close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Ziatdinov 002E2731DB

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
С. И. Зиатдинов
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА В ДИЗАЙНЕ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2017
УДК 004.9
ББК 32.973.26-04
З-59
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор А. П. Шепета;
старший преподаватель Т. В. Семененко
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Зиатдинов, С. И.
З-59 Технические средства в дизайне: учеб. пособие / С. И. Зиатдинов. – СПб.: ГУАП, 2017. – 75 с.
ISBN 978-5-8088-1212-3
Рассматриваются различные технические устройства, используемые при создании дизайнерских проектов. Особое внимание уделяется изучению принципов работы и сравнительным характеристикам
широкого круга средств отображения визуальной информации на базе мониторов с монохромными и цветными электронно-лучевыми
трубками; жидкокристаллическим дисплеям, плазменным панелям,
мониторам на полимерных пленках, электронной бумаге. Достаточно
подробно освещены вопросы, связанные с различными проекторами,
цифровыми аппаратами, сканерами и принтерами и т. д.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по
направлению 09.03.02. «Информационные системы и технологии в
дизайне».
УДК 004.9
ББК 32.973.26-04
ISBN 978-5-8088-1212-3
© Зиатдинов С. И., 2017
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2017
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях рыночной экономики вопросы удовлетворения вкусов, потребностей и требований заказчиков различного рода услуг являются крайне актуальными. Особенно остро это
проявляется в рекламном бизнесе, торговле и т.д. Создание привлекательной, красочной и содержательной рекламы в значительной
степени определяет коммерческий успех, финансовое процветание
компаний.
Повышение жизненного уровня позволяет людям пользоваться
в быту все более дорогими и разнообразными техническими средствами: личный и общественный транспорт, комфортное жилье,
средства коммуникации, красивая одежда, загородные коттеджи
с интересными и удобными интерьерами.
Для создания привлекательного образа предметов пользования
требуются специалисты, обладающие как техническими профессиональными навыками, так и навыками в области эстетического решения разнообразных и сложных задач практически во всех областях человеческой жизни.
Дисциплина «Технические средства в дизайне» входит в образовательную программу подготовки специалистов по направлению
«Информационные системы и технологи в дизайне». Содержание
дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с изучением
устройства и принципов работы как существующих, так и перспективных периферийных устройств, используемых в повседневной
работе дизайнера. Это разнообразные дисплеи, проекторы, фотоаппараты, сканеры, принтеры. Особое внимание уделяется сравнению
технических характеристик устройств, используемых дизайнерами.
3
1. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ
ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ (МОНИТОРЫ)
Мониторы относятся к электронным устройствам, предназначенным для визуального отображения текстовой и графической информации.
Мониторы выполняются на базе монохромных или цветных
электронно-лучевых трубок, жидкокристаллических экранов,
плазменных и светодиодных панелей.
1.1. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ или CRT-мониторы)
Электронно-лучевые трубки (кинескопы) преобразуют электрические сигналы в изображения в оптическом диапазоне. Воспроизведение изображения на экране обеспечивается отклонением электронного
луча по определенному закону и модуляцией тока луча сигналом изображения. Кинескоп представляет собой стеклянную колбу (рис. 1),
состоящую из цилиндрической горловины и конической части.
В горловине размещена электронная пушка, выводы которой
(кроме анода) сделаны через цоколь. Вывод анода расположен на конической части колбы и соединен с электронной пушкой через внутреннее проводящее покрытие колбы, называемое аквадагом.
Переднее стекло конуса колбы является экраном. Экраны современных кинескопов имеют прямоугольную и не строго сферическую упрощенную форму. Внутренняя поверхность экрана покрыта
люминофором. В качестве люминофора используются сложные составы на основе редкоземельных металлов.
Люминофор – это вещество, которое излучает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Электроны из электронной
Аквадаг
Управляющая сетка
Анод
Отклоняющая
система
Стеклянный экран
Цоколь Катод
Люминофор
Подогреватель Фокусирующий
электрод
Рис. 1
4
Алюминиевое
покрытие
пушки попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т. е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться – чем больше энергия электронного пучка, тем ярче свечение. Отклоняющая система направляет пучок
электронов так, что он сканирует весь экран, строка за строкой. Поскольку скорость сканирования очень большая, то глаз, в силу своей инерционности, воспринимает изображение как стабильное.
В кинескопе на люминофор наносится тонкая (0,05...0,5 мкм)
алюминиевая пленка. Эта пленка при напряжении на аноде более
10 кВ прозрачна для электронов и, в то же время, как зеркало отражает свечение люминофора в сторону зрителя, что повышает светоотдачу экрана.
Внутри катода кинескопа находится нить накала (подогреватель), на которую через выводы цоколя подается напряжение накала 6,3 В.
Под действием напряжения нить накала разогревается до температуры, соответствующей красному свечению.
В результате электроны нити накала получают большую энергию и покидают нить. При этом в катоде появляется сине-зеленое
облако электронов. От внешнего источника питания между анодом
и катодом создается высокое напряжение (10 кВ для черно-белых
кинескопов и 20–30 кВ для цветных кинескопов), под действием которого электроны вылетают из катода и устремляются к экрану. Вертикально отклоняющие
катушки
Горизонтально отклоняющие
катушки
Рис. 2
5
Для управления силой тока в электронном луче на управляющую сетку относительно катода подается отрицательное напряжение. При увеличении отрицательного напряжения на сетке электронный луч ослабевает, а при уменьшении – на сетке электронный
луч усиливается. Далее электронный луч фокусируется фокусирующим электродом. Оптимальная фокусировка электронного луча
достигается подбором потенциала фокусирующего электрода.
Для отклонения электронного луча на горловину кинескопа надевается отклоняющая система (рис. 2), состоящая из двух пар катушек специальной формы. Через катушки протекают отклоняющие токи, вырабатываемые генераторами разверток. Поле одной
пары катушек отклоняет луч по горизонтали, а поле другой, одновременно, по вертикали. В результате на экране кинескопа высвечивается прямоугольник, называемый растром. 1.2. Модуляционная характеристика кинескопа
Электронный луч кинескопа модулируется напряжением сигнала изображения, которое прикладывается между управляющей
сеткой и катодом.
Зависимость тока луча кинескопа Iл от разности потенциалов
между катодом и сеткой Uм называется модуляционной характеристикой кинескопа (рис. 3).
Из модуляционной характеристики видно, что при больших отрицательных напряжениях на сетке относительно катода ток луча
Iл, мкА
200
150
100
50
0
Uм, В –80
–60
–40 –30 –20
Рис. 3
6
0
становится равным нулю – кинескоп закрыт. С уменьшением отрицательного напряжения на сетке ток луча, а следовательно, и яркость свечения экрана, возрастают.
В современных кинескопах черно-белого изображения самое
темное место изображения соответствует напряжению на сетке минус 70 В, а самое светлое – напряжению –30 В. При этом ток луча
Iл = 100…150 мкА. Дальнейшее увеличение тока луча вызывает его
расфокусировку и поэтому обычно ограничивается.
Модуляционная характеристика кинескопа имеет нелинейную
зависимость между током луча и напряжением на модуляторе . Такая же зависимость будет между яркостью свечения экрана Вэ и напряжением сигнала изображения Uс, приложенным между катодом и сеткой, где k – коэффициент пропорциональности.
Нелинейность модуляционной характеристики приводит к искажению воспроизводимой на экране кинескопа контрастности изображения по сравнению с оригиналом – светлые детали изображения воспроизводятся с большей контрастностью, а темные детали –
с меньшей контрастностью. Для компенсации этих искажений осуществляют гамма – коррекцию сигналов изображения, пропуская
их через цепь, имеющую характеристику, обратную модуляционной. 1.3. Понятие о развертке изображения
В основе передачи изображения лежит поочередная передача его
элементов.
Процесс передачи изображения по элементам называется разверткой изображения, а порядок передачи отдельных элементов
изображения – способом развертки. Развертка изображения осуществляется электронным лучом кинескопа. При этом принято
равномерное движение развертывающего луча по параллельным
горизонтальным линиям, называемыми строками, при одновременном смещении в вертикальном направлении. Все строки, располагаясь одна под другой, образуют растр.
На рис. 4 показано образование растра. Число строк условно взято равным 12.
Движение луча вдоль горизонтальной оси называется строчной
разверткой, а вдоль вертикальной оси – кадровой разверткой. Движение луча от начала строки к ее концу образует прямой ход строчной развертки; возвращение луча от конца предыдущей строки
к началу следующей называется обратным ходом развертки. Сумма
7
Номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Прямой ход строчной развертки
Обратный ход строчной развертки
Обратный ход луча по окончании
текущего кадра
Рис. 4
времени прямого tпр и обратного tобр ходов составляет период строчной развертки Тстр = tпр+ tобр.
Аналогично строчной развертке, кадровая развертка имеет также прямой и обратный ходы, а период кадровой развертки Тк>>Тстр,
поскольку число строк обычно несколько сотен.
Во время обратных ходов строчной и кадровой разверток изображение не воспроизводится. При этом электронная пушка кинескопа запирается. Очевидно, что время обратного хода как строчной,
так и кадровой разверток должно быть минимальным и на практике составляет приблизительно 10% от периода строки для строчной
развертки и 8% от периода кадровой развертки.
1.4. Чересстрочная развертка
При покадровой передаче изображений для их слитного восприятия необходимо воспроизводить изображения с частотой не ниже 50 кадров в сек. Однако при такой частоте смены кадров сигнал изображения занимает очень широкую полосу частот, что по
целому ряду причин нежелательно. Поэтому в системах передачи
и воспроизведения изображения частота смены кадров выбирается
вдвое ниже, т. е. 25 кадров в сек., но применяется чересстрочный
способ развертки изображения, при котором передается и воспроизводится полный кадр в виде двух полукадров или полей. За время
развертки первого полукадра на экране кинескопа воспроизводится
изображение, соответствующее нечетным строкам кадра, а за время развертки второго полукадра воспроизводится изображение, соответствующее четным строкам кадра. Таким образом, получается,
что в секунду воспроизводится не 25, а как бы 50 кадров. 8
Первый полукадр
1
2
3
5
7
9
11
Второй полукадр
1
2
Полный кадр
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
4
6
8
10
12
Рис. 5
Каждое поле содержит информацию только о половине элементов изображения целого кадра. Однако благодаря инерционности
глаз воспринимает изображение обоих полей как слитное изображение, содержащее полное число элементов. Слитному восприятию
способствует также тот факт, что при большом числе строк разложения сюжет изображения одной строки мало отличается от сюжета изображения следующей строки. На рис. 5 показано образование растра при чересстрочной развертке для 12 строк.
В первом полукадре движение электронного луча начинается
в левом верхнем углу растра. Луч прочерчивает первую строку, смещаясь по вертикали к концу ее прямого хода под действием кадрового отклоняющего магнитного поля на уровень третьей строки, затем прочерчивает 3, 5, 7, 9 и, наконец, 11 строки. Затем за время
обратного хода возвращается к началу 2-й строки. Далее прочерчивает все четные строки (2, 4, 6, 8, 10, 12) и возвращается в начало
первой строки. Затем весь процесс движения электронного луча непрерывно повторяется.
Параметры развертки. Развертка изображения характеризуется следующими параметрами: числом строк разложения в одном
кадре z, числом передаваемых кадров в секунду n, форматом кадра
k, т. е. отношением ширины растра к его высоте, периодом развертки кадра Тк, полукадра Тпк и строки Тстр. На практике приняты следующие характеристики: z = 625;
n = 25; k = 4/3; Тк = 40 мс; Тпк = Тк/2 = 20 мс; Тстр = 64 мкс. Следовательно, частота развертки полного кадра fк = 1/Тк = 25 Гц кадровая
развертка), частота строчной развертки fстр = 1/Тстр = 15625 Гц.
9
Направление движения электронного луча во время прямого хода строчной развертки принято слева направо, кадровой развертки
сверху вниз.
Основные качественные характеристики кинескопа. К числу
основных качественных характеристик кинескопа относятся яркость, контрастность и четкость изображения. Яркость изображения определяется силой светового потока, излучаемого кинескопом. Под контрастностью изображения понимается уровень перепада яркости светлых и темных участков изображения. Четкость изображения оценивается по способности кинескопа воспроизводить
мелкие детали изображения.
1.5. Цветные кинескопы
1.5.1. Понятия света и цвета
Из огромного диапазона существующих в природе электромагнитных волн, лишь узенький их участок в пределах длин волн
λ≈380–770 нм (нм нанометр; 1 нм = 10–9 м) обладает способностью
вызывать ощущение света. Волны различной длины вызывают
ощущение света различного цвета.
В табл. 1 приведена шкала распределения диапазона длин световых волн между, хорошо различимыми глазом, спектральными (содержащимися в солнечном свете) цветами.
