اسرار جعبه ‌جادو

اساسی‌ترین قسمت در ساده‌ترین تلویزیون‌ها لامپ اشعه کاتدی است که تصویر را تولید می‌کند. اصولا این تلویزیون‌ها به همین نام شناخته می‌شوند، GRT (مخفف Cathode ray tube) که به معنای لامپ اشعه کاتدی است. به لامپ اشعه کاتدی، تفنگ الکترونی و لامپ تصویر هم می‌گویند. در واقع قسمت عمده‌ای از فضای برجسته پشت تلویزیون را همین لامپ اشغال می‌کند.

در تصویر زیر اجزای مختلف یک تلویزیون عادی را مشاهده می‌کنید. یک کاتد و یک جفت آند و یک صفحه که با فسفر پوشیده شده است وجود دارد. کاتد به معنی قطب منفی و آند به معنی قطب مثبت است، مانند قطب مثبت و منفی یک باتری. درون لامپ اشعه کاتدی فیلامانی وجود دارد که اطراف آن خلاء است.

وقتی فیلامان گرم می‌شود از خود الکترون ساطع می‌کند و جریانی از الکترون‌ها تولید می‌شود که به آن اشعه کاتدی می‌گویند. الکترون‌ها بار منفی دارند بنابراین به سمت آند که مثبت است جذب می‌شود. جریان الکترون‌ها، درون آند به صورت یک پرتو متمرکز درمی‌آید و سپس شتاب می‌گیرند. الکترون‌های پرسرعت درون خلاء حرکت کرده و به صفحه تخت در انتهای لامپ برخورد می‌کنند این صفحه با فسفر پوشیده شده است و زمانی که پرتو به آن برخورد می‌کند تابش می‌کند. به وسیله سیم‌پیچ‌های هدایت‌کننده‌ای که اطراف لامپ قرار دارند، می‌توان پرتو الکترون‌ها را در هر نقطه مورد نظر در صفحه فرود آورد. سیم‌پیچ هدایت‌کننده یک سیم‌پیچ مسی ساده است که درون لامپ، میدان مغناطیسی تولید می‌کند. یک دسته از سیم‌پیچ‌ها پرتو را در راستای عمودی و دسته دیگر در راستای افقی جابه‌جا می‌کند. با تغییر ولتاژ درون سیم‌پیچ می‌توان پرتو الکترون را در هر نقطه دلخواه روی صفحه تنظیم کرد.

پروجکشن‌

اگرچه تلویزیون‌های معمولی کیفیت تصویر خوبی دارند؛ اما یک مشکل بزرگ هم دارند. از آنجایی که صفحه تصویر آنها از شیشه ساخته شده است، اندازه آنها محدود است و بزرگترین تلویزیون از این نوع، صفحه 40 اینچی دارد. از طرف دیگر هرچه صفحه نمایش بزرگتر باشد طول لامپ اشعه کاتدی نیز باید بزرگتر باشد و بنابراین تلویزیونی با چنین صفحه بزرگی بسیار حجیم و سنگین خواهد بود. بزرگترین دلیل برای ساخت تلویزیون‌های پروجکشن همین بود. اگر چه برخی از انواع آن ممکن است کیفیت تلویزیون‌های سابق را نداشته باشند، اندازه آنها می‌تواند بسیار بزرگتر باشد. در پروجکشن به جای نمایش مستقیم تصویر، ابتدا یک تصویر کوچک تولید می‌شود و سپس با استفاده از یک پرتو نور، این تصویر در اندازه‌ای بسیار بزرگتر نمایش داده می‌شود.

