Zobrazovacie zariadenia, rovnako ako tie snímacie, prešli svojou evolúciou. Prvým serióznym spôsobom zobrazenia obrazu bola Thomsonova katódová trubica, z ktorej sa postupne vyvinula obrazovka osciloskopu a tiež klasická televízna obrazovka.
Obr.1 Princíp činnosti katódovej trubice
Princíp tejto katódovej trubice spočíva v tom, že vo vákuovej banke sú dve kovové elektródy (katóda a anóda) pripojené na zdroj vysokého napätia. Pod vplyvom vysokej intenzity elektrického poľa medzi elektródami dochádza k uvoľneniu elektrónov z materiálu katódy. Tieto elektróny vysokou rýchlosťou smerujú vákuom k anóde, cez ktorú spolu so zdrojom je uzatvorený elektrický obvod. V prípade, že trubica je naplnená plynom alebo sa v nej nachádza doštička z luminoforu, elektróny narážajú do molekúl toho materiálu a tým ich excitujú na vyššiu energetickú hladinu. Tieto následne vracajú do stabilného energetického stavu, pričom túto prebytočnú energiu vyžiaria vo forme fotónov s vlnou dĺžkou viditeľného svetla. Pokiaľ je elektrónový lúč vystavený vonkajšiemu magnetickému alebo elektrickému poľu, dochádza k jeho vychýleniu, tak ako to vidieť na Obr. 2.
Obr. 2 Experiment s katódovou trubicou
Televízna obrazovka - CRT monitor
Klasická TV obrazovka sa od pôvodnej katódovej trubice okrem zjavne iného tvaru líši aj počtom anód a prítomnosťou vychyľovacieho zariadenia. Zjednodušený náčrt je zobrazený na nasledujúcom obr. 3
Obr. 3 Zjednodušený náčrt televíznej obrazovky
Z obr.3 je zrejmé, že zväzok elektrónov je emitovaný z nepriamo žeravenej katódy. Elektróny sú urýchľované akceleračnými anódami. Urýchlený zväzok prechádza zaostrovacou anódou, kde sa z vonkajšej strany lúča odčerpávajú elektróny, ktoré sú príliš mimo zväzok a spôsobovali by to, že obraz by bol rozmazaný. Takto zaostrený elektrónový lúč je ďalej vychyľovaný v horizontálnom a vertikálnom smere.
Vychyľovanie môže byť:
Elektrostatické – používa sa hlavne v starých osciloskopoch (Obr. 4 )
Elektromagnetické – používa sa v CRT monitoroch a TV prijímačoch (Obr. 3)
Obr. 4 Obrazovka s elektrostatickým vychvaľovaním
Vychýlený elektrónový lúč pokračuje k prednej - zobrazovacej časti obrazovky, na ktorú je nanesený luminofor. Tento podľa intenzity ožiarenia (počtu elektrónov) vyžaruje svetlo, ktoré zodpovedá úrovni jasu, resp. úrovní bielej farby. Farebné obrazovky majú pre každú farbu vlastné elektrónové delo. Obrazovkou tak prechádzajú tri elektrónové zväzky, ktoré sú vzájomne zarovnané. Tieto potom dopadajú na farebné plôšky luminofóru. Aby sa zabezpečilo to, že elektrónové lúče dopadnú na správnu plôšku, je pred luminoforom aj tieniaca maska (Obr. 5) . Maska môžu mať trojaké usporiadanie.
Obr. 5 Princíp zobrazenia farebného obrazu
Obr. 6 Usporiadanie výrezov masky a elektrónových diel pre RGB zložky obrazu
Ako už bolo uvedené vyššie, pohyb lúča po obrazovke je zabezpečený vychyľovacím zariadením. To v princípe funguje tak, že na vychyľovacie cievky je privedené signál s tvarom píly.
Uvažujme vykreslenie prvého riadku obrazu. Hodnota napätia horizontálneho vychyľovania postupne narastá. Lúč sa pohybuje vpravo. Zároveň sa (pomalšie) zvyšuje napätie aj na vertikálnom vychyľovaní. Lúč sa posúva smerom nadol. Keď je lúč na konci riadka musí sa vrátiť nazad. To je dosiahnuté poklesom napätia horizontálneho vychýlenia na minimum. Tento pokles ale trvá nejakú dobu, pretože nie je možné vygenerovať ideálny pílovitý signál. Počas tohto návratu musí byť zabezpečené zatemnenie lúča. Tento proces sa opakuje cez celú obrazovku. Na konci cyklu sa lúč vracia nazad do ľavého horného rohu a začína sa vykresľovať nová snímka. V prípade polsnímkového režimu sa vykresľujú iba párne a následne nepárne polsnímky. Párne polsnímky sa začínajú vykresľovať v strede prvého riadku a nepárne polsnímky na začiatku druhého riadku.
Videosignál pre jeden riadok môže vyzerať tak, ako je zobrazené na obr. 9 a ak sa tento signál zopakuje pre všetky riadky, obraz môže vyzerať tak ako je zobrazené na orb. 10.