Таблица 1
Шкала распределения диапазона длин световых волн
Длина
волны, нм
770605
605590
590560
560500
Спектральный цвет
Красный
Оранжевый
Желтый
Зеленый
500470 470430
430380
Голубой
Фиолетовый
Синий
В действительности глаз способен различать не семь, а гораздо
больше (до 150) оттенков спектральных цветов (цветовых тонов) и
около 40 пурпурных цветовых тонов (сиреневый, вишневый и т.п.),
которые не являются спектральными, а образуются в результате
смешения красного и синего цветов.
Если на глаз одновременно воздействуют все спектральные цвета, имеющие примерно равные энергии, то создается ощущение белого цвета. Такое же ощущение может быть получено при воздействии на глаз только двух, но вполне определенных цветов. Эти два
цвета, создающие при смешении ощущение белого цвета, называ10
ются дополнительными. Для каждого данного цвета существует
свой дополнительный цвет, например, для желтого цвета дополнительным служит синий цвет, для оранжевого цвета – голубой, для
зеленого цвета – пурпурный.
1.5.2. Понятие колориметрии
Колориметрия – это наука об изменении цвета, базирующаяся
на законах смешения цветов. Сущность этих законов следующая.
При смешении двух одинаковых цветов образуется смесь того же
цвета. При смешении двух различных спектральных цветов (которые не являются дополнительными) образуется новый цвет, лежащий на шкале спектральных цветов между смешиваемыми цветами. Например, при смешении красного и зеленого цветов образуется желтый цвет, при смешении зеленого и синего – голубой. При
смешении двух дополнительных цветов образуется белый цвет.
Кроме того, белый цвет, а также все остальные цвета можно получить при смешении трех независимых основных цветов, т. е. таких,
каждый из которых нельзя получить путем смешения двух других.
Эта закономерность определяет возможность передавать по каналу связи информацию об основных цветах и восстанавливать на
приемной строке всю гамму цветов изображения передаваемого
объекта.
В качестве основных цветов в колориметрии приняты цвета:
красный R, зеленый G и синий B. Любой цвет F, включая белый,
может быть представлен в виде суммы трех основных цветов, взятых в определенных количествах: F = rR+gG+bB, где r, g, b – коэффициенты, определяющие относительные количества основных
цветов. При этом r+g+b = 1. Экспериментально установлено, что белый цвет получается при r = 0,3; g = 0,59; b = 0,11.
1.5.3. Цветовой график (локус)
Для изучения законов смешения цветов в колориметрии используется цветовой график (рис. 6).
Цветовой график представляет собой прямоугольный треугольник, плоскость которого покрыта координатной сеткой. Внутри
треугольника размещена подковообразная фигура, получившая название локус. По периметру локуса отмечены длины волн в нанометрах, соответствующих насыщенным спектральным цветам. Насыщенные пурпурные цвета размещены на отрезке прямой линии
в нижней части локуса. Внутри локуса (в центре тяжести треуголь11
у
1,0
520
0,8
G
Желтый
Зеленый
560
0,6
Оранжевый
500
Голубой
590
0,4
0,33
Красный
600
С
R
770
0,2
470 B
Синий
0
z
430
Белый
380
х
0,2 0,33 0,4
0,6
0,8
1,0
Фиолетовый
Пурпурный
Рис. 6
ника XYZ) расположена область белого цвета С. Вся остальная площадь локуса условно разделена на участки различного цвета, насыщенность которых убывает по мере приближения от границ локуса
к области белого. Взаимное расположение цветовых участков подчинено закону смешения двух цветов. При этом каждые два цвета, являющиеся дополнительными, расположены диаметрально
противоположно относительно области белого цвета. Если внутри
локуса построить треугольник, то он ограничит область цветов, которые можно получить в результате смешения трех, лежащих в его
вершинах цветов. Таким образом, на рис. 6 обозначен треугольник основных цветов RGB, внутри которого содержатся все цвета,
включая белый.
На локусе каждый цветовой оттенок однозначно характеризуется координатами X и Y. Для белого цвета X = Y = 0,33. Для измерения цвета применяют специальные приборы, называемые колориметрами.
12
Аквадаг
Отклоняющая
система
«Синяя»
пушка
B
Д
B
G
R
Теневая маска
Стеклянный экран
∆Д
R G
«Зеленая»
пушка
«Красная»
пушка
Люминофор
Алюминиевое покрытие
Рис. 7
1.5.4. Цветной кинескоп с теневой маской
и с δ-образным расположением электронных пушек
Устройство цветного кинескопа с теневой маской показано на
рис. 7.
В отличие от монохромного кинескопа в цветном кинескопе имеются три электронных пушки, которые расположены δ-образно по
углам равностороннего треугольника. Электронные лучи отклоняются общей отклоняющей системой. Алюминированный люминофорный экран кинескопа представляет собой мозаику из большого
количества (до 1,5 млн) люминофорных точек трех видов (рис. 8).
Под действием электронной бомбардировки одни светятся красным цветом, другие – зеленым, третьи синим. Люминофорные точки чередуются в строго определенном порядке, образуя триады
(пиксели), т. е. сочетания из трех точек разного вида, центры которых располагаются по углам равностороннего треугольника. Если
смотреть со стороны электронных пушек, то «синяя» люминофорТриада (пиксель)
«Красный» люминофор
R
i-я строка
R
G
G
B
R
i+1-я строка
B
R
B
G
B
R
B
B
«Зеленый» люминофор
G
B
R
G
G
R
«Голубой» люминофор
R
G
B
G
Рис. 8
13
ная точка триады будет снизу, «красная» – вверху, а «зеленая» –
справа. Каждая из трех пушек кинескопа должна возбуждать люминофорные точки только одного вида – «красные», «зеленые» или
«синие».
Пушка, предназначенная для возбуждения «синих» люминофорных точек, помещается в верхней части горловины кинескопа,
«красных» – внизу справа, «зеленых» – слева.
Для того чтобы направить электронные лучи на соответствующие люминофорные точки триады, расположенной в центре экрана кинескопа, оси электронных пушек наклонены под углом около
к оси кинескопа. При этом три луча пересекаются (сходятся) в некоторой точке Д, лежащей на оси кинескопа и удаленной от экрана
на расстояние ΔД, а затем расходятся и попадают на «свои» люминофорные точки триады (рис. 9).
В процессе отклонения общей отклоняющей системой электронные лучи будут перемещаться по экрану, и если не принять специальные меры, то каждый возбудит не только «свой», но и люминофорные точки других цветов, что недопустимо. Для обеспечения
воздействия электронных лучей только на «свои» люминофорные
точки, перед экраном на расстоянии около 12 мм устанавливается цветоуправляющая теневая маска – тонкая металлическая диафрагма с круглыми отверстиями диаметром около 0,25 мм, находящимися против геометрических центров люминофорных триад.
Теперь электронные лучи, пересекаясь в плоскости теневой маски и
проходя через ее отверстия, будут попадать только на «свои» люминофорные точки каждой триады. В промежутках между отверстиями маски путь электронным лучам к экрану преграждается и тем
самым предотвращается возможность возбуждения лучом не «своих» точек.
При одновременном воздействии на экран электронных лучей
глаз человека в силу ограниченной разрешающей способности восМаска
«Голубой» луч
Триада (пиксель)
R
«Зеленый» луч
B
«Красный» луч
G
Отверстия в маске
Рис. 9
14
принимает свечение трех люминофорных точек каждой триады
в виде одного светящегося пятна (пикселя), имеющего цвет смеси
основных цветов (R, G, B). Если интенсивность свечения всех люминофорных точек соответствует ранее указанной пропорции r = 0,3;
g = 0,59; b = 0,11, то цвет каждой триады, а следовательно, всего
экрана будет белым.
Для получения на экране кинескопа цветного изображения необходимо одновременно модулировать предварительно сбалансированные электронные лучи первичными цветовыми сигналами Er,
Eg, и Eb, прикладывая их между катодами и управляющими сетками соответствующих электронных пушек. Если на эти электронные пушки вместо сигналов цветности подать одновременно сигнал
яркости (сигнал черно-белого кинескопа), то на экране кинескопа
воспроизводится черно-белое изображение.
К достоинствам кинескопа данного типа можно отнести высокую
степень четкости изображения, к недостаткам – невысокие яркость
и сочность цветов. Обычно мониторы с теневой маской используются для работы с текстом и компьютерного моделирования.
1.5.5. Цветной кинескоп с апертурной решеткой
Существенным недостатком рассмотренного ранее кинескопа
с теневой маской является сложность динамического сведения трех
лучей. Блок сведения такого кинескопа содержит от 12 до 18 регуляторов. Значительное упрощение эксплуатации кинескопов достигается при планарном (параллельном) расположении электронных
пушек и использовании других цветоуправляющих масок (рис. 10).
«Синяя» пушка
Стеклянная
колба кинескопа
«Синий» луч
«Зеленый» луч
«Красный»
луч
«Зеленая» пушка
Экран
у
х
«Красная» пушка
Рис. 10
15
Красный элемент люминофора
Зеленый элемент люминофора
Синий элемент люминофора
а)
R
G
B
б)
R
G
Шаг полосы
(апертурной решетки)
B
R G
B
R G
B
R G
B
R G
B
B
G
R
Струна апертурной
решетки
Пучок электронов «красной» пушки
Пучок электронов «зеленой» пушки
Пучок электронов «синей» пушки
Рис. 11
Три электронные пушки расположены по горизонтальной прямой линии строго параллельно друг другу. Расстояние между осями пушек около 5 мм. Непосредственно на оси кинескопа располагается «зеленая» пушка, а «красная» и «синяя» – симметрично по
обе стороны от него.
Разработка технологии, призванной повысить яркость, сочность
цветов и упростить управление лучами, привела к созданию апертурной решетки (маски). Такая маска состоит из вертикальных
струн (рис. 11, а). Люминофор, расположенный между струнами решетки, нанесен тонкими вертикальными полосками (рис. 11,б).
Расстояние по горизонтали между полосками люминофора одного
цвета называется шагом полосы или, что одно и то же, шагом апертурной решетки. Естественно, чем меньше его значение, тем выше
качество изображения. У современных мониторов шаг решетки колеблется от 0,23 до 0,27 мм. Лучшие модели кинескопов имеют переменный шаг 0,23 мм в центре и 0,25 мм по краям. За счет того, что
площадь струны по сравнению с площадью отверстия теневой маски
заметно меньше, большее число электронов из луча достигает люминофора, вызывая яркое и насыщенное свечение. Но поскольку лучи
разделяются только по вертикали, мониторы, использующие ЭЛТ
16
с апертурной решеткой, несколько хуже справляются с отображением мелких деталей, например, текста малого размера.
Основное назначение мониторов с апертурной маской – дизайн,
верстка текста, работа с графикой. Следует подчеркнуть две особенности, присущие мониторам с апертурной решеткой. Во-первых,
они плоские в вертикальном направлении; во-вторых, на экранах
таких мониторов всегда присутствуют одна или две (в зависимости
от размера диагонали экрана) горизонтальные тонкие линии. Это не
дефект изображения, а тень от горизонтальной проволоки, поддерживающей и стабилизирующей вертикальные струны.
1.5.6. Цветной кинескоп со щелевой маской
Попытка совместить лучшие качества теневой маски и апертурной решетки привела к созданию щелевой маски. ЭЛТ со щелевой
маской по яркости и сочности цветов приближаются к трубкам
с апертурной решеткой, а по четкости не уступают традиционным
мониторам с теневой маской.
Люминофорный слой такого кинескопа представляет собой чередование тонких вертикальных полосок «красного», «зеленого» и
«синего» люминофоров (рис. 12,а); на рис. 12,б показана элементарная триада «красного, «зеленого» и «синего» люминофоров.
R
G
B
Пиксель
а)
i -1-я строка
i строка
i +1-я строка
Щелевой шаг
Пиксель
б)
R
«Красный»
люминофор
G
B
«Зеленый»
люминофор
«Синий»
люминофор
Рис. 12
17
Пиксель
B
G
R
R
G
B
Щелевая
маска
Триада
Рис. 13
С внутренней стороны экрана кинескопа перед люминофорным
слоем располагается маска, отверстия которой имеют форму щелей, расположенных напротив центральной полоски триады, куда с помощью отклоняющей системы сводятся три луча электронных пушек (рис. 13). Такая структура экрана исключает попадание
каждого из лучей на люминофоры других цветов.
Расстояние по горизонтали между элементами люминофора одного цвета называется щелевым шагом. Чем меньше его значение,
тем выше качество изображение. У современных мониторов оно колеблется от 0,21 мм до 0,27 мм. Мониторы, использующие кинескопы с щелевой маской, обеспечивают оптимальное решение для задач компьютерного моделирования и работы с текстом.
1.5.7. Плоские электронно-лучевые трубки
Большое распространение получили электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с плоским экраном. Основное их преимущество – минимизация геометрических искажений изображения.
Существуют два подхода при проектировании мониторов с плоским экраном. В первом случае плоской является только наружная поверхность экрана ЭЛТ. Плюсы такого решения заключаются
в простоте схемы управления. При этом нет практически никаких
отличий от обычных мониторов. Минусы – визуальные эффекты,
заключающиеся в том, что, кажется, что изображение вогнуто, так
как экран является фактически линзой.
