A lap 2006. december 14., 16:10-kori változata

MONITOR

Történet

1960: Az első PDP, azaz Plasma Display Panel ötlete. Az Illinois Állami Egyetem adott helyet a kutatásoknak. Még belegondolni is furcsa, hogy már 40 év telt el azóta, hogy az első 4 x 4 képpont felbontású plazmakijelzőt megalkották. A fejlesztés Donald Bitzer és Gene Slottow nevéhez főződik. 1960-1980: Neon gáz alapú monokróm paneleket készítettek -- persze tömegtermelésről nem beszélhetünk. 1971 : A kijelzőkben, így videokameráknál használatos, kisebb mérető televíziókban és számítógépes monitoroknál, valamint a videovetítőkben. 1990 : A ma is használatos kijelzők első generációi jelentek meg a szórakoztatóelektronikában. Ezek a kijelzők már, hasonlóan a mai modellekhez, foszfor-UV gerjesztésűek voltak. A mai sorozatgyártású kijelzők már a 60 hüvelyk méretet is meghaladják, sőt a Samsung nemrég egy 80 hüvelykes változatot mutatott be.

Definíció

Napjaink képmegjelenítő technikája meglehetősen színes világ. Többféle megoldás verseng egymással, és hol az egyik, hol pedig a másik közelíti meg egy picit az élmezőnyt. Ezt a bizonyos élmezőnyt pedig a hagyományos CRT (katódsugárcsöves) megjelenítés képviseli, amely már hosszú évtizedek óta uralja mind a fogyasztói elektronika, mind pedig a profi technika világát. Mindennemű fejlesztés ellenére ez a megoldás valószínűleg még hosszú ideig fogja szolgálni a felhasználókat, még akkor is, ha méretkorlátokkal és súlyproblémákkal küzd. Természetesen emellett megjelentek az alternatív kiváltó megoldások, mint az LCD, a DLP (projektoros TV-kben), a plazmatechnika, valamint az egyéb megoldások, de mindeddig egyik sem könyvelhet el magának egyértelműen áttörő sikert. Áttekintő jellegű írásunk tehát nem azt célozza meg, hogy bármelyik megjelenítőt kitüntessük érdemei miatt, és a legjobbnak kiáltsuk ki, hanem betekintést szeretnénk nyújtani az egyes kijelző fajták technikai részleteibe. Témánk kereteit annyiban korlátozzuk, hogy a kétrészes cikk első részében a katódsugárcsöves televízióknak legnagyobb konkurenciát jelentő plazma- és LCD képernyőkkel, illetve televíziókkal foglalkozunk.

Televíziós megjelenítés CRT-vel:

A hagyományos monitorok vagy televízió-készülékek legfontosabb alkotóeleme a megjelenítő képcső, esetünkben a katódsugárcső. (Angol elnevezése Cathode Ray Tube, azaz CRT). Ha a képernyőt elég nagy távolságból nézzük (általában a képátló négyszerese-ötszöröse javasolt), a megjelenített kép folytonosnak látszik. Közelről azonban felismerhető, hogy a képek nem folyamatos vonalakból állnak (ami a videókép alapvető jellemzője), hanem valójában apró pontokból épülnek fel. Ezeket a pontokat képelemeknek vagy pixeleknek nevezzük. Egy képpont három "alképpontból" (szubpixel) áll, amelyek rendre a három alapszín egyikének felelnek meg. Az egyes képpontok szigorú rend szerint mátrixba rendeződnek. A képernyőn a pontok úgy rajzolódnak ki, hogy az elekronsugár végigfut a felületen balról-jobbra és fentről lefelé (ahogy írunk). Tehát elkezdi a bal felső sarokban, vízszintes (valójában kissé ferde) vonalban halad -- ahol kell, nagyobb energiával dolgozik -- egészen a képernyő jobb széléig. Itt kioltásra kerül, visszafut a bal oldalra és az előbb meghúzott sor alatt, ahhoz közel húz egy következő sort. Ezt egészen addig folytatja, amíg eléri a képernyő alját. Ekkor az elektronsugár visszatér a bal felső sarokba (képkioltás), és kezdődik minden elölről.

A hagyományos tévékép úgynevezett váltott soros vagy félképváltásos (interlaced) módon rajzolódik ki, azaz az elektronsugár először a páratlan sorokat rajzolja fel, majd visszafut a kép elejére és a páros sorok következnek. Egy PAL szabványú tévékép 625 vízszintes sorból épül fel, de ebből csak 576 sor látható, a többit "elviszi" a képkioltás. A PAL televíziókon - ha a felbontás-növelő eljárásoktól most eltekintünk - a függőleges felbontás felső határa tehát a rendszerből adódóan 576 sor. Ma már létezik nagyobb függőleges felbontású TV-kép is, a HDTV szabvány esetében pl. akár 1080 látható sor is lehet. A mostanában elterjedő televíziókon (főként az új plazma- és LCD készülékekben) a képek kirajzolása ún. progresszív, vagyis non-interlaced (nem váltottsoros, egészképes) módon történik. A sorok megrajzolása ebben a képernyő tetejétől az aljáig egy menetben, folyamatosan megy végbe.

A katódsugárcső felépítése:

Az egyszerűség kedvéért kezdjük a tipikus fekete-fehér képcső vázlatos ismertetésével! A katódsugárcső fő részei: az elektronágyú, az eltérítő tekercsek és az anód, no és persze maga a képernyő, a fényt kibocsátó foszfor (luminofor) réteggel. Az elektronágyú maga is összetett szerkezet. A felfűtött katódból elektronok lépnek ki. Az elektronsugarat az igen nagy egyenfeszültségre (több ezer volt) kötött, a képcső belső felületére felvitt grafit anód gyorsítja fel, hogy az elektronok a foszforréteghez érve elég nagy energiával csapódjanak be a fény gerjesztéséhez. Az elektronágyú további része a vezérlőrács, amely a rá adott negatív előfeszültséggel tudja vezérelni az áthaladó elektronok mennyiségét. Ezután "előgyorsító", azután fókuszáló elektródák következnek, majd a kellően fókuszált és felgyorsított elektronsugár a függőleges és vízszintes eltérítő tekercsek mágneses terébe kerül. (Elvileg elektrosztatikusan is megoldható az eltérítés, de a gyakorlatban a mágneses eltérítés terjedt el.) Az eltérítő tekercsekre érkező feszültség időfüggvényének megfelelő megválasztásával elérhető, hogy az elektronsugár pontosan a képernyő kívánt helyére érkezzen az adott időpontban.

A színes technika:

A színek televíziós előállításának alapja két biofizikai felismerés. Az első, hogy az emberi szem felbontóképessége véges, ami azt jelenti, hogy egy meghatározott távolságnál közelebb lévő két pont az agyban egy képpé olvad össze, tehát egyetlen pontnak látjuk. A második elv az, hogy ha két színt összekeverünk, akkor azt egy harmadik színnek érzékeli az emberi szem. Az additív színkeverésnek megfelelően a képernyő színárnyalatait három alapszínből, vörösből, kékből és zöldből keverjük ki (R, G, B). Bármely tetszőleges színárnyalat tehát a három alapszínből, a vörösből, a zöldből és a kékből előállítható. A három alapszín megfelelő arányú additív keveréke kiadja a fehéret.

A színes képcsőben mindegyik alapszínnek egy-egy elektronsugár felel meg. A katódból kilépő három elektronsugár a célba vett színpont-hármas vagy színcsík-hármas előtt kereszteződik, és mindegyik csak a meghatározott színű foszforpontot/foszforcsíkot találhatja el. Alapvetően ezt egy árnyékmaszknak, vagy más képcsőtípusokban rácsmaszknak vagy aperturarácsnak nevezett, sok-sok lyukkal vagy réssel ellátott lemez biztosítja. A három elektronsugár eltérítésének bonyolultsága miatt azonban a pontos becsapódás még így sem teljesül magától, hanem korrekciós áramkörökkel és a képcsőre épített korrekciós mágnesekkel kell a színtisztaságot és a konvergenciát (az elektronsugarak összetartását) a gyártáskor beállítani.

Az első, széles körben elterjedt kiforrott színes képcső a delta árnyékmaszkos képcső volt. TV-készülékekben ma már nem alkalmazzák, precíziós monitorokban még előfordul.

A deltaképcsőben a három elektronágyú a cső tengelye körül egymáshoz képest 120 fokos szögben, delta alakban helyezkedik el. Innen kapta a nevét. Alapvetően az árnyékmaszkos (lyukmaszkos) képcsőben az árnyékmaszk határozza meg, hogy a három elektronsugár éppen a megfelelő képponthármasra csapódjon be. A maszkot mintegy másfél centiméterrel a fénypor-réteg elé, a képcső belsejébe építik be. Az árnyékmaszkon pontosan annyi furat van az elektronsugarak számára, ahány színhármas van a képernyőn, tehát mintegy 400.000 furat. Ezek a képernyő szélénél 0,2 mm átmérőjőek, a képernyő közepe felé az átmérő 0,25 mm-ig növekszik. A furatoknak pontosan a háromszög középpontjának vonalában kell elhelyezkedniük. A három sugár úgy van beszabályozva, hogy azok kevéssel a színhármas felett keresztezik egymást, ezután már csak a "saját" fénypontjukat találják el. A lyukmaszknak meg kell tartania az alakját, mert ha deformálódik, akkor konvergenciahiba lép fel. A manapság használatos ún. In-line képcsövekben a fénypontok egymás mellett, függőleges csíkokban helyezkednek el. Itt a résmaszkon (nem lyukmaszkon) nem kerek lyukak, hanem hosszúkás függőleges rések találhatók. Ezeken keresztül jut a három elektronsugár a megfelelő foszforcsíkra (és nem foszforpontra). Azaz a három alapszínt biztosító foszfort itt függőleges csíkok formájában egymás mellett.

A Sony 1968-ban a Trinitron technológia bevezetésével új fejezetet nyitott a képcsőgyártás történetében. A Trinitron képcsövek egyik fontos jellemzője, hogy a megjelenítő felületet nem gömbfelületből, hanem egy hengerpalástból metszették ki. A másik fontos eltérés, hogy az előzőekben említett aperturarács, illetve rácsmaszk rései a képcső teljes magasságában összefüggő hosszú réseket képeznek, nincs szükség a vízszintes irányú osztásra. Az ernyő itt sem R, G, B ponthármasokból áll, hanem függőleges foszforvonalakból, akárcsak az egyéb in-line rendszerő képcsöveknél.

A legújabb fejlesztéső FD Trinitron képcsövek legfontosabb újítása, hogy a képfelület látszólag teljesen sík, de valójában nem az. A képcsőnek csak a külső felülete sík, belül viszont igen enyhén ívelt, mivel ha teljesen sík lenne -- az emberi látás sajátossága miatt -- homorúnak látnánk.

LCD képmegjelenítők:

A CRT technika hátrányai miatt (nagy méretek és tömeg, illetve bizonyos méret felett gyártási nehézségek) előtérbe kerültek azok az alternatív megoldások, amelyek orvosolják ezt a problémát (azt persze semmi nem garantálja, hogy e technológiák nem vetnek fel új problémákat). Az egyik ilyen alternatíva az LCD technika. Manapság már sok LCD monitor- és televíziótípus elérhető azok számára, akik megengedhetik maguknak e (csöppet sem olcsó) választást. Korábban a gyártók nem jósoltak fényes jövőt ennek a képmegjelenítési módszernek a nagy mérető megjelenítők területén, mivel sokáig nem tudtak átlépni egy bizonyos méretkorlátot. Az utóbbi időben ez a probléma elhárult, így akár 1 m képátló feletti változatokkal is találkozhatunk. E készülékek leggyengébb pontja jelenleg az ár, amely magas, és gyakran nincs összhangban az általuk nyújtott teljesítménnyel.

