Οθόνη καθοδικού σωλήνα

Οι οθόνες καθοδικού σωλήνα (Cathode Ray Tube - CRT) αποτελούνται από ένα (για μονόχρωμες οθόνες) ή τρία (για έγχρωμες οθόνες) πυροβόλα ηλεκτρονίων μέσα σε ένα σωλήνα. Τα ηλεκτρόνια, αφού διανύσουν το σωλήνα, προσκρούουν στο πίσω μέρος της οθόνης που είναι επιστρωμένο με φωσφορίζουσα ουσία. Το σημείο από όπου ξεκινά η ακτίνα των ηλεκτρονίων λέγεται κάθοδος (cathode). Στο σημείο πρόσκρουσης με την οθόνη, η φωσφορίζουσα ουσία διεγείρεται και λάμπει με αποτέλεσμα την εμφάνιση μιας φωτεινής κουκίδας. Η κουκίδα αυτή αποτελεί το ελάχιστο ίχνος απεικόνισης και ονομάζεται εικονοστοιχείο (pixel - picture element). Η διέγερση της φωσφορίζουσας ουσίας διαρκεί μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου, που αποτελούν το χρόνο αναλαμπής (persistence).

Μονόχρωμος Καθοδικός Σωλήνας

Για το σχηματισμό της εικόνας στην οθόνη, απαιτείται η αναλαμπή πολλών τέτοιων στοιχειωδών κουκίδων φωσφόρου, άρα σχεδόν ταυτόχρονη διέγερση από το ηλεκτρονικό πυροβόλο. Για το λόγο αυτό το ηλεκτρονικό πυροβόλο δε στοχεύει προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, αλλά με την βοήθεια πηνίων εκτροπής, βάλλει προς όλες τα σημεία της οθόνης για να σχηματιστεί η ζητούμενη εικόνα. Η σάρωση της οθόνης από το πυροβόλο γίνεται οριζόντια, γραμμή προς γραμμή, από το πάνω μέχρι το κάτω μέρος της, οπότε και ξαναρχίζει από την αρχή. Η διαδρομή αυτή πρέπει να πραγματοποιείται σε χρόνο ταχύτερο από του χρόνου αναλαμπής της φωσφορίζουσας ουσίας, ώστε το μάτι να βλέπει ταυτόχρονα ολόκληρη τη σχηματισμένη εικόνα.

- Ο ρυθμός σάρωσης της οθόνης ανά γραμμές ονομάζεται οριζόντια συχνότητα σάρωσης (horizontal scanning frequency) και υποδηλώνει το πλήθος των γραμμών που εμφανίζονται ανά δευτερόλεπτο.

- Ο αριθμός των διαφορετικών «οθονών» που μπορούν να εμφανιστούν ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή το πλήθος των φορών που σχεδιάζεται ολόκληρη η οθόνη σε ένα δευτερόλεπτο, ονομάζεται κατακόρυφη συχνότητα (vertical scanning frequency), ή συχνότητα ανανέωσης πλαισίου (refresh rate).

Θεωρητικά το γινόμενο της κατακόρυφης συχνότητας επί το πλήθος των γραμμών στις οποίες είναι διαιρεμένη η οθόνη μας δίνει την οριζόντια συχνότητα. Λόγω όμως της αδράνειας των ηλεκτρονικών πυροβόλων, κυρίως κατά την μετακίνηση από την κάτω δεξιά γωνία στην πάνω αριστερή, η οριζόντια συχνότητα πρέπει να είναι λίγο μεγαλύτερη από το γινόμενο αυτό.

Στις μονόχρωμες οθόνες υπάρχει ένα μοναδικό ηλεκτρονικό πυροβόλο. Όταν η ηλεκτρονική δέσμη προσπίπτει πάνω στην επιφάνεια της φωσφορίζουσας ουσίας δημιουργείται ένα λευκό ίχνος, αλλιώς η επιφάνεια παραμένει μαύρη. Στις πρώτες μονόχρωμες οθόνες κειμένου είχαμε μόνο τα δύο χρώματα, το λευκό και το μαύρο. Αργότερα οι οθόνες άρχισαν να απεικονίζουν γραφικά με διαφορετικές αποχρώσεις του γκρίζου, συνήθως 64 ή 256. Η ισχύς της ηλεκτρονικής ακτίνας καθόριζε και την ένταση της ακτινοβολούμενης λάμψης της φωσφορίζουσας ουσίας που αντιστοιχούσε σε διάφορα επίπεδα του γκρίζου.