Второй подход подразумевает, что плоскими являются как наружная, так и внутренняя поверхности экрана. При этом полностью отсутствует эффект линзы, но появляются другие проблемы:
электронный луч при сканировании строки проходит разное расстояние – по краям экрана больше, нежели в центре и его падение
18
происходит под разными углами. Частично это решается усложнением схем управления, но все равно четкость изображения по краям несколько хуже, чем в центре.
1.6. Электронная бумага
Электронная бумага предназначена для создания монохромного
изображения и относится к технологии энергонезависимых дисплеев.
Конструктивно электронная бумага представляет собой листовой пластик, в котором находятся шарообразные полости (микрокапсулы-пиксели), заполненные чистой жидкостью (масло, глицерин) (рис. 14).
В этих полостях помещаются пигментные микроскопические
шарики, которые нерастворимы в жидкости и являются взвешенной субстанцией. Половина шариков имеет белый цвет и заряжена
положительно, другая половина шариков окрашена в черные цвет и
заряжена отрицательно.
Верхняя поверхность электронной бумаги является тонким прозрачным электродом (общий прозрачный электрод). Нижняя поверхность имеет сетчатый электрод (нижний электрод), что позволяет в любой точке электронной бумаги создать положительный
или отрицательный заряд относительно верхнего проводящего
электрода.
При подаче управляющего положительного напряжения на конкретные участки управляющей сетки электронной бумаги, отрицательно заряженные шарики перемещаются вниз к положительным
участкам сетки, а положительно заряженные шарики перемещаютВерхний
прозрачный
электрод
Субпиксели, обеспечивающие высокое
разрешение
Положительно
заряженный
белый
пигмент
Отрицательно заряженный черный пигмент
Чистая
жидкость
Нижний электрод
Рис. 14
19
ся вверх, к прозрачному электроду. При чередовании положительно и отрицательно заряженных участков управляющей сетки на
поверхности электронной бумаги создается монохромное изображение. При различных знаках заряда на соседних участках сетки создается область изображения, где белое переходит в черное изображение и наоборот.
К недостатку электронной бумаги следует отнести плохую передачу полутонов и большое время «отклика». Вместе с тем электронная бумага позволяет получить высококонтрастное изображение.
1.7. Жидкокристаллические (LCD) мониторы на ЖК-панелях
Мониторы на жидкокристаллических (ЖК) панелях в настоящее время являются самыми распространенными электронными
средствами отображения визуальной информации как в портативных компьютерах (ноутбуках), мобильных телефонах, так и в настольных компьютерах.
В основе принципа работы ЖК-мониторов лежит использование
поляризации света.
Свет в данном случае рассматривается как электромагнитная
волна, которая представляет собой распространяющиеся в пространстве (среде) электрическое и магнитное поля. При этом векторы напряженности электрического и магнитного поля находятся во
взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоскость, в которой расположены векторы напряженности, сама перпендикулярна направлению распространения электромагнитной волны (рис. 15).
Вектор напряженности
электрического поля
Вектор направления
распространения
электромагнитной волны
E
P
H
Вектор напряженности
магнитного поля
Рис. 15
20
При этом поляризация электромагнитной волны определяется
положением вектора напряженности электрического поля Е. Если
он лежит в вертикальной плоскости, электромагнитная волна считается вертикально поляризованной.
В случае, когда вектор Е электрического поля лежит в горизонтальной плоскости, электромагнитная волна считается горизонтально поляризованной. И, наконец, если при распространении
электромагнитной волны ее вектор Е вращается вокруг направления распространения, то электромагнитная волна имеет круговую
поляризацию.
Существует множество материалов, пропускающих свет только с определенной поляризацией. Это так называемые поляризационные фильтры. Поляризационный фильтр, например, пропускает практически беспрепятственно свет с вертикальной поляризацией, а с горизонтальной поляризацией полностью задерживает.
При промежуточных значениях поляризации свет задерживается
только частично. Таким образом, хотя человеческий глаз не способен отличать состояние поляризации света, но, управляя ею, можно
обеспечить формирование элементов изображение. Роль управляющих элементов лучше всего выполняют жидкие кристаллы. Это
прозрачный материал, имеющий кристаллическую структуру. При
приложении к жидким кристаллам электрического поля они способны изменять свою ориентацию в пространстве, заодно изменяя и
угол поляризации практически беспрепятственно проходящего через них света.
Непосредственное управление жидкими кристаллами осуществляется прозрачными тонкопленочными транзисторами TFT (Thin
Film Transistors) в составе созданных на их основе активных матриц (панелей). В ранее существовавших пассивных ЖК-панелях
для управления кристаллами создавалась сетка вертикальных и
горизонтальных электродов. В сетке при подаче напряжения на
вертикальный и горизонтальный проводники, находящийся на их
пересечении жидкий кристалл изменяет свою ориентацию поляризации света в конкретной точке экрана (пикселе). Основные недостатки пассивных матриц – это относительно большое время отклика и взаимные наводки соседних пикселей, ухудшающее качество
изображения. В современных ЖК-мониторах такие матрицы практически не используются.
В отличие от пассивных матриц, в активных ЖК-матрицах каждый пиксель, как отмечалось ранее, имеет собственный управляющий тонкопленочный транзистор TFT. Скорость отклика в TFT па21
Фильтр красного цвета
Фильтр зеленого цвета
Фильтр синего цвета
Тонкопленочный
транзистор
Горизонтальная линия
данных
Вертикальная
линия данных
Световой поток
Рссеиватель
Первый поляризационный фильтр
Управляемый прозрачный электрод
Жидкие кристаллы
Общий прозрачный электрод
Светофильтры
Второй поляризационный фильтр
Экран
Рис. 16
нелях ограничена только скоростью поворота жидких кристаллов.
При этом взаимные наводки соседних пикселей отсутствуют.
Современные ЖК-мониторы с активной матрицей представляют
собой многослойный «сэндвич» (рис. 16).
Световой поток от ламп подсветки проходит через рассеиватель,
призванный обеспечить равномерную засветку всего экрана. Далее,
проходя через первый поляризационный фильтр, свет приобретает
определенную поляризацию. Минуя стеклянную подложку с нанесенными на нее прозрачными электродами и схемами управления
(горизонтальные и вертикальные линии данных, тонкопленочные
транзисторы, управляющие напряжением на прозрачном электроде, и конденсаторы, помогающие сохранять установленный тонкопленочным транзистором заряд прозрачного электрода), свет прохо22
дит через слой жидких кристаллов. Потом следует общий прозрачный электрод. В зависимости от того, какое напряжение приложено
между двумя прозрачными электродами (общим и управляющим),
жидкие кристаллы изменяют поляризацию света на определенный
угол (чем больше управляющее напряжение, тем меньше угол поворота поляризации). Соответственно, второй поляризационный
фильтр, расположенный за общим прозрачным электродом, пропустит только часть света, формируя изображения пикселя той или
иной яркости.
Для того чтобы получить цветное изображение, между общим
прозрачным электродом и вторым поляризационным фильтром помещают цветные светофильтры трех основных цветов. В этом случае один пиксел цветного изображения формируется с помощью
трех управляемых электродов, расположенных рядом.
Рассмотрим более подробно, как происходят изменения поляризации света. Жидкие кристаллы имеют ярко выраженную продолговатую форму (именно за счет нее они могут изменять поляризацию света) и при отсутствии внешних воздействий «стараются»
выстроиться рядами. Если на электрод нанести параллельные бороздки, то, попадая в них, близлежащий слой жидких кристаллов
будет вынужден придерживаться заданной ориентации. Вслед за
ним ориентацию изменят и все остальные слои жидких кристаллов.
Более интересная ситуация наблюдается, если бороздки на общем и
управляющем электродах расположены перпендикулярно.
Жидкие кристаллы из близлежащих к электродам слоев примут
перпендикулярную друг другу ориентацию, а остальные кристаллы, расположенные в толще, будут постепенно изменять угол своей ориентации, образуя своеобразную спираль. Таким образом, при
отсутствии управляющих напряжений слой жидких кристаллов
изменит поляризацию света на 90°. Расположив поляризационные
фильтры под углом 90° друг к другу, можно обеспечить прохождение света при отсутствии внешних электрических воздействий на
электроды (свечение пикселя).
Если же приложить определенное напряжение к электродам, то
ориентация кристаллов изменится: они выстроятся рядами. При
этом свет будет проходить через слой жидких кристаллов, сохраняя начальную поляризацию, и, как следствие, будет полностью
задержан вторым поляризационным фильтром (пиксель не светится). При меньших значениях напряжения будет устанавливаться
промежуточное состояние: поляризация будет изменяться на угол,
больший 0°, но меньший 90°.
23
Соответственно, чем большее напряжение приложено к электродам, тем меньше изменение угла поляризации и тем больше света
задерживается вторым поляризационным фильтром (промежуточные значения яркости пикселей).
Следует отметить, что у LCD-мониторов полностью отсутствует вредное рентгеновское излучение, а уровень электромагнитного
излучения на несколько порядков ниже, чем у CRT-мониторов. Поскольку каждый пиксель изображения светится постоянно, то отсутствует мерцание изображения. Поэтому для комфортной работы
за LCD-монитором требуется гораздо более низкая частота кадровой развертки – всего 65 Гц.
Характеристики LCD-мониторов
Угол обзора. У недорогих LCD-панелей угол обзора часто ограничен зоной прямо перед экраном, а уже под небольшим углом
изображение теряет естественные цвета. Последние модели LCDмониторов практически лишены этого недостатка.
Интерфейс. С началом выпуска LCD-мониторов получил распространение цифровой DVI интерфейс, который более предпочтителен в данном случае, поскольку исключает преобразование цифрового сигнала в аналоговый и обратно (как это происходит при стандартном VGA подключении), при котором чаще всего происходит
некоторая потеря качества изображения.
Количество цветов. Современный LCD-монитор должен уметь
отображать 24-битный цвет. В ранних моделях использовался
18-битный цвет (примерно 262 000 цветов), что приемлемо для
бюджетного решения, но не даст насладиться полноцветной картинкой. Использование DVI интерфейса исключает эту проблему,
поскольку изображение полностью передается «в цифре», без использования недорогих 18-битных VGA конвертеров, портящих
картинку.
Время отклика. Важная характеристика, говорящая о том, с какой скоростью монитор сможет переключать состояние пикселей
с белого на черное и обратно. Для офисных приложений это, скорее всего, не важно, но на качественных мониторах картинка может «смазываться» настолько, что смотреть динамичное видео становится просто невозможно. Хорошим можно считать время отклика 25 мс и ниже.
Контрастность и яркость. По яркости изображения LCDмониторы заметно выигрывают у обычных мониторов, а вот по кон24
трастности впереди все же электронные трубки. Проблема в том,
что для получения черного цвета используется эффект поляризации, и черный цвет черен настолько, насколько заблокирован свет
от лампы. Недостаток контрастности приводит к тому, что близкие
оттенки цветов сливаются в один, особенно темные тона. Приемлемая контрастность – 300:1 и выше, яркость – от 200 кд/м2.
Матрицы LCD-мониторов
Матрица – важнейшая часть LCD-монитора, целиком и полностью определяющая качество его изображения. Современные мониторы имеют матрицы трех основных типов.
Матрица TN + film(Twisted Nematic + film)
Часть «film» в названии технологии означает дополнительный
слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно – от 90° до 150°). К сожалению, способ увеличения контрастности и уменьшения времени отклика для панелей TN пока не найден, и эти показатели у матриц TN оставляют желать лучшего. TN
+ film – самая простая технология. Она давно используется и применена в большинстве проданных в последние несколько лет мониторов. Первоначально технология TN + film предназначалась для
создания панелей начального уровня. Мониторы, основанные на
этой технологии, относятся к разряду недорогих.
Матрица TN + film работает следующим образом: если к подпикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризационный свет, который они пропускают) поворачиваются друг
относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И, поскольку направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если желтые, зеленые и голубые подпиксели полностью
освещены, то на экране образуется белая точка (рис. 17,а).
При приложении напряжения, в нашем случае направленного
вертикально, оно разрушает винтовую структуру кристаллов. Молекулы постараются выровняться в направлении электрического
поля. Они выстроятся перпендикулярно направлению поляризации второго фильтра, и поляризованный падающий свет не достигнет подпикселей. В результате на экране образуется черная точка
(рис. 17,б).
25
б)
Световой поток
а)
Поляризатор
Стеклянная пластина
Поляризатор
Стеклянная пластина
Молекулы
жидких
кристаллов
Стеклянная пластина
Поляризатор
Электроды
Стеклянная пластина
Поляризатор
Белый пиксель
Черный пиксель
Рис. 17
Недостатки технологии TN + film заключаются в том, что выровнять жидкие кристаллы строго перпендикулярно поляризационному фильтру довольно сложно. В результате практически невозможно
добиться идеального отображения черного цвета. Кроме того, время
отклика и качество отображения цветов относительно невысокие.
