En los monitores, las imágenes son un mosaico de puntos Un píxel es la mínima unidad representable en un monitor. Cada píxel en la pantalla se pinta, o mejor dicho se enciende, con un determinado color para formar la imagen. De esta forma, cuanto más cantidad de píxeles puedan ser representados en una pantalla, mayor resolución habrá, es decir, cada uno de los puntos será más pequeño y habrá más al mismo tiempo en la pantalla para formar la imagen.

Mezcla aditiva procedentes de fuentes de luz

Mezcla sustractiva de filtros de luz

Cómo se forma la imagen

CRT (tubo de rayos catódicos)

CONSTITUCIÓN INTERIOR La tecnología CRT (Cathodic Ray Tube, Tubo de Rayos Catódicos) es la misma que se puede encontrar en los aparatos de televisión tradicionales. El TRC fue desarrollado por Ferdinand Braun, científico alemán, en 1897, aunque no sería usado por primera vez hasta 1940, con el nacimiento de la TV. El tubo de imagen o TRC es una especie de botella de cristal cerrada al vacío, con tres cañones de electrones (uno solo en los monitores monocromos), una máscara o rejilla y una pantalla de vidrio recubierta en su parte interna por una película de fósforo que tiene la propiedad de iluminarse al recibir el impacto de los e-. La pantalla de fósforo está formada por una densa matriz de puntos que a su vez se componen de tres burbujas de color R, G y B. Cuando se activa la señal de video, los cañones disparan un flujo de e-, cada cañón a la burbuja de su color correspondiente, obteniéndose así la luz del color deseado con mayor o menor luminosidad según la intensidad del haz. La distancia entre las burbujas de color es tan pequeña que el ojo humano no puede apreciarlas individualmente y cada grupo de tres burbujas se aprecia como un solo punto; esto se denomina mezcla aditiva del color. CONSTITUCIÓN INTERIOR En el interior del tubo de vacío se calienta un cátodo a unos 800º, de forma que emite un haz de e- que incide sobre la pantalla de fósforo. Delante del cátodo se sitúa la rejilla de control que actúa sobre la intensidad del haz (al aplicarle un potencial negativo, la rejilla repele los e- del haz, también negativos, disminuyendo su intensidad; aplicando una tensión entre –20 y –100 v se puede suprimir el haz). Sigue un conjunto de ánodos (+). El primer ánodo (a unos 400 v) atrae el haz y lo acelera hacia la pantalla. El segundo ánodo está conectado con la parte interior de la pantalla (entre 15 y 25 kV) y sirve para acelerar más aún el haz. En medio existe un ánodo focalizador (variable entre 0 y 400) y se emplea para enfocar el haz y hacer que converja en un punto concreto de la pantalla. El haz debe orientarse para que alcance cualquier punto de la pantalla, lo que se logra por medios electrostáticos o magnéticos. Los electrostáticos utilizan dos planos para la deflexión horizontal y dos para la vertical, formándose entre cada pareja un campo electrostático que atrae el haz hacia uno de los planos y lo repele del otro; este sistema se utiliza en osciloscopios y otros instrumentos de medida, puesto que es fácil de desviar el haz rápidamente (es decir, responde bien a frecuencias elevadas). Los magnéticos utilizan cuatro bobinas que se encuentran fuera del tubo, abrazándolo, y que generan un campo magnético en su interior; estos se utilizan en aplicaciones gráficas donde la longitud del tubo debe ser lo más reducida posible y no se precisa una velocidad de deflexión muy alta.

TRC

Corte transversal del CRT En el interior del tubo se calienta un cátodo a unos 800º, de forma que emite un haz de e- que incide sobre la pantalla de fósforo. Delante del cátodo se sitúa la rejilla de control que actúa sobre la intensidad del haz (al aplicarle un potencial negativo, la rejilla repele los e- del haz, también negativos, disminuyendo su intensidad; aplicando una tensión entre –20 y –100 V se puede suprimir completamente el haz). Sigue un conjunto de ánodos aceleradores (+). El primer ánodo (a unos 400 V) atrae el haz y lo acelera hacia la pantalla. El segundo ánodo está conectado con la parte interior de la pantalla (entre 15 y 25 kV) y sirve para acelerar más aún el haz. En medio existe un ánodo de enfoque (variable entre 0 y 400 V) y se emplea para enfocar el haz y hacer que converga en un punto concreto de la pantalla.

