандартом ISO на графический API стал стандарт GKS (ISO IS 7942-Graphical Kernel System). GKS - cтандарт двумерного графического интерфейса, который использует неиерархический нередактируемый формат описания изображений. Изображения строятся путем непосредственного вызова функций графической системы. Каждому примитиву соответствует своя функция. Несколько примитивов вывода могут быть объединены в сегмент, которому присваивается уникальный идентификатор. Сегменты размещаются в общей памяти для повторного использования. Изменять содержимое сегментов не допускается. Cпециальные функции позволяют осуществлять перенос, масштабирование, поворот и другие операции над сегментами. Геометрическая информация подвергается преобразованиям, которые связывают три системы координат: мировые координаты, нормированные координаты (NDC) и координаты устройства. Стандарт поддерживает несколько классов логических устройств ввода: ввод координат (позиции), ввод последовательности позиций, выбор альтернативы, указание объекта, ввод строки и ввод числа. Каждое логическое устройство ввода может работать в режимах: запрос, опрос, событие. В качестве примера реализации можно привести библиотеку SunGKS.

Дальнейшее развитие стандарт GKS получил в стандарте GKS- 3D (ISO IS 8805 - Graphical Kernel System for tree dimensions). GKS-3D - стандарт трехмерного графического интерфейса, который использует все возможности стандарта GKS и содержит некоторые дополнительные функции для работы с трехмерной графикой. GKS-3D поддерживает трехмерные примитивы, трехмерный ввод, трехмерные сегменты и обеспечивает работу со скрытыми линиями и поверхностями. Стандарт обеспечивает трансформацию трехмерных мировых координат в координаты двумерного устройства отображения. Цепочка преобразований связывает четыре системы координат: мировые координаты, нормированные координаты (NDC-3), нормированные координаты проекции (NPC) и координаты устройства.