Матрица IPS (In-Plane Switching)
Технология IPS (In-Plane Switching) была разработана компаниями Hitachi и NEC и предназначалась для избавления недостатков TN+film. Однако, хотя с помощью IPS удалось добиться увеличения угла обзора до 170°, от остальных недостатков избавиться не
удалось. Время отклика и качество отображения цветов остались
на низком уровне. Вид матрицы показан на рис. 18.
Если к матрице не приложено напряжение, то молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй фильтр всегда повернут
перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Отображение черного цвета является идеальным (см. рис. 18,а). При выходе
из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а черным.
При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению, и
свет проходит через второй поляризационный фильтр (см. рис. 18,б).
Недостатком матрицы IPS является тот факт, что приложение
напряжения с помощью двух электродов ведет к высокому потре26
б)
Световой поток
а)
Поляризатор
Стеклянная пластина
Поляризатор
Стеклянная пластина
Молекулы
жидких
кристаллов
Стеклянная пластина
Поляризатор
Электроды
Стеклянная пластина
Поляризатор
Белый пиксель
Черный пиксель
Рис. 18
блению энергии и, что еще хуже, требует значительного времени.
Поэтому время отклика матриц IPS, как правило, больше, чем
у матриц TN.
Матрица MVA
(Multi-Domain Vertical Alignment)
В некоторых мониторах используются матрицы MVA. Эта технология разработана компанией Fujitsu и теоретически является оптимальным компромиссом практически во всех областях. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют
160°, время отклика примерно в 2 раза меньше, чем для матриц IPS
и старых TN, а цвета отображаются гораздо более точно. К сожалению, теоретические преимущества этой технологии не реализовались на практике.
MVA стала наследницей технологии VA, представленной компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном
напряжении выровнены параллельно по отношению ко второму
фильтру, т. е. второй фильтр пропускает свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется черная точка.
Достоинствами технологии VA являются небольшое время реакции, глубокий белый цвет и отсутствие винтовой структуры кристаллов.
Сравнительные характеристики LCD-технологий представлены
в табл. 2.
27
Таблица 2
Характеристики LCD-технологий
Технологии
TN + film
Параметр
1
Яркость (усл. ед.)
Контрастность
Цветопередача
200:1
IPS
MVA
3
2
500:1
1400:1
46 бит/канал 1012 бит/канал 810 бит/канал
Угол обзора
1400
1780
1600
Время отклика, мс
68
1620
46
Цена
<250 долл.
>400 долл.
200500 долл.
а)
U, В
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
Уровень белого
0,7
Уровень черного
0,6
0,5
10
20
30
40
50
60
t, мс
б)
U, В Уровень белого
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
10
Уровень черного
20
30
40
50
60
t, мс
Рис. 19
Из представленных характеристик LCD-технологий видно, что
время переключения имеет два значения. Большее время соответствует изменению яркости изображению от уровня черного к уровню белого. Меньшее время переключения соответствует переходу
изображения от белого уровня к черному (рис. 19).
1.8. Плазменные экранные матрицы (PDP-мониторы)
Прототипом для создания плазменных матриц (Plasma Display
Panels) стали самые обычные лампы дневного освещения. В плазменных мониторах применяется такое физическое явление как газовый разряд. Газовый разряд возникает, когда между двумя электродами создан достаточно большой электрический потенциал.
Когда он достигает некой критической величины (потенциал зажи28
Сотовые
ячейки
Рис. 20
гания), происходит лавинообразный процесс ионизации газа (образуется плазма), зажигается газовый промежуток между электродами и появляется видимое свечение.
Видимое свечение инертных газов лежит в желто-оранжевой части спектра невидимого диапазона (ультрафиолетовое свечение).
Для получения свечения в области зеленого, синего и красного диапазонов используется преобразование энергии УФ-излучения. Для
этого УФ-излучение плазмы с помощью люминофоров преобразуется в видимое излучение.
Плазменные мониторы состоят из полой стеклянной панели, заполненной газом (рис. 20).
Внутри плазменная панель разбита на отдельные ячейки прямоугольной формы. Каждая ячейка плазменной панели является миниатюрным газоразрядным прибором (рис. 21).
Прозрачные
электроды
Прозрачный
диэлектрический
слой
Излучение
Излучение
. . .. . .. .
. .
Стеклянный
экран
Газовый
разряд
i+1ячейка
1-ячейка
Зеленый
Красный
Перегородка
фосфор
фосфор
Электрод
i-ячейка
данных
Синий
фосфор
Задняя стенка
Рис. 21
29
Сотовая структура ячеек размещена между двумя пластинами.
Одна является задней стенкой панели, другая – выходной стенкой
(экраном) и потому должна быть прозрачной в видимой части спектра. Нижний электрод (электрод данных) примыкает к задней глухой стенке, поэтому он металлический. Электроды со стороны выходной пластины изготовлены из прозрачного токопроводящего материала. Передняя и задняя стенки стеклянные и препятствуют проникновению УФ-излучения «во внешний мир». Люминофор покрывает
заднюю и боковые стенки камеры ячейки. Используются люминофоры трех основных цветов – красного, зеленого и синего цвета.
Потенциал зажигания газового разряда зависит от давления газа и расстояния между электродами. Характерные значения давления газа для плазменных панелей лежат в диапазоне 10÷300 мм рт.
ст., а межэлектродные расстояния – в диапазоне 0,1÷0,5 мм.
Для получения полутоновых изображений необходимо управлять яркостью отдельных ячеек панели. Из нескольких возможных
путей управления яркостью (по току, длительности и числу управляющих импульсов) в плазменных панелях получило распространение управление по числу импульсов зажигания газового разряда.
Недостатками плазменных панелей являются, во-первых, низкая
разрешающая способность, связанная с чисто механическими трудностями создания панелей с большим количеством пикселей. Вторым недостатком такого типа дисплеев является довольно высокая
потребляемая мощность. Третий недостаток – свойства люминофорных элементов быстро ухудшаются, и экран становится менее ярким.
Из-за этих ограничений такие дисплеи используются в основном
для конференций, презентаций, информационных щитов, т. е. там,
где требуется большие размеры экранов для отображения информации.
1.9. Светоизлучающие пластины
(LEP-дисплеи)
Светоизлучающие пластики (Light Emission Plastics) являются
сложными полимерами, обладающие способностью излучать фотоны под воздействием электрического тока, т. е. светиться. В настоящее время LEP-пластики по своей эффективности сравнялись
с привычными светодиодами, и находят широкое практическое
применение.
LEP-дисплеи необычайно просты и дешевы в производстве. LEPдисплеи представляют собой многослойный набор тончайших по30
Верхние
электроды
Светоизлучающий
пластик
R
G
Прозрачный
токопроводящий
электрод
Подложка
Световой поток
Рис. 22
лимерных пленок. Даже по сравнению с экранами на жидких кристаллах пластиковые мониторы кажутся совсем тонкими. Всего 2-х
мм достаточно для воспроизводства на них качественного изображения. Устройство LEP-дисплея показано на рис. 22.
Каждым пикселем полимерного дисплея управляет отдельный
тонкопленочный транзистор (TFT). Светоизлучающий полимер наносится на управляющий прозрачный электрод в жидком виде по
технологии, аналогичной стандартной струйной печати. При этом
на площади 50 кв. мм и толщине дисплея 2 мм можно создать разрешение 800×236 точек.
По многим параметрам светоизлучающие пластины превосходят всех своих конкурентов. Они не подвержены инверсионным эффектам, это позволяет менять картинку на таком дисплее с очень
высокой частотой. Для работы LEP-дисплеев расходуется электрический ток слабого напряжения, дисплеи отличаются низкой электроемкостью. Пластик сам излучает и не использует отраженный
или прямой свет от другого источника. В отличие от мониторов на
жидких кристаллах LEP-дисплеи практически не имеют ограниченного угла обзора. Вместе с тем существует проблема ограниченного срока службы полимерных матриц, которых намного меньше, чем у электронных трубок и ЖК-дисплеев. Срок службы частиц красного, зеленого и синего цвета составляет 100 000, 30 000 и
1000 ч соответственно.
К числу несомненных достоинств пластиковых мониторов следует отнести то, что они гибкие и плоские; полимерные мониторы
потребляют мало энергии и работают при малых напряжениях (достаточно 5 В); изображение можно получить с угла в 180о; изобра31
жение более качественное, чем у ЖК мониторов; LEP-мониторы
имеют чрезвычайно малый вес.
1.10. Информационные табло
Информационные табло широко распространены во всех областях деятельности человека. Они используются в промышленности, центрах управления полета, на транспорте, в сфере развлечения, рекламе. Поскольку принципы построения, элементная база
для современных информационных табло и формирователей изображения на дискретных элементах (прямое изображение) одинаковые, рассмотрим их вместе.
Основным критерием оценки целесообразности тех или иных
технических решений при реализации систем отображения информации на базе информационных табло являются: во-первых, надежность; во вторых, стоимость. Существует несколько базовых
технологий, которые лежать в основе информационных табло.
Электромеханические табло, несмотря на свое широкое распространение, обладают низкой надежностью, плохо работают на морозе, капризны в эксплуатации, а так же не позволяют отображать
быстро меняющуюся информацию. Принцип их работы основан на
механическом перемещении деталей или фрагментов, формирующих информационное поле.
Табло, основанное на лампах накаливания, характеризуются
небольшим ресурсом, низким КПД и обладают большой инерционностью, что также не позволяет показывать на них высококачественную анимацию.
Табло, составленное на базе проекционных ЖК-панелей, плазменных и CRT–панелей, не читаются при прямом солнечном свете и
имеют визуально заметные стыки на границах секций.
Применение светодиодов в качестве светящихся элементов позволяет избавиться практически ото всех указанных недостатков.
Табло, построенное на основе светодиодов, обладает оптимальным
соотношением «цена/надежность», а безынерционность светодиодов позволяет создавать на их основе графические видео экраны
больших размеров.
Электромеханическое табло
Электромеханическое табло строится на основе электромагнитных элементов с вращающейся шторкой, одна сторона которой по32
крыта световозвращающим составом. Единого названия этих элементов среди зарубежных производителей не существует. В России в 90-е годы подобные элементы назывались блинкерами (англ.
Blink – мигать, закрывать глаза).
Рассмотрим устройство одного блинкера. Одна или две катушки индуктивности перемагничивают сердечник в момент прохождения импульса тока. Возникающее магнитное поле действует на
шторку, изготовленную из магнитотвердого сплава. Шторка может находиться в двух стабильных положениях. В первом положении для обозрения открывается одна сторона шторки, окрашенная
в цвет табло (обычно черный) и поглощающая свет. Во втором положении видна сторона, отражающая свет. Здесь используется краска – обычно желтая с добавлением флуоресцентных и люминесцирующих добавок.
Шторки блинкеров возвращают падающий на них свет. Отсюда следует основная область применения устройств – работа в условиях большой освещенности. Но тут же становится понятен и основной недостаток блинкеров – малая видимость в темноте. Можно отметить, что современные материалы позволяют возвращать
почти 100% падающего света, т. е. даже при малой освещенности
(свет уличных фонарей, рекламные огни и так далее) изображение
будет контрастным. Если же естественного света недостаточно, то
можно использовать подсветку, размещенную спереди, например,
люминесцентную лампу. В последнее время появились блинкеры
со встроенным светодиодом в каждый пиксель. Схема управления
включает подсветку только при наступлении темноты, что позволяет экономить энергию, потребляемую устройством.
Большинство производителей поставляют блинкеры в линейках
по 5 или по 7 пикселей со шторками размером 10,15, 30 мм. Длина
линейки от 71 мм до 161 мм, форма и цвет шторок в ассортименте.
Ламповые экраны
В ламповых экранах в качестве источника света используется
обычная автомобильная лампа накаливания мощностью 5 Вт. Каждая из таких ламп помещена в свою оптическую систему, подобно
автомобильной фаре. Эта система состоит из отражателя и светофильтра. Отражатель фокусирует световой поток в строго определенном направлении, а светофильтр окрашивает его в один из трех
основных цветов. Кроме того, каждый ряд точечных источников
света прикрыт сверху небольшими козырьками, которые служат
33
для защиты излучающей поверхности экрана от попадания прямых солнечных лучей. Все это в итоге повышает контрастность изображения.
Ламповые экраны имеют высокую яркость и широкий угол обзора. Но, к сожалению, это весьма энергоемкие конструкции (около
3,5 кВт/м2).
Недостатком ламповых экранов является и относительно невысокое разрешение. Дело в том, что при увеличении разрешения приходится сталкиваться с двумя серьезными ограничениями: близко
располагать лампы сложно из-за необходимости соблюдения температурного режима; при увлечении количества ламп возрастает
энергопотребление и, соответственно, требования к системе питания. При этом цена за 1 м2 экрана приближается к светодиодным
экранам, которые обладают существенно лучшим разрешением.