Η ίδια περίπου τεχνική χρησιμοποιείται και για τις έγχρωμες οθόνες. Αυτές περιέχουν τρία πυροβόλα, ένα για κάθε βασικό χρώμα (Κόκκινο/Πράσινο/Μπλέ -Red/Green/Blue - RGB).

Στη επιφάνεια δημιουργούνται ξεχωριστά ίχνη για κάθε χρώμα, πολύ κοντά το ένα στο άλλο, ώστε με την διέγερσή τους από τα αντίστοιχα πυροβόλα να συνδυάζονται και να δημιουργούν το εικονοστοιχείο, το οποίο φαίνεται έγχρωμο στο ανθρώπινο μάτι.

Η ισχύς του καθενός από τα τρία πυροβόλα καθορίζει τη φωτεινότητα (brightness) του αντίστοιχου βασικού χρώματος στο συνδυασμό για την παραγωγή του χρώματος του εικονοστοιχείου. Με τον τρόπο αυτό μπορούν να εμφανιστούν πολλά διαφορετικά χρώματα.

Αν σε μια οθόνη για κάθε χρώμα υπάρχουν 256 στάθμες φωτεινότητας, τότε η οθόνη μπορεί να εμφανίσει 256x256x256 = 224 διαφορετικά χρώματα (περίπου 17 εκατομμύρια).

Για να εξασφαλιστεί ότι τα τρία ηλεκτρονικά πυροβόλα θα προσπίπτουν πάνω στα σωστά εικονοστοιχεία, μεταξύ των πυροβόλων και της επιφάνειας της οθόνης παρεμβάλλεται μια μεταλλική πλάκα στην οποία έχουν ανοιχτεί τρύπες με σταθερή απόσταση μεταξύ τους. Η πλάκα αυτή ονομάζεται μάσκα (mask) και η απόσταση μεταξύ των τρυπών ονομάζεται βήμα κουκίδας (dot pitch) Το βήμα κουκίδας καθορίζει και τη μέγιστη ανάλυση, δηλαδή το πλήθος των διαφορετικών εικονοστοιχείων που μπορεί να απεικονίσει μια οθόνη συγκεκριμένου μεγέθους.

Το μέγεθος της οθόνης χαρακτηρίζεται από το μήκος της διαγωνίου της και μετράται σε ίντσες. Οι κατασκευαστές δίνουν συνήθως το μέγεθος της ονομαστικής διαγωνίου· αυτό είναι λίγο μεγαλύτερο από το πραγματικό μέγεθος του πλαισίου της οθόνης που είναι ορατό για τον άνθρωπο.

Μια οθόνη ονομαστικής διαγωνίου 15 ιντσών (περίπου 38 εκ.) έχει ορατό πλαίσιο με διαστάσεις 30x23 cm και βήμα κουκίδας 0,25 mm.

Κατά την οριζόντια διάσταση μπορεί να απεικονίσει 30cm / 0,25mm = 1200 διαφορετικά εικονοστοιχεία

Κατά την κατακόρυφη διάσταση μπορεί να απεικονίσει 23cm / 0,25mm = 920 διαφορετικά εικονοστοιχεία.

Τα μεγέθη αυτά ορίζουν την μέγιστη ανάλυση (resolution) που μπορεί να απεικονίσει η συγκεκριμένη οθόνη. Η εικόνα που εμφανίζει ο υπολογιστής στην οθόνη, έχει διαστάσεις μικρότερες από τη μέγιστη ανάλυση που μπορεί να υποστηρίξει η οθόνη. Οι διαστάσεις απεικόνισης είναι τυποποιημένες: υπάρχουν αναλύσεις 640x480, 800x600, 1024x768 κλπ.

Από τη μεριά του υπολογιστή υπάρχει το υποσύστημα γραφικών, το οποίο καθορίζει την ανάλυση και το πλήθος των χρωμάτων της εικόνας που θα απεικονιστεί στην οθόνη. Στο υποσύστημα γραφικών υπάρχει ειδική μνήμη, στην οποία φυλάσσεται για κάθε εικονοστοιχείο η τιμή της φωτεινότητας του χρώματος ή των χρωμάτων.

