20. Jak pracuje displej počítače

Před několika lety byly barevné monitory u počítačů pokládány za neužitečnou hříčku - vhodné spíše pro hraní her, než pro vážnou práci. Většina software byla orientována textově a text zobrazený na barevném monitoru byl primitivní a těžko čitelný. Dokonce i pro grafické aplikace byly monitory CGA (Color Graphics Adapter), které byly prvními monitory pro počítače se systémem DOS, vážnou překážkou pro svoji neschopnost zobrazit více než čtyři barvy z 16 možných nabízených monitorem v jeho nejvyšší hustotě zobrazení - hustotě, kde místo hladkých křivek a přímých čar zbyly jen zubaté čáry. Dnes se ale všechno změnilo; nejen že je barva přijímána i pro vážně míněné projekty, ale dokonce je jí a počítačové scéně dávána přednost u takových graficky orientovaných prostředí jako jsou Windows a OS/2.

Dnešní software používá barvu nejen proto, aby oku více lahodil, ale aby také barvou přinášel více informací. Moderní barevné displeje jsou na hony vzdáleny od omezených, primitivních barev a grafiky z doby před deseti lety. Místo 4 barev je obecně k mání paleta 256 barev, některé displeje nabízejí tisíce až miliony barevných odstínů. Místo kostrbaté hustoty monitoru CGA o 200 řádcích po 640 barevných bodech, nabízejí moderní monitory hustotu 768 řádků po 1024 barevných bodech.

Barevný bod (angl. pixel) je nejmenší logickou jednotkou, kterou můžeme použít pro vytvoření obrazu na stínítku obrazovky. Jeden barevný bod je obvykle vytvářen několika spojujícími se světelnými body. Čím méně světelných teček se pro tento barevný bod použije, tím jemnější má monitor zobrazení.

Tajemství dnešních lepších displejů spočívá v kombinaci adaptérů VGA (Variable Graphics Array) a přizpůsobivých monitorů, které umějí pracovat s různými typy signálů z adaptéru. Starší adaptéry displejů používaly výlučně digitální informaci, což znamenalo, že barevný bod byl buďto zapnut nebo vypnut a bylo tedy těžké dosáhnout jemnějších barevných odstínů. Princip VGA používá analogový signál, který digitální informaci převádí na různé úrovně napětí, jimiž se dá měnit jas barevného bodu. Celý proces vyžaduje méně paměti a je mnohem přizpůsobivější. Displeje SuperVGA používají zvláštní sady čipů a větší paměť pro další zvětšení počtu barev a jemnější zobrazení. Některé formáty VGA se stanou dlouholetým standardem. Zde se podíváme na dva typy barevných displejů VGA - stolní monitor a obrazovku s tekutými krystaly pro přenosné osobní počítače.