Опытным путем был определен оптимальный шаг между лампами 1,5 дюйма. Это позволяет создавать видеоэкраны неплохого разрешения, в то же время доступные по энергопотреблению. Но все же
более интересные и прогрессивные на сегодняшний день – это светодиодные экраны.
Светодиодные экраны
Еще совсем недавно они использовались в основном внутри помещений и не были полноцветными. «Революция» в наружных светодиодных экранах и электронных табло совершилась в 1990 г., когда
японский изобретатель Судзи Накамура, работавший в то время на
японскую корпорацию Nichia Chemical Industries, изобрел светодиод синего свечения. Однако ожидаемых перемен на рынке большеэкранных систем, когда казалось, что светодиод полностью вытеснит лампочку, не произошло. Объяснялось все просто – высокой ценой на светодиоды и, как следствие, на светодиодные экраны.
Светодиодные экраны по принципу построения делятся на два
типа – кластерные и матричные. В кластерных экранах каждый
пиксель, содержащий от трех до десятков светодиодов, объединен
в отдельном светоизолированном корпусе, который залит герметизирующим компаундом. Такой конструктивный элемент называется кластером. Кластеры, образующие информационное поле экрана, закреплены при помощи винтов на лицевой поверхности экрана. От каждого кластера отходит жгут проводов к соответствующей
управляющей плате, к которой они подключаются посредством
электрических разъемов.
34
Такой способ построения светодиодных экранов постепенно отмирает, уступая место более технологичному матричному принципу. В этом случае кластеры и управляющая плата объединены
в одно целое – матрицу, т. е. на управляющей плате смонтированы
светодиоды и коммутирующая электроника. Количество светодиодов, составляющих пиксель, может колебаться от трех до нескольких десятков. А распределение количества светодиодов по цветам
в пикселе изменяется от типа используемых светодиодов в интересах соблюдения «баланса белого».
При построении экранов очень важны такие параметры как диаграмма направленности и неравномерность поля экрана. Исходя
из конструктивных различий, эти параметры особенно важны для
светодиодных экранов. В отличие от лампы накаливания, имеющей практически сферическую диаграмму направленности, светодиоды имеют достаточно узкую диаграмму, которая образуется при
помощи небольшого рефлектора, на котором установлен сам кристалл и формы колбы светодиода.
Поэтому в светодиодных экранах диаграмма направленности формируется каждым светодиодом. Но для того, чтобы диаграмма направленности всего экрана была одинакова по всем цветам, необходимо использовать светодиоды разных цветов с близкими диаграммами
направленности, иначе при взгляде под разными углами к нормали
экрана цветообразование на различных участках изображения будет
отличаться, что приведет к паразитным цветовым пятнам.
Помимо этого важно, чтобы все светодиоды при монтаже были
сориентированы одинаково по углу наклона и углу поворота вокруг
своей оси (для светодиодов овальной формы). Если это требование
не будет строго выдержано, то на поле экрана возникнут отдельные
точки, отличающиеся по яркости от общего фона.
Электролюминесцентные панели
Высокое качество изображения обеспечивают матричные электролюминесцентные панели, состоящие из большого числа люминесцентных ячеек. Например, панели типа Jumborton фирмы Sony,
имеющие самые большие размеры – до 25×40 м. Светоизлучающими элементами этих экранов являются люминесцентные ячейки,
каждая из которых содержит триады вертикальных прямоугольных люминофорных полосок трех основных цветов R, G, B, излучающих свет под действием потока электронов из встроенных катодов.
35
Для управления яркостью свечения в ячейках применяется широтно-импульсная модуляция. В зависимости от размеров экрана
используются ячейки разных размеров. Экраны Jumborton потребляют небольшую электрическую мощность, имеют очень высокую
яркость и большой срок службы (примерно 8000 ч), но они обеспечивают относительно небольшую четкость. Широтно-импульсная
модуляция позволяет при 8 битах получить 256 градацию яркости,
а малая инерционность ячеек – увеличить частоту обновления информации до 120 полей/с, что предотвращает мелькание даже при
очень высоких величинах яркости (до 4000 кд/м2).
Ячейки могут иметь дополнительное управление для выбора общей средней яркости изображения, в зависимости от внешний освещенности, что позволяет даже при внешней освещенности до 10 000
лк обеспечить достаточно контрастное изображение.
Экраны с такими ячейками могут применяться в парках, на стадионах, площадях, выставках, в конференц-залах, на вокзалах,
в аэропортах, в фойе гостиниц, на стенах зданий и так далее. Путем специального электронного управления можно показывать на
одном большом экране несколько отдельных изображений (полиэкранный метод) или изображение совместно с буквенно-графической информацией.
Многоэкранные видеопанели
В качестве многоэкранной видеопанели может выступать система из многих (до 100 штук) экранов телевизоров (видеомониторов),
составленных вместе – многокинескопные (многоэкранные) видеопанели.
При воспроизведении одного «большого» изображения лучи
всех кинескопов панели отклоняются синхронно, а видеосигналы
для модуляции этих лучей соответственно фрагменту общего изображения вырабатываются цифровым процессором на основе кадровых запоминающих устройств.
Кроме такого режима работы предусматривается обычно и полиэкранный режим, когда каждый кинескоп показывает одно и то же
«размноженное» изображение.
Недостаток таких панелей – заметность мест стыковки отдельных экранов. В этом отношении лучшие результаты дает использование плазменных панелей в качестве экранов.
Разработка плазменных экранов коллективного пользования началась во времена СССР. Именно тогда, в 1980-е гг., была разработа36
на технология наборного плазменного экрана. Особенности данной
технологии в том, что экран изготавливается не из цельной панели,
а составляется из плазменных «черепиц».
Плазменные экраны коллективного пользования представляют собой наборную конструкцию, состоящую из отдельных газоразрядных панелей с типовым размером примерно 200×200 мм, и
обычно содержит около 100 панелей. Такой модульный подход позволяет создавать экраны произвольных размеров, а также намного
улучшает ремонтопригодность экрана в целом.
Плазменные экраны имеют много достоинств, к которым можно
отнести малую толщину (не превышает 10 см; большой угол обзора
более 160°); отсутствие геометрических искажений изображения;
широкий температурный диапазон окружающей атмосферы; отсутствие необходимости в юстировке изображения; механическую
прочность.
Эти достоинства сделали плазменные экраны незаменимыми
в ряде применений. Существует большое разнообразие плазменных
панелей, отличающихся как конструктивным исполнением плазменных ячеек, так и способом управления газовым разрядом в этих
ячейках.
37
2. ПРОЕКТОРЫ
Проектор – оптический прибор, предназначенный для создания
действительного изображения плоского предмета небольшого размера на большем экране.
Проекторы делятся на цифровые и аналоговые. К аналоговым
относятся CRT-проекторы и проекторы с модуляцией света на масляной пленке. Цифровые проекторы – это жидкокристаллический
проектор, DLP-проектор, LCOS-проектор и другие.
2.1. CRT-проектор
CRT-проектор – аналоговое устройство, в котором изображение
создается на экране трех монохромных электронно-лучевых трубок, а затем проецируется на экран тремя объективами (рис. 23).
На экране каждой электронно-лучевой трубки создается одно и
то же изображение, но лишь одного цвета R, G или B. С помощью
трех оптических систем монохромные изображения проецируются на экран, где суммируются, создавая цветное изображение. Для
нормальной работы CRT-проектора требуются электронно-лучевые
трубки с повышенной яркостью свечения люминофора. В данном
проекторе отсутствует понятие пикселей. Проектор обеспечивает
лучшую в своем классе цветопередачу, высокое разрешение.
Электроннолучевая
трубка
Экран
Объектив
R
R
G
G
B
B
Рис. 23
38
Экран
Зеркало
R
G
B
CRT-проектор
Рис. 24
К числу недостатков CRT-проекторов можно отнести их относительно высокую стоимость, низкую яркость изображения, что требует специальный кинозал; возможность работать лишь на небольшие экраны шириной менее 10 м. Происходит сравнительно быстрое выгорание люминофора. Однако замена трубки не вызывает
трудностей. При проецировании изображения возникают определенные искажения, связанные с использованием трех независимых
кинескопов с тремя независимыми развертками.
CRT-мониторы позволяют проецировать изображение на экран,
применяя отражающее зеркало (рис. 24). Использование зеркала
дает возможность устанавливать проектор в небольших помещениях.
2.2. Одноматричный LCD-проектор
В подобных проекторах роль формирователя изображения выполняет LCD (ЖК) – матрица, управляемая специальным устройством. Принцип действия LCD-проектора поясняется рис. 25.
LCD-матрица в данном проекторе является по сути LCDмонитором, изображение с экрана которого с помощью системы фокусировки проецируется на удаленный экран.
Достоинством LCD-проектора является его относительно невысокая цена. Кроме того проектор обеспечивает качество изображения
39
Светофильтры
Корректирующая линза
LCD -матрица
R
G
B
R
G
B
R
G
B
Экран
Линза
объектива
Управляющее
устройство
Лампа
Рис. 25
при практически любом угле обзора. Вместе с тем подобные проекторы не обладают большой яркостью изображения.
2.3. 3LCD-проектор
Принцип действия такого проектора поясняет рис. 26. Световой
поток от источника света (ртутной лампы), пройдя рассеиватель,
Дихроичное
зеркало
Зеркало
Зеркало
R
Экран
Объектив
ЖК-панель
G
R, G, B
Поляризатор
Рассеиватель
Дихроичное
зеркало
ЖК-панель
Дихроичная
призма
B
Зеркало
Зеркало
Рис. 26
40
Лампа
обеспечивающий равномерную засветку экрана, поступает в поляризатор, где приобретает необходимую поляризацию.
Для разделения белого света ртутной лампы используются дихроичные зеркала. Дихроичное зеркало отражает свет только одного
цвета (R, G или B); остальной световой поток проходит через него
практически без ослабления.
В результате исходный световой поток с помощью нормальных
(обычных) и дихроичных зеркал разделяется на три основные цвета R, G и B. Эти составляющие посредством конденсаторной оптики
направляются на ЖК-панели, каждая из которых, как отмечалось
ранее, представляет собой «сэндвич» из оптических пластин, между которыми находится ЖК-среда. В каждой из ЖК-панелей осуществляется модуляция светового потока своего цвета. Далее модулированные по интенсивности цветовые составляющие светового
потока поступают на сложную дихроичную призму, где собираются
вместе и направляются в проекционной объектив и далее на экран
в виде цветного изображения.
Рассмотренный проектор обеспечивает достаточно высокую яркость и контрастность изображения, обладает хорошей цветопередачей. К недостаткам проектора следует отнести сложность конструкции и большие габариты.
2.4. DLP-проекторы
DLP (Digital Lighte Processing цифровая обработка света) технология является основным конкурентом 3LCD технологии и в настоящее время наиболее распространена на рынке проекторов.
В основе этой технологии лежит устройство из микрозеркал
DMD (Digital Micromirror Device), которые под управлением процессора проектора поворачиваются, фокусируя свет от лампы на
экране. Если участок изображения светлый, то зеркало направляет свет через фокусирующие линзы на проекционный экран. Если
участок изображения темный, то зеркало отклоняется и направляет свет в светопоглотитель, который находится внутри проектора.
Каждое микроскопическое зеркало соответствует одному пикселю
в проецируемом изображении.
Чип DMD представляет собой световой модулятор, состоящий
из матрицы поворотных алюминиевых зеркал, количество которых соответствует разрешающей способности проектора. Зеркала
размером 16×16 мкм крепятся на подложке с помощью механических подпружиненных подвесов, позволяющих им поворачиваться
41
Экран
Источник
света
Светопоглотитель
Микрозеркало
в положении темного
пикселя (выключено)
Микрозеркало
в положении светлого
пикселя (включено)
Рис. 27
в пределах ±10°. На каждый микрозеркальный пиксель подведены
управляющий и пара адресных электродов. Комбинация управляющего и адресного напряжения электростатически отклоняет зеркало к одному из крайних положений, соответствующих состояниям «включено» и «выключено». В первом случае отраженный микрозеркалом свет попадает в оптическую систему проекционного
объектива, а во втором рассеивается и поглощается. Время оптического переключения состояний микрозеркал не превышает 2 мкс.
Процесс создания светящейся точки на экране поясняется рис. 27.
При этом яркость свечения точки на экране определяется временем, в течение которого микрозеркало отражает свет в сторону
экрана. Таким образом достигается формирование полутонов изображения. Текущее изображение попиксельно хранится в памяти,
задавая ориентацию микрозеркал, которые могут иметь лишь два
положения. Одно положение соответствует отображению света на
экран (светлая точка), другое положение – отражению света в светопоглотитель (темная точка).
2.5. Одноматричный DMD-проектор
Для придания цвета изображению в DLP-проекторах с одним
DMD используется способ последовательного формирования пикселей основных цветов с применением чередующихся светофильтров
(рис. 28).
