1 Dispositivos de visualización de video
Por lo general, el dispositivo de salida principal de un sistema gráfico es un monitor de video. Históricamente, el funcionamiento de la mayoría de los monitores de vídeo se basaba en el diseño estándar de tubo de rayos catódicos (CRT), pero existen varias otras tecnologías; en los últimos años, las pantallas de pantalla plana se han convertido significativamente más populares debido a su reducido consumo de energía y diseños más delgados.
Refrescar tubos de rayos catódicos
La figura 1 ilustra el funcionamiento básico de un CRT. Un haz de electrones (rayos catódicos), emitido por un cañón de electrones, pasa a través de sistemas de enfoque y deflexión que dirigen el haz hacia posiciones específicas en la pantalla recubierta de fósforo. El fósforo emite entonces un pequeño punto de luz en cada posición en la que entra en contacto el haz de electrones. Como la luz emitida por el fósforo se desvanece muy rápidamente, se necesita algún método para mantener la imagen en pantalla. Una forma de hacerlo es almacenar la información de la imagen como una distribución de carga dentro del CRT. Esta distribución de carga se puede utilizar entonces para mantener los fósforos activados. Sin embargo, el método más común que se emplea ahora para mantener el brillo del fósforo es volver a dibujar la imagen repetidamente dirigiendo rápidamente el haz de electrones de vuelta sobre los mismos puntos de la pantalla. Este tipo de pantalla se denomina CRT de actualización, y la frecuencia con la que se vuelve a dibujar una imagen en la pantalla se denomina frecuencia de actualización.
Los componentes principales de un cañón de electrones en un CRT son el cátodo metálico calentado y la rejilla de control (Fig. 2). El calor se suministra al cátodo dirigiendo una corriente a través de una bobina de alambre, llamada filamento, dentro de la estructura catódica cilíndrica. Esto hace que los electrones se “evaporen” de la superficie catódica caliente. En el vacío dentro de la envoltura del CRT, los electrones libres, cargados negativamente, son acelerados hacia el revestimiento de fósforo mediante un alto voltaje positivo. El voltaje de aceleración se puede generar con un revestimiento metálico cargado positivamente en el interior de la envoltura del CRT cerca de la pantalla de fósforo, o se puede utilizar un ánodo de aceleración, como en la Figura 2, para proporcionar el voltaje positivo. A veces, el cañón de electrones está diseñado de modo que el ánodo de aceleración y el sistema de enfoque estén dentro de la misma unidad.
La intensidad del haz de electrones se controla mediante el voltaje en la rejilla de control, que es un cilindro de metal que se coloca sobre el cátodo. Un voltaje negativo alto aplicado a la rejilla de control apagará el haz al repeler los electrones e impedir que pasen a través del pequeño orificio ubicado al final de la estructura de la rejilla de control. Un voltaje negativo menor en la rejilla de control simplemente disminuye la cantidad de electrones que pasan a través de ella. Dado que la cantidad de luz emitida por el revestimiento de fósforo depende de la cantidad de electrones que inciden en la pantalla, el brillo de un punto de visualización se controla variando el voltaje en la rejilla de control. Este brillo, o nivel de intensidad, se especifica para posiciones de pantalla individuales con comandos de software de gráficos.
El sistema de enfoque de un tubo de rayos catódicos obliga al haz de electrones a converger en una pequeña sección transversal cuando incide en el fósforo. De lo contrario, los electrones se repelerían entre sí y el haz se dispersaría al acercarse a la pantalla. El enfoque se logra con campos eléctricos o magnéticos. Con el enfoque electrostático, el haz de electrones pasa a través de un cilindro metálico cargado positivamente de modo que los electrones a lo largo de la línea central del cilindro estén en una posición de equilibrio. Esta disposición forma una lente electrostática, como se muestra en la Figura 2, y el haz de electrones se enfoca en el centro de la pantalla de la misma manera que una lente óptica enfoca un haz de luz a una distancia focal particular. Se pueden lograr efectos de enfoque de lente similares con un campo magnético establecido por una bobina montada alrededor del exterior de la envoltura del tubo de rayos catódicos, y el enfoque de lente magnética generalmente produce el tamaño de punto más pequeño en la pantalla.
En los sistemas de alta precisión se utiliza hardware de enfoque adicional para mantener el haz enfocado en todas las posiciones de la pantalla. La distancia que debe recorrer el haz de electrones hasta diferentes puntos de la pantalla varía porque el radio de curvatura de la mayoría de los CRT es mayor que la distancia desde el sistema de enfoque hasta el centro de la pantalla. Por lo tanto, el haz de electrones se enfocará correctamente solo en el centro de la pantalla. A medida que el haz se mueve hacia los bordes exteriores de la pantalla, las imágenes mostradas se vuelven borrosas. Para compensar esto, el sistema puede ajustar el enfoque según la posición del haz en la pantalla.
Al igual que con el enfoque, la desviación del haz de electrones se puede controlar con campos eléctricos o magnéticos. Los tubos de rayos catódicos se construyen ahora comúnmente con bobinas de desviación magnética montadas en el exterior de la envoltura del CRT, como se ilustra en la Figura 1. Se utilizan dos pares de bobinas para este propósito. Un par se monta en la parte superior e inferior del cuello del CRT, y el otro par se monta en lados opuestos del cuello. El campo magnético producido por cada par de bobinas da como resultado una fuerza de desviación transversal que es perpendicular tanto a la dirección del campo magnético como a la dirección de desplazamiento del haz de electrones. La desviación horizontal se logra con un par de bobinas y la desviación vertical con el otro par. Las cantidades de desviación adecuadas se obtienen ajustando la corriente a través de las bobinas. Cuando se utiliza la desviación electrostática, se montan dos pares de placas paralelas dentro de la envoltura del CRT. Un par de placas se monta horizontalmente para controlar la desviación vertical y el otro par se monta verticalmente para controlar la desviación horizontal (Fig. 3).
Los puntos de luz se producen en la pantalla por la transferencia de la energía del haz del CRT al fósforo. Cuando los electrones del haz chocan con el revestimiento de fósforo, se detienen y su energía cinética es absorbida por el fósforo. Parte de la energía del haz se convierte por fricción en energía térmica, y el resto hace que los electrones de los átomos de fósforo se desplacen a niveles de energía cuántica más altos. Después de un corto tiempo, los electrones de fósforo “excitados” comienzan a caer de nuevo a su estado fundamental estable, cediendo su energía extra en forma de pequeños cuantos de energía luminosa llamados fotones. Lo que vemos en la pantalla es el efecto combinado de todas las emisiones de luz de los electrones: un punto brillante que se desvanece rápidamente después de que todos los electrones de fósforo excitados hayan regresado a su nivel de energía fundamental. La frecuencia (o color) de la luz emitida por el fósforo es proporcional a la diferencia de energía entre el estado cuántico excitado y el estado fundamental.
Existen diferentes tipos de fósforos disponibles para su uso en CRT. Además del color, una diferencia importante entre los fósforos es su persistencia, el tiempo que continúan emitiendo luz (es decir, el tiempo que transcurre antes de que todos los electrones excitados regresen al estado fundamental) después de que se retira el haz del CRT. La persistencia se define como el tiempo que tarda la luz emitida por la pantalla en decaer a una décima parte de su intensidad original. Los fósforos de menor persistencia requieren frecuencias de actualización más altas para mantener una imagen en la pantalla sin parpadeos. Un fósforo con baja persistencia puede ser útil para la animación, mientras que los fósforos de alta persistencia son más adecuados para mostrar imágenes estáticas y muy complejas. Aunque algunos fósforos tienen valores de persistencia superiores a 1 segundo, los monitores gráficos de propósito general suelen construirse con una persistencia en el rango de 10 a 60 microsegundos.
La Figura 4 muestra la distribución de intensidad de un punto en la pantalla. La intensidad es máxima en el centro del punto y disminuye con una distribución gaussiana hacia los bordes. Esta distribución corresponde a la distribución de densidad electrónica transversal del haz del CRT.
El número máximo de puntos que se pueden mostrar sin superposición en un CRT se denomina resolución. Una definición más precisa de resolución es el número de puntos por centímetro que se pueden representar horizontal y verticalmente, aunque a menudo se expresa simplemente como el número total de puntos en cada dirección. La intensidad del punto tiene una distribución gaussiana (Fig. 4), por lo que dos puntos adyacentes se verán distintos siempre que su separación sea mayor que el diámetro en el que cada punto tiene una intensidad de aproximadamente el 60 % de la del centro del punto. Esta posición de superposición se ilustra en la Figura 5. El tamaño del punto también depende de la intensidad. A medida que se aceleran más electrones hacia el fósforo por segundo, aumentan los diámetros del haz del CRT y del punto iluminado. Además, el aumento de la energía de excitación tiende a propagarse a los átomos de fósforo vecinos que no se encuentran directamente en la trayectoria del haz, lo que aumenta aún más el diámetro del punto. Por lo tanto, la resolución de un CRT depende del tipo de fósforo, la intensidad que se va a mostrar y los sistemas de enfoque y deflexión. La resolución típica en sistemas de alta calidad es de 1280 x 1024, con resoluciones superiores disponibles en muchos sistemas. Los sistemas de alta resolución suelen denominarse sistemas de alta definición. El tamaño físico de un monitor gráfico, por otro lado, se define como la longitud de la diagonal de la pantalla, con tamaños que varían desde aproximadamente 12 pulgadas hasta 27 pulgadas o más. Un monitor CRT puede conectarse a diversos sistemas informáticos, por lo que el número de puntos de pantalla que se pueden representar gráficamente también depende de las capacidades del sistema al que está conectado.
Raster-Scan Displays
The most common type of graphics