Elementos de un CRT color La diferencia respecto al tubo de imagen monocromo, es que posee tres cañones de electrones (uno solo en los monitores monocromos), una máscara o rejilla y una pantalla de vidrio recubierta en su parte interna por una película de fósforo, formada por una matriz de puntos que, a su vez, se componen de tres fósforos individuales para los colores R, G y B

Cañón de electrones, monocromo y color

Disposición de los electrodos en un cañón de electrones ▪ Cátodo: según la señal que se le aplique en cada momento se emitirán más o menos e- ▪ Filamento: se coloca en el interior del cátodo con el fin de provocar la emisión de los e- por el cátodo ▪ Rejilla de control G1: regula la cantidad de e- que pasarán a la zona de aceleración ▪ Rejilla de pantalla G2: es el primer ánodo acelerador ▪ Electrodo de enfoque G3: concentra el flujo electrónico para que el haz de e- sea lo más fino posible ▪ Ánodo acelerador G4: acelera los e- lo suficiente para que lleguen a la pantalla, iluminándola

Tres cañones en los monitores RGB

Diagrama de bloques básico de un CRT color El monitor CRT se basa en la emisión de haces de electrones, generados por tres cañones por tubo, que corresponden a los tres colores primarios, para producir la gama de colores que podemos ver en la pantalla. La parte interna de la pantalla del monitor está formada por una capa de partículas de fósforo. El haz de electrones es proyectado sobre cada una de estas partículas, y la mezcla de los distintos grados de intensidad de cada uno de los tres cañones determina el color mostrado. El haz va incidiendo sobre la parte interna de la pantalla de izquierda a derecha y de arriba abajo para formar la imagen completa. El efecto de estimulación de cada partícula dura poco, por lo que hacen falta múltiples pasadas para que pueda quedar impresa la imagen en la pantalla, utilizándose el procedimiento de refresco de pantalla, cuya repetición se mide en Hz.

El tubo de imagen El tubo de rayos catódicos (TRC) está constituido utilizando el principio de las válvulas de vacío para generar un haz de electrones. Estos se desplazarán con un sistema de campos magnéticos que permitirá la exploración secuencial de la pantalla para iluminar la capa fluorescente contenida en la cara interna de esta pantalla. Cuando los electrones incidan sobre esta pantalla, el usuario, situado en el lado opuesto, observará una iluminación cambiante para cada punto, y que en su conjunto creará la imagen almacenada en la tarjeta gráfica. En una primera aproximación, se pueden establecer tres sistemas que conforman la estructura de cualquier TRC: el cañón electrónico, el sistema de deflexión y la pantalla luminiscente.

Agrupación de fósforos en la pantalla

Deflexión electrostática y electromagnética El haz debe orientarse para que alcance cualquier punto de la pantalla, lo que se logra por medios electrostáticos o magnéticos. Los electrostáticos utilizan dos planos para la deflexión horizontal y dos para la vertical, formándose entre cada pareja un campo electrostático que atrae el haz hacia uno de los planos y lo repele del otro; este sistema se utiliza en osciloscopios y otros instrumentos de medida, puesto que es fácil de desviar el haz rápidamente (es decir, responde bien a frecuencias elevadas). Los magnéticos utilizan cuatro bobinas que se encuentran fuera del tubo, abrazándolo, y que generan un campo magnético en su interior; estos se utilizan en aplicaciones gráficas donde la longitud del tubo debe ser lo más reducida posible y no se precisa una velocidad de deflexión muy alta.