Obr. 7
Obr. 8
Obr. 9
Obr. 10
Plazmový displej (PDP)
Skratka PDP vyplýva z prvých písmen slov plasma display panel. Princíp plazmového displeja spočíva v zapálení elektrického oblúka v zmesi vzácneho plynu a pary ortuti. Následne v plyne vzniká plazma, ktorá vydáva svetlo v oblasti UV žiarenia. Tomuto žiareniu je následne vystavená fosforová vrstva, ktorá následne vyžiari svetlo v požadovanej farbe. Výboj je v krátkom čase zahasený dielektrikom a oxidom horečnatým, ale keďže elektródy sú napájané striedavým napätím, dochádza k opätovnému zapáleniu plazmy. Vnútorná konštrukcia plazmového displeja je zobrazená na obr. 11. Displej je zostavený z izolovaných buniek pixelov. Tieto bunky sú pokryté fosforovou vrstvou a nachádzajú sa medzi dvoma elektródami, ktoré sú vzájomne na seba kolmé. Takto je vytvorená maticová štruktúra, ktorá umožňuje adresovanie pixelov. Elektródy sú od samotnej pixelovej bunky oddelené dielektrickou vrstvou. Celá štruktúra je umiestnená medzi dve nosné a ochranné sklenené vrstvy. Intenzita jasu pixelu je daná frekvenciou a šírkou vysokonapäťových impulzov. Pred samotným výbojom je pixel, ktorý má svietiť už polarizovaný vysokým napätím. Toto napätie však nie je dosť vysoké na to, aby došlo k vzniku výboja. Táto polarizácia je vykonaná počas každého zobrazenia snímky. Teda zobrazenie jednej snímky pozostáva z polarizácie a zapálenia výboja. Výboj sa zapáli privedením napätia na celý displej, ale výboj sa vytvorí len v polarizovaných bunkách.
Výhody
- Široký pozorovací uhol 160–170 °
- Úspora miesta (oproti CRT)
- Lepší kontrast (oproti LCD)
- Prirodzený vnem pohybu - pohyb je plynulejší
Nevýhody
- Nižší jas (oproti LDC)
- Interferencie s vonkajším osvetlením (lesklá sklenená vrstva)
- Spotreba energie - produkcia odpadného tepla
- Vypaľovanie statického obrazu do luminoforu (hlavne staršie displeje)
- Problém s využitím vo vysokých nadmorských výškach
obr. 11
LCD displej
Skratka LCD je vytvorená z anglického názvu Liquid crystal display, čo v preklade znamená displej z kvapalného kryštálu. Princíp tohto zobrazovacieho média spočíva v tom, že horizontálne polarizované svetlo neprechádza vertikálne polarizovaným filtrom. Konštrukcia LCD displeja je zobrazená na Obr. 12. Svetlo zo zdroja prechádza horizontálne polarizovaným filtrom. Tento filter zo svetla odstráni asi 50% žiarenia, ktoré je polarizované vertikálne. Následne svetlo prechádza vrstvou tvorenou tekutými kryštálmi. Orientácia týchto kryštálov je riadená elektrickým poľom. Podľa miery natočenia je regulované množstvo svetla prechádzajúceho k vertikálne polarizovanému filtru. Horizontálne polarizované svetlo týmto filtrom nemôže prejsť, ale molekuly tekutého kryštálu podľa svojho natočenia svetlo polarizujú vertikálne. Molekuly tekutého kryštálu majú tú vlastnosť, že je možné elektróny molekuly pomerne jednoducho pozdĺž molekuly presúvať, teda vplyvom vonkajšieho elektrického poľa sa molekuly polarizujú a vytvoria dipóly, ktoré je potom týmto elektrickým poľom možné natáčať (obr. 13). Farba obrazového prvku je zabezpečená RGB maskou – farebným filtrom. Jednotlivé obrazové prvky môžu byť spínané naraz pre celý displej, ale v praxi je výhodnejšie ich spínať multiplexovaním riadkov alebo stĺpcov obrazu. Multiplexovanie pri vysokej frekvencii ľudské oko nezachytí a pritom dochádza k výraznému šetreniu nákladov na výrobu. Je jednoduchšie adresovať obrazové prvky jedného riadku ako celej matice.
Výhody
- Nedochádza k vypaľovaniu statického obrazu
- Nižšia prevádzková teplota
- Nadmorská výška nemá vplyv na zobrazenie
- Vo väčšine prípadov dochádza k menšej miere odlesku vonkajšieho osvetlenia
- Nižšia hmotnosť
Nevýhody
- Nižší kontrast
- Horšie vnímanie pohybu
- Malý pozorovací uhol 120°
Obr. 12
Obr. 13
OLED displej
Jedná sa o najmodernejší prístup k zobrazovaniu. Obrazové prvky – pixely sú tvorené aktívnymi LED diódami. Výhodou OLED v porovnaní s LCD je, že farby sú jasnejšie a má nižšie nároky na energiu. Toto je spôsobené tým, že emitované svetlo neprechádza polarizačnými filtrami a nedochádza tak k stratám. Navyše na rozdiel od LCD, pri ktorých zdroj svetla svieti stále na plný výkon a na príslušných súradniciach pixelov je zatienené štruktúrou kryštálovej mriežky tekutého kryštálu, pri OLED zobrazovacej jednotke je jas riadený na LED diódu dodaným príkonom. Na Obr. 14 je zobrazený prierez jedného RGB pixelu.
Obr. 14
Po pripojení katódy k zápornému pólu napätia a anódy ku kladnému pólu začne diódou tiecť elektrický prúd. Pritom diery z anódy a elektróny z katódy prechádzajú do organického florescenčného materiálu, kde dochádza k ich rekombinácii. Keďže voľný elektrón má vyššiu energetickú hladinu, ako ju má vo valenčnom pásme atómu, pri rekombinácii sa musí táto energia vyžiariť vo forme fotónu. Farba, teda vlnová dĺžka tohto žiarenia, je daná vlastnosťami organického fluorescenčného materiálu.
Ďalšie zaujímavé videá: