Monitory
(Invex 2001)
Daniel Rott
Monitor je základním výstupním zařízením osobního počítače.
Monitory můžeme rozdělit do dvou základních kategorií. Klasické monitory
s CRT
obrazovkou a LCD
displeje. V minulosti se LCD displeje používaly pouze u přenosných
počítačů, zatímco u stolních počítačů se používalo téměř výhradně CRT
obrazovek. V poslední době se však díky zdokonalování a zlevňování
LCD technologie dostávají LCD panely do popředí i na poli stolních
osobních počítačů.
I přes značný pokrok technologie výroby LCD displejů,
jejichž ceny již klesly na akceptovatelnou úroveň, stále v čele zůstávají
klasické CRT monitory.
Problematiku černobílých monitorů pominu, protože se
v dnešní době používají již pouze velice zřídka, například
v pokladních systémech.
Obraz na stínítku obrazovky vzniká ozařováním základních
barevných plošek RGB
- tzv. luminoforů přes masku elektronovým paprskem. Když se rovnoměrně
ozáří všechny sousední RGB plošky vznikne pak dojem jediného bílého bodu.
Veškeré odstíny se vždy skládají ze záření tří základních barevných složek.
Jako první standard se v obrazovkové technologii uchytily tzv. obrazovky
invarové. Jejich princip spočívá v tom, že paprsky usměrňované
elektromagnetickým polem dopadají na stínítko přes masku, která omezuje jejich
rozptyl a pomáhá je přesně usměrnit na požadované místo. Masku si lze
představit jako desku s provrtanými malými otvory. Vzhledem k tomu,
že jeden barevný bod musí výt složen ze tří základních barev, musí mít
i maska pro každý bod tři otvory. Právě uspořádání bodů v masce
přineslo název delta. Otvory pro jednotlivé body jsou uspořádány do
trojúhelníků.
Invarové obrazovky byly z počátku velmi vypouklé,
protože původní technologie nebyla schopna příliš vychýlit paprsek ani upravit
jeho tvar, a pokud by stínítko obrazovky bylo rovné, dopadaly by paprsky
do střední části jako dokonale ostré a pravidelné, zatímco
v okrajových částech by byly protáhlé, elipsovité. Musel se tedy zvolit
kompromis mezi klenutím obrazovky, její velikostí a zkreslením obrazu.
Moderní technologie sice dovolily klenutí výrazně zmenšit, k ploché
obrazovce má invarová obrazovka však přesto opravdu velmi daleko.
Výše zmíněné problémy invarových obrazovek podstatně
zjednodušil příchod trinitronové obrazovky. Společnost Sony totiž přišla
s převratnou myšlenkou - nahradit děrovou masku svislými tenkými drátky,
které stačí jen ve dvou či třech místech zpevnit drátky příčnými. Výška
obrazovky je znatelně menší než šířka, a není zde tedy ani potřeba tolik
působit magnetickým polem na vychýlení. Proto nedochází ani k takovému
zkreslení paprsku ve vertikálním směru a s horizontálním zkreslením
si poradí drátky.. Díky tomu bylo možné vyvinout obrazovku, která byla tehdy
považována v podstatě za plochou. Na výšku totiž nebylo nutné obrazovku
zakřivovat. Trinitronová obrazovka tedy nebyla a stále není dokonale
rovná, jen oproti invarové obrazovce nemá tvar kulové výseče, ale je spíše válcovitá.
Trinitronová obrazovka přinesla ostrost a kontrast až
do rohů obrazu, kde delta vykazovala už výrazné zhoršení ostrosti. Při
detailním pohledu však působí zpevňující drátky trochu rušivě. Hlavní nevýhodou
trinitronu je však riziko poškození magnetickým polem. Drátky nahrazující masku
jsou totiž velmi tenké, a tedy i lehce ovlivnitelné magnetickým
polem. I běžné magnetické pole z reproduktorů může způsobit nejenom
vychýlení paprsků, ale také trvalou deformaci drátků tvořících masku.
