Diplomová práce se zabývá zobrazovacími prostředky počítačů – monitory,které jsou nezbytnou součástí každého počítače. Obrazovka monitoru jejedním ze základních prostředků pro komunikaci s počítačem, umožňujezobrazovat alfanumerické znaky, diagramy, grafy a obrázky barevně nebomonochromaticky. Slouží k zobrazení zpracovaných nebo právě zpracováva-ných dat. Je realizovaná většinou na principu elektronových paprsků, teku-tých krystalů, emitací elektronů, nebo jejich kombinací. Vlastnosti monitoruovlivňují kvalitní práci uživatele a jeho neustálý vývoj jde kupředu.Pro pochopení fungování monitorů je potřeba znát fyzikální principy
a konstrukce monitorů, což tato práce ve větší míře umožňuje.V první kapitole se diplomová práce zabývá vývojem a historií CRT mo-
nitorů. Další kapitoly jsou rozděleny podle typu monitoru na LCD, PDPa další technologie. V každé z těchto kapitol jsou probrány principy zobra-zování, technologie a vývoj monitorů.Největší část diplomové práce je věnována právě nejpoužívanějším LCD
monitorům, které jsou používány pro zobrazování dat v největší míře a takénejdéle.
7
2 Monitory CRT
2.1 Historie vývoje CRT jednotek
Monitory jsou nejrozšířenější zobrazovací jednotky osobních počítačů slouží-cí k zobrazování textových a grafických informací [?]. Svou konstrukcí velmipřipomínají televizní přijímač. U prvních počítačů se jako zobrazovací jedno-tka používal televizní přijímač. Pro jeho malou rozlišovací schopnost a ne-kvalitní obraz však bylo od něj upuštěno. Hlavním rozdílem mezi televizorema monitorem je skutečnost, že monitor zpracovává nemodulovaný signál,zatímco televizor modulovaný.Základní princip monitoru se od počátku století, kdy byl objeven příliš
nezměnil. Výrobci monitorů však v této oblasti dosáhli pokroku a vylepšilituto technologii tak, že ji lze využít pro výrobu větších a plošších obrazoveks vyšším rozlišením, jež lze vyrobit za příznivější cenu.Monitor je připojen kabelem do grafické karty, která se nachází uvnitř
počítače a která má na kvalitě obrazu důležitý podíl [?]. Grafická karta sestará o komunikaci počítače s monitorem, aby informace přicházející z počí-tače dorazily do monitoru co nejrychleji a v dobré kvalitě. Proto ani ten nej-lepší monitor, který je připojen na pomalou a nevýkonnou grafickou kartu,nedokáže využít všechny své schopnosti.Jev, kdy se určitá látka (luminofor) rozsvítí při dopadu elektronu, byl
objeven a popsán už v roce 1869. Princip obrazovky – katodovou paprskovoutrubici (CRT – Cathode Ray Tube) objevil roku 1897 dr Brown. První CRTobrazovka byla vyrobena v roce 1926, barevný model už v roce 1928. Roku1938 byla patentována první televizní obrazovka. Od této doby se kvalitamonitoru neustále zlepšovala a používaly se nové technologie.Monitory se vyrábějí v několika velikostech a provedeních. Velikostí mo-
nitoru určuje jeho úhlopříčka. Proto, když slyšíme, že monitor je patnácti-palcový, musíme si uvědomit, že úhlopříčka obrazovky má patnáct palců.Skutečná velikost obrazovky však bývá o něco menší. Dnešní monitory majívelikost 14”, 15”, 17”, 19”, 20”, 21”, lze narazit i na monitory větší.
2.2 Princip tvorby obrazu
Obrazovka je vzduchoprázdná skleněná baňka, jejíž přední část tvoří stí-nítko potažené luminiscenční látkou (luminoforem). Když sledujeme obrazna monitoru, díváme se vlastně na jeho stínítko, na kterém se zobrazují jed-notlivé pixely. Jedná se o kovovou děrovanou fólii, jejímž úkolem je přichytitluminofory na stínítku a rozdělit je do malých buněk.Každá buňka je tvořena trojicí různých druhů luminoforů, z nichž je-
den září červeně (R–Red), druhý zeleně (G–Green) a třetí modře (B–Blue).Luminofor je látka, která po předchozím dodání energie vyzařuje světlo(fyzikálně se tento jev nazývá luminiscence). Luminofory s krátkou doboudosvitu vyžadují častější obnovování, obraz tvořený luminofory s dlouhou
8
dobou dosvitu zase není možno tak rychle překreslovat. Přesnost této dobyje velice důležitá, pokud není obraz dostatečně často obnovován, kolísá jasa obraz bliká.Výsledná buňka je však natolik malá, že lidské oko není schopno zare-
gistrovat jednotlivé luminofory a proto body monitoru vidíme jako jednubarvu. Různými kombinacemi intenzit vyzařování jednotlivých složek RGBdostaneme zabarvení bodu. Energii, potřebnou k rozsvícení luminoforu, do-dává elektronový paprsek vystřelovaný z katodové trubice CRT. K zobrazenízabarveného bodu potřebujeme tři katodové trubice zobrazující jednotlivésložky RGB.V jednom okamžiku je obsloužena pouze jedna trojice luminoforů, proto
musí být svazek paprsků vychylován, aby rozzářil všechny body na obra-zovce. Jelikož luminofory pouze bliknou a zase velmi rychle pohasnou, musíse tato procedura opakovat neustále dokola. Kmitání svazku paprsků zajiš-ťují vychylovací cívky. Jednotlivé body se vykreslují zleva doprava a shoradolů. Obrazovka musí být rozměrná do hloubky, protože proud elektronůnelze vychylovat do velkých úhlů. Paprsek vycházející z trubice putuje k mas-ce pod úhlem 90◦. Na okrajích obrazovky je však tento úhel posunut, takžetvar jednotlivého bodu není tak přesně kulatý, ale spíše oválný. Často seosvítí více něž jeden bod a tím se naruší ostrost obrazu.Jakmile pronikne paprsek skrz masku, naráží na fosfor, který se roz-
svítí a vydává barvu. Tato fosforová vrstva se na přední stranu monitoruvykrajuje pomocí laseru. Vrstva fotorezistního materiálu je pomocí laseruvykrajována na místech, kam je třeba dostat fosfor. Ten se pak položí natuto vrstvu a smyje se. Kde vrstva fotorezistního materiálu zůstane, se fosforneudrží. Tento proces se opakuje třikrát, jelikož každá barevná obrazovka seskládá ze tří základních barev, které vzájemnou kombinací umožňují vznikmiliónů barev. Pokud se na obrazovku monitoru podíváme z dostatečné blíz-kosti, uvidíme drobné body tří barev uspořádané do pravidelné struktury.U monitorů s klasickým stínítkem jsou tyto body uspořádány ve tvaru trojú-helníku známého jako triáda, zatímco u monitorů s mřížkou jsou tyto bodyumístěny do delších proužků odpovídajícím mezerám mezi dráty. Štěrbi-nová maska zarovnává červené, zelené a modré pruhy horizontálně, další jepak umístěna o kousek dál. Tato fosforová triáda vytváří dohromady pixel.Jakmile se pixel osvítí, je každá fosforová částečka zasažena jedním ze tříděl.Abychom okem postřehli pouze celistvý obraz, musí být vzdálenost mezi
jednotlivými částicemi bodu (bodová rozteč) kratší než 0,28 mm. Čím jetato vzdálenost menší, tím je lepší obraz. Z tohoto důvodu výrobci uvádějíjako jeden z nejdůležitějších parametrů monitoru jeho bodovou rozteč. Bo-dová rozteč se měří různými způsoby, což může vést k řadě nedorozumění.Všeobecně platným způsobem v případě klasického stínítka je změření vzdá-lenosti mezi dvěma body stejné barvy při úhlu 60◦. Je důležité si uvědomit,že bodová rozteč a rozteč masky jsou dva různé rozměry. Jelikož je maska
9
umístěná až za světlými body, je vzdálenost mezi otvory menší než vzdále-nost fosforeskujících bodů na vnější straně obrazovky.
2.3 Princip CRT displeje
Abychom pochopili princip a funkci monitoru, musíme si vysvětlit jakýmzpůsobem obraz vzniká, viz obrázek 1. Tvorba obrazu začíná v grafické kartěpočítače [?]. Digitální signály z operačního systému nebo aplikačního soft-ware jsou přijímány adaptérem VGA. Tento signál je digitální a je třeba honejprve převést na signál analogový prostřednictvím digitálně–analogovéhopřevodníku (DAC – Digital to Analog Converter), kterému monitor dokážeporozumět. Obvody DAC jsou většinou uloženy na jednom specializovanémčipu, který ve skutečnosti obsahuje převodníky tři – pro každou ze tří zá-kladních barev používaných na displeji (RGB).Obvody DAC převádějí číselné hodnoty zasílané počítačem na analogové
tabulky, které obsahují potřebné úrovně napětí pro tři základní barvy. Tytobarvy jsou nutné k namíchaní barvy jednoho bodu. Jednotlivé elektronovésvazky jsou emitovány z nepřímo žhavené katody, která má na svém povrchunanesenu emisní vrstvu.Celý proces začíná u elektronového děla, které je koncem každé kato-
dové trubice. To po zahřátí vystřeluje vysokou rychlostí proudy elektronů
Ostření
Wheneltův válec
Katoda
Vychylovací cívky
Konvergence
g2 g3 g4 g5 g6
a
b
c
d
Elektronový paprsek
a - Luminofor
b - Maska
c - Elektronové svazky
d - Stínítko
Obrázek 1: CRT displej
pro jednu ze tří základních barev, jejichž základní fyzikální vlastností jezáporný náboj. Právě tato vlastnost je využívána ke správnému nasměro-vání částic. Elektrony cestou k obrazovce projdou filtrem, který má podobu
10
mřížky. Filtr propustí pouze požadované množství elektronů a tak řídí je-jich intenzitu. Elektronové svazky pak procházejí tzv. Wheneltovým válcem,který má vzhledem ke katodě záporný potenciál.Anoda s vysokým napětím je umístěna na horním okraji trubice. Kladněnabitá anoda neustále vytahuje elektrony z elektronového děla. Tyto elek-trony se ale díky magnetickému poli vychylovacích cívek, které je odklánísměrem k fosforům na přední straně trubice, k ní nikdy nedostanou.To způsobuje, že elektrony jsou jím odpuzovány a projde jich přes něj jen
požadované kvantum. Řízením napětí na Wheneltově válci se tedy řídí inten-zita jednotlivých elektronových svazků. Po průchodu Wheneltovým válcemprocházejí elektronové svazky přes jednotlivé mřížky (g2 – g6), které majínaopak vzhledem ke katodě kladný potenciál, díky kterému jsou elektronypřitahovány. Tento kladný potenciál je na mřížce g2 nejnižší, na g3 vyšší a ažna g6 nejvyšší. Toto má za úkol elektronové svazky táhnout až na stínítkoobrazovky. Speciální funkci zde má mřížka g3 (ostření), která má za úkolzaostřovat elektronové svazky a mřížka g6 (konvergence), od které se elek-tronové svazky postupně sbíhají. K jejich setkání dojde u masky obrazovky,kde se překříží a dopadnou na své luminofory.Elektronové svazky pak procházejí kolem vychylovacích cívek. Toto vy-
chylovací zařízení ohýbá paprsek ve vertikálním a horizontálním směru a tímjej směřuje k určenému bodu na obrazovce. Paprsek elektronů začne v le-vém horním rohu obrazovky, postupně dojde na pravý horní roh, vypne sena dobu po kterou elektronové dělo mění zacílení elektronových paprsků,sníží se o jeden řádek a opět pokračuje zleva doprava (viz obrázek 2). Tento
Počet sloupců
Počet řádků
Obrázek 2: Schéma běhu elektronového paprsku
proces se označuje termínem rastrování nebo řádkování (viz obrázek 3).Jakmile paprsek projde celou obrazovku, magnetické vychylovací cívky ply-nule změní úhel, pod kterým se elektronový paprsek ohýbá tak, že postupněputuje z pravého dolního rohu do levého horního rohu a začne další obnovo-vací cyklus. Celou cestu paprsku přes obrazovku označujeme termínem pole.
11
Obrazovka se normálně obnovuje refresh asi 60 krát za sekundu. Signály za-sílané do vychylovací cívky určují rozlišení monitoru, počet barevných bodůsvisle a vodorovně a obnovovací frekvenci.