Αν το πλαίσιο της οθόνης έχει διαστάσεις 640x480 και χρησιμοποιούνται 24 bits για κάθε εικονοστοιχείο (8 bits για καθένα από τα τρία βασικά χρώματα), τότε η μνήμη του υποσυστήματος γραφικών έχει μέγεθος 640 x 480 x 24 bits = 7.372.800 bits = 921.600 bytes

Όσο μεγαλύτερο είναι το πλαίσιο που θέλουμε να απεικονίσουμε, τόσο περισσότερη πρέπει να είναι και η μνήμη του υποσυστήματος γραφικών. Τα ηλεκτρονικά του υποσυστήματος γραφικών επιπλέον καθορίζουν την κάθετη συχνότητα ανανέωσης των πλαισίων, καθώς και το πλήθος των διαφορετικών χρωμάτων σε κάθε ανάλυση.

Ένα υποσύστημα γραφικών με μνήμη 1 MB μπορεί να απεικονίσει σε μια οθόνη ανάλυση 640x480 με 24 bits για κάθε εικονοστοιχείο, αλλά για ανάλυση 800x600 μπορεί να παραστήσει το χρώμα κάθε εικονοστοιχείου μόνο με 16 bits (δηλαδή διαθέτει 216 διαφορετικά χρώματα) και για ανάλυση 1024x768 διαθέτει μόνο 256 διαφορετικά χρώματα.

Η τεχνολογία κατασκευής και οι διαστάσεις της οθόνης περιορίζουν τη μέγιστη ανάλυση, το χρώμα και τη συχνότητα ανανέωσής της. Από εκεί και πέρα, το υποσύστημα γραφικών αναλαμβάνει να εκμεταλλευτεί τις δυνατότητες της οθόνης, χρησιμοποιώντας αναλύσεις με τιμές μικρότερες ή ίσες των μεγίστων τιμών της οθόνης. Και αυτές οι αναλύσεις είναι τυποποιημένες και εξαρτώνται και από τις δυνατότητες του υποσυστήματος γραφικών (μνήμη, ηλεκτρονικά υποστήριξης κλπ).

Υπάρχουν όμως και άλλοι περιορισμοί όσον αφορά τις δυνατότητες απεικόνισης μιας οθόνης. Η μέγιστη συχνότητα οριζόντιας σάρωσης είναι δεδομένη· επομένως όσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση της εικόνας, τόσο μικρότερη είναι η συχνότητα κάθετης ανανέωσης. Σε παλαιότερες οθόνες η μέγιστη συχνότητα οριζόντιας σάρωσης ήταν μικρή, οπότε οι μεγάλες αναλύσεις απεικονίζονταν με πολύ μικρή συχνότητα σάρωσης. Το φαινόμενο αυτό ήταν ιδιαίτερα ενοχλητικό και κουραστικό για τα μάτια.

Μία λύση αποτέλεσε η πεπλεγμένη ή πλεκτή σάρωση (interlaced scanning). Στην πεπλεγμένη σάρωση διαιρούμε το ορατό πλαίσιο της εικόνας σε άρτιες και περιττές γραμμές. Κάθε φορά δεν ανανεώνουμε όλες τις γραμμές, αλλά εναλλάξ τις άρτιες και τις περιττές.

Αν η κάθετη συχνότητα ανανέωσης της οθόνης μας είναι μόνο 30 Hz (δηλαδή τριάντα φορές το δευτερόλεπτο), η συχνότητα ανανέωσης των περιττών γραμμών είναι 30 φορές το δευτερόλεπτο, ενώ το ίδιο ισχύει και για τις άρτιες. Στην οθόνη απεικονίζονται εναλλάξ οι άρτιες και οι περιττές γραμμές δίνοντας ένα σύνολο 60 ορατών πλαισίων το δευτερόλεπτο που εναλλάσσονται. Το αποτέλεσμα της εναλλαγής αυτής των περιττών και άρτιων πλαισίων είναι να νομίζει ο χρήστης ότι έχει ανανέωση 60 πλαισίων το δευτερόλεπτο.

Η συνύπαρξη των περιττών γραμμών του τρέχοντος πλαισίου με τις άρτιες του προηγούμενου πλαισίου και αντίστροφα δημιουργεί τρεμόσβησμα (flickering) της οθόνης που είναι κουραστικό στην πολύωρη εργασία.