Společnost Sony však nezůstala stát v dalším
zdokonalování trinitronové obrazovky a výsledkem byla obrazovka typu
FD Trinitron. Ani tato obrazovka není dokonale rovná, ale to už uživatel
prakticky nepozná. I tentokrát základní princip spočívá v trinitronovém
řešení. Zatímco však dosud klenutí obrazovky odpovídalo válci o poloměru
2000 mm, nová technologie FD Trinitron je schopna nabídnout obrazovce
poloměr 50 000 mm, což je z hlediska velikosti úhlopříčky
monitoru téměř rovina. Při prvním seznámení s monitorem s obrazovkou
FD Trinitron pak máme pocit, že se obraz spíše "propadá dovnitř".
Společnost NEC se nesmířila s choulostivostí trinitronu
a pokusila se spojit klady invaru a trinitronu. Výsledkem jejího
snažení byla technologie CromaClear. U NEC tedy spoutávali paprsek na
výšku jako u Trinitronu, ale přesto vsadili na pevnou mřížku, odolnou vůči
magnetickým polím.. Maska s podélnými otvory je však poměrně náročná na
výrobu, a tedy i poněkud dražší, ale efekt není vždy srovnatelný
s trinitronem, i když oproti deltě je rozhodně lepší.
V poslední době se na trhu klasických CRT obrazovek prosazují obrazovky ploché. Ty totiž
umožňují dosáhnout téměř dokonalé geometrie obrazu ve všech místech obrazovky,
což je velice důležité zejména v profesionálním nasazení pro práci
s grafikou, DTP
a konstrukčními programy typu CAD.
Ploché obrazovky mají navíc jednu příjemnou vlastnost - neodráží se v nich
okolí jako ve vypouklé čočce.
Jednodušší a levnější variantou jsou obrazovky typu
NaturalFlat, které jsou sice mírně vypouklé, ale jejich přední sklo je
tvarováno tak, že přední plocha je absolutně rovná. Tyto monitory spojují
relativně jednodušší elektroniku s přesnou, avšak mírně vypouklou
obrazovkou.
Dalšími zástupci plochých obrazovek jsou pak již výše
zmíněné obrazovky typu FD Trinitron.
Mezi hlavní výhody LCD displejů patří zejména dokonalá
geometrie obrazu (pixely jsou na obrazovce pevně určeny, obrazovka je dokonale
plochá), malá hmotnost a rozměry (LCD panel je i s podstavcem hluboký
pouze několik centimetrů), možnost otočení některých displejů
o 90 stupňů (můžeme pak pracovat například se stránkou na výšku). LCD
displeje také nereagují negativně na vnější magnetické pole. Mají také nízký
příkon a mnohem nižší elektromagnetické vyzařování než CRT monitory.
LCD
displeje pracují na základě propouštění a blokování světla, které je
reflektované buď z vnějšího zdroje světla a nebo je zajištěné bočním,
případně zadním podsvícením. Základem jsou tzv. kapalné krystaly, což je
označení pro molekuly, které se v určitém teplotním rozmezí shlukují do
různých nepravidelných tvarů. V současnosti jsou používané materiály,
které mají potřebné vlastnosti v rozmezí teplot
-5 až +75 st. C.
Existují tři základní způsoby uspořádání krystalů uvnitř kapaliny.
- Smektická struktura - všechny krystaly mají stejnou
délku, leží v rovnoběžných vrstvách a jejich osy jsou navzájem
rovnoběžné.
- Nematická
struktura TNFE
- krystaly nemají stejnou délku, jsou navzájem rovnoběžné, ale různě posunuté.
- Cholesterická
struktura - krystaly jsou uložené ve vrstvách, v těchto vrstvách mají
rovnoběžné osy, ale směry os krystalů ve vrstvách jsou pootočené.
LCD displeje jsou vyráběné s pasivní nebo
s aktivní maticí.
LCD monitory s pasivní maticí mají mřížku vodičů
s pixely nacházejícími se na
každém průsečíku v mřížce. Proud protéká dvěma vodiči v mřížce, aby
aktivoval světlo pro každý pixel. Takové monitory mají elektrody v řádcích
na jedné polovině skla monitoru a na druhé polovině jsou elektrody
umístěné ve sloupcích. Elektrody jsou zpravidla vyráběné z ITO,
což je poloprůhledný metal - oxid. Průsečíky řádků a sloupců tvoří pixel.
Když elektrický impuls projde jedním řádkem a jestliže určitý sloupec je
uzemněný, tak vznikne elektrické pole, které může změnit stav kapalného
krystalu (z bílého na černý). Opakováním tohoto procesu vznikne na
monitoru obraz.
Problémy vznikají, když počet řádků a sloupců narůstá,
protože s vyšší hustotou pixelů musí být velikost elektrody redukovaná
a velikost napětí nutně narůstá. Vybraný pixel je aktivní (černý), ale
okolí je rovněž částečně aktivní (šedé). Částečně aktivní pixely snižují
kontrast a kvalitu obrazu na monitoru. Problémem je i rychlost
zobrazování tekutého krystalu. Displej musí být schopný reagovat za méně než
40 milisekund. Většina tekutých krystalů s rychlostí zobrazování mezi
150 a 250 milisekundami má problémy s rychlostí přepínání
mezi černým a bílým obrazem, jestliže to musí provést velmi rychle. To se
projevuje v rozmazaném obraze při použití rychlé grafiky, například při
přehrávání videa.
Monitory s tekutými krystaly se skládají ze dvou
rovnoběžných skleněných destiček, z vrstvy vodivého materiálu, elektrody
na definování pixelů a z ovladače integrovaného obvodu na adresování
sloupců a řádků. Mezi skleněnými destičkami vzdálenými od sebe asi
20 mikrometrů je uzavřená kapalina s nematickou strukturou. Na
vnitřní straně přední destičky jsou napařené elektrody z průhledného
vodivého materiálu. Zadní destička je pokrytá vrstvou vodivého materiálu. Když
na elektrody připojíme velké napětí (min. 5V), na místech, kde působí
elektrické pole, vznikne turbulentní proudění krystalů. Kapalina se zakalí
a vznikne dynamický rozptyl.
Použití střídavého napětí je výhodnější, protože se při něm
nevyskytují parazitní jevy, které nepříznivě ovlivňují životnost zobrazovací
jednotky (elektrolýza, rozpouštění diod apod.) Jde o pasivní zobrazovací
jednotku, která negeneruje světlo. Tyto displeje můžeme běžně vidět na
kalkulačkách. Znaky je možné pozorovat v dopadajícím světle, proti tmavému
pozadí nebo v průhledu při osvětlení zadní strany. Symboly jsou nečitelné
tehdy, když na zobrazovací jednotku nedopadá dostatečné množství světla. Čas
potřebný na vznik dynamického rozptylu je asi 10 až 20 ms, obraz
zmizí asi za 80 ms po zániku elektrického pole. Velkou výhodou
zobrazovacích jednotek s pasivní maticí je i extrémně malý příkon.
Například při výšce znaku 13 mm, napájecím napětí
25 V a frekvenci 50 Hz je proud na jeden segment
1 mikroampér.
Některé LCD monitory s pasivní maticí mají duální
scanovaní (snímání), což znamená, že scanují (snímají) mřížku s proudem
dvojnásobnou rychlostí. Nejjednodušší LCD zobrazovače s pasivní maticí
jsou sedmisegmentové zobrazovače.
V monitoru bez připojeného napětí jsou osy tekutých
krystalů rovnoběžné s povrchem destiček nebo jsou na ně kolmé a celá
destička má stejné optické vlastnosti - je čirá a průhledná. Molekuly
kapalných krystalů jsou umístěny kolmo na skleněné destičky. Mezi elektrodami
není napětí. Orientace molekul na obou destičkách je pootočená
o 90 stupňů. Molekuly jsou tedy orientované ve tvaru šroubovice mezi
dvěma skly. Na buňku jsou z vnější strany přilepené polarizátory, jejichž
směry polarizace jsou rovněž pootočené o 90 stupňů. Světlo, které
proniká displejem, je lineární a polarizované prvním polarizátorem. Ve
stavu bez napětí otáčí vrstva kapalných krystalů směr polarizace světla
o 90 stupňů. Monitor je pak jasný. Po připojení střídavého napětí
několika voltů se molekuly krystalů otočí kolmo na desku. Světlo se pohltí
v druhém polarizátoru a displej bude tmavý.
LCD displeje s aktivní maticí byly vyvinuty, aby
eliminovaly problémy monitorů s pasivní maticí. Jsou známé též jako TFT
displeje. Maticové zobrazovače mají tranzistor nebo diodu na každém průsečíku
pixelů, takže potřebují méně proudu na ovládání svítivosti pixelů. Díky tomu
může být proud v maticovém zobrazovači vypínaný a zapínaný mnohem
častěji, čímž se zvýší obnovovací frekvence obrazovky (refresh rate),
tj. frekvence s jakou se obnovuje obraz na obrazovce. TFT displej
může obsahovat amorfní křemík anebo polykrystalický křemík.
TF tranzistory kompletně izolují jeden pixel od ostatních
v displeji a eliminují tak problémy vznikající při částečně aktivních
pixelech. Jeden pixel představuje nejmenší zobrazovatelnou jednotku na
obrazovce, což však platí v případě monochromatických displejů.
U barevných displejů jeden pixel tvoří tři další subpixely, červený,
zelený a modrý. Na výrobu plně funkčního barevného VGA displeje pro
rozlišení 640x480 musí být pro každý bod (pixel) použity
3 TF tranzistory, což znamená celkem
921 600 TF tranzistorů.
Existují dva druhy rozložení pixelů na TFT displejích.
Pruhové rozložení určené pro obyčejné LCD monitory.
Při tomto rozložení se na obrazovce střídají pásy červené, zelené a modré
barvy.
Trojúhelníkové rozložení určené pro multimediální
a promítací displeje. Barevné pixely jsou rozložené v trojůhelníkovém
tvaru.
Výhodou LCD monitorů je, že časem neztrácejí kvalitu
zobrazování, protože tekutý krystal, který se v nich nachází, se vrátí
do normálního stavu vždy, když se monitor odpojí od napájecího napětí.
Další výhodou LCD monitorů jsou nízké radiační emise.
Teplota ovlivňuje LCD zobrazovače tím, že při nízkých
teplotách je pohyblivost elektronů velmi malá, a proto je čas reakce
větší. Naopak, když je monitor velmi teplý, mění se odpor tekutého krystalu
a výkon klesá. Požadované příčné elektrické napětí se přes LCD zobrazovač
tedy mění v závislosti na teplotě okolí. Polarizátory a tekutý
krystal absorbují více než 50% dopadajícího světla. Když paprsek světla
dopadne na krystal, ten se rozštěpí na dva samostatné paprsky tak, že jsou na
sebe kolmé. Když se paprsky rozdělí, jejich dráhy jsou různě dlouhé
a dosáhnou uživatelovo oko v nepatrně jiném čase. Toto je podstatná
věc, protože když se uživatel dívá na monitor v jiném zorném úhlu než je
přímý, může se stát, že bude vidět oba dva
paprsky najednou, a to způsobí, že barvy zmizí anebo budou
pomíchané např. světlé barvy budou tmavé a tmavé barvy budou světlé. Kvůli
optickým vlastnostem LCD monitorů je malý zorný úhel, kterým je možné se na
monitor dívat. Díky stále se zlepšující technologii polarizátorů
a materiálu tekutých krystalů se však budou objevovat monitory
s větším počtem zobrazovaných barev a s větším možným zorným
úhlem.
Velmi důležitou vlastností CRT obrazovek je vzdálenost mezi dvěma zobrazenými body
neboli bodová rozteč (Dot Pitch). Jedná se o přímou nejkratší vzdálenost
dvou bodů stejné základní barvy. Obecně platí, že čím je bodová rozteč nižší,
tím lépe. Při nízké bodové rozteči totiž monitor dokáže ostře zobrazit
i vyšší rozlišení. Na obrázcích je znázorněno měření bodové rozteče
u invarových obrazovek a u obrazovek typu trinitron nebo
štěrbinových obrazovek (např. CromaClear). Pro invarové obrazovky je špičkovou
hodnotou 0,24 mm, pro trinitronové pak 0,22 mm.
Velmi důležitou vlastností monitoru je rozlišení, které je
schopen zobrazit a zejména obnovovací frekvence, s jakou se obraz
v daném rozlišení na monitoru obnovuje. Ta hraje podstatnou roli
zejména u CRT monitorů, u kterých se může uživateli zdát, že při
nižším nastavení obnovovací frekvence obraz "bliká". LCD displeje díky větší setrvačnosti
zobrazených pixelů tuto vlastnost částečně eliminují. Za minimální použitelnou
obnovovací frekvenci se považuje 75 Hz, za ergonomickou pak 85 Hz.
Rozlišení monitoru pak souvisí s jeho velikostí, resp.
s úhlopříčkou obrazovky. U 15" monitorů je to alespoň 800x600
pixelů, u 17" alespoň 1024x768 a u 19" pak 1280x1024.
Každý monitor je vybaven také ovládacími prvky, které slouží
nejen pro zapínání a vypínání, ale také pro nastavení jasu, kontrastu
a dalších vlastností obrazu jako je teplota barev, korekce různých
obrazových deformací a možnost demagnetizace obrazu, pokud např. byl
monitor delší dobu vystaven působení nějakého vnějšího magnetického pole.
Ovládání pak bývá realizováno buď otočným ovládacím prvkem nebo několika
tlačítky, které slouží pro pohyb v menu na obrazovce, takzvaném OSD.
Kromě toho může být monitor vybaven také vestavěnými
reproduktory či mikrofonem, popřípadě USB rozbočovačem.
Klasické CRT monitory pak bývají ke grafickému výstupu
počítače připojeny buď pomocí konektoru D-SUB 15, profesionální modely pak
pomocí konektorů BNC pro každou barvu zvlášť. LCD displeje mohou být připojeny
bud analogově pomocí konektoru D-SUB 15 či digitálně přes DVI výstup.
Digitální připojení LCD panelů také odstraňuje některé neduhy analogových LCD
panelů, jako například "mapy" na šedých plochách.
Samozřejmostí je také splnění norem jako MPR II (limity
pro vyzařování magnetického pole) a TCO 95 či TCO 99
(snížené vyzařování a úsporný režim při nižších energetických nárocích).
Pro sestavení tohoto přehledu jsem vybral několik modelů
monitorů od tří firem, jejichž produkty jsou na našem trhu běžně dostupné. Jako
zástupce nižší cenové kategorie jsem vybral firmu AOC, jako zástupce střední
třídy firmu ADI a vyšší třídu v mém přehledu zastupují výrobky firmy Sony.
Uvedené ceny jsou z ceníku firmy TS Bohemia platné pro týden od 19. do 23.
listopadu 2001. Ceny nezahrnují DPH.
Pojmy
[1] Cathode Ray Tube
[2] Liquid Crystal Display
[3] Red - Green - Blue
[4] DeskTop Publishing
[5] Computer Aided Design
[6] Liquid Crystal Display
[7] Twisted Nematic Field Effect
[8] Indium Tin Oxide
[9] Thin Film Tranzistor
[10] On Screen Display
WWW adresy na nejznámější výrobce monitorů
ADI
AOC
Sony