Monitorok
A RadiWiki wikiből
Az alábbi fejezetben a mindennapi gyakorlatban leginkább használt kijelzők – a katódsugárcsöves és a folyadékkristályos monitorok működési alapelvének fizikai-technikai alapjait tekintjük át. Mindkét alaptípusnál azt a gondolatmenetet követjük, hogy az adott berendezés alapvető egységeit sorban bemutatva tisztázzuk a berendezés működéséhez szükséges fizikai alapokat, minden esetben a fekete-fehér megjelenítést tekintve kiindulópontnak. A színes technológia az előbbi alapján kiterjeszthető.
KATÓDSUGÁRCSÖVES MONITOROK (crt)
Kronológiailag és technikai színvonalukat tekintve is a katódsugárcsöves monitorok kívánkoznak a tárgyalásunk elejére. Működési alapelvüket tekintve nagyfokú hasonlóságot, esetenként azonosságot mutatnak a katódsugárcsöves televíziókészülékekkel.
Katódsugárcső
A katódsugárcső részeinek pontos ismertetésére már sor került, ezért itt csak vázlatosan közöljük, kiemelve azokat a részeit, melyek a monitorokban használt speciális katódsugárcsövekben különösen fontosak.
A katódsugárcső általános felépítése.
A katódsugárcső alapvető egységeit az 42. ábra szemlélteti. Az izzókatódon termikus elektronemisszióval gerjesztett elektronokat az anód és a katód közötti nagy feszültségű elektromos tér (több 10.000V) igen nagy sebességre gyorsítja fel. A gyorsításhoz szükséges, hogy a katódsugárcső belsejében nagy vákuum (2-3Pa nyomás) legyen jelen, mert a szabad elektronokat tartalmazó katódsugár légköri nyomást (vagy hasonló nagyságrendet) tartalmazó gázban (pl. levegőben) nagy reakcióképessége miatt túl gyorsan elnyelődik, és szóródást szenved. A nagy sebességre felgyorsított elektronok az anód felé vándorolnak, felhasználási helyük azonban a katódsugárcső típusától függően más lehet (röntgencsőnél maga az anód, monitoroknál luminofor ernyő). Az elektronok gyorsítására fordított munkát az anód és a katód között található elektromos mező végzi, amely a munkatétel értelmében teljes egészében az elektronok mozgási energiájának növekedésére fordítódik:
ahol Ua az anódfeszültség, me=9,1•10-31kg az elektron tömege, e=1,67•10-19C az elektron töltése, Ek a mozgási vagy kinetikus energia, v pedig a sebesség. Az eredmény SI mértékegységekkel számolva joule-ban (J) adódik, de célszerű helyette az éppen ez alapján definiált elektronvolt (eV) mennyiséget használni, mely szerint: „1eV mozgási energiával rendelkezik az álló helyzetből 1V gyorsítófeszültség hatására felgyorsított elektron.” A fenti összefüggés szerint tehát 1eV=1,67•10-19J.
A képcső részei
Mint említettük, a CRT monitorok – felépítésüket tekintve – megegyeznek az ugyanilyen televíziókészülékekkel. A megjelenítésre szolgáló képcső részeit a 43. ábrán láthatjuk.
A TV-képcső részei.
A fűtött katódot tartalmazó elektronágyúból az előgyorsító anódon át érkező elektronok szabályozó rácson haladnak keresztül. A rács feszültségének előjelével az elektronok mennyiségét lehet szabályozni oly módon, hogy a negatív feszültségű rács a kilépő elektronok továbbhaladását gátolja, pozitív feszültség esetén pedig elősegíti. Ennek az elektronsugár intenzitásának (egységnyi idő alatt egységnyi felületen áthaladó elektronok száma: 1/m2•s) szabályozásában van szerepe, ami pedig a felvillanás intenzitásával függ össze (ld. később). A (képcső esetén) több ezer volt feszültségű anód a képcső belső felületére felhordott elektróda, amelyet luminofor foszforréteggel látnak el, melyen a becsapódó elektronok látható fényfelvillanást keltenek. Nézzük most az egyes részeket részletesebben.
Elektronágyú
Az elektronágyú 2 részből áll:
- Katód: fűtőszál, amely elektronokat bocsát ki
- Wehnelt-henger: a belsejében lévő katód által emittált elektronokat egy nyalábba fókuszálja
A katódszálban lévő negatív szabadelektronok és a pozitív fémionok között nagy elektrosztatikus vonzerő lép fel, ezért az elektronok a katód anyagában maradnak mindaddig, amíg mozgási energiájuk le nem győzi a katód felületéből való kilépéshez szükséges kilépési munkát. A kilépő elektronok áramsűrűségét (egységnyi felületre jutó áram: A/m2) a Richardson formula írja le:
ahol J az áramsűrűség, Wk a kilépési munka, k=1,38•10-23J/K a Boltzmann-állandó, T az abszolút hőmérséklet. Látható, hogy a kilépő áram sűrűsége a hőmérséklet emelkedésével exponenciálisan nő. A Wehnelt-henger tartalmazza a katódot, amelyhez képest negatív potenciálú. A feladata, hogy az anóddal együtt a katód által kibocsátott (még kis sebességű) elektronokat az anód és a Wehnelt-henger közé eső pontba fókuszálja.
Rács
Az elektronágyúból érkező elektronnyaláb rácson halad keresztül, melynek feladata a nyaláb intenzitásának (vagy áramsűrűségének, a kettő itt ekvivalens) szabályozása. Ha a rács a katódhoz képest kis negatív potenciálon van, az érkező elektronok taszító ellentérbe kerülnek, így mozgásuk lelassul, egy részük elnyelődik. Kis pozitív potenciálkülönbség esetén az elektronnyaláb tovább gyorsul, áramsűrűsége nő.
Gyorsító tér
A rácson áthaladó elektronok nagyfeszültségű gyorsító elektromos térbe kerülnek. A katód és anód közötti tér feszültsége képcsövek esetén néhány ezer V, melyben az elektronok jelentős mozgási energiára tesznek szert. Általános ökölszabálynak elfogadhatjuk, hogy a gyorsítófeszültség kilovoltban (kV) mért értéke megegyezik az elektronok maximális mozgási energiájának kiloelektronvoltban (keV) mért értékével.
Fókuszálás
Az előállított elektronnyaláb enyhén divergál, melynek oka, hogy az azonos (negatív) töltésű elektronok elektrosztatikai (Coulomb-) taszítóerőt fejtenek ki egymásra. Az ilyen széttartó nyaláb túl nagy méretű foltot érintene a képernyőn, ami a felbontást erőteljesen rontja. Ezért a nyalábot a luminofor ernyőre fókuszálják elektromágnes-fókuszáló „lencsével” (44. ábra).
Mágneses fókuszáló tekercs.
A mágneses fókuszáló tekercs axiális irányú, ami azt jelenti, hogy az elektronnyaláb a tekercs szimmetriatengelyével párhuzamosan halad át rajta, a mágneses tér ebben a térben szintén hosszanti – a szimmetriatengellyel azonos – irányú. Az enyhén széttartó nyalábban az egyes elektronok sebességvektorai kismértékben eltérő irányba mutatnak, az egymással és a B mágneses indukcióvektorral bezárt szögük kicsi. B indukciójú mágneses térben v sebességgel mozgó e töltésre FL mágneses Lorentz-erő hat:
Az erő nagysága: , ahol φ a v sebességvektor és a B mágneses indukció vektor által közbezárt szög. Ha a v sebességvektort felbontjuk egy a B mágneses indukció vektorral párhuzamos (φ=0°), valamint arra merőleges (φ=90°) komponensre (45. ábra), akkor az összefüggésből következik, hogy a mágneses tér csak a rá merőleges sebességkomponensre fejt ki erőt, mert sin0°=0 és sin90°=1. A vektoriális szorzat miatt az erő iránya merőleges a v és B vektorok által kifeszített síkra, ami azt eredményezi, hogy az elektron a B vektorokra merőleges síkú, kerületi sebességű körmozgást végez, miközben a sebességének , a B vonalakkal párhozamos komponense nem változik, tehát ebben az irányban egyenletes mozgást végez.
A sebességvektor felbontása egy a B-vonalakkal párhuzamos és egy azokra merőleges komponensre, valamint a Lorentz-erőre.
A két mozgás eredője spirális pálya. Mivel az elektronok sebességvektorai csak kis szögben térnek el egymástól, a vp párhuzamos komponens az összes elektron esetén gyakorlatilag megegyezik, ezért az egyes elektronok spirálpályáinak menetemelkedése azonos lesz, és ezért a spirálok egy pontban találkoznak ismét, vagyis a nyaláb közel egy pontban fókuszálódik (46. ábra).
Az egyenes vonalú egyenletes és a rá merőleges síkú egyenletes körmozgás eredője spirális pálya.
Eltérítés
A fókuszált elektronnyaláb a képcső középső pontjába csapódik be, ott okozva fényfelvillanást. A feladat a nyaláb folyamatos mozgatása vízszintes és függőleges irányban ahhoz, hogy az elektronok sorról-sorra vízszintesen pásztázzák végig az ernyőt, majd minden sor végigpásztázása után ugorjanak vissza és lefelé a következő sor elejére. Ehhez két módszer használható:
- elektromos eltérítés
- mágneses eltérítés
Az elektromos eltérítés a gravitációs térben vízszintesen elhajított kő analógiájára az elektron sebességére merőleges irányú, E térerősségű elektromos tér alkalmazásával történik, melyben az elektron a rá ható hatására parabola alakú pályán mozogva az eredeti irányához képest α szögű eltérítést szenved, ahol az α szög nagysága az E térerősséggel arányos U feszültségtől függ. Ilyen eltérítést alkalmaznak többek között a főleg kísérleti, méréstechnikai stb. célból használt oszcilloszkópokban. Technikailag az elektromos teret kondenzátor fegyverzetei között állítják elő. Monitorokban, TV-készülékekben sokkal jelentősebb szerepe van a mágneses eltérítésnek, amely az 1.2.4 pontban ismertetett Lorentz-erő alapján értelmezhető (47. ábra).
A mozgó töltésre ható Lorentz-erő.
Az elektron a sebességére merőleges irányú mágneses térben az Lorentz-erő hatására körpályára kényszerül, melynek sugara, így az eltérítés szöge is a v sebesség és a B indukció függvénye. A valóságban az elektronok természetesen a körpálya csak egy részét – körívet – futnak végig. A mágneses tér előállításához elektromágnes tekercseket használnak, külön vízszintes és függőleges irányban.
Luminofor ernyő, lumineszcencia
A képcső belső felét foszfor, vagy cink alapú lumineszkáló réteggel vonják be, amely a nagy energiájú becsapódó elektronok hatására látható fényt bocsát ki. A fénykibocsátás lumineszcencia sugárzás formájában jelenik meg, melyet az alábbiakban ismertetünk. A lumineszcencia vagy hidegsugárzás az anyagoknak nem hőmérsékletük emelése következtében létrejövő fénykibocsátása. Két fajtája létezik, a fluoreszcencia vagy együtt világítás, és a foszforeszcencia vagy utánvilágítás. A gerjesztés történhet elektromágneses sugárzás, korpuszkuláris sugárzás, elektromos tér hatására, kémiai folyamatok következtében stb. A lumineszcens fény eredete minden esetben egy molekula vagy atomcsoport külső elektronpályái között történő átmenet, melynek során az elektron magasabb energiájú állapotból alacsonyabb energiájú pályára lép át és a különbségi energia fényfoton formájában emittálódik. Fluoreszcenciáról akkor beszélünk, ha az elektron ugyanabból a magasabb energiájú állapotból esik vissza valamelyik alacsonyabb energiájú állapotba, amelyikbe a gerjesztés révén jutott. Ez a fajta hidegsugárzás a gerjesztést követően viszonylag gyorsan (~10-9s alatt) lezajlik, ezért jelenlétét tulajdonképpen csak a gerjesztés ideje alatt érzékeljük. Foszforeszcenciáról abban az esetben van szó, ha a gerjesztett elektron, mielőtt emisszióra kerülne sor, a környezeti molekulákkal történő kölcsönhatás (elsősorban ütközések) következtében egy metastabil nívóra kerül, ahol viszonylag hosszú ideig (~10-6s-tól több percig vagy óráig) tartózkodhat, míg ismét alapállapotba jut, ezért a lumineszcenciának ez a formája a gerjesztés megszűnte után is egy ideig látható marad. Ha a lumineszcencia fény hatására következik be, akkor elmondhatjuk, hogy a lumineszcens fény hullámhossza általában nagyobb, mint a gerjesztő fényé (Stokes-szabály). Egy objektum lumineszcenciája tehát a gerjesztő hatás megszűnésekor nem szűnik meg azonnal, hanem rövidebb-hosszabb idő alatt „alszik ki”. A folyamat időbeli lefolyása kvantumfizikailag determinált, hasonlóan a radioaktív bomlásokhoz, ennek megfelelően matematikailag is ahhoz hasonló módon, exponenciálisan csökkenő függvénnyel írható le. A lumineszcencia élettartamának jellemzésére ily módon a gerjesztett állapot élettartamának időállandója szolgál, amely azt az időt jelenti, amely alatt a gerjesztés megszűnése után a gerjesztett lumineszcens centrumok száma e-ad részére (az eredeti kb. 37%-ára) csökken. Ez az időtartam a fent leírtaknak megfelelően a másodperc milliomod (vagy még kisebb) részétől több óráig, egyes esetekben néhány napig is eltarthat. Monitorok esetében foszforeszcens anyagokat alkalmaznak, néhány ms élettartammal, hogy a képernyőt végigpásztázó elektronsugár hatására a képernyőnek minden egyes pixele nagyjából azonos intenzitással világítson. Ellenkező esetben egy kép kirajzolása után közvetlenül az alsó sor jobban világítana, mint a felső, ami villódzást eredményezne.
Árnyékmaszk, színes technika
Közvetlenül (kb. 1,5cm-rel) a luminofor ernyő előtt a képcsőben árnyékmaszk található. Ennek feladata az elektronsugár szóródásából származó képi zaj kiszűrése. A szóródó elektronok nem csak az adott pixelben okoznának fényfelvillanást, hanem a mellette lévőkben is, ami képi zajként jelentkezne. Az erőteljes melegedés miatt különleges fémötvözetből készült maszkba fúrt lyukakon az elektronsugár áthalad, de a szóródó elektronokat kiszűri. A lyukak átmérője 0,2-0,25 mm közötti. A színek kép előállításának alapja két biofizikai felismerés. Az első, hogy az emberi szem felbontóképessége véges, ami azt jelenti, hogy egy meghatározott távolságnál közelebb lévő két pont az agyban egy képpé olvad össze, tehát egyetlen pontnak látjuk. A második elv az, hogy ha két színt összekeverünk, akkor azt egy harmadik színnek érzékeli az emberi szem. Az additív színkeverésnek megfelelően a képernyő színárnyalatait három alapszínből, vörösből, kékből és zöldből keverjük ki (RGB-technika) . A három alapszín megfelelő arányú additív keveréke kiadja a fehéret. Színes képernyő esetén mindegyik alapszínhez egy-egy elektronágyú tartozik, melyek mindegyike csak a hozzá tartozó színpixelt találja el. Ezt úgy érik el, hogy az elektronsugarak közvetlenül a lyukmaszkban keresztezik egymást, amire az elektronágyúk viszonylag nagy mérete miatt is szükség van. Régebbi típusú televíziókészülékekben, monitorokban az úgynevezett delta elrendezésű színpixel-hármas elrendezés volt használatos (48. ábra), ahol a vörös, zöld és kék színpixelek, valamint a három elektronágyú egymáshoz képest 120°-os elrendezésben helyezkedett el, ezért a lyukmaszk is ilyen elrendezésben tartalmazta a lyukakat.
Delta képcsőtechnika.
Ma már szinte kizárólag in-line elrendezésű képcsöveket használnak (49. ábra), ahol az RGB színpontok függőleges csíkokban helyezkednek el, valamint az árnyékmaszk is függőleges réseket tartalmaz.
In-line képcsőtechnika.
A képi megjelenítés elve
A fókuszált elektronsugárral viszonylag gyorsan végig kell pásztázni a képernyő minden részét, hogy a képet egyenletes fényerősséggel lássuk mindenhol. Két alapvető módszer létezik a letapogatásra: váltott soros (interlaced) és progresszív (non-interlaced). Váltott soros letapogatás (50. ábra) esetén az elektronsugár egy teljes képet két félképből állít elő. Az első félkép csak a páratlan, a második csak a páros sorokat tartalmazza, de a foszforeszcencia jelensége miatt a szemünk ezt a váltást nem képes követni, így egész képet látunk. Ez a kép egyenletesebb fényerősséget és ezzel együtt kisebb villódzást eredményez, mint a progresszív letapogatásos módszer.
Váltott soros letapogatás.
Progresszív letapogatás. Progresszív letapogatásnál a kép egy ciklus alatt, az összes sor egymást követő végigpásztázásából áll össze.
Az egyes képpontok szigorú rend szerint mátrixba rendeződnek. A képernyőn a pontok úgy rajzolódnak ki, hogy az elektronsugár végigfut a felületen balról-jobbra és fentről lefelé (ahogy írunk). Tehát elkezdi a bal felső sarokban, vízszintes (valójában kissé ferde) vonalban halad - ahol kell, nagyobb energiával dolgozik - egészen a képernyő jobb széléig. Itt kioltásra kerül, visszafut a bal oldalra és az előbb meghúzott sor alatt, ahhoz közel húz egy következő sort. Ezt egészen addig folytatja, amíg eléri a képernyő alját. Ekkor az elektronsugár visszatér a bal felső sarokba (képkioltás), és kezdődik minden elölről. A hagyományos tévékép úgynevezett váltott soros vagy félképváltásos (interlaced) módon rajzolódik ki, azaz az elektronsugár először a páratlan sorokat rajzolja fel, majd visszafut a kép elejére és a páros sorok következnek. Egy PAL szabványú tévékép 625 vízszintes sorból épül fel, de ebből csak 576 sor látható, a többit "elviszi" a képkioltás . A PAL televíziókon - ha a felbontásnövelő eljárásoktól most eltekintünk - a függőleges felbontás felső határa tehát a rendszerből adódóan 576 sor. Ma már létezik nagyobb függőleges felbontású TV-kép is, a HDTV szabvány esetében pl. akár 1080 látható sor is lehet. Mialatt az elektronsugár egy teljes képet kirajzol, vagyis függőleges irányban egyszer végighaladt a képcsövön, vízszintesen minden soron végig kell haladnia és vissza. Mindebből következik, hogy a vízszintes és a függőleges eltérítés szigorúan szinkronban áll egymással az alábbi összefüggés szerint: vízszintes frekvencia = függőleges frekvencia × sorok száma, ahol a függőleges frekvencia az egy másodperc alatt kirajzolt teljes képek számát jelenti, melyet Hz-ben adunk meg, ezért más szavakkal: sorfrekvencia = képfrekvencia × függőleges felbontás.
Az európai 50Hz-es hálózati szabványhoz igazított rendszerben a képfrekvencia 25Hz, vagyis másodpercenként ennyi egész képet láthatunk. Ez a frekvencia már elegendő ahhoz, hogy egy képsorozatot folyamatos mozgóképnek érzékeljen az agyunk. 625 sorral számolva a vízszintes frekvencia a fenti képlet szerint 15625 Hz-nek adódik. Megjegyezzük, hogy az amerikai és japánban használatos szabvány szerint ugyanezen értékek: 30 Hz, 525 sor és 14750 Hz. Monitorok esetében a felbontás és a képfrekvencia manuálisan beállítható. Kis felbontás esetén valószínűleg non-interlaced, nagy felbontásnál interlaced üzemmódra vált automatikusan az eszköz, ezért a vibrálás erősödik.
Sugárzás
A CRT monitorok elektronikai berendezései (eltérítő tekercsek, elektronágyú stb.) és a kép előállításának módja (becsapódó elektronsugár) miatt az eszköz egészségre is káros elektromágneses sugárzásokat bocsát ki, amely ellen védekezni kell. Az alacsony sugárzású monitoroknál árnyékoló lemezekkel védekeznek az elektromos és elektromágneses tér készüléken kívülre jutása ellen, és kiváló minőségű transzformátorokat és eltérítő tekercseket alkalmaznak.
A csőben felgyorsuló elektronok nagy energiával a képernyőbe csapódnak, ahol kétféle hatást válthatnak ki. Egyrészt elektrosztatikus hatást, amely a képernyő megérintésekor érzékelhető. A gyártók a korszerű, újabb fejlesztésű monitorok képfelületét vezető réteggel látják el, amelyet leföldelnek e keletkező töltések elvezetésére.
Másrészt a hirtelen lelassuló elektronok fékezési röntgensugárzást bocsátanak ki, amely ellen ólomüveg alkalmazásával védekeznek, ezért a korszerű monitorokból kijutó röntgensugárzás mennyisége az előírásoknak bőven megfelel. Ebből adódik azonban az ilyen monitorok viszonylag nagy súlya (2-4 kg ólom), és problémák a hulladék kezelésekor.
FOLYADÉKKRISTÁLYOS MONITOROK (LCD)
Fejlettebb, drágább, műszakilag kissé bonyolultabb, biológiailag kíméletesebb megoldás a folyadékkristályos, vagy LCD monitorok használata kijelzőként. Ilyen monitorok a 90-es években jelentek meg asztali és hordozható számítógépek mellett, mára pedig egyre inkább kiszorítják a katódsugárcsöves monitorokat a piacról.
Folyadékkristályok
A folyadékkristályok olyan anyagok, amelyek ugyan folyékonyak, de sok fizikai tulajdonságuk a kristályokéhoz hasonlóan anizotrop. Az ilyen anyagok molekulái általában hosszú láncúak, hossztengelyük irányában kettőskötés rendszerük miatt merevek, nagy permanens dipólmomentumuk van és a láncvégeken könnyen polarizálható csoportok helyezkednek el. Ezek a hosszúkás molekulák hosszú távú rend kialakítására képesek úgy, hogy azért az anyag folyékonysága megmarad. Felfedezésük Friedrich Reinitzer, német biokémikus nevéhez fűződik, aki 1888-ban észrevette, hogy a koleszterol-benzoát 145°C-on megolvad, de csak 175°C-nál válik tiszta folyadékká. A két hőmérséklet között folyadékkristályos viselkedést mutat. A folyadékkristályokat G. Freidel német fizikus 1922-ben szerkezetük alapján három nagy csoportba osztotta:
- Szmektikus folyadékkristályok: A vastag, szivar alakú molekulák szorosan, egymással párhuzamosan, a molekulatengelyre merőleges síkú, monomolekuláris rétegekben helyezkednek el. Az egyes rétegekben a molekulák elrendezése véletlenszerű. A monomolekuláris rétegek egymáson elcsúszhatnak, de a rétegek megmaradnak.
- Nematikus folyadékkristályok: A nevüket a görög fonál szóból kapták, aminek az oka szintén a molekulaszerkezet hasonlósága a fonálhoz. Ezek a folyadékkristályok a legfontosabbak a kijelzők szempontjából. Szerkezetük kevésbé rendezett, mint a szmektikus anyagoké. Molekuláik pálcika alakúak - fonálszerűek -, a molekuláris tengelyük a folyadékkristályos állapotban egymással párhuzamos. A nematikus anyagok molekulaszerkezetét jól lehet szemléltetni egy doboz fogvájóval. Ebben a dobozban lévő fogvájók egymáson csak a tengelyük irányában képesek elmozdulni, vagy a hossztengelyük körül elfordulni, de a doboz miatt mindvégig párhuzamosak maradnak. Tipikus nematikus folyadékkristályok a p-etoxi-benzilidén-p-amino-benzonitril, az ansylidén-p-amin-ofenil- acetát és a p-anoxiansol.
- Koleszterikus folyadékkristályok: A folyadékkristályt alkotó szerves anyag molekuláris tengelyei egymással és az általuk alkotott monomolekuláris rétegek síkjaival párhuzamosak.
Alkalmazásuk két fontos tulajdonságuk alapján vált lehetővé. Egyrészt dipólus szerkezetük miatt, ami azt eredményezi, hogy elektromos térbe helyezve őket, polaritásuknak megfelelően a tér irányába fordulnak. Másrészt a hosszú szerves molekulákból álló folyadékkristályok kiralitást mutatnak, azaz a rajtuk áthaladó polarizált fény síkját képesek elforgatni.
Működési elv
A folyadékkristályos képcella működési elvét szemlélteti az 52. ábra. Mivel a folyadékkristályok nem képesek önálló fényforrásként működni, ezért háttérvilágításra van szükség. Az érkező fény két polarizáló szűrőn halad keresztül, melyek polarizációs síkja merőleges egymásra. Ez azt eredményezi, hogy ha például az első szűrő vízszintesen polarizál, akkor a második – függőleges síkú – polarizátoron a fény már nem képes kijutni. A két polarizáló szűrő között helyezkedik el a folyadékkristály. Kikapcsolt állapotban a folyadékkristály-molekulák a polarizált fény síkját 90°-kal elfordítják, mert a polarizátorok előtt egy-egy felrovátkolt átlátszó üveget helyeznek el a polarizációs irányokkal párhuzamosan. A folyadékkristály molekulák orientációja követi a rovátkolást, a köztes térben pedig a dipólus kötések miatt spirálisan csavarodnak át egyik irányból a másikba 90°-kal, közben királis szerkezetük miatt a polarizált fény polarizációs síkját is 90°-kal elfordítják (52.b. ábra). Bekapcsolt állapotban azonban a fény nem jut át a második polárszűrőn, mert a dipólus molekulák elfordulnak az átlátszó üveglapokon elhelyezett szintén átlátszó elektródák irányába, ezért a fény polarizációs síkja változatlan marad (52.a. ábra).
Az LCD-cella felépítése és működése.
Vizsgáljuk meg a cella egyes részeit most részletesebben.
Háttérvilágítás
A folyadékkristályos kijelzők háttérvilágításához többnyire hidegkatódos lámpát (CCFL), újabban pedig LED-eket is használnak. A hidegkatód-fénycsöves háttérvilágítású paneleknél a panel széleinél elhelyezett általában négy fénycső fényét diffúzor vagy prizmarendszer osztja szét egyenletesen. Az esetleges foltos és bevilágítós képért a nem tökéletesen beállított háttérvilágítás a felelős. Ez a fekete háttérben vehető észre leginkább. A legtöbb monitor esetében ezt a problémát egészen jól lehet látni, munkavégzés közben azonban nem zavaró. A hidegkatód-fénycsöves megoldással szemben a LED-es megoldásnál kb. minden 2 cm2-hez tartozik egy LED, melyekben az elektronok és lyukak rekombinációja során a látható fény hullámhossztartományába eső energia-felszabadulás történik. A bevilágításos probléma itt nem jelentkezik, viszont jóval nagyobb a fogyasztása és jobban is melegszik. Megjegyezzük, hogy léteznek olyan LCD-kijelzők is, amelyekben nincs háttérvilágítás, ekkor egy tükröt használnak, és a kép csak külső megvilágítás mellett látható.
Polarizátorok
A természetes és a legtöbb mesterséges fény polarizálatlan, azaz nem tartalmaz kitüntetett rezgési síkot. A polarizáló szűrők feladata a fény polarizálása, melyet speciális kristállyal oldanak meg. A kristály csak a kristálysíkokkal párhuzamos rezgési irányt engedi át, ezért a kristályon áthaladó polarizálatlan fény polarizálttá válik. A második polárszűrő polarizációs síkja az elsőére merőlegesen helyezkedik el, ezért ezen a cella kikapcsolt állapotában nem képes áthaladni a fény.
Vezérlés
A legtöbb modern LCD kijelző celláinak vezérlését térvezérléssel oldják meg, ami azt jelenti, hogy a polarizátorok között található folyadékkristályt elektromos tér ki- és bekapcsolásával forgatják el. A cella feladata, hogy a rá eső fény polarizációs síkját a térmentes esethez képest 90°-kal elforgassa. A feladat végrehajtásához a kijelzőt alkotó két üveglemez belső felületét egymásra merőlegesen, de az egyes lemezeken párhuzamosan felrovátkolják. Mivel a nematikus folyadék-kristály molekulái a lemezekre merőlegesen állnak be, ezért feszültségmentes esetben a cella 90°-os forgatást fog elvégezni a beeső fény polarizációs síkján. Amennyiben az üveglemezek külső, fényáteresztő és vezető felületére megfelelő nagyságú feszültséget kapcsolunk, akkor a folyadékkristály molekulái egységesen beállnak az elektromos tér irányába. Ebből az következik, hogy ilyen esetben a cella nem fog fordítani a fény polarizációs síkján. Az ilyen működési elvű kijelző elméletileg egy pusztán feszültséggel vezérelhető fényzár.