Сначала на экране формируются все пиксели красного цвета, затем через очень короткий промежуток времени все пиксели синего цвета, и наконец – все пиксели зеленого цвета. Смена картинок
красного, зеленого и синего цветов составляет 150 Гц, то есть так
42
Проекционный
объектив
Экран
Чип DMD
R
G
B
Источник
света
Фокусирующая
линза
Вращающийся
светофильтр
Рис. 28
быстро, что человеческий глаз не способен уловить такого чередования и воспринимает усредненное полноцветное изображение.
Для быстрой смены светофильтров используется вращающееся
колесо, разделенное на три цветовых сектора. Свет от мощной лампы освещает это колесо. Пройдя через светофильтр, световой поток
фокусируется линзой и поступает на матрицу микрозеркал DMDкристалла, оттуда отражается либо на объектив, либо на светопоглотитель.
Для увеличения контрастности и насыщенности цветов применяют светофильтры, разделенные не на три, а на четыре сектора.
Четвертый сектор является прозрачным или белым. Изображения,
получаемые с помощью DMD-проекторов, имеют более высокие
контрастность, яркость и четкость по сравнению с изображениями,
полученными с помощью LCD-проекторов.
2.6. Микрозеркальные проекторы с тремя DMD-матрицами
Принцип работы данного проектора поясняются рис. 29.
Световой поток, создаваемый проекционной лампой, поступает
на два дихроичных цветоразделительных зеркала, выделяющие из
него составляющие первичных цветов R, G, B и направляющие их
на поверхности микрозеркальных чипов DMD-матриц соответствующих каналов. Отраженные чипами модулированные составляю43
Дихроичное
зеркало
DMD
чип
Лампа
R
Экран
Объектив
G
R, G, B
Зеркало
Зеркало
DMD
чип
B
Дихроичная
призма
Дихроичное
зеркало
DMD
чип
Рис. 29
щие цветов объединяются дихроичной призмой в общий световой
поток, поступающий в проекционный объектив.
Рассмотренный проектор с тремя чипами DMD обеспечивает
в три раза большую яркость изображения по сравнению с проектором с одной DMD-матрицей. Однако имеет большие габариты и стоимость.
2.7. Видеопроекторы ILA
Устройство ILA-проектора показано на рис. 30.
Одним из основных компонентов ILA (Image Light Amplifier) является зеркало-поляризатор. Это зеркало при падении света под углом
45° световую составляющую с поляризацией вдоль поверхности зеркала полностью пропускает, а полезную, с ортогональной поляризацией – полностью отражает и направляет на LCD панель перпендикулярно ее поверхности. Последняя отражает его назад в сторону зеркала с внесением дополнительных сдвигов поляризации в соответствии
с потенциальным рельефом изображения на ней. Теперь то же зеркало
пропускает полезную составляющую светового потока в направлении
проекционного объектива. Таким образом, в ILA-проекторах одно зеркало решает задачи поляризации и анализатора одновременно.
44
Фоторезисторы
ЭЛТ (модулятор)
ЖК-слой
Линза
объектива
Зеркало
поляризатор
Линза
Прозрачная
пластина
Диэлектрическое
зеркало
Источник света
Рис. 30
Оптический компонент отражающей LCD-панели представляет собой довольно сложное устройство, содержащее фоторезистивный слой, диэлектрическое зеркало, от которого отражается пропускаемый LCD-панелью основной световой поток и прозрачную
пластину с токопроводящим слоем. Он обеспечивает воздействие на
панель электрического поля в соответствии с потенциальным рельефом воспроизводимого изображения, создаваемого на фоторезистивном слое небольшим проекционном кинескопом. Особенностью
LCD-панели является ее пространственная непрерывность, т. е. отсутствие пиксельной структуры. Четкость экранного изображения
определяется параметрами проекционного кинескопа и вдоль строки может быть очень высокой.
Для создания цветного изображения все ILA-проекторы содержат три описанных светомодулирующих блока (по одному в канале первичных цветов) и выпускаются как с одним общим для трех
каналов проекционным объективом, так и с тремя в конструкциях,
внешне похожих на «трехглазые» CRT-проекторы, но с большими на
порядок световыми потоками. К числу достоинств ILA-проекторов
следует отнести хорошую цветопередачу, высокую яркость изображения, наивысшее разрешение и отсутствие пиксельной структуры
изображения. Вместе с тем данные проекторы обладают высокой
стоимостью и, как правило, используются в кинотеатрах, обеспечивая максимальную яркость изображения.
45
2.8. Видеопроекторы D-ILA (LCoS)
Основные отличия D-ILA-проекторов от ILA-проекторов заключаются в отсутствии проекционного кинескопа, связанной с ним
фокусирующей оптики и заменой остальных компонентов отражающей LCD-панелью. Устройство видеопроектора приведено на рис.
31.
Матрица полевых транзисторов, управляющих вносимой пикселями поляризацией, не занимает пространства в ЖК-слое, а расположена за ним на подложке с электроникой.
Поляризованный свет падает на отражающую ЖК-панель. С помощью входного цифрового сигнала осуществляется попиксельное
управление поляризацией отраженного ЖК-панелью света. Отраженный свет в поляризаторе модулируется по яркости и через линзу объектива поступает на экран, формируя изображение.
Вынос управляющих транзисторов за пределы ЖК-слоя позволил увеличить число пикселей ЖК-панели, доведя коэффициент
отражения панели на уровне белого до 95%. В результате удается одновременно увеличить разрешающую способность, контрастность и яркость изображения.
Отражающая
ЖК-панель
Прозрачные
управляющие
транзисторы
Линза
объектива
ЖК-слой
Поляризатор
Диэлектрическое
зеркало
Цифровой
входной сигнал
Источник света
Рис. 31
46
2.9. LDT-проекторы
Работа LDT-проекторов поясняется рис. 32.
В состав проектора входят модулятор лазерных лучей основных
цветов, оптический кабель, система горизонтальной и вертикальной развертки и оптическая система фокусировки изображения.
Для создания изображения используются три газовых лазерных генератора основных цветов R, G, B.
В модуляторах лазерные лучи подвергаются амплитудной модуляции управляющими входными сигналами UR, UG, UB, соответствующих конкретной точке изображения.
Далее три лазерных луча (R, G, B), промодулированные по амплитуде, смешиваются в один пучок и по оптоволоконному кабелю поступают в систему горизонтальной и вертикальной развертки
изображения.
Система горизонтальной и вертикальной развертки представляет собой вращающееся колесо с закрепленными на нем зеркалами. Количество зеркал равно 25. Зеркала расположены под углом
к лучу и при вращении колеса этот угол постоянно меняется. В результате за время полного оборота колеса луч пробегает 25 строк.
Лазерные генераторы
и модуляторы лазерных
лучей
Дихроичные
зеркала
Экран
Ur
Ug
Ub
R
G
B
Качающееся зеркало
кадровой развертки
R+G+B
Зеркало
Оптоволоконный
кабель
Система
фокусировки
изображения
Колесо
с 25 зеркалами
Рис. 32
47
Таблица 3
Сравнительные характеристики различных проекторов
Тип
проектора
Параметры
Яркость,
люмен
3LCD
DLP
12003500 8001000
3DLP
ILA
DILA
CRT
LDT
3500
и выше
22003000
6001200
5000
Full HD
Разреше- 1920×1080 Full HD Full HD 20003000 20003000 Full HD
ние
(возможно
линий
линий
до 4000)
Контрастность
Цветопередача
12001600:1
Хорошая
Недорогой
проектор
Область
для домашиспользонего кино,
вания
презентаций
700:1
700:1
5000:1
15000:1
Не
нормируется
Одноматричный –
Удовхорошая.
Хоролетвори- Хорошая
Хорошая
Трехматшая
тельная
ричный –
отличная
Дает
Дорогой
любое разНедопроекДорогой
решение.
рогой
тор для проектор
Для
Проекпроек- домашдля доэлитного тор для
тор для
него
машнего
показа в
шоу
презенкино,
кино,
небольтаций киноза- кинозала
ших кинола
залах
За счет качающегося зеркала луч переходит на следующую группу
из 25 строк, и так далее. В результате формируется кадр изображения.
К числу достоинств данного проектора следует отнести высокую
яркость и контрастность изображения, высокое разрешение и отсутствие понятия точки. При этом проектор имеет значительные габариты и относительно дорог. В табл. 3 представлены различные типы проекторов.
48
3. ПРОЕКЦИОННЫЕ ЭКРАНЫ
Все параметры рассмотренных проекторов справедливы для белых, матовых, светорассеивающих экранов, которые измерялись
в абсолютно черной комнате. Важной характеристикой экранов
в реальных условиях является коэффициент контрастности:
K = (Ymax+Yосв)/(Ymin+Yосв),
где Yосв – яркость освещения при выключенном проекторе; Ymax –
максимальная яркость при включенном проекторе; Ymin – минимальная яркость при включенном проекторе.
Для абсолютно темной комнаты свет не отражается и в формуле
для коэффициента контрастности нужно положить Yосв = 0. В реальных условиях этого добиться нельзя. Существуют экраны, позволяющие улучшить коэффициент контрастности и тем самым приблизиться к параметрам идеального проектора.
Рассмотрим несколько разновидностей проекционных экранов.
3.1. Матовый проекционный экран
Матовый экран является самым распространенным каноническим экраном. Считается, что он имеет белый цвет и равномерное
распределение светового потока.
Диаграмма рассеивания света идеального матового экрана имеет вид, показанный на рис. 33, где I – сила светового потока; α –
угол наблюдения.
Реальные экраны имеют другую форму диаграммы рассеивания
света (рис. 34), зависящую от угля наблюдения. При отклонении угла наблюдения α от 90°, яркость изображения заметно уменьшается и при α≈0 яркость уменьшается приблизительно в 3 раза.
Согласно ГОСТ для промышленных кинотеатров минимально
допустимая яркость изображения на проекционном экране при абI
I
α
α
0
0
Рис. 33
Рис. 34
49
солютной темноте должна составлять 40 люминов на квадратный
метр (лм/м2). При этом рекомендованное значение яркости должно
составлять 80120 лм/м2. Это рассчитано для кинозала с площадью
экрана 2×4 м2. Если экран используется, например, для показа презентаций, то необходимая яркость должна быть практически в два
раза больше, так как помещение освещено.
3.2. Светоусиливающий экран
Данный экран представляет собой пленочный экран, содержащий два слоя. Первый слой – диффузнорассеивающий (диффузнорассеивающая пленка), второй слой – зеркальная пленка (рис. 35).
Составляющие потока света «1», попадая на диффузную пленку, рассеиваются. При этом часть «2» светового потока проходит
внутрь и отражается от зеркальной пленки в виде светового потока
«3» обратно на диффузнорассеивающую пленку и опять рассеивается в виде потока «4». На рис. 36 показаны диаграммы рассеивания
идеального матового экрана и светоусиливающего экрана.
Падающий свет
4
4 4 1 1 14
3
2
2
2
4 Диффузнорассеивающая пленка
Зеркальная
пленка
3
Отражающий
слой
4
Рис. 35
Диаграмма
светоусиливающего экрана
Проектор
Угол обзора
Диаграмма
идеального
матового
экрана
Параболлический
экран
0
Рис. 36
50
Плоский
экран
Рис. 37
Использование светоусиливающего экрана позволяет практически в 3÷3,5 раза увеличить яркость проецируемого изображения.
Однако при этом уменьшается угол обзора. При увеличении угла
обзора падает светоусиливающий эффект. Как недостаток следует
отметить возникновение «горячего пятна» (рис. 37), которое заключается в том, что изображение по центру ярче, чем по краям экрана.
В некоторых проекторах есть коррекция «горячего пятна» путем
уменьшения яркости в центре, но это приводит к уменьшению контрастности изображения. Для решения проблемы «горячего пятна»
необходимо располагать проектор дальше от экрана, так как при
этом будет уменьшаться угол обзора. Можно также использовать
экран параболической формы. Но здесь есть свой недостаток – большинство проекторов рассчитано на работу с плоским экраном.
3.3. Контрастоусиливающий экран
Для повышения контрастности изображения экран делают не
белого, а серого цвета. Серый экран поглощает падающий на него
внешний свет и тем самым повышает контрастность. Как правило,
в этом случае используется светоусиливающий экран.
3.4. Световозвращающий экран
Это особый тип экрана, свойством которого является отражение
света в направлении обратном направлению падающего света.
В большинстве случаев экран состоит из стеклянных микросфер, наклеенных на несущую подложку. Формирование отраженного сигнала от световозвращающего экрана поясняется рис. 38.
При отражении света от микросфер возможны следующие варианты:
а) свет отражается от внутренней поверхности микросферы;
б) и в) свет отражается от внешней поверхности микросферы.
а)
б)
в)
Рис. 38
51
В случае использования световозвращающих экранов в 510 раз
увеличивается яркость изображения и в несколько раз возрастает
контрастность. Однако данные экраны обладают очень маленьким
углом обзора.
52
4. ФОТОАППАРАТЫ
4.1. Фотоаппараты со светочувствительным носителем
Это устройства, предназначенные для фиксации на светочувствительном носителе какого-либо изображения.