Obrázek 3: Princip řádkování
Některé adaptéry displejů pracují v každém poli v režimu prokládanéhořádkování interlacing (viz obrázek 4). Prokládané řádkování umožňuje adap-téru dosáhnout větší hustotu řádků s nepříliš nákladnými součástkami. Po-hasínání fosforu mezi každým průchodem může být více patrné a může způ-sobit blikání obrazovky. Všechny moderní grafické adaptéry pracují i v nej-vyšším rozlišení v neprokládaném režimu (non interlaced mode).V prokládaném režimu se v prvním snímku nejprve vykreslí všechny sudélinky obrazu a v druhém snímku linky liché. Tím je dosaženo dvojnásobnéfrekvence snímkového rozkladu za nízké frekvence řádkového rozkladu. Ne-výhodou těchto monitorů však je, že při některých změnách barev zobrazo-vané informace obraz začne blikat se skutečnou frekvencí snímkového roz-kladu (tedy s poloviční frekvencí). Je lepší, pokud je monitor schopen zobra-zit informaci v režimu neprokládaném (non–interlaced). Řídící obvody musíbýt ale rychlejší a dražší.
Obrázek 4: Princip prokládaného řádkování
Jelikož záporné elektrony mají tendenci se navzájem odpuzovat, což
12
může vést k rozostření vysílaného svazku, je těsně před stínítkem umístěnamaska, která tento nedostatek odstraní.Jedná se o kovový plát, v němž jsou prostřednictvím kyseliny vypálenydrobné dírky, kterými paprsek prochází. Stínítko se během této operace za-hřívá a následně roztahuje, takže paprsky se hůře umisťují do správnéhootvoru. Z tohoto důvodu musí být maska vyrobena z materiálu, který conejméně podléhá tepelné roztažnosti a působení magnetického pole. Tytodva jevy by totiž způsobily, že elektronové svazky nedopadnou přesně nasvůj luminofor, což by se projevilo zkreslením barev.Aby se docílilo větší přesnosti svazku a lepšího zaostření paprsků, je
maska mírně zakulacená, což také umožňuje předvídat a korigovat pohybpři roztahování. Maska následně propustí pouze tu část svazku, která jezaostřená přesně. Toto zakulacení masky je důvodem zakulacení skla pře-krývající tuto masku.Tímto způsobem dochází k rozsvícení jednoho bodu obrazovky. Kombi-
nací intenzity jednotlivých barevných složek bodu je pak dosaženo zobrazeníurčené barvy. Takto znova a znova následuje rastr (označení pro dráhu, kte-rou tento proud elektronů opisuje na obrazovce). Rastr je shodný s rozlišenímobrazovky a hustotou obrazu. Jeho změnou např. z rozlišení 1024 x 768 na1280 x 1024 bodů dochází i ke změně ostření a vychylování paprsku.
2.4 Technologie
Podle umístění a tvaru otvorů masky a tím i odpovídajícímu nanesení lumi-noforů je možné rozlišit tři základní typy barevných obrazovek.
• Invar – jednotlivé otvory v masce jsou kruhové a jsou uspořádány dotrojúhelníků (velké písmeno delta). Stejným způsobem jsou uspořá-dány i luminofory na stínítku (viz obrázek 5). Nevýhodou tohoto typumasky (obrazovky) je velká plocha, která je tvořena kovem maskyzpůsobující větší náchylnost k tepelné roztažnosti. Invarová maska jevlastně část kulové výseče. První invarové masky byly dosti vypouklé,ovšem postupně se klenutí dařilo zmenšovat. Přesto je i u nejmoder-nějších invarových masek toto klenutí nepřehlédnutelné. Díky tomutoposkytovaly obrazovky typu Delta poměrně nekvalitní obraz a dnes sejiž nepoužívají.
• Trinitron – alternativní řešení technologie Invar firmy Sony. Kovovýplát masky je zaměněn za konstrukci pevně natažených drátků umís-těných v horizontálním směru obrazovky (viz obrázek 6). Tímto způ-sobem k fosforu proniká více elektronů, takže jednotlivé body září sil-něji. K přesnému upevnění drátků je třeba použít další dva vertikálnídrátky ve třetině obrazovky, které udržují mřížku na místě. Výška ob-razovky je menší než její šířka, a proto zde není třeba tolik působit
13
R
R
R
R
R
R
RR
R
R
R G
G
G
G
G
G
GG
G
G
B
B
B
B
B
B
B
B
B
BB
B
B
B
Obrázek 5: Maska Invarové obrazovky
magnetickým polem na vychýlení paprsků. Proto nedochází k příliš-nému zkreslení paprsku ve vertikálním směru a horizontální zkresleníupravují drátky. Z toho důvodu není nutné zakřivovat obrazovku navýšku. Obrazovka působí válcovým dojmem s výsečí válce o poloměru2 m.
RRRRR GGGGG BBBBB
Obrázek 6: Maska Trinitronové obrazovky
Stejně jako předcházející technologie má své výhody i nevýhody.
– Výhodou Trinitronových obrazovek je ostrost a kontrastnost v ro-zích, kde delta vykazuje výrazné zhoršení ostrosti.
– Nevýhodou je náchylnost k interferencím elektromagnetickéhopole. Z tohoto důvodu se nedoporučuje umísťovat na strany mo-nitoru reproduktory nebo jiný zdroj elektromagnetického pole.Obraz může být nestálý, nebo může dojít k trvalému vychýlenídrátků.
• CromaClear – další alternativa firmy NEC. Jedná se o spojení vý-hod technologií Trinitron a Invar. Principem je spoutání paprsku na
14
výšku jako u Trinitronu a přidání pevné masky odolávající magnetic-kým polím. Má podobu kovového plátu (viz obrázek 7), ve kterém jsouumístěny oválné mezery. Ty propouštějí více světla než kulaté otvory,je však stále potřeba prohnutého stínítka. Maska s podélnými otvoryje náročná na výrobu a tedy i dražší. Kvalita obrazu není srovnatelnás Trinitronem, ale překonává kvalitu technologie Invar.
RRRRR GGGGG BBBBB
Obrázek 7: Maska CromaClear obrazovky
• FD Trinitron – (Flat Display Trinitron), jedná se o poslední techno-logii ve vývoji obrazovek. Na rozdíl od původní Trinitronové techno-logie nabízí poloměr obrazovky 50m. Aby bylo možné docílit ostrostii v rozích, bylo nutné upravit vychylovací tubus obrazovky. Paprsekprochází soustavou vychylovacích prvků, které dolaďují jeho směr, tvara sílu.
2.5 Parametry CRT monitorů
2.5.1 Velikost monitoru – úhlopříčka
Velikost monitoru se udává jako velikost úhlopříčky stínítka. Je počítánav palcích (”) – 2,54 cm. Dnes je nejpoužívanější velikost monitorů 14”- 21”.
2.5.2 Rozlišení
Rozlišení nás informuje o hustotě obrazu. Je udáváno jako počet bodů neboobrazových elementů (picture element – pixel) v jednom řádku vynásobenýpočtem řádků. Obrazovka 1024 x 768 má 1024 bodů (pixelů) v řádku a 768řádků. Větší rozlišení umožňuje zobrazit na obrazovce více informací, aleklade větší nároky na grafickou kartu a navíc se každý zobrazovaný objektbude jevit menší. Každý monitor má své maximální rozlišení, které je scho-pen zobrazit.
15
V závislosti na typu monitoru je nabízeno několik rozlišení monitorů,mezi kterými lze přepínat. Při rozlišení 640 x 480 bodů se mnoho informacína monitoru nezobrazí. Více informací zobrazíme až při rozlišení 800 x 600bodů. Tato hodnota rozlišení nám už umožňuje používat grafická uživatelskározhraní (např. MS-Windows). Výhodné je ale použití grafických rozhraníještě při větších rozlišovacích schopnostech – 1024 x 768 bodů, 1280 x 1024bodů, 1600 x 1200 bodů, nebo nejlépe 1840 x 1440 bodů.
2.5.3 Horizontální frekvence
Horizontální snímková frekvence, nazývaná také frekvence řádkového roz-kladu, udává maximální zobrazitelný počet řádků (linek) za sekundu s ja-kou elektronový paprsek opíše řádek zleva doprava. Hodnoty této frekvencebývají obvykle v intervalu od 30 do 120kHz. Při běžném rozlišení 1024x768musí monitor vykreslit 768 řádek. Za jednu sekundu se však obraz při ob-novovací frekvenci 85 Hz obnoví 85krát. Tj.: 85 ∗ 768 = 65280 Hz – tedy65,28kHz. Horizontální frekvence monitoru, zobrazujícího rozlišení 1024x768při obnovovací frekvenci 85 Hz, musí být nejméně 65,28 kHz. Pokud je vý-robcem udávaná hodnota nižší, musí se tvořit obraz prokládaně (tzv. ”in-terlaced”).
2.5.4 Vertikální frekvence
Vertikální frekvence je definována jako počet obnovení či překreslení obrazuza sekundu v hertzích (Hz). Vertikální frekvence může být odhadnuta vy-dělením horizontální frekvence počtem řádků v použitém rozlišení. Rozdílmezi takto vypočítanou a skutečnou hodnotou je dán dobou, kterou po-třebují elektronové paprsky pro návrat do počáteční pozice po nakresleníkaždého řádku. Používání vyšší frekvence snižuje namáhání očí omezovánímblikání a minimalizováním kolísání jasu obrazu. V současnosti je uváděno85 Hz jako doporučovaná obnovovací frekvence. Vysoká frekvence je zvláštědůležitá při práci s bílým pozadím.
2.5.5 Šířka pásma
Jedná se o celkový počet bodů, kolik bodů je schopen monitor zobrazit zajednu sekundu. Pro zobrazení např. 800x600 bodů při 72Hz frekvenci sním-kového rozkladu je potřebná teoretická šířka pásma 800 ∗ 600 ∗ 72 Hz =34560000 Hz = 34,56 MHz. Ve skutečnosti je potřebná šířka pásma ještěvětší. Šířka pásma je charakterizována rychlostí elektroniky, která je nutnák dostatečně rychlému přepínání jasu jednotlivých bodů a tím nutná prozajištění kvalitního zobrazení. To souvisí s jevem, kdy při zvyšování počtuzobrazených bodů klesá kontrast a jas zobrazených bodů. Čím je tato hod-nota vyšší, tím je elektronika monitoru kvalitnější a obraz věrohodnější.
16
2.5.6 Bodová rozteč
Vzdálenost bodů úzce souvisí s rozlišením monitoru. Tato vzdálenost námudává velikost zobrazovaného bodu na obrazovce monitoru. U nejhoršíchmonitorů je velikost bodu kolem 0,52mm, u kvalitních špičkových monitorůkolem 0,21mm a méně. Elektronika monitoru tedy může bez problémů zob-razit např. 1024 bodů na řádek ale obrazovka je již zobrazit nemusí. Je tedynesmyslné udávat rozlišení 1024x768 bodů pro 14” monitor s velikostí bodu0,31mm (viz tabulka 1). Délka řádku u 14” monitoru je přibližně 25cm. Po-kud bychom chtěli na tuto vzdálenost dát 1024 bodů, musel by jejich rozměrbýt maximálně 0,24mm. Na obrázku 8 je znázorněno měření bodové roztečeInvarových a štěrbinových obrazovek (CromaClear).Aby oko postřehlo pouze celistvý obraz, musí být bodová rozteč kratší
než 0,28milimetru. Čím je bodová rozteč menší, tím je obraz ostřejší a lépepozorovatelný. Jeden ze způsobů měření této vzdálenosti je měření mezidvěma body stejné barvy při úhlu 60◦. Je nutné si také uvědomit, že exis-tují rozdíly mezi bodovou roztečí a roztečí masky. Jelikož je maska umístěnáaž za světlými body, je vzdálenost mezi otvory menší než vzdálenost fosfo-reskujících bodů na vnější straně obrazovky.
0,24
0,12 0,025
0,26
Obrázek 8: Bodová rozteč Invarových a štěrbinových obrazovek v mm
Bodová rozteč určuje velikost rozlišení. Pokud je po šířce obrazovkyumístěno méně než 1600 barevných triád, nebude monitor schopen pracovatv rozlišení 1600x1200 bodů. K vytvoření jednoho pixelu však lze použít vícetriád, takže rozlišení lze v případě CRT monitoru snižovat a zvyšovat. Tatozměna nemá význam na kvalitu obrazu.
2.5.7 MTF – Modulation Transfer Function
Vzácně bývá u monitorů udána i MTF (Modulation Transfer Function). Tatofunkce je závislostí kontrastu na počtu zobrazených bodů. Čím je hodnota
Tabulka 1: Maximální velikost bodů pro různé obrazovky
této funkce větší, tím je obraz kontrastnější a kvalitnější.Při volbě rozlišení a kontrastu je nutné uvážit i nedokonalosti lidského oka.Při malých velikostech bodu (velkých rozlišeních) může být text vysoký2,5 mm sice ostrý, ale pro oko skoro nečitelný.
2.5.8 Obnovovací frekvence
Naše oči jsou závislé na tom, jak rychle dokáže monitor vykreslit obraz. Připomalém vykreslování obraz bliká. Proto je nutné používat monitor s vyho-vující vertikální i horizontální obnovovací frekvencí. Lidské oko je schopnépostřehnout mihotání a blikání obrazu do frekvence 40Hz, podvědomě všaktoto mihotání vnímá až do frekvence 80 Hz. Body na stínítku totiž velicerychle hasnou, a tak je při menších frekvencích (40–75 Hz) oko více namá-háno neustálým přizpůsobováním světlu z rozsvícených bodů.Čím vyšší je obnovovací frekvence, tím méně je nuceno oko reagovat, pro-
tože se intervaly mezi dobou rozsvícení a pohasnutí zmenšují úměrně tétofrekvenci. Při zvýšení frekvence snímkového rozkladu dojde nejen ke sníženíblikání obrazu, ale i ke zvýšení nároků na rychlost veškeré elektroniky. Rych-lejší musí být tedy nejen obvody monitoru, ale i obvody grafického adaptéru– grafické karty. Monitor a grafická karta musí být tedy frekvenčně sladěny.Pokud nebudou sladěny (např. 100Hz monitor a 60Hz grafická karta), můžese stát, že obraz bude nestálý nebo že monitor vůbec nebude schopen zob-razit obraz přicházející z grafického adaptéru.
2.5.9 Barva
Barvy jsou výsledkem vnímání lidských smyslů. Lidé ve skutečnosti vnímajípouze světlo. Světlo různých vlnových délek interpretujeme jako barvu. Bílédenní světlo vnímáme jako směs různých vlnových délek, jestliže nějaká vl-nová délka chybí, pak takové světlo interpretujeme jako barvu.Elektronový paprsek je schopen řídit intenzitu vyzařovaného světla, ale
není schopen řídit barvu. Má–li být obraz barevný, je třeba zobrazit tři
18
základní barvy, ze kterých se pomocí různého jasu každé barvy skládá celébarevné spektrum. Proto jsou v barevné obrazovce tři elektronová děla a stí-nítko je složeno z trojic barevných luminoforů (RGB). Z těchto tří složekluminoforů lze vytvořit miliony barev a to za předpokladu, že jednotlivébarevné složky lze zobrazit s různou světelnou intenzitou. Aby monitor do-kázal vytvořit miliony barev, musí umět z každé ze tří barevných složekvytvořit 256 odstínů. Kvalita zobrazených barev jednoznačně určuje kva-litu celého monitoru. Elektronové paprsky z jednotlivých elektronových dělosvítí trojici luminiscenčních bodů, které leží velmi blízko sebe. Protože odurčité vzdálenosti vnímá lidské oko tuto trojici bodů jako jeden, je výslednábarva součtem velikosti jednotlivých barevných světel (aditivní skládání ba-rev). Aby bylo zajištěno, že každý paprsek z příslušného elektronového dělazasáhne správnou barvu luminoforu, je v malé vzdálenosti od stínítka vlo-žena stínící maska s přesnými otvory, která zabrání zasažení luminoforů jinébarvy.Existují dva základní způsoby míchání barev na PC.
• aditivní míchání barev – založeno na principu ”sčítání” barev různězbarveného světla (monitory). Čím je světlo intenzivnější, tím světlejšíbudou míchané barvy. Bílá vzniká při plné intenzitě všech barev.
• subtraktivní míchání barev – vzniká při nanášení barev (malba, tisk),přičemž barevné pigmenty absorbují určité části dopadajícího světlaa odrážejí pouze zbytkové světlo vedoucí k požadovanému barevnémuvjemu pozorovatele.
2.5.10 Záření monitorů
Monitory jsou na rozdíl od televizorů přizpůsobeny ke sledování zblízka,kvalitou obrazovky a obnovovací frekvencí nepůsobí tak velikou únavu očía hlavy jako obyčejná obrazovka. Monitor vydává záření, které může být uži-vateli škodlivé. Z tohoto důvodu vznikla celá řada standardů a norem, kteréomezují záření obrazovky a škodlivé vlivy monitoru. Nejznámější z nich jepravděpodobně Energy Star – EPA. Monitory bývají označeny také znač-kou MPR II, TCO–92/95, nebo TCO–99. Tyto normy zajišťují, že uživatelinehrozí ze strany monitoru bezprostřední nebezpečí újmy na zdraví.Kombinace ústředního vytápění/klimatizace, přítomnosti většího počtu
elektrických a elektronických přístrojů může vést k značnému poklesu vlh-kosti vzduchu, což dále zvyšuje negativní působení na pokožku. Švédská stu-die z roku 1992 ukázala, že pracovníci trávící před obrazovkou čtyři a vícehodin denně byli dvakrát náchylnější na vznik kožních problémů než ti, kteříu obrazovky pracovali méně než hodinu denně.Dalším průvodním negativním jevem je působení kladných iontů, které
se kolem obrazovky uvolňují. U organismu vystaveného jejich vlivu se může
19
zvýšit produkce neurohormonu serotoninu, spojovaný s únavou a depresív-ními stavy. Statický elektrický náboj způsobuje dráždivé působení pracho-vých částic na pokožku, působí kožní vyrážky, svědění, loupání pokožky a po-city podobné slabému úžehu (elektrostatické pole na tváři pracovníka předobrazovkou může dosahovat hodnot až 100 V/cm2; působení stresu můžetyto projevy dále zesilovat). Výrobci přecházejí na výrobu nízko vyzařují-cích monitorů s dobrým stíněním některým druhům vyzařování a instalaciobrazovkových filtrů přímo do monitoru. Zpravidla se používají předevšímz obavy před působením elektromagnetického záření z obrazovky, mají pozi-tivní vliv na omezení dosahu kladných iontů a působení statického elektric-kého náboje v okolí obrazovky. Jejich používání je doporučováno, zejménapřesáhne-li množství práce s obrazovkou několik hodin denně.
• MPR–90 – první normou, která se dotýkala oblasti vyzařování elektric-kého a magnetického pole pro monitory, byla německá norma MPR–87.Dnešní norma je z roku 1990 a zavazuje výrobce k dodržení maximál-ních emisí měřených ve vzdálenosti 50 cm od plochy obrazovky,
• TCO–92 – se svojí předchůdkyní, normou TCO–91, představuje přísnéšvédské požadavky na redukované emise elektrických a magnetickýchpolí, zároveň s automatickým vypínáním monitoru. Monitory odpoví-dající této normě mohou být označeny nálepkou Green.
• TCO–95 – tato norma přidává k požadavkům normy TCO–92 poža-davky ekologické při výrobním procesu, adaptaci produktů a následnourecyklaci,
• TCO–99 – tato norma nepřináší sice nic nového v oblasti emisí, alenovinky jsou v oblasti testovacích procedur a vizuálních ergonomic-kých požadavků. To by se mělo projevit ve zlepšení jednotnosti jasua kontrastu. Nejmenší doporučený obnovovací kmitočet pro monitorys úhlopříčkou větší jak 20” je stanoven na 85 Hz a zlepšení by se měloprojevit i na dalších parametrech,
• TÜV – výrobkům odpovídajícím ergonomickým požadavkům německézkušebny TÜV Rheinland je udělována visačka TÜV – Ergonomickyzkoušeno. Kromě vyzařování elektrických a magnetických polí si všímái kvality obrazu.
Doporučení pro omezení nepříznivého působení elektrických a elektro-nických přístrojů:
• koupě pouze zobrazovací jednotky s nízkou úrovní vyzařování vyhovu-jící doporučením pro úroveň emitovaného elektromagnetického pole,
• omezení doby strávené u monitoru,
20
• uspořádání pracoviště k minimalizaci vystavení pracovníků do blízkostiobrazovek,
• osazení všech používaných obrazovek filtry omezující elektromagne-tické pole a nízkofrekvenční (vysokofrekvenční) záření,
• odstranění všech nepotřebných elektrických zařízení (psací stroje, rá-dia) z pracovního prostoru počítače,
• umístění tiskáren a kopírek mimo obecně používané pracovní prostory,
• změna osvětlení pracoviště ze zářivek na žárovky,
• vypínání všech nepoužívaných zařízení,
• přechod z klasických CRT obrazovek na LCD obrazovky,
• správné uzemnění veškeré techniky.
Stále však platí, že čím kratší dobu strávíme před monitorem, tím menšíúnavě, bolesti očí nebo hlavy se vystavujeme.
2.5.11 Vliv setrvačnosti
Monitor je při zobrazení pro většinu lidí zdánlivě klidný a nebliká díky dvěmadůležitým faktorům
• Setrvačnost luminoforu – luminofory na stínítku monitoru vydávajísvětelné záření ještě krátkou chvíli po zasažení elektronovým paprskem.V ideálním případě by měly svítit přesně tak dlouho, dokud je paprseknezasáhne znovu. Prakticky se ale intenzita záření luminoforu snižujes časem postupně, takže někdy vidíme na tmavém pozadí slabý obrazpůvodně světlého objektu i po jeho odstranění,
• Setrvačnost receptoru lidského oka – buňky oční sítnice, citlivé nasvětlo, mají při vnímání také určitou setrvačnost. Podobně jako nastínítku obrazovky září ještě nějakou dobu po zasažení elektronovýmpaprskem, vysílají i receptory (světlocitlivé buňky) v oku elektrickésignály do mozku ještě po odebrání příslušného zdroje světla. Sítnicelidského oka obsahuje dva typy buněk, citlivých na světlo. Prvnímz nich jsou tyčinky zajišťující pouze černobílé světelné vjemy a čípkyzajišťující barevné vidění. Tyčinky se ve větším počtu nacházejí v ob-lastech periferního vidění; obecně jsou citlivější a při vnímání majímenší setrvačnost.
21
2.5.12 OSD–On Screen Display
Česky řečeno menu na obrazovce. Funkce monitoru se ovládají pomocí menu,které se vyvolá stisknutím příslušného tlačítka na monitoru. Menu obsahujezákladní funkce jako vertikální a horizontální velikost, pozici obrazu, jas,kontrast. Dále může obsahovat pokročilé funkce jako soudkovitost, poduš-kovité zkreslení, rotace obrazu, nastavení teploty barev, uživatelské módyatd. .
2.6 Chyby CRT monitorů
• Geometrie obrazu – geometrické parametry obrazu jsou ovlivněnypoužitým rozlišením. V ideálním případě by měl monitor umět zobrazitvšechna rozlišení, na která je konstruován bez deformací. Obraz senejčastěji deformuje na okrajích nebo rozích obrazovky,
– soudkovitost – obraz je po stranách zúžený nebo rozšířený
– lichoběžníkovitost – na spodním nebo horním okraji monitoru seobraz zužuje nebo rozšiřuje
– rovnoběžnost – obraz se souběžně rozšiřuje nebo zužuje
• Ostrost a čitelnost – špatně zaostřená obrazovka způsobuje rozptylpaprsku. Pro odstranění chyby ostření se mění rozměry obrazu nebose snižuje kontrast, čímž se redukuje tloušťka paprsku,
• Jas a kontrast – jas určuje úroveň černé barvy na monitoru. Jestližeje nastaven příliš velký jas, monitor nemůže zobrazit skutečně černoubarvu. Je-li naopak jas nízký, šedé barvy se budou ztrácet a některétmavé odstíny budou zobrazeny jako černé. Kontrast určuje úroveňbílé barvy. Optimální úroveň bílé závisí na okolním osvětlení,
• Konvergence – bílá čára je na obrazovce zobrazena složením všechtří barevných čar (červená, zelená, modrá). Při chybě konvergence sezobrazí všechny tři barevné čáry místo jedné bílé. Chyba konvergencekolísá pro různé oblasti obrazovky a je rozdílná pro každou z barevRGB. Nejlepší konvergence bývá uprostřed obrazovky, nejhorší pakv rozích. Při této chybě je zhoršena ostrost obrazu,
• Moiré – tento jev způsobuje stínící maska a rozlišení, které používáme.Nejlépe je moiré pozorovatelné na tmavě šedém pozadí. Pro odstraněnírušivých vzorů musíme upravit ostrost,
• Pumpování obrazu – tímto termínem se nazývá efekt rozpínánía smršťování obrazu se změnou jasu. Na většině monitorů se tato vadaprojevuje zvětšením obrazu při světlé obrazovce a zmenšením při tma-vém obrazu. Pumpování může působit na celou obrazovku nebo jen
22
na její části. Největší deformace lze pozorovat na svislých okrajíchobrazovky. Příčinou tohoto jevu je malá stabilita vysokého napětí mo-nitoru.
• Magnetizace – v prostředí s velkým magnetickým polem se maskamonitoru magnetizuje a dochází zpravidla k barevným deformacím ob-razu. Aby se tento jev odstranil, používá se demagnetizace. Je to velmidůležitá funkce monitoru. Ten automaticky při zapnutí odmagnetizujeproudovým nárazem stínítko obrazovky. Při práci je vhodné maskumonitoru občas manuálně demagnetizovat, předchází se tak nevrat-nému zmagnetizování.
2.7 Způsoby připojení monitoru
2.7.1 VGA rozhraní
Monitor je připojen patnácti-pinovým kabelem do grafické karty a napájenímá buď vlastní (další kabel do zásuvky) nebo pomocí napájecího kabeluz počítače. Jedinou nevýhodou jsou dva silné kabely vedoucí z monitoru.
2.7.2 RGB rozhraní
Připojení RGB používá tři kabely, kde každá barva má ”svůj” kabel. Výho-dou jsou jasné a reálné barvy. Nevýhodou je poměrně vysoká cena takovýchmonitorů. RGB připojení se používá především v grafických studiích nebopři potřebě zobrazení reálných barev.
2.7.3 DVI rozhraní
V roce 1999 se na trhu začaly objevovat klasické monitory obsahující roz-hraní DVI, převzaté z konstrukce plochých LCD panelů. Výhodou tohotorozhraní je zvýšení kvality obrazu, lepší příjem signálu a přesné automatickénastavení. K využití monitoru s tímto rozhraním je ale nutné mít nainstalo-vané do počítače grafickou kartu s příslušným výstupem. DVI totiž používáspeciální konektor s 20 vývody, zatímco monitory s analogovým rozhranímmají konektory typu DB-15 s 15 vývody.
23
3 Monitory LCD
3.1 Historie vývoje LCD jednotek
V roce 1877 použil Otto Lehmann polarizační mikroskop s kontrolou teplotyvzorku k prozkoumání přechodů mezi fázemi různých látek [?]. Zjistil, žejedna z látek při přechodu z tekuté do pevné fáze vytvoří jakousi mezifázia že optické vlastnosti látky jsou závislé na směru a polarizaci dopadajícíhosvětla.Princip tekutých krystalů, jeho biologicky-chemicko-fyzikální podstatu,
objevil v roce 1888 rakouský botanik Friedrich Reinitzer. Všiml si, že běhemtání látky podobné cholesterolu zvané cholesterylbenzoát, který má podobuzakalené tekutiny, se látka při vzrůstající teplotě pročišťuje. Látka roztavenána 145,5 ◦C tvoří mezifázi a kapalná je teprve až při teplotě 178,5 ◦C. Tatofáze byla nazvána fáze tekutých krystalů (LCP – Liquid Crystal Phase). Přichlazení pak tekutina nabývá modré barvy a nakonec zkrystalizuje.Po roce 1888 začala éra výzkumu a vývoje tekutých krystalů. Vzniklo
velké množství významných teoretických prací. V roce 1922 v Paříži provedlGeorges Freidel mnoho experimentů. Experimentálně objevil, že molekulytekutých krystalů se orientují ve směru elektrického pole. Navrhl klasifikačníschéma pro dělení tekutých krystalů na nematické (”néma” je řecky vlákno),smektické a cholesterické.Trvalo však ještě téměř dalších 40 let, než v roce 1963 výzkumník Richard Williams
objevil, že světlo, procházející tenkou vrstvou tekutých krystalů, je ohýbánopodle krystalické struktury. Pomocí těchto poznatků se mu v roce 1968 po-dařilo se svým kolegou Georgem Heilmaierem vyrobit první experimentálnídisplej z tekutých krystalů, a proto se objevilo označení tekuté krystaly (LC– Liquid Crystal). Jelikož princip lomu světla v tekutinách je v podobnéformě základem takřka všech počítačových displejů, prosadilo se označeníLCD (Liuid Crystal Displays).Nástup LCD displejů nebyl rozhodně nějak radikální. Přestože například
Sharp uvedl svou první kalkulačku s displejem z tekutých krystalů už v roce1973 a následoval ji roku 1975 průhlednými stolními LCD hodinami, ještědo roku 1977 úspěšně vítězily displeje založené na segmentech diod LED.Masivní zájem o technologii LCD však přišel až v polovině 80 let v sou-
vislosti se zvyšujícím se obratem spotřební elektroniky. Na přelomu 80. a 90.let byl pak potvrzen nástupem notebooků, plochých monitorů a projektorů.LCD displeje lze rozdělit na několik technologií (viz obrázek 9).
3.2 Princip tvorby obrazu
LCD panel se skládá z buněk, které jsou tvořeny elektroluminiscenční vý-bojkou a dvěma polarizátory [?]. Mezi dvěmi orientačními filtry se nachází
24
Ploché displeje
Podsvícené
LCD
Alternativní
Pasivní LCD Aktivní LCD
STN
DSTN
TFT
LEDLight Emitting Diode
PDP
FED
LTPS
Plasma Displays
Field Emission Displays
Low Temperature Polysilicon
Obrázek 9: Rozdělení technologií LCD displejů
vrstva tekutých krystalů. V klidovém stavu prochází světlo tekutými krys-taly – buňka svítí. Zapnutý zdroj střídavého napětí změní vnitřní strukturutekutého krystalu a světlo je zablokováno na polarizátoru – buňka nesvítí.Intenzita světla se mění v závislosti na velikostí napětí připojeného k elek-trodám.Pro černobílý obraz v rozlišení 1024 x 768 bodů je třeba 768 432 buněk.
Pro barevný 3x více, protože ze třech základních barev (RGB) lze namíchatvšechny barvy spektra. LCD displeje mají pevně dané rozlišení, takže nadispleji s rozlišením 1024 x 768 bodů lze pracovat s rozlišením 800 x 600pouze se zmenšeným obrazem. Větší rozlišení lze nastavit pouze virtuálně,ale v tom případě se obraz na obrazovku nevejde a musí se posouvat. Dnes jižexistují ploché displeje schopné s větším či menším úspěchem přepočítávatrozlišení. Téměř vždy je znát deformace obrazu pouhým okem, takže delšípráce je v tomto rozlišení nepříjemná.U kapalných krystalů rozlišujeme 2 základní druhy uspořádání:
• Nematické uspořádání – v nematickém uspořádání jsou molekuly volnéa mohou se pohybovat ve všech směrech, tzn. molekuly nemají polo-hové uspořádání. Přesto se v průměru udržují v jednom směru. Pokudjsou molekuly, tvořící nematický kapalný krystal chirální, nazývá setato fáze chirálně nematická (cholesterická). V tomto stavu mají mo-lekuly snahu ležet vzájemně pootočené. To znamená, že v každé vrstvěmateriálu je jejich směr trochu jiný a tvoří ”spirálu”. Chirálně nema-tická struktura se v displejích využívá nejčastěji
Tyto displeje se používají např. v hodinkách a označují se TN–LCD(Twisted Nematic–LCD). V těchto displejích je chirální nematický ka-
25
palný krystal umístěn mezi příčnými polarizačními filtry. Jejich vnitřnípovrch je speciálně upravený tak, aby molekuly na povrchu ležely stej-ným směrem jako polarizační filtry. Pokud by mezi polarizačními filtrytekuté krystaly nebyly, světlo by jimi neprocházelo. Nicméně točící sestruktura molekul vede světlo a způsobí, že projde i druhým polari-začním filtrem.
Po připojení napětí se rozpadne šroubovitá struktura a většina molekulse srovná ve směru elektrického pole. Výsledný efekt je stejný jakokdyby mezi polarizačními filtry nic nebylo a světlo neprochází.
• Smektické uspořádání – ve smektickém stavu existuje polohové uspo-řádání v rozsahu jedné dimenze. To znamená uspořádání molekul dovrstev. Některé smektické fáze mají polohové uspořádání i ve více nežjedné dimenzi. Stejně jako chirálně nematická fáze existuje i fáze chi-rálně smektická. Stejným způsobem jako u cholesterické fáze i tadysměr molekul rotuje napříč vrstvami. V každé vrstvě je molekula po-otočená.
3.3 Role polarizace
Pro základní pochopení funkce LCD je třeba si uvědomit, jak pracuje polari-zační filtr. Ten je schopen pomocí velmi jemné struktury rovnoběžných vlá-sečnic propustit pouze světelný tok, který z původně heterogenního proudumá jednotlivé vlny orientovány rovnoběžně.Výsledek si lze představit jako velké množství rovnoběžných světelných
vrstev, místo jednotlivých proudů fotonů kmitajících všemi směry. Barvasvětla polarizací ovlivněna není, je však snížen jas. Když na sebe položímedvě polarizační skla orientovaná stejným směrem, světlo projde oběma. Po-kud je ale vzájemně otočíme o 90◦, druhé polarizační sklo nepropustí jinakpolarizovaný proud světla a světlo neprojde.Jádrem LCD je tedy TN (twisted nematic) struktura, která je z obou
stran obklopena polarizačními vrstvami orientovanými stejně jako jsou na-točeny drážkované destičky. Světlo tedy projde prvním polarizačním sklema polarizuje se. Poté prochází vrstvami pootočených tekutých krystalů, kterésvětlo otočí než projde i druhým polarizačním sklem, které je otočeno o 90◦
jiným směrem.Takto se TN-LCD chová v klidovém stavu bez přivedeného napětí a pro-
pouští světlo. Jakmile začne tekutými krystaly protékat slabý elektrickýproud, krystalická struktura se začne orientovat podle směru toku proudu.Všechna zrnka se tedy stočí jedním směrem a přestane docházet k otáčenísvětla. První polarizační vrstva tedy světlo polarizuje, skrz krystaly projdoupaprsky nezměněny a druhá polarizační vrstva světlo definitivně zablokuje,neboť jeho polarita je o 90◦ odlišná. Velikostí proudu je pak možné regulo-vat průchod světla a dosáhnout tak u moderních displejů obvykle 256 úrovní
26
jasu.
3.4 Vytvoření displeje
Pro konstrukci LCD panelů se používají nematické kapalné krystaly. Krys-taly jsou založeny na bázi hexylkyanidbifenylu, jehož molekuly mají podlou-hlý (tyčovitý) tvar. První vrstva skleněná destička je pokryta tenkou vrstvoumetal oxidu, který působí jako elektroda. Tento film je uspořádán do sloupcůa řad (displej s pasivní maticí) nebo do individuálních obrazců (displej s ak-tivní maticí). Elektrody jsou použity k nastavení napětí mezi částmi, kteréchceme zviditelnit. Následuje polymerová zarovnávací vrstva (obvykle po-lyamid). Tato vrstva prochází procesem škrábání, který v ní zanechá sérierovnoběžných drážek. Tyto drážky pomáhají zarovnávat molekuly LC dosprávného směru. Jsou připraveny 2 stejné destičky, jedna z nich je z vnitřnístrany pokryta distanční vrstvou kuliček polymeru. Tato vrstva zajišťujekonstantní mezeru 20µm mezi destičkami, kam budou umístěny tekuté krys-taly. Obě destičky jsou spojeny a jejich hrany se slepí epoxidem. Roh jeponechán otevřený, aby mezi ně mohly být ve vakuu injektovány tekutékrystaly. Jakmile je displej naplněný tekutými krystaly, roh se zalepí a napovrch skel se nanesou polarizační filtry v odpovídajícím směru. Displej jedokončen připojením vývodů, kterými se přivádí napětí do určených částídispleje.Pro jednodušší zobrazení se používá systém statické adresace. Při něm
existuje pouze jediná zem a ke každém segmentu vede samostatný vodič.Statické systémy jsou obecně jednodušší na obsluhu, bohužel však vyžadujípro každý segment (v případě matice pro každý pixel) samostatný vodič vizobrázek 10. To dost dobře nelze realizovat u jiného než několika segmento-vého displeje, u maticových displejů je takový přístup nepřijatelný.
Výše popsaná struktura odpovídá jedinému segmentu jednoduchého dis-
27
pleje. Například obyčejný alfanumerický displej používá pro zobrazení všechčíslic 7 segmentů. Statické systémy adresace se používají u nízko informač-ních displejů a mají jednodušší obslužné obvody.Druhým systémem je dynamický systém adresace. K rozsvícení přísluš-
ného segmentu dojde při správné kombinaci svrchního a spodního vodiče.Bohužel nevýhodou dynamického systému adresace je poměrně problema-tické přesné zaměření jednotlivých bodů v matici. Tento efekt je znatelnýzejména u barevných maticových displejů typu STN (Super Twist Nematic)nebo DSTN (Double-Layer Super Twist Nematic), svým principem pouzerozšiřují klasický typ TN. Všechny body displeje se adresují čistě dynamic-kým systémem adresace. Stačí zvolit správný řádek a sloupec a příslušnýbod displeje se rozsvítí. Obě strany displeje jsou ovládány integrovanýmiobvody starající se o rozsvícení pouze odpovídajících bodů. Problém spo-čívá ve vzájemném propojení jednotlivých bodů jak vodiči, tak integrova-nými obvody a není technicky možné přesně regulovat proud procházejícíjednotlivými body (pixely). Kvůli tomu jsou na displejích tohoto typu častopatrné postupně slábnoucí horizontální a vertikální čárky, které se rozebí-hají od rozsvíceného pixelu (vybraný pixel je aktivní – černý – ale okolíje rovněž částečně aktivní - šedé) a dokazují tak způsob zaměřování kon-krétního bodu. Systém dynamické adresace je relativně pomalý. Jednotlivýbod je schopen zareagovat na změnu za 300 ms, což odpovídá zhruba třemsnímkům za sekundu. Dosahuje se tak nízké obnovovací frekvence (počtuobrázků, které je displej schopen zobrazit za vteřinu). Proto mají LC dis-pleje potíže se zobrazováním rychlejší grafiky, pro video jsou zcela nevhodné(je vyžadována odpověď do 40 ms). Ke spojení jednotlivých segmentů sepoužívají velmi tenké proužky z oxidu india a cínu, které jsou dostatečněprůhledné. Obyčejné měděné drátky by byly na displeji dobře patrné.
3.5 Podsvícení dipleje
Je přirozené, že samotné LCD panely odebírají energii. Některé je třeba knatáčení krystalů a v případě TFT displejů jí je velké množství nutné také kotevírání a zavírání tranzistorů. Mnohem větší množství energie však spotře-buje podsvícení, které se nejčastěji aplikuje pomocí fluorescentních výbojekna některé ze stran displeje. Pomocí světlo vodivého panelu z polykarbonátunebo pomocí optických vláken se pak světlo rozvede po celé ploše monitoru.
3.6 Technologie
3.6.1 Pasivní displeje
LCD monitory s pasivní maticí mají mřížku vodičů s pixely nacházejícímise na každém průsečíku v mřížce (viz obrázek 11). Proud protéká dvěmavodiči v mřížce, aby aktivoval světlo pro každý pixel. Takové monitory majíelektrody v řádcích na jedné polovině skla monitoru a na druhé polovině
28
jsou elektrody umístěné ve sloupcích. Elektrody jsou zpravidla vyráběnéz ITO (Indium Tin Oxide), což je poloprůhledný metal-oxid. Když elektrickýimpuls projde jedním řádkem a jestliže je určitý sloupec uzemněný, vznikneelektrické pole, které změní stav kapalného krystalu (z bílého na černý).Opakováním tohoto procesu vznikne na monitoru obraz.Problémy vznikají při nárůstu počtu řádků a sloupců, protože s vyšší hus-
totou pixelů musí být velikost elektrody redukovaná a velikost napětí nutněnarůstá. Toto se projevuje nepříliš ostrým obrazem, kdy se z jediného roz-svíceného bodu rozbíhají postupně slábnoucí horizontální a vertikální čárky,které přesně ukazují, jakým způsobem je zaměřen konkrétní pixel. Vybranýpixel je aktivní (černý), ale okolí je rovněž částečně aktivní (šedé). Částečněaktivní pixely snižují kontrast a kvalitu obrazu na monitoru. Není zároveňmožné dosáhnout příliš vysoké rychlosti. Doba odezvy, tedy reakčního časupixelu na změnu podle dat dodaných z grafické karty, se často pohybuje vrozmezí 150 až 250 ms, odpovídá přibližně 3 snímkům za sekundu. Toto seprojevuje viditelnou stopou za kurzorem myši, nebo zmizením kurzoru přirychlém pohybu myši při použití rychlé grafiky.
��������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
� �� �� �� �� �� �� �� �
� �� �� �� �� �� �� �� �
� �� �� �� �� �� �� �� �� �
� �� �� �� �� �� �� �� �� �
� �� �� �� �� �� �� �� �� �
���������
� �� �� �� �� �� �� �� �
��������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
���������
���������
���������
���������
!!!!!!!!!
"""""""""
#########
$$$$$$$$$
%%%%%%%%%
&&&&&&&&&
'''''''''
( (( (( (( (( (( (( (( (( (
)))))))))
* ** ** ** ** ** ** ** ** *
+++++++++
, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,
---------
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
/////////
0 00 00 00 00 00 00 00 00 0
111111111
2 22 22 22 22 22 22 22 22 2
3 33 33 33 33 33 33 33 33 3
Katoda Anoda
RRRRRR RR GGGGG GG BBBBB BB
Obrázek 11: Struktura pasivního displeje
3.6.2 Aktivní displeje
LCD monitory s aktivní maticí byly vyvinuty, aby eliminovaly problémy mo-nitorů s pasivní maticí známé jako TFT displeje (TFT – Thin Film Tranzis-
29
tor), viz obrázek 12. První TFT byly vyrobeny roku 1972 z CdSe – CadmiumSelenide, ale při investicích do solárních panelů se přešlo na amorfní křemík(a-Si) a později na polykrystalický křemík (p-Si).Maticové zobrazovače mají tranzistor nebo diodu na každém průsečíku
pixelů, takže potřebují méně proudu na ovládání svítivosti pixelů. Díky tomumůže být proud v maticovém zobrazovači vypínaný a zapínaný mnohemčastěji. Tím se zvýší obnovovací frekvence obrazovky (RF – Refresh Rate), tj.frekvence s jakou se obnovuje obraz na obrazovce. Pomocí regulační funkcetranzistoru, případně ve spolupráci s kondenzátorem, je možné velmi přesněregulovat proud procházející pixelem a svítivost daného bodu.
TF tranzistory kompletně izolují jeden pixel od ostatních v displeji a eli-minují tak problémy vznikající při částečně aktivních pixelech. Jeden pixelpředstavuje nejmenší zobrazitelnou jednotku na obrazovce, což však platív případě mono displejů. U barevných monitorů jeden pixel tvoří 3 dalšísub - pixely (RGB). Tyto body jsou uspořádány horizontálně vedle sebe(viz obrázek 13). V případě nativního rozlišení displeje 1600 x 1200 je vedlesebe ve skutečnosti 4800 sub - pixelů. Šířka těchto bodů musí být samo-zřejmě velice malá a pohybuje se standardně v rozmezí cca 0,24 – 0,29 mm.Rozteč bodů také ovlivňuje maximální rozlišení při dané úhlopříčce, a protose jen výjimečně objevují malé monitory s vysokým rozlišením.Aby se vyrobil plně funkční barevný VGA displej pro rozlišení 640x480,
musí být pro každý bod (pixel) použity 3 TF tranzistory, což znamená cel-kem 921 600 TF tranzistorů. Výsledkem je tedy, v porovnání s klasickýmipasivními displeji, skvělá kvalita obrazu. Běžně se dosahuje kontrastního po-měru až 400 : 1, doba odezvy se často dostává až na 20 ms, což odpovídáfrekvenci 50 snímků za sekundu. Obraz je čistý, bez rušivých vlivů.Základním problémem je způsob vytvoření jednotlivých tranzistorů. Dis-
plej s rozlišením 1024x768 bodů obsahuje více než 786 432 bodů pro každou
30
���� ���� � �� �� �� � � �� �
� �� � � �� � �� �� ���� ����
���� ���� � �� �� �� � � �� �
� �� � � �� �� �� � ���� ���� !! ""##
RR R GG G BB B
Tranzistor
Pixel
Rozteč bodů Sub-pixel
Obrázek 13: Jednotlivé sub-pixely TFT displeje
ze tří základních barev. Na celém panelu, např. na ploše 100000mm2 (v pří-padě 18” LCD), je pak potřeba vytvořit 2 359 296 jednotlivých tranzistorůpoměrně daleko od sebe.Výroba takto oddělených tranzistorů se provádí záblesky vysokovýkon-
ného laseru, který v místě přechodu krátkodobě vytvoří teplotu až 1400 ◦C.Tranzistory musí být vyrobeny z jednoho kusu křemíku, což při milionechtranzistorů není možné bez určitého procenta chybovosti. Z tohoto důvoduje každá buňka osazována až pěti tranzistory, z nichž se vybere ten nejlepší.Taková výroba je dost drahá a nepříliš úspěšná.
31
Existují dva druhy rozložení pixelů na TFT displejích.
• Pruhové rozložení – při tomto rozložení se na obrazovce střídají pásyčervené, zelené a modré barvy. Tato technika se používá u LCD mo-nitorů.
• Trojúhelníkové rozložení – barevné pixely jsou rozložené v trojúhelní-kovém tvaru, určené pro multimediální a promítací LC displeje.
3.7 Princip LCD displeje
Aby byl obraz na displeji čitelný je nutné podsvětlení, tedy zadní světelnýzdroj (1) - nejčastěji elektroluminiscenční výbojka. Polarizační filtry (2,5)propustí pouze část světla na vstupu, jen světlo polarizované v horizontálníči vertikální rovině. Mezi dvěma orientačními filtry (3) se nachází vrstvatekutého krystalu (4). Molekuly tekutého krystalu jsou v klidovém stavuvzájemně pootočeny, mezní stavy jejich natočení udává právě orientační filtr[?]. V klidovém (standardním) stavu je světlo ze zadního světelného zdrojepropuštěno – displej ”svítí”. Průchodem polarizátorem (2) získáme světlopolarizované v horizontální rovině. To dále prochází tekutým krystalem.Protože jsou ovšem ve vrstvě tekutého krystalu jednotlivé molekuly pooto-čeny, je průchodem světla změněna i jeho polarizace z horizontální na verti-kální. Světlo s vertikální polarizací je propuštěno polarizátorem (5), a protodisplej ”svítí” (6). Připojíme-li na elektrody tekutého krystalu (v rámci zjed-nodušení shodné s orientačními filtry) zdroj střídavého napětí, změní se jehovnitřní struktura. Molekuly krystalu již nejsou vzájemně pootočeny, ale ”na-přímeny”, viz obrázek 14.Světlo procházející vrstvou tekutého krystalu tedy nemůže změnit svou
polarizaci z horizontální na vertikální a je tak zablokováno na polarizátoru(5), který propouští pouze světlo s polarizací vertikální. Displej tedy zů-stává tmavý (světlo ze zadního světelného zdroje neprojde). Postavení mo-lekul tekutého krystalu ovládá průchod světla. V praxi nestačí mezní stavy –světlo projde / neprojde – nutností je také regulace množství propuštěnéhosvětla, resp. změna jasu. Toho lze docílit změnou velikostí napětí připojenéhok elektrodám. Konstrukce barevných displejů je téměř stejná jako u jedno-barevných. Každý bod displeje obsahuje červený, zelený a modrý filtr, kteréjsou umístěny na horní skleněné destičce vedle sebe. Barevný displej je vždypodsvícen. Propouštěním světla do barevných filtrů a jeho smícháním do-staneme výslednou barvu.
32
123
345
6Světlo
Molekuly tekutých displejů
Polarizační filtry
Skleněné desky
Obrázek 14: Princip činnosti LCD displeje
3.8 Parametry LCD monitorů
3.8.1 Úhel pohledu
Polarizátory a tekutý krystal absorbují více než 50% dopadajícího světla.Když paprsek světla dopadne na krystal, paprsek se rozštěpí na dva sa-mostatné kolmé paprsky. Když se paprsky rozdělí, jejich dráhy jsou různědlouhé a dosáhnou uživatelovo oko v nepatrně jiném čase. Při pohledu namonitor z jiného zorného úhlu se může stát, že tyto dva paprsky budou vi-dět najednou. To se může projevit zmizením nebo pomícháním barev, např.světlé barvy budou tmavé a tmavé barvy budou světlé. Díky stále se zlepšu-jící technologii polarizátorů a materiálu tekutých krystalů se však objevujíLCD monitory s větším počtem zobrazovaných barev a s větším možnýmzorným úhlem (viz obrázek 15).
3.8.2 Technologie
• In-Plane Switching (IPS) – také nazývána Super-TFT. TechnologieIPS od společnosti Hitachi založena na urovnání tekutých krystalů pa-ralelně se substrátem. Největší výhodou je úhel pohledu kolem 170◦.Kvůli paralelnímu uspořádání krystalů je nutné umístit elektrody ”hře-
33
Horizontální pozorovací úhel
Horizontální pozorovací úhel
Vertikální pozorovací úhel
Vertikální pozorovací úhel
Konvenční TFT
Zdokonalené TFT
15 ◦
45 ◦
45 ◦
35 ◦
80 ◦
80 ◦
80 ◦
80 ◦
Obrázek 15: Úhly pohledu LCD displejů
benovitě” na zadní skleněnou plochu. Důsledkem je nízký kontrast dis-pleje a vyšší doba odezvy,
• Multi-Domain Vertical Alignment (MVA) – Pravděpodobně nejlepšítechnologií výroby společnosti Fujitsu. Široké pozorovací úhly až ko-lem 160◦ jsou zajištěny použitím ”výčnělků” (protrusions). Díky ver-tikálnímu uspořádání tekutých krystalů MVA umožňuje nízké dobyodezvy, protože změna natočení netrvá tak dlouho jako u TN či IPS.
TFT Horizontální pozoro-vací úhel
Typickáodezva
TN 80 - 100 30 msTN + film 120 - 140 16-25-30ms
IPS/Super-TFT 160 - 180 30 msMVA 16 - 170 20 ms
Tabulka 2: Pozorovací úhly a doba odezvy
34
3.8.3 Doba odezvy
Tekuté krystaly stále nejsou tak rychlé, aby dosáhly kvalit CRT monitorů.Než se krystaly přeorientují ze stavu propouštějící všechno světlo do stavunepropouštějícího, musí projít molekulární změnou trvající určitý čas. Tentočas nazýváme dobou odezvy a udává dobu přechodu pixelu z černé na bílou.Někteří výrobci místo doby odezvy uvádějí dobu náběhu pixelů (rise time)a dobu dosvitu pixelů (fall time).Doba odezvy je pak součtem doby náběhu a doby dosvitu pixelů. Doba
náběhu bývá kratší a definuje, za jak dlouho se rozsvítí zobrazovací bodna požadovanou úroveň. Tato hodnota se pohybuje od 3 do 10 ms. Druhýparametr, doba dosvitu, je delší a definuje, za jak dlouho se utlumí svitzobrazovacího bodu na požadovanou úroveň. Tato hodnota se pohybuje od8 do 15 ms.Obě hodnoty je nutné ve finále sečíst a výsledkem je celková doba odezvy
(orientačně od 12 do 25ms). Navíc různé barevné odstíny mají různou dobuodezvy. Rozdíl může dosáhnout desítky procent. Na jednom panelu se takmohou vyskytovat body s dobou odezvy kolem 10 ms, které při zobrazeníněkterých barev několikanásobně zpomalí. Proto se výrobci profesionálníchpanelů nezaměřují ani tak na co nejrychlejší odezvu bodů v jednom zob-razení, ale na sladění rychlosti odezvy při různých odstínech. Doba odezvy16 ms je dostačující parametr pro sledování filmů a hraní her. Pro běžnoukancelářskou práci se doporučují monitory s dobou odezvy kolem 20 ms.
3.8.4 Kontrast
Kontrast je jedním z faktorů určující kvalitu monitoru. V případě zhasnutívšech tří barevných složek je zobrazena černá, jenže s ohledem na jas pod-světlujících katod a na fyzikální vlastnosti tekutých krystalů tomu tak vždynení. Pouze vysoko-kontrastní monitory mají schopnost zobrazit opravdučernou.
3.9 Výhody a nevýhody LCD displejů
3.9.1 Výhody
• Kvalita obrazu – dokonalá geometrie obrazu LCD displejů patří mezihlavní výhody. Obrazovka je dokonale plochá, pixely jsou na obrazovcepevně určeny. Obraz je naprosto ostrý i na krajích obrazovky. LCDdispleje časem neztrácejí kvalitu zobrazování, protože tekutý krystalse po odpojení napájecího napětí vrátí do původní polohy,
• Životnost LCD displeje – stárnutí obrazovky je vždy nevyhnutelné.V oblasti monitorů se měří životnost produktu jako doba snižování jasuobrazovky na polovinu původní hodnoty. Jediný stárnoucí prvek LCDdispleje je systém podsvícení, tvořený jednou nebo více fluorescenčních
35
trubic. Životnost těchto trubic než dojde ke snížení jasu na polovičníhodnotu je 50 000 hodin,
• Spotřeba energie – spotřeba energie LCD monitoru je o 25% nižšínež spotřeba CRT se stejnou velikostí obrazovky, navíc je hodnotatepelné energie generovaná LCD monitorem značně nižší než u CRT,
• Odrazivost a oslnivost – materiál, ze kterého je vyrobena přednístrana obrazovky CRT a LCD monitorů, je značně rozdílný. U CRTmonitoru je přední strana vyrobena ze skla s úpravu snižující odrazi-vost. Tato proti odrazivá úprava ale snižuje kvalitu obrazu,
• Emise – jelikož k provozu LCD monitorů není třeba vysokého napětí,monitory jsou v podstatě bez emisních záření. Menší velikost LCDmonitorů znamená také snadnější zakomponování krytu proti zářenído vlastního designu monitoru. Obraz je také méně rušen externímzářením nebo třeba GSM signálem, magnetickým polem generovanýmnapř. blízkostí reproduktoru, mobilního telefonu nebo elektrického vě-tráku způsobující velké problémy s čistotou obrazu CRT.
3.9.2 Nevýhody
• Teplota – při nízkých teplotách je pohyblivost elektronů velmi maláa čas reakce větší. Naopak, při vysokých teplotách se mění odpor te-kutého krystalu a výkon klesá. Požadované elektrické napětí se přesLCD displej mění v závislosti na teplotě okolí,
• Interpolace – každý LCD monitor má pevně dané nativní (přiro-zené) rozlišení představující počet pixelů. Při použití nižšího rozlišenídochází k interpolaci. Obraz se roztáhne na celou plochu a docházík rozmazání, což v případě textu je problém. Jediný případ, kdy nedo-chází k interpolaci při snížení rozlišení, je u velkých monitorů. Rozlišení1600x1200 lze snížit na 800x600 bez snížení kvality textu. Jeden pixelje v tomto případě reprezentován 2x2 body,
• Vadné pixely – 17-palcové LCD displeje obsahují 3,9 milionů bodů(1280 x 1024 x 3 barevné složky) a poměrně často se stává, že nejsouvšechny řídící tranzistory v pořádku. Kvalitou displejů se zabývá normaISO 13406-2. Všichni významní výrobci reklamace podle této normyposuzují. Je potřeba rozlišovat, zda jde o chybu pixelu (stále bílý nebočerný bod) nebo sub-pixelu (chybná je jen jedna ze složek RGB). Dálese rozeznává chyba v tzv. clusteru – bloku 5x5 bodů. Údaje uvedenév tabulce 3 platí pro nejrozšířenější kvalitativní třídu II. Třída IIIdovoluje více vadných bodů, třída I nedovoluje žádné vadné body (vy-skytuje se minimálně a je patřičně drahá),
36
Rozlišení Vadnépixely
Vadnésub-pixely
Vadnésub-pixelyclusteru
1024x768 2 4 21280x1024 3 7 31600x1200 4 10 4
Tabulka 3: Dovolené meze vadných bodů
• Barva – přestože je u všech LCD udávaná podpora 32-bitových barev,nikdy se takové hloubky nedosáhne. Tekuté krystaly nejsou schopnyrealisticky reprodukovat všech 16,7 milionu barev s potřebnou sytostí,
• Cena – poslední nejpodstatnější nevýhoda je cena, která je stále ještěvysoká. Díky větší viditelné ploše můžeme srovnávat 17” LCD a 19”CRT monitory, ale jejich cena je stále rozdílná. Přesto v poslední doběceny klesají a prodej LCD monitorů vzrůstá.
O tom, že monitor je jedním z nejdůležitějších periferních zařízení, asi nenísporu. S tím však často nekoresponduje skutečnost, že jen málokterý uživa-tel si jej vybírá s takovou péčí, jako třeba samotný počítač. Přitom monitorje zařízení, které může nejvíce ohrozit naše zdraví. Každý monitor si radějipřed koupí prozkoušíme, tím se vyhneme případným problémům s jeho po-užíváním i eventuálnímu zklamání z poskytované kvality obrazu. Významlidského zraku není radno podceňovat, v případě několikahodinové každo-denní práce s monitorem.Při výběru nového LCD se musíte nejprve rozhodnout, pro jaké účely jej
chcete používat, popřípadě jaké aplikace na LCD monitoru poběží. Pokudbudete LCD monitor používat např. v kanceláři (MS office, internet) takVám postačí LCD panely nižších modelových řad, obvykle sami výrobcimají pro kanceláře určené modelové řady např.: ”Value”,”Business” atd.Vybíráme takové typy, které splňují poslední ergonomická doporučení.
38
4 Ergonomie
V ergonomii použití monitoru hraje roli několik faktorů. Poloha monitoruovlivňuje polohu těla při práci, spolu s optickými vlastnostmi ovlivňuje zátěžočí a s tím spojený krevní tlak. Koncentrace iontů kolem obrazovky můževyvolávat alergické reakce kůže a vznik kožních problémů.Monitor by měl být umístění zhruba 50-70cm od očí, 15-20◦ pod úrovní
očí (horní část monitoru má být ve výšce očí). Pro minimalizaci nadměrnézátěže očí při práci s monitorem je nutné volit režimy zobrazení, které majídostatečnou frekvenci obnovy obrazu, tj. vertikální frekvenci alespoň 70 Hz(u levnějších monitorů to může znamenat nutnost vyvarovat se grafickýchrežimů s velkým rozlišením). Pro dosažení maximální optické pohody připráci s obrazovkou můžeme použít následující doporučení:
• jedna z nejméně vhodných barevných kombinací je primární barvamodrá zobrazená na temném pozadí,
• jasnost pozadí by měla být ztlumena natolik, že není možné rozeznatrastr obrazovky,
• velikost zobrazeného písma by měla být co největší (studie z roku 1989ukázaly, že používání menšího typu písma vede ke zvýšení krevníhotlaku uživatelů),
• není vhodné používat příliš temné pozadí na obrazovce, kontrast meziúrovní jasu obrazovky a dalších pracovních ploch v zorném poli uži-vatele (např. bílá stěna, bílý papír) může způsobovat potíže při čtenípísemných dokumentů – minimální úroveň jasu pozadí na obrazovceby měla být 300 - 500 Luxů,
• celkový charakter osvětlení pracovního místa by měl zamezit odrazuna obrazovce nebo jasných plochách kolem ní, vhodné je použití anti-reflexních filtrů,
• pro sezení před obrazovkou není vhodná poloha proti oknu ani zádyk němu,
• nejvhodnější je nepřímé osvětlení, při kterém dochází k nasvětlenístropu a odrazu světla od něho (při výšce stropu větší než 2,5 m).Není-li možné tento způsob osvětlení použít, musejí být všechna světlaopatřena alespoň rozptylujícími členy,
• nábytek a stěny místnosti by měly být z málo odrazivých materiálůzamezujících vzniku odlesků a odrazů,
• okna je nutno osadit regulovatelnými stínidly (žaluziemi) umožňujícímiupravovat množství světla přicházejícího zvenku.
39
Pracovníci používající brýle mohou zvážit i možnost pořízení speciálníchbrýlí ”vyladěných” na prakticky fixní vzdálenost, ve které pracují po dlouhéčasové úseky. Zpravidla je použití speciálních brýlí vhodnější než bifokálníčočky. V zemích Evropského společenství se začíná uplatňovat legislativapřikazující zaměstnavatelům uhradit svým pracovníkům u monitorů speci-ální brýle všude tam, kde brýle používané pro normální účely nevyhovují.Co se negativních vlivů práce s monitory na zrak týče, existuje překvapivěmálo efektů, které by byly dostatečně dobře prokázány. Není to tím, že bytyto efekty neexistovaly nebo nebyly dostatečně silné, ale tím že přirozenýrozptyl očních vad je natolik velký, že výsledné statistiky nehovoří dosta-tečně průkazně. Silně podezřelé jsou zejména negativní změny schopnostioka ostřit, poškozování optického nervového systému v míře rostoucí s dél-kou doby práce s monitory, chronické změny očních čoček, či náchylnost kevzniku zákalů.Nejméně hodnověrných závěrů je možné v současné době činit o vlivu
elektromagnetického vyzařování, kterému je pracovník u terminálu vystaven.Řada odborníků se domnívá, že trvale působící vliv elektromagnetického zá-ření emitovaného monitory počítačů a související magnetické pole může mítnepříznivý vliv na reprodukční mechanismy a na spouštění některých druhůzhoubného bujení tkání. Mezi podezřelé patří vlivy podobné dlouhodobémupůsobení polí kolem vedení vysokého napětí v souvislosti s depresívnímistavy, sebevraždami a větší nemocností a výskytem rakoviny způsobenýmioslabením imunitního systému. Existující studie prokazují vzrůst počtů pří-padů dětské leukémie v souvislosti s velikostí expozice, stejné riziko je vliteratuře uváděno pro mozkové nádory. Výsledky výzkumu publikované vroce 1993 ukazují, že magnetická pole indukovaná kmitočtem sítě potla-čují schopnost melatoninu zvládat růst buněk lidského karcinomu prsu, ato dokonce i u mužů. Tyto výsledky jsou ovšem velice problematické proreprezentativnost svých závěrů a míru vyloučení dalších vlivů prostředí. Ci-tované praktické případy (např. skupina onemocnění karcinomem prsu natelefonní ústředně v australském Queenslandu) budí svou izolovaností roz-paky a těžko mohou vážně zpochybňovat převládající ”oficiální”. stanoviskazdůrazňující, že elektrická pole extrémně nízkých frekvencí nejsou karcero-genním faktorem (vliv na povzbuzování růstu existujících nádorů však jižtak kategoricky zpochybňován není). O některých vlivech pulsního magne-tického pole typu pole vyzařovaného počítačovými monitory byly již roku1988 publikovány velkým mezinárodním výzkumným projektem ”HenhouseProject” výsledky ukazující nepříznivý vliv těchto polí na vývoj kuřecíchembryí. Projekt byl specificky motivován snahou ověřit hypotézu o vlivumagnetických polí o nízké frekvenci na genetický materiál účastnící se děleníbuněk a zdá se potvrzovat skutečnost, že i pole velmi nízké intenzity mohoubýt biologicky aktivní. Jiným podezřelým jsou vysokofrekvenční pole, kterájsou emitována z některých špatně odstíněných monitorů a která mohou in-dukovat proud interferující s důležitými elektrickými impulsy podstatnými
40
pro činnost živého organismu. Zdraví škodlivé faktory zmíněné v předcho-zím odstavci jsou velmi snadno zpochybnitelné odkazem na neznámou mírupřenositelnosti laboratorních výzkumů na situaci v běžném životě, kde jeorganismus vystaven souhrnu působení řady dalších vlivů, které mohou býtjistě srovnatelné s eventuálním nepříznivým vlivem počítačových zobrazo-vacích jednotek. Tato zpochybňování však mohou být poměrně ošidná - io výskytech RSI se před časem soudilo, že jsou hodny spíše odkazu do říšeutkvělých představ, psychózy nebo hysterie, ale dnes není možné jejich reál-nost ani míru jejich rizika odmítnout. Výrobci zobrazovacích jednotek majípřirozený ekonomický zájem na bagatelizaci možných problémů, ale i oni vposlední době přecházejí na výrobu nízko vyzařujících monitorů s dobrýmstíněním a samozřejmou doplňující ochrannou pomůckou se stávají obrazov-kové filtry omezující nejen vznik nežádoucích reflexů, ale stínící některýmdruhům vyzařování i omezující koncentraci kladných iontů v bezprostřed-ním okolí obrazovky. Rozhodně tedy lze doporučit alespoň jistou dávku re-zervované opatrnosti při nákupu monitorů a orientaci na monitory s nízkouúrovní vyzařování, které jsou dnes již na trhu běžně dostupné. Perspektivněje možné, že s růstem rozlišení kvality zobrazení obrazovek používajícíchtekuté krystaly dojde k podstatné redukci možných vlivů elektromagnetic-kých polí na uživatele počítačů, protože použití tekutých krystalů podstatněredukuje intenzitu působení těchto faktorů.
41
5 Monitory plazmové
5.1 Princip tvorby obrazu
Abychom pochopili princip plazma displejů, musíme si nejdříve objasnitpojem plazma a funkci technologie PDP (Plasma Display Panel).Plazma je skupenstvím složeným z iontů a elementárních částic. Protožeplazma není plynem, kapalinou ani pevnou látkou, nazývá se někdy čtvrtýmskupenstvím.V klidovém stavu se v plazma displejích nachází směs vzácných plynů
(argon – neon – xenon). Jelikož to jsou elektro–neutrální atomy, musíme na-jít způsob, jak z nich vytvořit plazmu. Ta se vytváří zavedením elektrickéhoproudu do plynu, čímž se objeví mnoho volných elektronů. Srážky mezi elek-trony a částicemi plynu vyvolají ztrátu elektronů některých atomů a vznikajíkladně nabité ionty. Spolu s elektrony tedy získáváme plazmu.Jednotlivé nabité částice se vlivem vytvořeného elektrického pole začnou
pohybovat ke svým opačným pólům. Ionty plynů k záporně a elektrony kekladně nabitému pólu. V plazmě tímto způsobem dochází k velkým po-hybům a ve vzniklém ”zmatku” se začnou jednotlivé částice srážet. Iontyplynů se dostávají do excitovaného stavu a poté uvolní foton (světlo), vizobrázek 16.
1
2
3
Jádro
Elektrony
Uvolněný foton
Obrázek 16: Uvolnění fotonu z plynového iontu
1 – srážka s rychlou částicí přivede atom do excitovaného stavu2 – přijetím energie přejde elektronu na vyšší energetickou hladinu3 – elektron se vrací na původní dráhu a přebytečná energie je uvolněna veformě fotonu
Při nárazu volného elektronu do jednoho z elektronů iontu na nižším
42
orbitalu získá tato částice energii, která jí dovolí na krátký čas přejít navyšší energetickou hladinu, ale hned poté ho elektromagnetické síly donutík návratu na původní hladinu a přebytečná energie je uvolněna ve forměfotonu.Energie fotonu, který je uvolněn ionty neonu a xenonu, je často tak
vysoká, že vlnová délka přesahuje možnosti lidského oka. Uvolňuje se totižultrafialové záření, které je pro lidské oko neviditelné. Aby vznikl na plazmadispleji obraz, musí být ultrafialové záření převedeno na viditelné světlo. Toje stejně jako u CRT monitorů zajištěno luminoforem, kterým je pokrytazevnitř každá obrazová buňka. Luminofor způsobuje po přijetí elektronu čiultrafialového záření vyzáření viditelného světla.Celý plazma displej je tvořen maticí miniaturních fluorescentních bu-
něk (pixelů) ovládaných sítí elektrod. Horizontální řádky tvoří adresovacíelektrody, vertikální sloupce zobrazovací (výbojové) elektrody. Vzniká takmřížka, ve které lze každou buňku adresovat zvlášť. Buňky jsou uzavřenymezi dvěma tenkými skleněnými tabulkami, každá obsahuje malý kondenzá-tor a tři elektrody. Adresovací elektroda je umístěna na zadní stěně buňky,dvě transparentní zobrazovací elektrody na přední stěně. Tyto dvě elektrodyjsou izolovány dielektrikem a chráněny vrstvou oxidu hořečnatého (MgO).Všechny pixely se u barevných plasma displejů skládají ze tří barevných sub-pixelů, z červeného, zeleného a modrého. Struktura displeje je tedy maticí,kde horizontální řádky tvoří adresovací elektrody, zatímco vertikální sloupcejsou zobrazovací (někdy se jim říká výbojové) elektrody. Vzniká tak mřížka,ve které lze každou buňku adresovat zvlášť. Všechny pixely se u barevnýchplasma displejů skládají ze tří barevných RGB sub-pixelů.Na obrázku 17 je zjednodušené schéma buňky v PDP. Jde jen o jednu
třetinu pixelů, které vyzařují jednu barevnou složku.
Obrázek 17: Princip činnosti jedné buňky plazma displeje
43
5.2 Princip plazma displeje
Do obou zobrazovacích elektrod je pouštěno střídavé napětí. Po zavedenínapětí je indukován výboj, který začne ionizovat plyn a vytvářet plazmu.Dielektrikum a oxid hořečnatý sice výboj zastaví, ale po změně polarity stří-davého proudu ionizace pokračuje a tím je dosaženo stálého výboje. Napětína elektrodách je udržováno těsně pod hladinou, vzniku plazmy a k ionizacidojde i při velmi nízkém zvýšení napětí na adresovací elektrodě.Po vzniku plazmy získají nabité částice díky elektrickému poli kinetickou
energii a začnou do sebe narážet. Neon a xenon jsou přivedeny do excito-vaného stavu a po návratu elektronu do své hladiny uvolní ultrafialové zá-ření. Díky tomuto záření pak excitují atomy luminoforu a ty uvolní viditelnésvětlo. V každém pixelu jsou tři různě barevné luminofory, jejichž kombinacívzniká výsledná barva.K dosažení co největší škály zobrazovaných barev a úrovní intenzity musí
být buňky ovládány zvlášť. Ovládaní intenzity funguje na principu modulacepulsního kódu (PCM – Pulse Code Modulation). Tato modulace slouží kpřevedení analogového signálu s nekonečným rozsahem na binární slovo spevně danou délkou, proto jsou plazma obrazovky plně digitální. Intenzitakaždého sub-pixelu je určována počtem a šířkou napěťových pulsů, kterédostává buňka během každého snímku. Toho je dosaženo rozdělením trváníkaždého snímku na několik kratších částí (pod snímků).Během této periody jsou pixely, které mají svítit, nabuzeny pomocí zob-
razovacích elektrod na určité napětí. Během zobrazovací fáze je pak napětíaplikováno pomocí adresovacích elektrod na celý displej. Tím se rozsvítípouze jen nabuzené sub-pixely s danou úrovní nabití. Standardní metodaurčuje 256 úrovní nabití pro každý sub-pixel, protože každý snímek je roz-dělen na 8 podsnímků ovládaných 8-bitovým slovem. Tato technologie senazývá ADS (Address/Display Separated) a byla vyvinuta v roce 1984 spo-lečností Fujitsu. Protože každý bod je přímo zdrojem světla a brání mu mi-nimum překážek, není nutné zpětné podsvícení a obraz je jasný, kontrastní,s velkými pozorovacími úhly beze změny barev v ploše.
5.3 Technologie
5.3.1 ALiS – Alternate Lighting of Surfaces
Technologie ALiS vychází z metody prokládání. U klasického plazma dis-pleje jsou pixely ovládány vždy dvojicí elektrod, které musí mít mezi sebourozestupy, aby nedocházelo k rušení. Tyto mezery nejsou využity k zobra-zování, jsou tmavé a snižují jas celého displeje. Navíc je u plazma displejeomezeno rozlišení.ALiS pracuje při zachování stejného počtu elektrod, dosahuje vyššího
rozlišení a jasu. Elektrody mají stejné rozestupy a minimalizuje se tak plo-cha, kterou zabírají mezery, tedy tmavé linky (z 60% na 35%). Protože
44
každá elektroda pracuje pro dva řádky, musí každý snímek vystřídat zob-razení sudého a lichého řádku. Znázornění tohoto principu je na obrázku18.
1 1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
8
9
1011
Nevyzařovací oblast
První pole Druhé pole Liché pole Sudé pole+ Snímek
Bežné PDP Alis PDPAdresovací elektroda
Zobrazovací elektroda
Obrázek 18: Srovnání klasické PDP technologie a ALiS
Každá mezera mezi dvěma elektrodami je jednou za snímek po dobutrvání poloviny snímku využita pro zobrazení, což zdvojnásobuje rozlišení.Každá buňka je využita jen polovinu času oproti PDP, to zvyšuje trvanlivostluminoforu.
5.3.2 Asymetrické luminofory
Složení pixelů je realizováno dvěma způsoby.
• Symetrické luminofory – všechny RGB barevné složky mají v pixelustejný podíl. Výroba matice je jednodušší, protože velikost všech buněkje stejná a vytváří tak síťovitou strukturu.
• Asymetrické luminofory – používá rozdílné velikosti RGB barevnýchsložek. Modrá barva určuje teplotu barev a je-li modrá jasnější, jemožné použít i jasnější červenou. Z toho důvodu má modrá barva nej-větší podíl a červená nejmenší. Kromě vyšších výrobních nákladů máovšem tato technologie podstatnější nevýhodu v rozdílném napájeníkaždé buňky, což vyžaduje přesnější ovládací prvky.
45
5.3.3 Single Scan Technology – jednoduché adresování
V jednoduchém adresování dochází k adresaci (před nabití) všech bodů ještěpřed zobrazovací fází, kdy jsou elektrody buzeny napěťovými pulsy. K ad-resaci je potřeba jen jedna sada ovladačů zajišťující adresaci, a proto jevýrobní cena přijatelná.
5.3.4 Dual Scan Technology
V duálním adresování je obrazovka rozdělena na dvě poloviny. Jedna sadaovládacích prvků je na horní části obrazovky, druhá sada ve spodní částiobrazovky. K adresaci všech bodů dojde za poloviční dobu než u SingleScan technologie, zbývající čas je určen pro zobrazovací fázi. V zobrazovacífázi je možno vyslat více pulsů a tím se zvyšuje jas displeje, ale zvyšuje sespotřeba energie a také se zkracuje životnost luminoforu.
Jedná se o LCD displej, který není ovládán tranzistorovou aktivní maticí,ale soustavou anod a katod, které pomocí plazmových výbojů způsobujínatáčení tekutých krystalů. Protože není třeba vyrábět tranzistorové matice,není produkce PALCD tolik náročná na dokonale čisté prostředí, a proto jelevnější.
5.4 Výhody a nevýhody PDP
5.4.1 Výhody
Mezi největší přednosti plazmových displejů jednoznačně patří vysoce kva-litní, kontrastní obraz, který nabízí plný rozsah barev stejně jako CRTtelevizory. Jelikož plazma displeje samy emitují světlo, nepotřebují žádnédalší podsvícení. Mají vynikající pozorovací úhly kolem 160-170◦, takže jsouvhodné pro prezentační účely. Mezi další výhody patří minimální hloubkaa hmotnost displeje v poměru k možným úhlopříčkám obrazu, odolnost vůčivlivům elektromagnetického rušení.
5.4.2 Nevýhody
Plazmové displeje mají výrazný paměťový efekt. Obraz je rychlý, ale hrozívypálení jasných neměnných obrazců při neměnném obrazu do jednotlivýchbodů. Z tohoto důvodu se plazmové displeje nedoporučují používat na běž-nou práci s počítačem, kde se obraz často nemění. Zvláště jim nesvědčíhorizontální poloha, při které se mohou nenávratně poškodit zobrazovacíbody. Tím vzniknou světlé mrtvé body vypálené do obrazovky, které kazícelkový dojem z obrazu.
46
Levnější plazma displeje mají problémy s kontrastem. Důvodem je ne-ustálé udržování napětí mezi elektrodami pod prahem ionizace, aby měldisplej dostatečně rychlou odezvu. K minimální ionizaci ale dochází i beznapětí na adresovací elektrodě, což omezuje schopnost zobrazit nejtmavějšíodstíny a tím snižuje kontrast. S tímto problémem souvisí neschopnost do-konale zobrazovat stupnici šedi. V tmavých scénách se barvy blízké černéslévají v jednu a přechody nejsou zdaleka plynulé. Moderní plazma displejetímto nedostatkem netrpí a škála zobrazovaných odstínů je širší.
47
6 Další technologie
6.1 Dotykové LCD
Na vodivě pokovené skleněné podložce je přilepena vrchní polyesterová deskapotažená ochranným tvrzeným filmem proti poškrábání. Napětí je přivedenona horní vrstvu. Při doteku se tato přitlačí a kontaktuje skleněnou podložkua elektrický proud teče do čtyř rohů úměrně dle vzdálenosti bodu dotekuod rohů. Kontroler pak vypočítá polohu bodu doteku na základě velikostijednotlivých proudů. Protože 5-ti drátová technologie odvozuje oba dotekovésouřadnicové systémy X a Y přímo ze základní, stabilní skleněné vrstvy, neníčinnost a přesnost systému ovlivněna porušením svrchní dotekové vrstvy(způsobené intenzivním používáním nebo neopatrností).Mohou být aktivovány jakýmkoliv předmětem, prstem, ukazovátkem
atd. Jsou vysoce odolné proti poškrábání, průzračné a vykazují dlouhouživotnost. Proto se hodí i pro náročné průmyslové aplikace, nevadí jim vy-staveni vodě, olejům atd. Voda se ale nesmí dostat ke kontaktům a elektro-dám.
6.2 OLED – Organic Light-Emitting Diode
OLED technologie byla vynalezena roku 1980 firmou Eastman Kodak, prvníexperimentální displej byl však představen až v polovině devadesátých let.Podobně jako u LCD displejů se skládá z vrstev na skleněném podkladu,zásadním rozdílem je ovšem princip. Displej tvoří jednotlivé body, kterévyzařují světlo. Tyto body jsou tvořeny několika tenkými polovodičovýmivrstvami. Vyzařovací vrstva je tvořena organickými, vysoce svítivými mole-kulami a polymery. Při průchodu proudu diodou se rozsvítí příslušná vrstvaa displej září. Tento proces se nazývá elektrofosforescence.Displeje nevyžadují podsvětlení, svítí samy a navíc mají nízkou spotřebu
energie (2-10V). Díky absencí podsvětlení jsou tyto displeje extrémně tenkéa mají vysoké pozorovací úhly kolem 160◦. Stejně jako u LCD se i OLEDvyrábějí v aktivní a pasivní verzi.
• Pasivní OLED – jsou vhodné pro zobrazování obsahu o nižší úrovniinformace (alfanumerické displeje). Jejich jednoduchá struktura, tvo-řená křížícími se řadami a sloupci, je podobná tradičním pasivnímLC displejům. Proud zavedený do příslušné řady a sloupce rozsvítídaný bod. Výhodou tohoto systému je, že elektronické ovládání pasiv-ního OLED displeje se shoduje s ovládáním LC displejů, nové displejeproto mohou být použity ve stávajících přístrojích. Své uplatnění na-chází v mobilních telefonech s barevnými displeji, kde dnes vyrobitelnémalé úhlopříčky stačí. Má malou spotřebu a rozměry, jen svou rychlostínevyhovuje použití v běžných monitorech.
48
• Aktivní OLED – ve struktuře displeje je integrována další elektro-nická vrstva TFT, díky této vrstvě displej dosahuje vyššího rozlišenía rychlosti. Každý bod se adresuje samostatně, řídící tranzistor udržujepo stanovenou dobu danou intenzitu světla. TFT pracuje v aktivníchOLED displejích podobně jako v aktivních LCD, díky tranzistorům jedisplej velmi rychlý, má vysokou obnovovací frekvenci a obraz je stálý.
6.2.1 Vývoj OLED
Kodak vyrábí displeje náročnou technologií tzv. ”malých molekul” – uklá-dání luminiscenčního materiálu na substrát probíhá ve vakuu. Druhá tech-nologie je založena na bázi polymerů, nazývá se LEP (Light Emitting Poly-mer). Její nespornou výhodou je skutečnost, že výroba nemusí probíhat vevakuu a jednotlivé kapénky polymerů je možné nanášet tiskem.Technologie OLED je perspektivní, ale vývojářské týmy se potýkají s mnoha
problémy. Displej musí být dobře zapouzdřen a chráněn proti vlhkosti, pra-chu a oxidaci metalických elektrod. Organické materiály jsou zase citlivéna vyšší teploty. Stále se nedaří vyrobit displeje o větší zobrazovací ploše,proto se zatím počítá s implementací OLED technologie pouze do mobilů aPDA. Velkým problémem je výdrž svitu organických materiálů. Po několikatisících hodinách provozu ztrácí intenzitu červené pixely, pak modré a na-konec zelené. Právě tento problém vedl vývojáře k cílené snaze o vylepšenípoužívaných materiálů.Britská společnost UDC (Universal Displays Corporation) vyvinula nové
materiály, které významně vylepšují parametry OLED diplejů. Při výroběorganického materiálu používá fosforeskující legovací látku, díky ní ještě víceklesá spotřeba displeje a výrazně se prodlužuje jeho výdrž.
• (SOLED – Stacked Organic Light Emitting Device) – pixel se skládáz navrstveného červeného, modrého a zeleného průhledného segmentu,který je schopen zobrazit celé barevné spektrum.
6.3 QD-OLED – Quantum Dot OLED
Quantum Dot OLED je založena na kombinaci organického a současnéhoLCD displeje. Využívají ”kvantové tečky” (quantum dots), mikroskopické
49
otvory v krystalické struktuře, které jsou navrženy ke shromažďování elek-tronů. Světlo je vyzařováno v okamžiku, kdy tyto elektrony do otvoru vstu-pují nebo z něj vystupují. O barvě rozhoduje velikost a prostor otvoru.Výroba těchto displejů spočívá ve vytvoření sendvičové struktury složené
ze tří desek. Jedna z vnějších desek je nabitá elektrony, druhá je bez elek-tronů a mezi těmito deskami pak leží deska s kvantovými otvory. Tloušťkaprostřední desky je široká právě jednu kvantovou tečku, přibližně 3nm. Tatovzdálenost nabízí možnost průchodu elektronu kvantovou tečkou a umožňujevyzáření více světla. Takový displej je stabilní, tenký, dosahuje vysokých roz-lišeních, má menší spotřebu energie a snadno se vyrábí. Masové nasazení tétotechnologie v praxi je ovšem ještě vzdálenější než u OLED.
6.4 FED – Field Emission Display
Panely technologie FED (Field Emission Display) mají podobný princip,jako klasické CRT monitory. Pomocí elektrostatického proudu dojde k emisielektronů (odpovídá elektronovému dělu v CRT) do prostoru směrem k transpa-rentní anodě, ještě před dopadem jsou elektrony nuceny narazit do fluo-rescentního materiálu (to odpovídá stínítku CRT monitoru). Při dostatečnéminiaturizaci panelu se tak dá dosáhnout velmi krátké doby odezvy a pozo-rovacího úhlu běžně o velikosti 160◦ v obou směrech.FED displeje nepoužívají žhavenou katodu jako CRT, ale pole malých
emitorů (microtips) viz obrázek 19. Tyto emitory mají tvar kužele, kterýspolu s blízkostí hradlové elektrody zajistí vysoké elektrostatické pole našpičkách jednotlivých emitorů. Na jeden pixel se používá více paralelně spo-jených takových emitorů. Protože tyto špičky emitorů jsou velmi blízko stí-nítka, nejsou zde žádné zakřivovací dráhy paprsku. Proto zde podobně jakou LCD odpadají problémy s linearitou, konvergencí a zarovnáváním obrazu.Elektrony potom dopadají na stínítko (anodu) s luminoforem a výsledný ob-rázek je jasově srovnatelný s dnešními CRT obrazovkami. Provozní napětíse pohybuje v rozsahu 300 - 5000 V, na rozdíl od CRT, kde jsou hodnoty15 - 30 kV.Efektivní proudová hustota tvoří další rozdíl mezi světlem generovaným
CRT a FED. U CRT je každý pixel adresován v běhu paprsku po dobune delší, než několik nanosekund. U FED je celý řádek pixelů adresovánnajednou. Jednotlivé body zde setrvají řádově mikrosekundy. Použijeme zdeluminofor s podstatně kratší dobou dosvitu než luminofor CRT.Nevýhodou těchto luminoforů je nižší životnost. Nízko voltové FED po-
užívají vyšších proudových hustot ke snížení excitačního napětí, ale vyššíproudové hustoty snižují rychleji kvalitu luminoforu. Řešením jsou nízkovoltové luminofory, které jsou mnohem účinnější.
Diplomová práce popisuje zobrazovací prostředky počítačů – monitory. Všech-ny technologie byly vysvětleny a popsány názornými obrázky. Cílem bylovytvořit srozumitelný popis jednotlivých technologií.Výběr této práce bude používána jako studijní materiál pro studenty
informatiky, VŠB-TU Ostrava, ale celkově je pro kohokoliv se zájmem tétooblasti. Může čtenáři hlouběji pochopit popisované problémy, které nemůžoubýt vysvětleny na přednáškách v takovém detailu. Principy technologií jsoupopsány srozumitelnou formou, text je doprovázen kvalitně zpracovanýmiobrázky.Diplomová práce může být kdykoli v budoucnu podle potřeb doplňována