Az LCD másik fontos felhasználása a megjelenítésben a projektorokba és a projektoros televíziókba való beépítés. Ebben az esetben kis mérető LCD panelekről van szó, és a technológia nagyon komoly eredményeket ért el, azonban ez a témakör majd a cikk következő részében szerepel.

Technikai háttér:

Bármilyen hihetetlen, de az LCD (Liquid Cristal Display) kijelzők alapját jelentő folyadékkristály már a XIX. században ismert volt. A felfedezői között leginkább Friderich Reinitzer osztrák botanikust tartják számon, míg az elnevezés Otto Lehmann német fizikustól származik. A folyadékkristály egy átlátszó anyag, mely egyaránt hordozza bizonyos folyékony és szilárd anyagok tulajdonságait. A 60-as években fedezték fel azt a tulajdonságát, hogy elektromos töltés hatására megváltozik a molekulák elhelyezkedése, és ennek következtében a fényáteresztő képessége is módosul. Az LCD technika 1971-óta használatos kijelzőkben, így videokameráknál, kisebb mérető televíziókban és számítógépes monitoroknál, valamint a videovetítőkben.

Az LCD technika alapja röviden szólva a folyadékkristály átlátszóságának változása elektromos tér hatására. Közelebbről a következőkről van szó:

A vékony folyadékkristály réteg két finoman barázdált felületű "filmréteg" között helyezkedik el, amelyek egymásra merőleges polárszűrőként működnek (Az egész elrendezés két üveglap között van, amelyek belső felületére átlátszó vezető fémréteget visznek fel.) A folyadékkristály réteg nélkül a két polárszűrő teljesen megakadályozná a fény átjutását. A folyadékkristály réteg azonban pont olyan vastag, hogy a benne lévő spirálisan elcsavarodó (twisted) molekulák éppen 90 fokot forgatnak az első polárszűrőn áthaladó fény polarizációs sikján, így az akadálytalanul áthalad a második polárszűrőn. Az RCA felfedezése volt, hogy amennyiben feszültséget (elektromos teret) kapcsolnak a folyadékkristályra, a molekulák újrarendeződnek, és úgy állnak be, hogy nem forgatják el a polarizációt, azaz ez esetben a fény nem tud átjutni a kettős polárszűrőn. Ez a működés alapelve. Az LCD kijelzők természetesen sok-sok elemi folyadékkristályos pixelből állnak, amelyek vezérlése egyenként, külön-külön történik. A színes képernyőknél mindezt kiegészíti a beépített színszűrő, és a színes kép létrehozása ugyanolyan elveken alapul (a három alapszínből), mint az egyéb megjelenítőknél.

Az LCD kijelzőknek két alaptípusa van. A DSTN (Dual-Scan Twisted Nematic) azaz passzív-mátrix kijelzők megjelenítési sebessége sajnos meglehetősen alacsony, ezért az ilyen LCD-k nem alkalmasak mozgókép megjelenítésére. Felhasználási területük korlátozott, csak olcsóbb és egyszerűbb készülékekben találkozhatunk velük. A TFT (Thin Film Tranzistor - vékonyréteg tranzisztor) LCD kijelzők megjelenítési sebessége sokkal nagyobb. Ebben a kijelzőtípusban tranzisztorok végzik az egyes képpontok vezérlését. Mivel a nagyszámú bipoláris tranzisztor túlságosan megnövelné a kijelző fogyasztását, a TFT LCD-ben az úgynevezett FET (Field Effect Tranzistor - térvezérléső tranzisztor) változatok kaptak helyet, amelyek alig mérhető áramot vesznek fel. A TFT kijelző minden képpontját egy aktív elem, azaz egy tranzisztor vezérli. Ezért hívják az ilyen LCD-ket aktív-mátrix kijelzőknek.

Szubpixel technológia:

A Samsung egyik újítása révén orvosolni próbálja az LCD egyik örök problémáját: a kis fényerőt. A három szubpixel (RGB) mellé még egy színt, a fehéret is felvették. A kijelző így négy színből építi fel a képpontot, és 30-70 százalékkal világosabbak hagyományos társaiknál, változatlan teljesítmény-felvétel mellett. A fehér színt úgy kapják meg, hogy a fluoreszkáló háttérfényt átszűrik egy RGB-szűrőn. Ezt a szubpixel-technológiát azért vezette be a dél-koreai vállalat, hogy növelje a képernyők felbontását és fényességét. A horizontális szubpixel-technológia finomítja a pixel vertikális láthatóságát, aminek köszönhetően élesebbé válnak a betűk szélei.

Plazmakijelzők:

A plazmakijelzők sok kérdést felvető képmegjelenítő eszközök. Annak ellenére, hogy nagyon jó képminőséget tudnak előállítani, és már legalább a hatodik generációnál tart a fejlesztésük, nem jellemző rájuk a tömeges elterjedés. Ennek elsőleges oka magas, és csak nagyon lassan csökkenő áruk. Ennek ellenére ígéretes alternatívát jelentenek, és hosszú távon szerepük meghatározó lehet.

Működési elv:

A plazmakijelző celláinak (pixeleinek) működése nagyon hasonló a gázkisüléses lámpák működéséhez: nagyfeszültség hatására a gázmolekulák ionizálódnak (az elektronok kiszakadnak a külső elektronhéjról), az ionok az elektromos térben felgyorsulnak, és további atomokat gerjesztenek vagy ionizálnak. Az alapállapotba való visszatérés és rekombináció során fény keletkezik. A keletkező fény színét a töltőgáz (például neon esetén narancsvörös) szabja meg.

A színes plazmacellákban a töltőgáz az elektromos gerjesztés hatására az ibolyántúli tartományban sugároz, és a fénycsőhöz hasonlóan ezt a sugárzást fénypor segítségével alakítják át látható fénnyé. A három szubpixelt külön-külön kell címezni, s a kisülésük rendre vörösen, zölden, kéken világító fényport gerjeszt. Az AC panelek esetén a két üveglemez távolsága 100 m m-200 m m. Külön átlátszó elektródapár hozza létre a kisülést, és vezérlő adatelektróda vezérli annak intenzitását. Az első üveglap és a cellák között helyezkednek el a vízszintes adatelektródák, míg a hátsó lap és a cellák között a függőleges kijelző elektródák.

A PDP-k hátránya, hogy nagy (150 - 200 V) feszültség szükséges a vezérléshez, a pixelek közötti távolság (pitch) 0,3 mm - 0,4 mm . A kijelzők fajlagos fényessége rendszerint 1 lm/W, de némelyik gyártó magasabb feszültségű vezérléssel 1,8 lm/W teljesítményt is létrehoz. Teljesítmény-felvételük 400-500 W közötti, de a 60 colos változatok 700 W-ot is felvesznek. Mindezek ellenére, ha a felületegységre vonatkoztatott árat sikerül elfogadható értékre csökkenteni, úgy a PDP a jelenlegi lapos képernyőknek komoly vetélytársa lehet, főleg ahol nagyobb kijelzőkre van szükség.

A fent bemutatott kijelzőtípusok a piacon legelterjedtebb megoldások, ezek mellett több olyan kijelző létezik, amely fejlesztési stádiumban van, illetve még nem érett meg a tömeges előállításra. Ezek közül érdemes megemlíteni az organikus kijelzőt, az OLED displayt. Egyre több nagy gyártó termékeiben használják és egyszer talán az LCD-t is kiválthatja. Összességében elmondható, hogy mindegyik kijelző rendelkezik valamilyen speciális tulajdonsággal, ami miatt életképesnek mondható. Természetesen a jelenleg még uralkodó CRT-t fel fogja váltani az LCD, a plazmaképernyő (esetleg más elven működő megjelenítő eszköz), de ez a változás csak nagyobb időtávlatban valósul meg.