На рис. 39 показано устройство одного из первых фотоаппаратов.
Фотоаппарат состоит из неподвижной камеры, подвижной камеры,
объектива, светочувствительной пластинки, зеркала и стекла.
Перед съемкой из фотоаппарата удалялась светочувствительная
пластина. Изображение объекта проецировалось на зеркало и наблюдалось фотографом через стекло. Путем перемещения подвижной камеры относительно неподвижной осуществлялось наведение
на резкость изображения объекта. Затем задняя стенка с зеркалом
закрывалась, объектив закрывался колпачком, и в фотоаппарат
вставлялась фоточувствительная пластинка, на поверхности которой был нанесен слой светочувствительного материала на основе солей серебра. Непосредственно при фотографировании фотограф на
определенное время снимал защитный колпачок, изображение объекта проецировалось на пластину, и засвечивались светлые участки
изображения объекта. В последствие светочувствительная пластинка подвергалась поэтапной химической обработке – проявлению,
закреплению изображения с дальнейшей печатью фотографии.
В дальнейшем появились фотоаппараты с затвором и подвижным механизмом для наведения на резкость (рис. 40).
Неподвижная
камера
Подвижная
камера
Стекло
Зеркало
Объект
Фотопластина
Изображение объекта
Рис. 39
53
Затвор Фотопластина
Объект
Подвижный
объектив
Изображение объекта
Рис. 40
Наличие подвижного объектива позволяет сфокусировать изображение объекта. В фотоаппарате имеется затвор, ограничивающий количество света, попадающего на светочувствительную пленку. При съемке затвор открывается на определенное время и затем
закрывается, прекращая попадание света на пленку.
Существует несколько конструкций затворов.
1. Двухлепестковый затвор (рис. 41).
При съемке на определенное время (время выдержки) лепестки раздвигаются, и через объектив свет попадает на пленку. Причем ширина открывающегося отверстия может регулироваться, это
придает затвору дополнительную функцию диафрагмы.
Рассмотренный затвор отличается простотой технической реализации, низкой стоимостью. Однако остается относительно низкая точность задания времени выдержки.
2. Ирисовый затвор (рис. 42).
Ирисовый затвор является модификацией двухлепесткового затвора и, по сути, является многолепестковым.
Каждый лепесток имеет две точки крепления – на объективе и
диске. В момент съемки на время выдержки поворачивается диск,
который поворачивает одновременно все лепестки вокруг точек кре-
Шторка
открыта
Отверстие объектива
Левая
шторка
Правая
шторка
Рис. 41
54
Шторка
открыта
Точка крепления Точка крепления
лепестка к диску
лепестка
к объективу
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Диск
Диск
Поворот
лепестка
.
.
Поворот
диска
Объектив
.
.
.
Отверстие
объектива
Рис. 42
пления лепестков к объективу. При этом открывается отверстие
объектива, и свет попадает на пленку. Данная конструкция затвора
позволяет очень точно управлять выдержкой. Затвор является компактным и быстродействующим.
3. Шторочный затвор (рис. 43).
Шторочный затвор представляет собой две катушки со светонепроницаемой тканью, касающиеся друг друга. В момент срабатывания затвора катушки наматывают ткань (затвор открыт) на время
выдержки и затем ткань разматывается и затвор закрывается.
Данный затвор достаточно компактен и позволяет получить время выдержки до 1/1000 сек. При этом щель в затворе перемещается
по кадру горизонтально. Однако существует проблема синхронизации работы затвора при съемке со вспышкой.
Существуют затворы с вертикальным перемещением шторок.
При этом для уменьшения времени выдержки шторки затвора делают из металлопластика.
На практике получили широкое применение так называемые зеркальные фотоаппараты. В данных аппаратах поиск объекта и сам
процесс съемки осуществляются через общий объектив (рис. 44).
Рис. 43
55
Переворачивающая
линза
Окуляр
Линза
Фокусировочный
экран
Объект
Фотопленка
Затвор
Объектив Подъемное
зеркало
Рис. 44
В процессе поиска объекта подъемное зеркало опущено. Изображение выбранного объекта через объектив попадает на подъемное
зеркало, с которого проецируется на фокусировочный экран и далее через линзу и переворачивающую призму попадает в окуляр видеоискателя. Далее вручную осуществляется фокусировка изображения. При запуске затвора подъемное зеркало поднимается вверх
и изображение выбранного объекта через затвор попадает на светочувствительную пленку.
4.2. Цифровые фотоаппараты
В настоящее время самое широкое распространение получили
цифровые фотоаппараты (рис. 45).
В цифровых фотоаппаратах светочувствительная матрица состоит из нескольких млн фотодиодов, объединенных в триады (пиксели), выделяющие сигналы трех основных цветов R, G, B. Структура
одного пикселя приведена на рис. 46.
Каждый субпиксель состоит из микролинзы светофильтра одного из основных цветов (R, G или B) и фотодиода.
Принцип работы каждого из субпикселей заключается в следующем. Фотоны света, прошедшие через объектив и микролинзу,
поступают на светофильтр, где выделяется один из цветов. Далее
56
Светочувствительная
Объектив
матрица
Объект
Считывающее
устройство
АЦП
ЖК-монитор
Память
ЦАП
Рис. 45
Фотоны
света
Микролинза
субпикселя
Светофильтр
Фотоны
света
R
G
B
Ur
Ug
Ub
Фотодиод
Рис. 46
окрашенный свет попадает на фотодиод. Фотодиод представляет собой достаточно сложную полупроводниковую структуру, работающую на фотоэффекте. Фотоны света, падающие на фотодиод, выбивают из него электроны и, в результате, на выходе фотодиода формируется напряжение, пропорциональное интенсивности потока
фотонов. Чем больше сила света попадает на фотодиод, тем больше
его выходное напряжение. В результате на фоточувствительной матрице формируется потенциальный рельеф, однозначно связанный
с изображением объекта.
Далее считывающее устройство последовательно считывает выходные напряжения с фотодиодов всех субпикселей, одновременно
преобразуя их в аналого-цифровом устройстве в цифровой двоичный код. Оцифрованные отсчеты изображения последовательно загружаются в цифровую память фотоаппарата.
Для воспроизведения изображения, записанного в цифровом виде в память, изображение преобразуется в цифроаналоговом преобразователе в напряжение, которое далее поступает на ЖК монитор.
Хранение изображения в памяти в цифровом виде позволяет
сравнительно легко его редактировать масштабировать, сегментировать, стирать и переписывать в персональный компьютер.
57
5. СКАНЕРЫ
Сканер это устройство, преобразующее графическую информацию (текст, рисунки) в цифровую форму. Существует несколько
разновидностей сканеров.
5.1. Сканеры барабанного типа
Устройство и принцип работы черно-белого сканера поясняется
на рис. 47.
Сканер состоит из барабана, лампы подсветки, непрозрачного
диска с микроотверстием, объектива и фотоэлектронного умножителя.
Плоский сканируемый объект крепится на барабан, который
вращается с большой скоростью. Свет от лампы подсветки, пройдя
микроотверстие в непрозрачном диске, формирует на сканируемом
объекте небольшого размера точку. Отраженный от конкретной
точки объекта свет через объектив попадает в фотоэлектронный умножитель, на выходе которого появляется напряжение U пропорциональное силе отраженного объектом света.
На рис. 48 приведена упрощенная схема фотоэлектронного умножителя, который преобразует отраженный световой поток в поток электронов и далее в выходное напряжение.
Фотоэлектронный умножитель выполнен в виде электроннолампового прибора с рядом электродов, запитанных от источников
тока E.
Барабан
Ось
Сканируемый
объект
Сенсорная
головка
Объектив
Свет
Лампа
Диск с
микроотверстием
Рис. 47
58
Фотоэлектронный умножитель (сенсор)
U
Световой поток
Линза
Фотоэлектрод
Электрод
Е3
Е1
Е4
Е2
Е5
R
Uвых
Рис. 48
Световой поток после линзы попадает на фотоэлектрод и выбивает из него электроны. Электроны, выбитые фотонами из фотоэлектрода под действием источников питания ускоряются, выбивая из
электродов все большее количество электронов.
Фотоэлектронный умножитель способен улавливать единичные
фотоны, преобразуя их в поток электронов, которые на резисторе R
Барабан
Ось
Сканируемый
объект Дихроичные
зеркала
Объектив
Свет
Лампа
R,G,B
Диск
с микроотверстием
Обычное
Зеркало
G,B
R
Фотоэлектронные
умножители
Ur
B
G
Ug
B
Ub
Рис. 49
59
создают напряжение Uвых, пропорциональное силе света отраженного от объекта.
Следует отметить, что источник света может быть размещен внутри прозрачного барабана. В этом случае сканер работает на просвет сканируемого объекта.
На рис. 49 приведена схема цветного сканера барабанного типа.
В цветном сканере отраженный от сканируемого объекта свет
с помощью дихроичных зеркал разделяется на три основных цвета
R, G, B, каждый из которых усиливается своим фотоэлектронным
умножителем. Данные сканеры позволяют получить разрешение до
6000 точек на сантиметр и более.
5.2. Планшетный сканер
В настоящее время планшетный сканер является самым распространенным. Его принцип работы поясняется на рис. 50.
Основным элементом планшетного сканера является рабочий
стол, изготовленный из стекла с антибликовым покрытием. В планшетном сканере сканируемый объект неподвижен и лежит на рабочем столе. Сканирование поверхности объекта осуществляется сканирующей головкой, движущейся вдоль рабочего стола.
В цветных планшетных сканерах сенсор может выполняться
в двух вариантах. В первом варианте сенсор выполнен в виде линейСканируемый объект
Рабочий
стол
Сканирование
Сканирующая
головка
Объектив
Свет
Лампа
Диск с
микроотверстием
Рис. 50
60
Фоточувствительныйэлемент
(сенсор)
ки из трех цветочувствительных устройств, каждое из которых воспринимает свет только одного из основных цветов R, G или B.
Во втором варианте отраженный свет пропускается через призму (рис. 51), которая расщепляет свет в спектр, в котором светочувствительными устройствами выделяются три основных цвета R, G
и B.
Достоинства планшетного сканера заключаются в компактности, простоте, удобстве пользования, возможности сканировать достаточно сложные объекты. Вместе с тем отмечают достаточно низкий динамический диапазон перепадов яркости и недостаточно высокое разрешение.
При необходимости сканировать достаточно большой объем документации используют протяжный (пакетный) сканер, в котором
вместо рабочего стола используется система подачи бумаги. При
этом данного типа сканер обладает считывающей головкой аналогичной планшетному сканеру.
Протяжные сканеры позволяют сканировать 45 стр. материала
в сек.
Отраженный свет
Призма
Фиолетовый
Спектр
белого света
Красный
Синий
Зеленый
Сенсоры
R
G
B
Ur
Ug
Uв
Рис. 51
61
6. ПРИНТЕРЫ
Принтер – это электромеханическое устройство, предназначенное для создания на твердом носителе текстового или графического
изображения.
В настоящее время используются матричные, лазерные, светодиодные, каплеструйные принтеры, а также принтеры, использующие термоструйную, пьезоструйную и термосублимационную печать.
6.1. Матричные принтеры
В данном принтере изображение на бумаге создается из довольно
больших точек. Основными узлами принтера являются матрица из
печатающих головок, красящая лента, устройство подачи бумаги и
система управления.
Принцип работы матричного принтера поясняется на рис. 52.
В состав механизма печати входят: иголка с направляющими,
плоская пружина, постоянный магнит и катушка индуктивности.
В исходном состоянии ток в катушке отсутствует, и постоянный
магнит притягивает к себе иголку. При подаче тока в катушку индуктивности создается магнитное поле, которое компенсирует магнитное поле постоянного магнита, и иголка под действием плоской
Бумага
Красящая лента
Иголка
Катушка
индуктивности
Постоянный магнит
Направляющие
иголки
Плоская
Пружина
Рис. 52
62
Бумага
Витая пружина
Красящая
лента
Постоянный магнит
со сквозным Катушка
отверстием индуктивности
Рис. 53
пружины бьет через красящую ленту (ткань, пропитанная краской)
по бумаге, создавая на ней темную точку.
Возможна несколько иная конструкция механизма печати
(рис. 53), в котором вместо плоской пружины используется витая
пружина.
Принцип работы данного механизма такой же, как и в предыдущем случае.
Матрица из печатающих иголок
Лист бумаги
ая
ящ
ас
Кр
.
.
.
.
.
.
.
.
. та
лен
Рис. 54
63
Рис. 55
Возможны два вида матриц с печатающими иголками: матрица с вертикально расположенными иголками и матрица с горизонтально расположенными иголками.
На рис. 54 показан печатающий механизм с вертикально расположенными иголками.
При этом в матрице используется два ряда по восемь вертикально расположенных иголок. В процессе печати матрица перемещается вдоль всего листа бумаги слева направо и обратно.
Во втором случае иголки располагаются вдоль всего принтера
(по ширине листа бумаги).
На рис. 55 показано расположение плоских пружин при горизонтальном размещении иголок в матрице.
При печати матрица с иголками немного смещается влево и
вправо, что позволяет пропечатывать одновременно все символы одной строки.
К недостаткам матричного принтера следует отнести медленную
печать (одна страница текста в минуту), низкое разрешение, неспособность печатать в полутоновом режиме.
Вместе с тем в настоящее время матричные принтеры нашли
широкое применение при печати платежных документов, так как
печать матричных принтеров обладает уникальностью «рисунка»,
который практически невозможно подделать.
6.2. Лазерный принтер
В настоящее время лазерный принтер является одним из самых распространенных принтеров. Упрощенная система лазерного
принтера приведена на рис. 56.
В состав принтера входят барабан, лазер с вращающимся зеркалом, запекатель, устройство сбора отработанного порошка и источники питания.
Фотобарабан выполнен из алюминия и покрыт сверху слоем чувствительного полупроводника. Картридж представляет собой кон64
65
бумага
Узел снятия
статического заряда
t0
t0
Запекатель
Отработанный порошок
Ракель
Ролик заряда
барабана
+Uпит
Ролик переноса порошка
Рис. 56
Лазер
Постоянный
магнит
Тонер-порошок
Магнитный
цилиндр
Картридж
Вращающееся зеркало
Рекель дозатор
Лазерный луч
Источник
высокого
напряжения
Источник
напряжения
Фотобарабан
–Uпит
тейнер, заполненный тонер-порошком. Кроме того, в картридже
находится магнитный цилиндр, внутри которого вращается постоянный магнит. В результате тонер-порошок намагничивается и
прилипает к магнитному цилиндру. При вращении магнитный цилиндр покрывается тонким слоем порошка. При этом ракель-дозатор снимает излишки порошка. Порошок (дополнительно) отрицательно заряжен источником напряжения. Сам фотобарабан заряжен положительно.
С помощью ролика заряда от источника высокого напряжения
на поверхностный слой фотобарабана наносится отрицательный заряд. При вращении фотобарабана его поверхность попадает под лазерный луч. В месте, куда попадает лазерный луч, образуется положительный заряд. Именно в этом месте будет изображение.
Таким образом на поверхности фотобарабана последовательно
образуется положительный потенциальный рельеф, повторяющий
изображение. При дальнейшем повороте участки поверхности фотобарабана попадают в систему подачи тонер-порошка. Фотобарабан и магнитный цилиндр картриджа вращаются одновременно.
В результате отрицательно заряженные частицы порошка переходят на заряженные участки фотобарабана.
При дальнейшем вращении фотобарабана осуществляется перенос порошка на бумагу. Для этого на ролик переноса порошка, находящегося под бумагой, от источника напряжения подается положительный заряд, больший, чем на барабане. Это заставляет порошок с барабана перейти на бумагу. Далее с помощью узла снятия
заряда с бумаги снимается статический заряд, и бумага попадает
в запекатель, где расплавляется тонер-порошок и впекается в бумагу. По окончанию печати неиспользованный порошок ракелем снимается с барабана в специальный контейнер.
Принцип сканирования поверхности фотобарабана поясняется
рис. 57.
В состав устройства сканирования входит лазерный диод, вращающееся полигональное зеркало, фокусирующие линзы и отклоняющее зеркало. Лазерный луч, излученный лазерным диодом,
отражается от полигонального зеркала, фокусируется линзами и
с помощью отклоняющего зеркала попадает на поверхность фотобарабана. При вращении зеркала лазерный луч пробегает по строке. Изменяя интенсивность луча, можно регулировать величину отрицательного заряда, снятого с фотобарабана. При отдельных конструкциях принтера отклоняющее зеркало может отсутствовать.
66
Вращающееся
полигональное
зеркало
Фокусирующие
линзы
Лазерный
диод
Отражающее
зеркало
Тонерный
ролик
ст
ек
Светочувствительный
барабан
Ролик
переноса
н
ан
ат
ч
пе
т
ый
От
Рис. 57
Достоинствами лазерных принтеров являются высокая скорость
печати (несколько страниц в минуту), высокое разрешение, хороший динамический диапазон изображения.
Вместе с тем в лазерном принтере имеются детали, подверженные износу, что снижает ресурс принтеров. При лазерной печати
имеет место разное разрешение по центру и по краям.
6.3. Светодиодные принтеры
По конструкции светодиодные принтеры аналогичны лазерным.
Отличие заключается в том, что в светодиодных принтерах изображение проецируется на светочувствительный барабан (фотобарабан) не лазером, а с помощью линейки светодиодов (рис. 58). В данных принтерах практически отсутствуют быстроизнашивающиеся
части.
Светодиодные принтеры обладают высокой скоростью печати (до
10 страниц текста в мин.). Однако имеют невысокую разрешающую
способность, более сложное управление яркостью, что снижает динамический диапазон по сравнению с лазерными принтерами.
67
Светодиодная
линейка
Фокусирующие линзы
Тонерный
ролик
Светочувствительный
барабан
Ролик переноса
ст
ек
н
тан
ча
пе
т
ый
От
Рис. 58
Цветная лазерная печать
Цветные лазерные принтеры в одном корпусе содержат три монохромных принтера разных цветов и принтер черно-белой печати
(рис. 59).
В данных принтерах изображение на бумаге формируется последовательно каждым из лазерных принтеров.
Картридж
Картридж
Картридж
Черно-белый
картридж
Лазер
Фотобарабан
Тонерный
ролик
картриджа
Бумага
Ролик переноса
заряда
Рис. 59
68
Картридж Тонельный
ролик
Общий
барабан
Тонельный
ролик
Черно-белый
картридж
Картридж
Тонельный
ролик
Фотобарабан
Тонельный
ролик
Лента
Картридж
Ролик
переноса
заряда
Рис. 60
Возможно расположение четырех картриджей в общем барабане (рис. 60). В целом цветные лазерные принтеры являются весьма
сложными и дорогими устройствами.
6.4. Каплеструйный принтер
Упрощенная схема каплеструйного принтера изображена на
рис. 61.
Каплеструйный принтер содержит печатающую головку
с устройством управления генератором капелек, устройство управления зарядом, генератор изображения, систему возврата неиспользованных чернил, резервуар чернил и насос.
Для создания изображения на каком-либо носителе используются чернила, хранящиеся в резервуаре чернил. Чернила подаются в печатающую головку с помощью насоса. В печатающей головке
находится пьезоэлектрическая пластина. При печати точки изображения устройство управления генератором капелек подает напряжение на пьезопластину, которая выгибается вперед, выбрасывает
каплю чернил из головки и возвращается в исходное состояние. Выброшенная капля пролетает через кольцо устройства управления
зарядом, где получает положительный заряд и далее попадает в генератор изображений.
69
Печатающая
головка
Кристалл
пьезоэлектрика
Управление
зарядом
Генератор
изображения
Управление
генератором
капелек
Электрод Отклоняющий
заряда
электрод
Насос
Система возврата
неиспользованных
чернил
Резервуар чернил
Рис. 61
В состав генератора изображений входят два отклоняющих электрода, на которые с генератора изображений подается управляющее напряжение, соответствующее печатаемому изображению.
В зависимости от величины управляющего напряжения происходит отклонение в вертикальной плоскости траектории полета кап-
Термоструйная
«Пузырьковая печать»
Передний
Тыльный канал
канал
Форма сопла
На носитель
Чернила
Пузырь
Нагреватель
Основание печатной платы
Рис. 62
70
К чернильнице
ли чернил, которая далее попадает на носитель. В результате на носителе формируется желаемое изображение.
Если управляющее напряжение равно нулю (пропуск печати), то
капля попадает в систему возврата неиспользованных чернил.
Каплеструйные принтеры могут печатать изображение на любой
поверхности. При этом широко используются для какой-либо маркировки разнообразных изделий.
В рассмотренном каплеструйном принтере выброс капли чернил
осуществляется механически с использованием пьезопластины.
Вместе с тем возможен процесс формирования и выброса капли чернил термическим способом.
Термоструйная «пузырьковая» печать: принцип формирования
и выброса капли чернил термическим способом показан на рис. 62.
В канале под чернилами находится нагреватель. Количество
сопел в печатающей головке может достигать нескольких тысяч.
С помощью нагревателя осуществляется быстрый нагрев чернил.
В результате образуется пузырек пара, который быстро растет и со
сверхзвуковой скоростью выталкивает каплю чернил из сопла дюзы на носитель. При снятии напряжения с нагревателя пузырек сокращается, исчезает и дюза готова к работе.
Выбрасываемые из дюз капли чернил чрезвычайно малы, их
размеры измеряются пикометрами. При этом термоструйная печать дает высокое качество изображений. Однако печатающие головки имеют относительно высокую стоимость.
6.5. Принтеры с термосублимационной печатью
Принцип работы термического принтера поясняется рис. 63.
Подложка
Краситель
Термоэлемент
Элемент
изображения
Бумага
Транспорт бумаги
Рис. 63
71
В основе работы термического принтера лежит явление сублимации переход вещества из твердого состояния в газообразное и обратно, минуя жидкую фазу. Для термической печати используется
термоголовка с массивом микронагревателей, красящая лента, на
подложке которой нанесен красящий слой, и устройство протяжки
бумаги. Валик протягивает бумагу и вместе с ней красящую ленту. Термоголовка нагревает ленту и с нее происходит испарение красителя, который твердой фазой оседает на бумаге. Для получения
цветной печати бумагу прокатывают три раза с использованием
трех лент с тремя основными цветами R, G, B.
Термические принтеры обладают лучшей цветопередачей. К числу недостатков можно отнести низкое быстродействие, быстрый износ ленты.
Перечисленные технические средства не являются исчерпывающими, с каждым годом появляются новые технологии и устройства, используемые в дизайнерских проектах.
72
ЛИТЕРАТУРА
1. Смирнов В. М. Устройства отображения информации: учеб. пособие. СПб.: ГУАП, 2007. 90 с.
2. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК. М.: Вильямс, 2011.
1070 с.
3. Соломенчук В. Г. Железо ПК 2008. СПб.: БВХ-Петербург, 2009.
470 с.
4. Шарыгин М. Е. Сканеры и цифровые камеры. СПб.: DNV; СПб.:
Арлит, 2000. 382 с.
73
СОДЕРЖАНИЕ
Введение..................................................................... 1. Электронные устройства отображения
визуальной информации (мониторы).............................. 1.1. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ или
CRT-мониторы).................................................. 1.2. Модуляционная характеристика кинескопа........... 1.3. Понятие о развертке изображения........................ 1.4. Чересстрочная развертка..................................... 1.5. Цветные кинескопы............................................ 1.6. Электронная бумага............................................ 1.7. Жидкокристаллические (LCD) мониторы
на ЖК-панелях.................................................. 1.8. Плазменные экранные матрицы (PDP-мониторы)... 1.9. Светоизлучающие пластины
(LEP-дисплеи)................................................... 1.10. Информационные табло..................................... 2. Проекторы............................................................... 2.1. CRT-проектор.................................................... 2.2. Одноматричный LCD-проектор............................. 2.3. 3LCD-проектор.................................................. 2.4. DLP-проекторы.................................................. 2.5. Одноматричный DMD-проектор. .......................... 2.6. Микрозеркальные проекторы с тремя
DMD-матрицами................................................ 2.7. Видеопроекторы ILA.......................................... 2.8. Видеопроекторы D-ILA (LCoS).............................. 2.9. LDT-проекторы.................................................. 3. Проекционные экраны.............................................. 3.1. Матовый проекционный экран............................. 3.2. Светоусиливающий экран................................... 3.3. Контрастоусиливающий экран............................. 3.4. Световозвращающий экран................................. 4. Фотоаппараты.......................................................... 4.1. Фотоаппараты со светочувствительным носителем.. 4.2. Цифровые фотоаппараты..................................... 5. Сканеры.................................................................. 5.1. Сканеры барабанного типа.................................. 5.2. Планшетный сканер........................................... 74
3
4
4
6
7
8
10
19
20
28
30
32
38
38
39
40
41
42
43
44
46
47
49
49
50
51
51
53
53
56
58
58
60
6. Принтеры................................................................ 6.1. Матричные принтеры......................................... 6.2. Лазерный принтер............................................. 6.3. Светодиодные принтеры...................................... 6.4. Каплеструйный принтер..................................... 6.5. Принтеры с термосублимационной печатью........... Литература................................................................. 62
62
64
67
69
71
73
75
Учебное издание
Зиатдинов Сергей Ильич
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА В ДИЗАЙНЕ
Учебное пособие
Редактор Л. И. Корнеева
Компьютерная верстка А. Н. Колешко
Сдано в набор 20.09.17. Подписано к печати 11.10.17. Формат 60×84 1/16.
Усл. печ. л. 4,4. Уч.-изд. л. 4,5. Тираж 50 экз. Заказ № 410.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
3 037 Кб
Теги
ziatdinov, 002e2731db
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа