مقالات

افسون نمایشگر ها (۱) | نمایشگرهای CRT

electronic junk pile-thumb-480xauto-1256
نوشته شده توسط حسن مهدیان منش

امروزه فناوری‌های بسیار متنوعی برای تولید تصویر در جهان وجود دارد. از جمله آن‌ها می‌توان به نمایشگرهای CRT, LCD, LED, OLED, Plasma و بسیاری انواع دیگر اشاره کرد. بررسی چگونگی عملکرد این نمایشگرها می‌تواند برای ما بسیار جالب و مفید باشد. ما قصد داریم در چند مقاله متوالی، هر بار در مورد یکی از انواع نمایشگرها صحبت کنیم و اصول فیزیکی حاکم بر ساختار آن‌ها را بررسی نماییم. اگر بخواهیم بر اساس ترتیب تاریخی به وجود آمدن نمایشگرها کار کنیم، بی‌شک اولین نوع نمایشگری که باید به آن بپردازیم نمایشگرهای «لوله پرتوکاتدی» (Cathode ray tube display,CRT) می‌باشد. این نمایشگرها با استفاده از پرتوکاتدی و بخورد آن به صفحه فلورسانس تصاویر را تولید می‌کند. در ادامه مطلب در مورد روش کار این نمایشگرها، بیشتر صحبت می‌کنیم.
لوله‌های پرتوکاتدی در اسیلسکوپ ها و تلویزیون‌ها و نمایشگرهای کامپیوتری کاربرد دارند. این نام برمی‌گردد به اوایل دهه ۱۹۰۰ میلادی، زمانی که پرتوکاتدی به تازگی کشف‌شده بود. لوله پرتوکاتدی از یک پرتو الکترونی استفاده می‌کند که البته در آن زمان هنوز ماهیت این پرتو کشف نشده بود. به همین خاطر نام آن پرتو را اشعه کاتدی گذاشتند، زیرا از بخش کاتد لوله خلأ (الکترود منفی) گسیل می‌شد.

۱

شکل بالا یک نمودار شماتیک از اجزاء اصلی یک لوله پرتوکاتدی را نشان می‌دهد. فضای داخل لوله، یک خلأ بسیار خوب با فشار حدود ۰٫۰۱ Pa (10-7 اتمسفر) یا حتی کمتراست. اگر فشار از این مقدار بیشتر باشد، برخوردهای الکترون‌ها با مولکول‌های هوا، اشعه الکترونی را بیش‌ازحد پراکنده می‌کند. کاتد که در انتهای سمت چپ شکل بالا قرار دارد، توسط فیلامان (Heater) به یک دمای بالا می‌رسد و در اثر گرم شدن کاتد (و البته وجود اختلاف‌پتانسیل بسیار زیاد بین کاتد و آند) الکترون‌ها از سطح کاتد کنده (evaporate) می‌شوند. آند شتاب‌دهنده که در وسط آن‌یک سوراخ کوچک وجود دارد، در یک پتانسیل بالای مثبت V1 که از مرتبه ۱ تا ۲۰ کیلوولت نسبت به کاتد است، نگه‌داشته می‌شود. این اختلاف‌پتانسیل منجر به یک میدان الکتریکی در فضای بین آند شتاب‌دهنده و کاتد می‌شود که جهت آن از راست به چپ می‌باشد. الکترون‌هایی که از سوراخ آند عبور می‌کنند به شکل یک پرتو باریک درمی‌آیند و با یک سرعت افقی ثابت از آند به سمت صفحه فلورسانس (fluorescent screen) حرکت می‌کنند. در ناحیه‌ای از صفحه که الکترون به آن برخورد می‌کند درخششی ایجاد می‌شود.
«شبکه کنترل» (control grid) تعداد الکترون‌هایی را که به آند می‌رسند (و در نتیجه، میزان روشنایی نقطه بر روی صفحه) را تنظیم می‌کند. ممکن است الکترون‌هایی که از کاتد بیرون می‌آیند در جهت‌هایی که با هم اندکی اختلاف دارند گسیل شوند و به همین خاطر در فواصل دور، باریکه الکترونی پخش می‌شود. آند متمرکز کننده (focusing anode) این الکترون‌ها را به یک پرتو باریک متمرکز می‌کند و باعث می‌شود که همهٔ الکترون‌ها به یک نقطه یکسان بر روی صفحه برسند. به مجموعه کاتد، شبکه کنترل، آند متمرکز کننده و آند شتاب‌دهنده، «تفنگ الکترونی» می‌گویند.

۲

باریکه الکترون‌ها از میان دو جفت از صفحات منحرف‌کننده (deflecting plates) عبور می‌کند. میدان الکتریکی میان جفت صفحات اول، الکترون‌ها را به طور افقی منحرف می‌کند و میدان الکتریکی مربوط به جفت صفحات دوم باریکه الکترونی را در جهت عمودی منحرف می‌کند. اگر هیچ میدان منحرف‌کننده‌ای وجود نداشته باشد، الکترون‌ها یک مسیر مستقیم را از سوراخ آند شتاب‌دهنده به سمت مرکز صفحه‌نمایش می‌پیمایند که منجر به یک نقطه ثابت روشن در وسط صفحه می‌شود.
البته امروزه این انحراف توسط میدان‌های مغناطیسی ایجاد می‌شوند و این میدان توسط دو سری سیم‌پیچ که نسبت به هم عمود هستند ایجاد می‌شوند که به این بخش هوک انحراف (deflection yoke) می‌گویند.

۳

۴

برای اینکه یک تصویر روی صفحه ایجاد شود باریکه الکترونی باید کل مساحت صفحه را یک‌بار جاروب کند. پس این میدان‌ها باید بتوانند باریکه الکترونی را از گوشه بالا و چپ صفحه تا گوشه پایین و راست صفحه منحرف کنند.

۵

بدیهی است که اگر هوک منحرف‌کننده را بچرخانیم، تصویر تولیدشده روی صفحه هم به همان اندازه می‌چرخد و اگر هوک را نسبت به تفنگ الکترونی دور و نزدیک کنیم، تصویر تولیدشده کوچک و یا بزرگ می‌شود.
وقتی یک پرتو الکترونی را به طور آنی به صفحه فلورسانس بتابانیم، در آن ناحیه تا مدت‌زمان خاصی یک نقطه نورانی می‌بینیم؛ و پس از اندکی آن نقطه کم‌نورتر و کم‌نورتر می‌شود تا اینکه کاملاٌ محو می‌گردد. حال فرض کنید که بخواهیم یک تصویر روشن یکنواخت روی صفحه تولید کنیم، برای این کار از گوشه بالا و چپ صفحه شروع می‌کنیم و پرتوکاتدی را از سمت چپ تا سمت راست جاروب می‌کنیم و یک خط باریک روشن (یک سطر از نقاط نورانی) ایجاد می‌کنیم. سپس به سراغ سطر بعدی می‌رویم و همین‌طور سطر به سطر صفحه را جاروب می‌کنیم تا اینکه کل صفحه روشن شود (روش‌های دیگری هم برای جاروب کردن صفحه وجود دارد، مثلاً می‌توانیم این کار را به‌صورت اوریب انجام دهیم).

۶

اما باید توجه داشته باشیم که هر نقطه‌ای را که روشن می‌کنیم، پس از مدت کوتاهی محو می‌شود، پس اگر بخواهیم کل صفحه به طور یکنواخت روشن شود باید عمل جاروب کردن نقاط را بسیار سریع انجام دهیم به طوری که قبل از آنکه نقطه اول محو شود از روی کل نقاط روی صفحه یک‌بار عبور کرده باشیم. در شکل زیر فرآیند تولید یک تصویر دلخواه را روی صفحه را به طور شماتیک مشاهده می‌کنیم.

۷

با این کار توانستیم یک‌بار کل صفحه را روشن کنیم، اما همان‌طور که گفته شد تمام نقاطی را که روشن کرده‌ایم، پس از مدت‌زمان کوتاهی محو می‌شوند. برای تولید یک تصویر روشن ثابت، باید مدام، پشت سرهم کل صفحه را جاروب کنیم. اگر این عمل را کند انجام دهیم ممکن است بعضی نقاط، قبل از آنکه دوباره توسط پرتو الکترونی روشن شوند، محو گردند و در نتیجه صفحه مدام روشن و خاموش شود (یا یک سری خطوط افقی یا مورب روی صفحه دیده شود. برای اینکه این خطوط را ببینید کافی است با یک دوربین موبایل نه چندان قوی از یک مانیتور CRT فیلم بگیرید، چون سرعت پردازش تصویر در این دوربین پایین است تا حدودی فرایند جاروب کردن صفحه دیده می‌شود). در شکل زیر یک عکس بسیار سریع از یک نمایشگر CRT را مشاهده می‌کنید.

۸

ازاین‌رو نرخ تازه‌سازی تصویر (refresh rate) در مانیتورهای CRT بسیار حائز اهمیت است. هرچقدر این نرخ بالاتر باشد تصویر تولیدشده کیفیت بهتری خواهد داشت و در عوض به سخت‌افزار قوی‌تری برای افزایش سرعت کار مانیتور نیاز است. نرخ تازی استاندارد از حدود ۶۰ هرتز (که عدد کمی محسوب می‌شود) تا ۸۰ هرتز می‌باشد؛ که نشان‌دهنده این است که مانیتور باید در هر ثانیه ۸۰ بار کل صفحه را روشن کند. به منظور ایجاد تصاویری پایدارتر، از نرخ تازه‌سازی تا ۱۲۰ هرتز و در برخی موارد ۲۴۰ هرتز استفاده می‌شود.

 تولید تصاویر رنگی در مانیتورهای CRT

برای تولید نقاط رنگی روی صفحه‌نمایش از ترکیب ۳ رنگ آبی، سبز و قرمز استفاده می‌شود. بسته به اینکه هرکدام از رنگ‌ها با چه شدتی تولید شوند و با هم ترکیب گردند، می‌توان رنگ‌های مختلف ایجاد کرد. مثلاً برای تولید رنگ سفید باید سه‌نقطه آبی، سبز و قرمز که در مجاورت هم قرار دارند با حداکثر شدتشان تولید شوند و برای تولید رنگ سیاه باید هر سه‌نقطه خاموش باشند.

۹

۱۰

۱۱

ماده فلورسانس روی صفحه مانیتور به طوری قرارگرفته که دنباله‌ای از این سه رنگ مدام در هر سطر آن تکرار می‌شوند. همچنین، در تفنگ الکترونی نیز سه کاتد وجود دارد که هرکدام مسئول روشن کردن یکی از نقطه‌های به رنگ آبی، سبز و یا قرمز هستند. اگر مثلاٌ اختلاف‌پتانسیل کاتد قرمز را نسبت به دو تای دیگر بیشتر کنیم، تصویر تولیدشده به رنگ قرمز نزدیک‌تر می‌شود.

در CRT های رنگی، باریکه الکترونی قبل از اینکه به صفحه فلورسانس برسد از داخل سوراخ‌های یک صفحه فلزی به نام «ماسک سایه» (Shadow mask) عبور می‌کنند.

۱۲

۱۳

۱۴

هدف از قرار دادن ماسک این است که باریکه الکترونی دقیقاً روی نقاط سه‌گانه روی صفحه قرار گیرد و رنگ اشتباهی تولید نشود. ابعاد و فواصل این سوراخ‌ها معیاری از «عمق نقاط» CRT است. هرچه سوراخ‌ها کوچک‌تر باشند عمق نقاط کوچک‌تر است و تصویر واضح‌تر (sharp) می‌شود. در اکثر ماسک‌های سایه، سوراخ‌ها به‌صورت آرایه‌ای از مثلث‌ها هستند.

۱۵

۱۶

هرچند امروزه استفاده از این نمایشگرها بسیار کم شده است ولی هنوز هم در وسایلی مثل اسیلسکوپ ها کاربرد خود را دارند. در مورد اینکه این نمایشگرها نسبت به انواع دیگر چه معایب و چه برتری‌هایی دارند در آینده، پس از معرفی انواع دیگر نمایشگرها، صحبت خواهیم کرد.

درباره نویسنده

حسن مهدیان منش

دیدگاه شما چیست