Deflexión electrostática

Deflexión electromagnética

Principio de la deflexión electromagnética El tubo de imagen debe ser explorado de arriba abajo y de izquierda a derecha, por lo que se establecen dos sistemas de deflexión, uno vertical y otro horizontal. El modo de gobernar el chorro de e- electromagnéticamente consiste en generar campos magnéticos en la zona que deberán atravesar los electrones en su camino hacia la pantalla. Cuando el haz pase por el campo magnético sufrirá una desviación de su trayectoria, cuyo ángulo dependerá de la fuerza del campo magnético aplicado y el sentido de la desviación estará definido por la polaridad de este campo. Estos campos magnéticos están provocados por bobinas situadas en el yugo de deflexión, disponiéndose dos bobinas en el plano vertical, una a cada lado del tubo, para controlar los movimientos del haz en ese sentido. Una bobina en la parte superior y otra en la inferior se encargan del movimiento horizontal.

Vista del sistema de enfoque y de desviación del haz

Sección de la pantalla de un TRC

Puntos de fósforo que recubren la pantalla En los tubos de color se utilizan tres haces para producir los colores primarios (por eso se les llama también monitores RGB), ya que existen fósforos que al ser impactados producen dichos colores. Se agrupan en bloques de tres, uno de cada color, que el ojo, dado su limitado poder separador, lo interpreta como el color suma de los tres. Cada triada se denomina dot y existen diversas formas de agruparse. Cada haz apunta a su correspondiente color, y su intensidad está controlada por una señal diferente suministrada por la señal de video. Todos los colores posibles surgen de combinaciones de diferentes intensidades de cada haz. [Existe otro tipo de monitores que disponen de un único haz que impacta sobre los tres tipos de puntos, se les denomina “sistema de video compuesto” y dan peor calidad que los RGB, pero son los empleados en TV]

Formas de agrupación de los fósforos

Impacto de los haces en los fósforos Para crear una imagen precisa es necesario asegurar que el haz de cada color incide únicamente sobre el fósforo adecuado para ese color; para ello se sitúa una lámina de metal agujereada, llamada máscara de sombra (shadow mask) que hace que los haces pasen a través de los agujeros (a modo de colador) para evitar que incidan sobre los fósforos que no le corresponden.

“DEFECTOS DEL OJO” La visión en color que se produce en la pantalla del TRC es posible a partir de tres principios básicos: • tricromatismo, propiedad de la retina • mezcla aditiva espacial, propiedad de la corteza visual • mezcla aditiva temporal, también propiedad de la corteza visual El tricromatismo fue establecido ya por Young en 1802 y la definió como “la división del espectro visible en tres bandas, roja, verde y azul, y es propiedad exclusiva de la retina”. La mezcla aditiva espacial o agudeza visual es el poder separador del ojo, que en uno humano medio es de un minuto de arco, es decir, puede distinguir dos puntos separados entre sí 0,3 mm desde 1 m de distancia; con mayores distancias o menores separaciones se produce la integración espacial de los puntos. Esto permite obtener el color como la suma de puntos individuales. La mezcla aditiva temporal o memoria visual se debe a la persistencia de la imagen en el ojo una vez cesado el estímulo luminoso; esta histéresis que presentan los pigmentos retinianos al extinguirse la luz dura unos 50 ms y permite la sensación de continuidad en las imágenes del cine y la TV. En los monitores de ordenador, debido a las muchas horas que se trabaja delante de él y a la cercanía a los ojos, el refresco de las imágenes debe ser superior a los 70 Hz, para evitar la fatiga visual.

Mezcla aditiva del color La combinación, en proporciones variables, de los tres colores primarios (rojo, verde y azul, RGB) produce cualquier color de la naturaleza. Esta propiedad del ojo se denomina tricromatismo. La pantalla de fósforo está formada por una espesa matriz de puntos que a su vez se componen de tres burbujas de color R, G y B. Cuando se activa la señal de video, los cañones disparan un flujo de e-, cada cañón a la burbuja de su color correspondiente, obteniéndose así la luz del color deseado con mayor o menor luminosidad según la intensidad del haz. La distancia entre las burbujas de color es tan pequeña que el ojo humano no puede apreciarlas individualmente y cada grupo de tres burbujas se aprecia como un solo punto; esto se denomina mezcla aditiva del color

En los tubos de color se utilizan tres haces para producir los colores primarios (por eso se les llama también monitores RGB), ya que existen fósforos que al ser impactados producen dichos colores. Se agrupan en bloques de 3, uno de cada color, que el ojo, dado su limitado poder separador, lo interpreta como el color suma de los tres. Cada triada se denomina dot y existen diversas formas de agruparse. Cada haz apunta a su correspondiente color, y su intensidad está controlada por una señal diferente suministrada por la tarjeta de video. Todos los colores posibles surgen de combinaciones de diferentes intensidades de cada haz.   Para crear una imagen precisa es necesario asegurar que el haz de cada color incide únicamente sobre el fósforo adecuado para ese color; para ello se sitúa una lámina de metal agujereada, llamada máscara de sombra (shadow mask) que hace que los haces pasen a través de los agujeros (a modo de colador) para evitar que incidan sobre los fósforos que no le corresponden. La máscara Invar (aleación altamente resistente al calor, por lo que permite un uso prolongado sin distorsión) emplea una máscara perforada y magnetizada que obliga a los e- a atravesar una serie de agujeros específicos antes de impactar con el P. De esta forma, el punto se sitúa en la pantalla con bastante precisión, junto con una mejor convergencia de los colores. Como principal inconveniente está el que el filtro limita el número de e- que alcanzan la pantalla, lo que le resta luminosidad. Por las características mencionadas, se indican especialmente para diseños de ingeniería, en que la precisión de líneas es fundamental. Existe otro sistema similar, denominado rejilla de apertura (aperture grill) que utiliza cientos de tiras magnetizadas (con objeto de que sus campos magnéticos sirvan de guía de los haces) de metal que atraviesan la pantalla verticalmente. Los fósforos se imprimen en la pantalla también en tiras, cada una de un color. Emplea tres cañones separados en lugar de uno solo. Las ventajas de este método son que permite pasar mayor porcentaje del haz, con lo que se consiguen imágenes más brillantes y con mucho contraste, y una pantalla plana verticalmente, con lo que se evitan distorsiones; es el sistema Trinitron de Sony o el Diamondtron de Mitsubitshi. Por el contrario tienen el problema de que al pasar mayor número de e- es más difícil conseguir una buena convergencia. Además, para evitar que las tiras de metal vibren se utilizan una serie de finos hilos dispuestos horizontalmente, que producen líneas muy tenues pero visibles. Finalmente, la máscara ranurada reúne características de los dos tipos precedentes: los agujeros característicos de la máscara de sombra son sustituidos por ranuras alineadas verticalmente y los puntos de P se agrupan de una manera diferente; el resultado es una rejilla de una brillantez intermedia. Este diseño es exclusivo de NEC y es la base de la tecnología Chroma Clear.

Disposición de los fósforos

Vista de perfil de la máscara de sombra

Vista espacial de la máscara de sombra

TUBO TRINITRÓN En 1960, Sony desarrolló una tecnología de tubo alternativa conocida como Trinitrón. Combinaba tres cañones de electrones independientes en un único dispositivo. Lo más interesante de todo, es que los tubos Trinitrón estaban hechos de secciones de un cilindro, verticalmente planos y horizontalmente curvos, en forma opuesta a los tubos convencionales que utilizan secciones de una esfera, curva en ambos ejes. En vez de agrupar los puntos en tríadas de rojo, verde y azul, los tubos Trinitrón ponían sus fósforos coloreados en tiras verticales ininterrumpidas.   Consecuentemente, en vez de utilizar una hoja sólida perforada, los tubos Trinitrón utilizan máscaras que separan tiras enteras en vez de puntos. Esta tecnología fue llamada “Rejilla de Apertura", que reemplazó a la máscara de sombra, permitiendo una serie de tiras correr verticalmente por dentro del tubo. En vez de utilizar tríos de puntos de fósforo, los tubos basados en la Rejilla de Apertura tienen líneas de fósforo sin cortes horizontales, y en eso se basa la puntería del rayo de electrones para definir los ejes de arriba y abajo de un píxel. Debido a que menos superficie de la pantalla está cubierta por la máscara, y el fósforo está ininterrumpido verticalmente, más cantidad de él puede brillar, resultando en una imagen más brillante. Con la rejrilla de apertura, la medida equivalente a dot pitch en los monitores es conocida como "Stripe Pitch".  Debido a que las tiras de la rejilla de apertura son muy finas, existe la posibilidad de que puedan moverse, debido a la expansión o vibración. En intento por eliminar esto, alambres horizontales se implantan para incrementar la estabilidad. Esto reduce las posibilidades de un desalineamiento de la rejilla de apertura, que podría causar una mala imagen. El lado malo de esto es que debido a que los alambres obstruyen el flujo de los electrones a los fósforos, tales alambres son visibles con una inspección minuciosa. Los tubos Trinitrón de 17 pulgadas se arreglan con un cable, pero modelos mayores requieren dos. Otro problema es la inestabilidad mecánica. Un golpe en el costado de un monitor Trinitrón puede causar que la imagen se mueva por un momento. Es entendible, dado que los alambres verticales de una rejilla de apertura están sujetos únicamente en uno o dos lugares, horizontalmente. Mitsubishi siguió a Sony con el diseño de su tubo Diamondtron similar. 

Rejilla Trinitrón  Stripe pitch Alambres horizontales de sujección Rejilla y líneas visibles por los alambres de sujección

Rejilla Diamondtron

Máscara ranurada Aprovechando las ventajas de ambos tipos de máscara, NEC desarrolló un tipo de máscara híbrida que utiliza un diseño de máscara ranurada tomada de una tecnología de monitor de TV originada a finales de 1970 por RCA y Thorn. Prácticamente todos los televisores que no son Trinitrón utilizan fósforos de forma elíptica agrupados verticalmente y separados por una máscara ranurada. Para permitir que una mayor cantidad de electrones pase a través de la máscara de sombra, las perforaciones circulares estándares son reemplazadas con ranuras alineadas verticalmente. El diseño de los tríos también es diferente, y permite fósforos rectilíneos que se ordenan para hacer mejor uso de la mayor cantidad de electrones.     El diseño de la máscara ranurada es mecánicamente estable debido al cruce de las secciones horizontales, pero expone más fósforo que el diseño tradicional. El resultado no es tan brillante como la rejilla de apertura, pero mucho más estable y brillante que el tríada de puntos.

Comparación entre la máscara de sombra y la rejilla de apertura

Máscara de sombra y rejilla de apertura

Diferencias entre una pantalla tradicional y otra Trinitrón

Resumen tubo de rayos catódicos (1) cañón de electrones (2) chorro de electrones (3) yugo de desviación (4) fósforos (5) máscara de sombra (6) tríada de colores (7) píxel (8)

Tipos de pantallas planas

Plasma

Así como los televisores de LCD se basan en una fuente de luz que tiene que pasar a través de un panel que define las imágenes mediante la transparencia de los puntos con la consiguiente pérdida de luz, en la pantalla de plasma son los propios puntos los que se iluminan consiguiendo imágenes muy vivas y brillantes. Las pantallas de plasma están constituidas por una matriz de filas y columnas cuyas intersecciones forman los píxeles. En estas intersecciones nos encontramos con unas cavidades ubicadas entre dos capas muy delgadas de cristal y que contienen gases nobles, argón, neón y xenón, que se usan para producir el color. Esto sucede cuando se aplica tensión entre las filas y las columnas. El proceso es muy parecido, de hecho, idéntico pero en miniatura, a lo que ocurre en una luz de neón, en que las cavidades están rellenas de fósforo que se iluminan en el momento en que el gas se ioniza. Lo mismo que un tubo fluorescente, el cual se ilumina cuando el gas interior se ioniza. Podríamos resumir que una pantalla de plasma está compuesta por miles de muy pequeños tubos fluorescentes (rojos, verdes y azules) que forman la imagen. La razón del nombre “plasma” es debido a que cuando se ioniza el gas, los átomos de oxígeno se disipan y crean plasma, emitiendo luz ultravioleta que es la que excita y hace iluminar al fósforo. El problema es que los gases se desvanecen con el tiempo con lo cual las pantallas de plasma no tienen un periodo de vida muy largo. La gran ventaja es que los píxeles de fósforo excitados reaccionan simultáneamente y el observador no aprecia pestañeo de ningún tipo. Tampoco hay iluminación posterior ni proyección de ningún tipo con el que la luz va directamente de la pantalla al observador. De aquí su gran brillantez, riqueza de colores y gran ángulo de visión. Las pantallas de plasma las vemos a menudo como una maravilla de la tecnología moderna debido a sus suyas grandes medidas y su magnífica calidad de imagen. De hecho, aunque no sean comunes, se fabrican hasta tamaños de 80” (2 metros de diagonal). La parte negativa es que son aparatos pesados y de gran consumo y necesitan ser instalados por profesionales debido a su frágil naturaleza. Aunque hayamos visto anuncios en qué la pantalla está colgada del techo, no es conveniente intentar esta opción. Incluso, uno de los anunciantes, Philips, dice que sus televisores de plasma están mucho mejor colocados sobre una mesa o enganchados a la pared (por un profesional). Precisamente es muy difícil hacer las cavidades muy pequeños no está previsto que encontramos televisores de plasma inferiores de 32”. En todo caso, no hay grandes previsiones respeto al plasma. A no ser que las nuevas tecnologías hagan un milagro de permitir competir al Plasma con el LCD en términos de longevidad y consumo, la tecnología de plasma está condenada a la extinción puesto que mientras que esta tecnología hace tiempo que no experimenta mejoras apreciables, la tecnología LCD mejora día a día permitiendo televisores más económicos, imágenes de mayor calidad y contraste y pantallas más robustas y más grandes.

Cómo funciona el plasma (i) El elemento más importante es el plasma, un gas constituido por iones y electrones. En condiciones normales, este gas es neutro. Si se aplica una diferencia de potencial a través del gas, se producen muchos electrones libres y la situación cambia rápidamente: los electrones que chocan con los átomos excitan los electrones de los átomos del gas y saltan a niveles de energía superiores; cuando estos electrones excitados vuelven a su nivel de partida, liberan energía en forma de luz ultravioleta.

Cómo funciona el plasma (ii) La radiación ultravioleta liberada interactúa con el fósforo que hay en el interior de la célula; esta energía ultravioleta excita los electrones del fósforo y, cuando éstos caen a su nivel de energía original, liberan energía en forma de luz visible.

Estructura de la pantalla de plasma El gas xenon y neon está contenido en cientos de miles de minúsculas células cerradas, en su cara inferior y superior, por vidrio. Tiras de electrodos horizontales y verticales recorren ambas caras de estos vidrios que, convenientemente seleccionados, excitan el gas encerrado en sus recipientes.

Estructura de la pantalla de plasma En los televisores de plasma partimos de unos paneles de cristal divididos en celdas y que contienen una mezcla de gases nobles que cuando excitamos con electricidad, se convierte en plasma y los fósforos comienzan a emitir luz. He aquí la principal diferencia con los televisores LCD. En el caso de los plasmas, la luz la contienen ellos, no proviene de otro lugar, como pasa con la retroiluminación de los televisores LCD. Esto nos da como resultado más inmediato la principal característica de los televisores de plasma: el negro intenso que consiguen, todavía inalcanzable para la tecnología LCD.

Cómo funciona el plasma En lugar de emitir electrones a través del tubo catódico, en estas pantallas se utiliza una celdillas rellenas de gas entre dos cristales separados por una distancia de 0,1 mm, cada uno de ellos con sus propios electrodos. En cada intersección de la rejilla hay partículas de fósforo de tres colores distintos: rojo, verde y azul. Aplicando un alto voltaje a un gas a baja presión, se genera luz; más concretamente se activa una emisión ultravioleta que reacciona con los fósforos produciendo los colores que forman la imagen.