Stolní monitor VGA
1. Digitální signály z operačního systému nebo aplikačního software jsou přijímány adaptérem VGA (někdy vestavěným do základní desky počítače). Adaptér prožene signál obvodem zvaným digitálně-analogový převodník (DAC, Digital to Analog Converter). Obvody DAC jsou většinou uloženy na jednom specializovaném čipu, který ve skutečnosti obsahuje převodníky tři - po jednom pro každou ze tří základních barev používaných na displeji: červenou, modrou a zelenou.
2. Obvody DAC převádějí číselné hodnoty zasílané počítačem na analogové tabulky, které obsahují příhodné úrovně napětí pro tři základní barvy potřebné na namíchání barvy jednoho barevného bodu. Tabulka obsahuje hodnoty pro 262 144 možných barev. Z nichž 256 lze uložit do paměti adeptéru VGA. (Displeje SuperVGA, které mají více paměti, mohou pracovat s více barvami i pro vyšší rozlišení i s více barevnými body.)
3. Adaptér zasílá signály do tří elektronových děl umístěných v zadní části obrazovky (CRT). Každé elektronové dělo vystřeluje proud elektronů, pro jednu ze tří základních barev. Intenzita proudů je řízena signály přicházejícími z adaptéru.
4. Adaptér vysílá signály i do mechanismu v hrdle obrazovkové trubice, který elektronový paprsek zaostřuje a směruje. Část tohoto mechanismu, magnetické vychylovací cívky, používají elektromagnetické pole pro ohyb proudu elektronů. Signály zasílané do vychylovacího mechanismu určují rozlišení monitoru - počet barevných bodů svisle a vodorovně a také obnovovací kmitočet, který udává, jak často se obrázky na stínítku obnovují.
5. Paprsek prochází otvory v kovové desce, tzv. stínící masce. Účelem masky je udržet přesnou cílovou polohu elektronového paprsku na vnitřní straně stínítka obrazovky. Rozteč bodů na obrazovce je mírou toho, jak těsně u sebe jsou otvory; čím blíž otvory jsou, tím menší je rozteč bodů, což na druhé straně vytvoří ostřejší obrázek. Otvory ve většině stínících mřížek jsou uspořádány do trojúhelníků s výjimkou obrazovky Sony Trinitron, která je používána mnoha dalšími výrobci. Otvory u Trinitronu jsou uspořádány jako rovnoběžná mřížka.
6. Elektrony dopadnou na fosforový povlak vnitřní strany stínítka (fosfor je materiál, který po dopadu svazku elektronů září). Používají se tři rozdílné fosforové materiály - pro červenou, zelenou a modrou barvu. Čím silnější je svazek elektronů, který na fosfor dopadá, tím více světla fosfor vyzařuje. Když je zasažen červený, zelený i modrý bod v sestavě stejnou silou elektronových paprsků, má to za následek vytvoření bílého bodu. Pro umíchání různých barev se intenzita každého ze tří paprsků mění. Jakmile paprsek fosforový bod opustí, tento bod rychle dohasíná, což je jev zvaný setrvačnost. Aby bylo obrázek na stínítku vidět trvale, musí být fosforové body opakovaně zažíhány dopady svazků z elektronového děla.
7. Když elektrony dokončí pouť přes stínítko ve vodorovném směru, paprsek elektronů se vypne na dobu, po kterou elektronové dělo mění zacílení elektronových paprsků zpět na levý okraj stínítka právě o bod níž než byl předchozí řádek. Tomuto procesu říkáme rastrování nebo řádkování.
8. Magnetické vychylováni plynule mění úhel, pod kterým se elektronový paprsek ohýbá tak, že postupně putuje přes celé stínítko z levého horního do pravého dolního rohu. Celé cestě přes obrazovku říkáme pole. Po ukončení pole se paprsek vrátí do levého horního rohu, aby tam zahájil práci na novém poli. Obrazovka se normálně obnovuje (refresh) asi 60 krát za sekundu.
9. Některé adaptéry displejů pracují v každém poli ob řádek. Tomuto procesu říkáme prokládané řádkování (interlacing). Prokládané řádkování umožňuje adaptéru dosáhnout větší hustotu - neboli více řádků - s nepříliš drahými součástkami. Ovšem pohasínání fosforu mezi každým průchodem může být více patrné, a může způsobit blikání obrazovky. Všechny moderní grafické adaptéry pracují i v nejvyšším rozlišení v neprokládaném režimu (non interlaced mode).
Displej s tekutými krystaly (LCD displej)
1. Světlo - vyzařované ze světélkujícího panelu zadní části displeje přenosného počítače - se šíří vlněním, které kmitá všemi směry.
2. Polarizačním filtrem před světelným panelem procházejí jen ty světelné vlny, které kmitají přibližně vodorovně. Skutečnost, že polarizační filtr není zcela přesný, umožňuje vytvořit na displeji různé barvy.
3. V některých buňkách vrstvy tekutých krystalů vytvoří grafický adaptér napětí a ostatní buňky zůstávají bez napětí. V buňkách s napětím se dlouhé tyčovité molekuly, tvořící materiál tekutého krystalu, nastaví tak, že vytvoří z molekul spirálu. Při silnějším napájení se molekuly na jednom konci zkroutí vůči orientaci molekul na druhém konci o úhel 90 stupňů.
4. Polarizované světlo vstupující zvenčí do buňky se stočí podél spirálových molekul. Buňky s plným napětím otáčejí kmity procházejícího polarizovaného světla o 90 stupňů oproti původním. Světlo procházející buňkami, které nemají žádné napětí, se v tomto smyslu nemění. Buňky, které dostaly napětí jen částečně, otočí světlo v nějakém úhlu mezi 0 a 90 stupni, v závislostí na velikostí napětí.
5. Světlo vycházející z každé buňky s tekutými krystaly prochází jedním ze tří blízko sebe umístěných barevných filtrů - červeným, zeleným nebo modrým.
6. Obarvené paprsky světla prostupují druhým polarizačním filtrem nastaveným tak, že propustí jen ty světelné vlny, které kmitají přibližně svisle. Světlo, které prošlo tekutými krystaly s plným napětím je nyní orientováno tak, že druhým filtrem projde perfektně.
7. Filtr není úplně přesný, proto některé vlny, které prošly buňkou s jen částečným napětím - a kde byly z toho důvodu jen částečně pootočeny - procházejí filtrem, zatímco ostatní jsou zadrženy.
8. Světlo, které nebylo otočeno vůbec - po průchodu buňkou s tekutými krystaly bez napětí - je nyní zadrženo zcela. Příklad: Např. prochází 100 procent červeného světla, 50 procent zeleného světla a ani trochu modrého světla. Lidskému oku se takto vytvořený světelný bod jeví jako světle hnědá skvrnka.

Poznámka: Model zde popsaný je jedním ze způsobů, jak tekuté krystaly a polarizace umí zacházet se světlem. Některé LCD panely používají dva polarizátory s týmž natočením tak, že napětí přivedené do buňky s tekutými krystaly má za následek, že světlo je zadržováno, protože je pootočeno. Pro napájení buněk s tekutými krystaly existují dva postupy. Displej, kde je pasivní matice, používá jen relativně málo elektrod seřazených do pásů podél vrstev tekutých krystalů a spoléhají se na časování, které zajišťuje napájení správných buněk. Napětí v pasivních maticích odeznívá rychle, barvy pak jsou bledší. Displeje, kde je aktivní matice, mají pro každou buňku samostatný tranzistor. Samostatné tranzistory poskytují přesnější a silnější napájení a vytvářejí živější barvy. Aktivní matice jsou však výrobně dražší a 80 procent displejů se v současné době musí při výrobě vyřadit, protože mají vadný tranzistor.