Főbb típusok
Az LCD monitorok alapvetően két fő típusba sorolgatók: DSTN és TFT technológiával készültekre. A DSTN kijelző több rétegből áll. A kijelző két üveglap között helyezkedik el, melyek külső felületén találhatjuk meg a polarizációs szűröket, ezeknek a szerepét már ismerjük. A két üveglap belső felületén találjuk a folyadékkristály vezérlésére szolgáló vezetékeket. Mivel a kijelző pontjai tömb alakba (mátrixba) vannak szervezve, az egyik üveglapon a sorok, míg a másik lapon az oszlopok vezérlését megvalósító vezető sínek találhatók. Ezzel a módszerrel a kijelző minden pontja külön-külön vezérelhető attól függetlenül, hogy melyik sorban, illetve az oszlopban található. A két vezérlő-réteg egy-egy közbenső hordozó rétegen van felhordva. A két hordozóréteg között helyezkedik el a folyadékkristály cellák formájában. A kijelzőben annyi cella található, amennyi a kijelzőn megjeleníthető pontok száma. A DSTN kijelzőben lévő folyadék-kristály a fény polarizációs síkját 90° és 270° közötti értékkel forgatják el. A DSTN kijelzők sajnos meglehetősen lomha képmegjelenítéssel rendelkeznek. Ezt a jelenséget árnyékosságnak nevezzük, és úgy jelentkezik, hogy az előző képet is még látjuk, de természetesen halványabban. Az átlagos DSTN LCD kijelzők válaszideje (lásd később) kb. 300 ms, ami azt jelenti, hogy egy másodperc alatt valamivel több, mint három kép megjelenítésére van lehetőség. A hosszú válaszidő okozza a kijelző árnyékosságát, és alkalmatlanná teszi a teljes képernyős videolejátszást igénylő alkalmazások használatára. Egyes gyártóknak sikerült az elérési időt a felére csökkenteni, de a képernyő frissítése még mindig nem teszi lehetővé a gyors képváltásokat igénylő alkalmazások futtatását a megfelelő sebességgel. A DSTN típusok másik nagy hátránya a kis láthatósági szög (lásd később), ami a cella viszonylag nagy vastagságából adódik. Olyan a hatás, mintha egy szívószálakból párhuzamosan, méhsejtszerűen összeillesztett falon keresztül kellene átnéznünk, ami csak merőleges irányból vagy a merőlegestől csak nagyon kicsivel eltérő szögből lehetséges. A DSTN kijelző már egyre inkább háttérbe szorul, ma már csak az olcsóbb, régebbi gyártmányú hordozható számítógépekben találkozhatunk velük. A TFT technológia felhasználja a tranzisztort, mint kapcsolóelemet. A tranzisztornak van egy nagy hátránya, a vezérléséhez áramra és feszültségre egyaránt szükség van. Ez a kijelzők területén meglehetősen nagy hátrány, mivel a telepes üzem miatt a fogyasztást lehetőleg a minimális értéken kell tartani. A megoldás a térvezérléses tranzisztor (FET ) felhasználása. A FET-ek nagyon jól miniatürizálhatók, lehetőség nyílik arra, hogy egy vékony rétegben készítsek el ezeket, így tulajdonképpen egy filmet képeznek. A képernyő egy aktív mátrix, ami ilyen tranzisztorokból van felépítve. Ez a mátrix csatlakozik az LCD panelhez. Minden tranzisztor egy LCD pont meghajtását képes elvégezni. Míg a DSTN kijelzőnél a vezérlővezetékek közvetlenül a folyadékkristály molekulákat rendezik át, a TFT esetében a vezérlés csak a tranzisztorok kinyitását, illetve zárását végzi el. A tranzisztor így egy kapcsoló, ami közvetlenül a folyadékkristály-cellát vezérli. Természetesen ez utóbbi megoldás sokkal gyorsabb reagálású kijelzőt eredményez. A TFT kijelző tipikus válaszideje 25 ms alatt van, ami lehetővé teszi 40 kép megjelenítését másodpercenként. Mivel a szemünk a másodpercenkénti 25 képváltást már folyamatosnak érzékeli, ezért a TFT kijelző már alkalmas teljes képernyős videofilmek lejátszására is.
Színes technika
A fent leírtak az egyszínű, tehát monokróm kijelzőkre érvényesek. A kijelző felbontása meghatározza a tranzisztorok számát is, mivel minden ponthoz külön-külön tranzisztor tartozik. Amennyiben színes megjelenítésre is szükségünk van, akkor a pontok számát meg kell háromszorozni. Ha ezek a pontok megfelelően közel vannak, ezek egy pontnak fognak látszódni. A három pont az RGB színkeverési eljárásnak megfelelően piros, zöld és kék színű. A pont színét az additív színkeverésnek megfelelően a három pont együttesen határozza meg. Az ilyen kijelzőkben háromszor annyi tranzisztorra van szükség, mint amennyi a kijelző felbontása. A színek előállítását hidegkatód-csöves háttérvilágítás esetén színszűréssel, LED háttérvilágítás esetén piros, zöld és kék színű LED-ek alkalmazásával végzik.
A képi megjelenítés elve
Ennél a technológiánál a CRT-vel szemben nem soronkénti megjelenítés történik, hanem a képernyő minden pixele egyidejűleg világít. A videokártya másodpercenként többször küldi újra a monitorra az összes pixel állapotát. Az LCD-nél nem tapasztalható vibrálás, mivel a pixelek az állapotuk frissítései között az utolsó beállított állapotban maradnak, ellentétben a CRT-kel, ahol a képpont foszfor kialszik, ezért vibrálhat ott a kép. Míg a CRT monitornál a minél nagyobb frissítési frekvencia ajánlott a szem kímélése érdekében, addig az LCD monitoroknál bőven elegendő a 60 Hz, nem fogja a szemet fárasztani.
Technikai jellemzők
- Felbontás (pixeloszlop × pixelsor)
A felbontás a képernyőn megjelenített képpontok számát jelenti, minél több képpont fér el a monitoron, azaz minél nagyobb a felbontás, annál részletgazdagabb képet láthatunk. Az LCD képernyők egyik fontos ismérve, hogy kizárólag egyetlen felbontásra optimalizálják őket, képük csak az ajánlott felbontásban használva éles, kisebbre váltva elmosódottá válik. A felbontás 15”-os monitor esetén általában 1024x768 pixel, 17”-os modelleknél pedig 1280x1024 képpont (szélesvásznú modellek esetében 1440x900 pixel).
- Válaszidő (ms)
Ez mutatja meg, hogy hány ezredmásodperc szükséges a kristályok átszíneződéséhez, vagyis az egyik színből a másik színbe való váltásához. Ez a jellemző CRT monitoroknál nem létezik. A tipikus válaszidő a feketéből-fehérbe és a fehérből-feketébe váltás idejének az összege.
- Frissítési frekvencia (Hz)
Az a szám, ahányszor a videokártya másodpercenként újra és újra küldi a monitorra az összes pixel állapotát. Tehát például filmlejátszásnál a 60 Hz esetében ez 60 képkockát jelent másodpercenként. Ez viszont bőven elég, ugyanis az emberi szem már a 24 képkocka/másodpercet is folyamatos képnek érzékeli.
- Fényerő (cd/m2)
Az LCD monitoroknál a legnagyobb fényerőt adják meg a gyártók. Grafikai, vagy szerkesztési munkákhoz a 110 cd/m2 bőven elegendő. Ez egyébként megegyezik a CRT monitorok fényerejével. 300 cd/m2 feletti fényerőre állított monitorokat nagyon világos környezetben, vagy nagyobb távolságból ajánlott használni.
- Kontrasztarány (fehér:fekete)
A képernyőn megjelenített fehér és fekete szín fényerejének egymáshoz viszonyított aránya. Ma az LCD technológiában ma a maximális kontrasztarány 1500:1, ami azért még jócskán elmarad a CRT-től (4000-6000:1), és ezeket a paneleket még eléggé drágán mérik. A nagyobb kontrasztarány sokkal élénkebb színeket eredményez, ezért a nagyobb érték a jobb. A minimális kontrasztarány a 220:1, ez már alkalmas a True Color (16,7 millió szín) színek megjelenítésére.
- Láthatósági szög (fokvízszintes/fokfüggőleges)
Megadása például: 160°/140°, ami 160°-os vízszintes és 140°-os függőleges szöget jelent, vagyis 80° jobbra és balra, valamint 70° fentről és lentről a pixelre merőleges irányhoz képest. A láthatósági szögnek nem csak akkor van létjogosultsága, amikor nem szemből nézzük a monitort, hiszen ha szemből nézzük, akkor sem látjuk a monitor széleit merőlegesen. Ez főleg nagyobb szélesvásznú monitoroknál lehet jobban megfigyelni. A kis betekintési szögnek lehet az a hatása, hogy az egyszínű hátteret is foltosnak érzékeljük a képernyő szélein.
vissza a tartalomhoz: KÉPALKOTÁS ESZKÖZEI - avagy az orvosi képalkotás fizikája