دو نوع سیستم پروجکشن وجود دارد؛ یکی از آنها مشابه سیستمی است که در سینما یا پروژکتورهایی که برای نمایش تصویر روی پرده استفاده می‌شوند، می‌بینید. سیستم نمایش تصویر کاملا از پرده جداست و تصویر در قسمت جلوی پرده تشکیل می‌شود. پروژکتور را می‌توان روی میز قرار داد یا به سقف متصل کرد تصویری که روی پرده‌ای با کیفیت بالا تشکیل شود بسیار بهتر خواهد بود، اما روی یک دیوار صاف و تمیز هم می‌توان تصویر خوبی داشت.

سیستم دیگر بسیار شبیه تلویزیون‌های معمولی است. تصویر در پشت یک صفحه تشکیل می‌شود نه در جلوی آن. دستگاه پروژکتور نیز کاملا درون تلویزیون قرار دارد. در هر دو سیستم از دستگاه‌های بسیار کوچکی که قادر به تولید تصویری با جزییات بالا هستند، استفاده می‌شود. این‌که کدامیک از دو نوع بهتر است، بستگی به استفاده‌ای دارد که از آن می‌کنید. نوع اول (که تصویر جلوی صفحه تشکیل می‌شود) فضای کمتری را روی زمین اشغال می‌کند و علاوه بر آن، می‌توان بزرگترین صفحه ممکن را داشته باشد، اما اگر می‌خواهید تصویر بزرگی داشته باشید، باید فاصله زیادی از صفحه تلویزیون داشته باشید. به طور معمول فاصله شما باید 5/1 برابر قطر صفحه تلویزیون باشد. مثلا اگر یک تلویزیون پروجکشن 100 اینچ (250 سانتی‌متر) از نوع اول می‌خواهید، باید در فاصله 7/3 متری از تلویزیون بنشینید. در ضمن این نوع پروجکشن‌ها در یک اتاق تاریک بهترین کیفیت را خواهند داشت و برای استفاده در نور روز و اتاق‌های روشن مناسب نخواهند بود.

پلاسما

برای داشتن تلویزیون‌های با صفحه بزرگتر راه دیگری نیز وجود داشت: تلویزیون‌های پلاسما. صفحه این تلویزیون‌ها به اندازه بزرگترین تلویزیون‌های معمولی است، اما عرض آنها فقط 6 اینچ (15 سانتی‌متر) است. ایده اصلی نمایشگرهای پلاسما برای تشکیل تصویر، روشن کردن پیکسل‌های نورانی فلورسنت به رنگ‌های مختلف است. هر پیکسل از 3 نور فلورسنت قرمز، سبز و آبی تشکیل شده است. درست مانند تلویزیون‌های معمولی در پلاسما نیز با تغییر شدت این 3 رنگ، طیف وسیعی از رنگ‌ها تولید می‌شوند.

پلاسما چیست؟

عنصر اصلی در نور فلورسنت پلاسما است. پلاسما گازی است که از یون (اتمی که الکترون از دست داده و بار مثبت دارد) و الکترون آزاد تشکیل شده است. در حالت عادی گاز از ذرات خنثی که همان اتمها هستند تشکیل شده است.

تعداد الکترون‌ها و پروتون‌های اتم در حالت عادی مساوی است و بنابراین اتم از نظر الکتریکی خنثی است. حالا اگر یک جریان الکتریکی با ولتاژ بالا از گاز عبور کند، الکترون‌های آزاد با اتمها برخورد کرده و باعث می‌شوند الکترون‌های اتم از آن جدا شوند و به این ترتیب اتم بار کل مثبت پیدا می‌کند.

در یک پلاسما ذرات با بار مثبت و منفی هم با هم برخورد می‌کنند، این برخوردها باعث تحریک اتم و تابش فوتون‌های نور می‌شوند. با تحریک اتم‌های نئون و زنون که در صفحات تلویزیون پلاسما استفاده می‌شوند، نور ماورای بنفش تولید می‌شود. چشم ما این نور را نمی‌بیند، اما فوتون‌های نور ماورای بنفش می‌توانند فوتون‌های نو مرئی را تحریک کنند.

درون نمایشگر

میان دو صفحه شیشه‌ای هزاران سلول کوچک وجود دارد که درون آنها گاز زنون و نئون قرار گرفته است. بین دو شیشه و دو طرف سلولها نیز الکترودهای بلندی قرار گرفته‌اند. الکترودهای نمایشگر که در بالای سلولها قرار گرفته‌اند با یک لایه اکسید مغناطیسی محافظ پوشیده‌ شده‌اند و اطراف آنها را ماده دی‌الکتریک عایقی احاطه کرده است. هر دو گروه الکترودها در سراسر سطح صفحه قرار گرفته‌اند، الکترودهای بالایی در ردیف‌های افقی و الکترودهای پایینی در ستون‌های عمودی قرار گرفته‌اند. برای یونیزه‌کردن گاز در یک سلول خاص، الکترودی که از آن سلول عبور می‌کند. شارژ می‌شود و یک جریان الکتریکی از گاز درون سلول عبور می‌کند.

همان‌طور که گفتم با عبور جریان، اتم‌های گاز تحریک‌شده و فوتون‌های فرابنفش تابش می‌کنند. نور فرابنفش تولید شده با مواد فسفری جداره سلول واکنش می‌دهد. اتم‌های ماده فسفری نیز تحریک شده و این بار نور مرئی با رنگ‌های مختلف تابش می‌کنند. هر سلول از سه سلول کوچکتر تشکیل شده است که هر کدام ماده فسفری مختلفی دارند. یکی از سلول‌ها نور قرمز، یکی دیگر نور سبز و دیگری نور آبی تولید می‌کند: ترکیب این سه نور رنگ سلول را مشخص می‌کند. با تغییر شدت جریان عبور کرده از گاز درون سلول می‌توان شدت رنگ‌های هر سلول کوچک را افزایش یا کاهش داد و ترکیب این سه نور می‌توان همه رنگ‌های طیف را تولید کرد.

بزرگترین مزیت نمایشگر پلاسما صفحه بزرگ در کنار ضخامت بسیار کم آن است. از آنجایی که هر پیکسل جداگانه روشن می‌شود. تصویر بسیار درخشان است و از هر زاویه‌ای به‌خوبی دیده می‌شود، اما کیفیت تصویر آن کاملا به پای بهترین تلویزیون‌های معمولی نمی‌رسد.

نمایشگرLCD

LCD مخفف liquid crystal display و به معنای نمایشگر کریستال مایع است. ترکیب کریستال مایع کمی متناقض به نظر می‌رسد. تصور ما از کریستال جسمی جامد و سخت است که مسلما با مایع متفاوت است. چگونه ممکن است ماده‌ای هر دو خصوصیت را داشته باشد.
مولکول‌های جسم جامد همواره موقعیت خود را نسبت به مولکول‌های دیگر حفظ می‌کنند. به همین دلیل جسم جامد شکل ثابتی دارد.

برعکس مولکول‌های مایع آزادانه به هر طرف حرکت می‌کنند، بنابراین مایعات شکل ثابتی ندارند، اما موادی هم وجود دارند که تا حدودی شبیه به مایعاتند و تا حدودی شبیه به جامدات.

در واقع کریستال مایع بیشتر شبیه یک مایع رفتار می‌کنند تا جامد. ماده کریستال با دریافت مقداری انرژی به کریستال مایع تبدیل می‌شود، اما اگر کمی بیشتر گرما به آن بدهیم کاملا به مایع تبدیل می‌شود. به همین دلیل است که کریستال مایع بسیار به دما حساس است و همین خصوصیت سبب می‌شود به عنوان دماسنج استفاده شود.

انواع گوناگونی از کریستال مایع با توجه به نوع ماده به کار رفته و دمای آن وجود دارد. یکی از خصوصیات کریستال مایع این است که با عبور جریان الکتریکی تغییر می‌کند. با تغییر ولتاژ جریان اعمال شده می‌توان عبور نور را کنترل کرد. کریستال مایع می‌تواند در فاز یا حالت‌های مختلفی وجود داشته باشند، اما آنهایی که در ساخت ال‌سی‌دی استفاده می‌شوند در فاز نماتیک هستند که در آن مولکول‌ها در آرایش منظمی قرار دارند. جهت قرارگیری مولکول‌ها را می‌توان با اعمال یک میدان مغناطیسی یا ایجاد شیارهای میکروسکوپی رو سطحی که کریستال مایع روی آن قرار می‌گیرد، کنترل کرد.

ساختار یک نمایشگر ال‌سی‌دی‌

ساختار نمایشگر ال‌سی‌دی چیزی بیشتر از یک صفحه کریستال مایع نیاز دارد. درون یک ال‌سی‌دی از 4 واقعیت ساده به طرز شگفت‌انگیزی استفاده می‌شود. 1 نور می‌تواند قطبی (پلاریزه) شود 2 کریستال مایع می‌تواند نور قطبی شده را از خود عبور و تغییر دهد 3 ساختار کریستال مایع را می‌توان با جریان الکتریکی تغییر داد 4 مواد شفافی وجود دارند که می‌توانند جریان الکتریکی را هدایت کنند.

برای ساخت یک صفحه ال‌سی‌دی به دو صفحه شیشه‌ای نیاز داریم. در یک طرف صفحه یک فیلتر قطبی کننده (این لایه سبب می‌شود از میان همه پرتوهای رسیده، پرتوهایی که فقط در یک جهت خاص هستند، عبور کنند) و در طرف دیگر پلیمری خاص قرار می‌گیرد که شیارهای میکروسکپی در سطح شیشه ایجاد می‌کند. شیارها باید در راستای لایه پلاریزه قرار بگیرند. یک لایه کریستال مایع نماتیک روی این شیارها قرار می‌گیرد.
شیارها سبب می‌شوند که اولین لایه مولکول‌های کریستال مایع در راستای فیلتر قطبی کننده قرار گیرند. سپس یک صفحه شیشه‌ای دیگر با همین خصوصیات روی این صفحه قرار می‌گیرد. با این تفاوت که راستای فیلتر قطبی‌کننده آن با فیلتر اول یک زاویه 90 درجه دارد. ملکول‌های هر لایه از کریستال مایع بتدریج می‌چرخند و در نهایت ملکول‌های آخرین لایه آن با لایه اول یک زاویه 90 درجه می‌سازند و در راستای فیلتر قطبی‌کننده صفحه دوم قرار می‌گیرند.

وقتی نور با اولین فیلتر برخورد می‌کند قطبی می‌شود. ملکول‌های هر لایه نور را به لایه بعد هدایت می‌کنند. با عبور نور از لایه کریستال مایع، ملکول‌ها قطبش نور را تغییر می‌دهند تا با زاویه آنها  هماهنگ شود. و وقتی نور به لایه آخر می‌رسد قطبش آن با راستای ملکول‌های این لایه یکسان است. اگر راستای ملکول‌ها در آخرین لایه با راستای فیلتر قطبی‌کننده یکی باشد نور می‌تواند از صفحه دوم عبور کند. حال اگر یک جریان الکتریکی به ملکول‌های کریستال مایع اعمال کنیم می‌چرخند و زاویه نور عبور کرده از آنها  تغییر می‌کند و دیگر با زاویه قطبش فیلتر دوم همخوانی ندارد و به این ترتیب نور از این منطقه عبور نمی‌کند و نسبت به اطرافش سیاه‌تر به نظر می‌رسد. به این منظور یک لایه نازک ترانزیستور (TTF) روی کریستال مایع قرار می‌گیرد. این لایه شامل ترانزیستورها و خازن‌هایی که به صورت ماتریسی (در ستون‌ها و ردیف‌ها) قرار گرفته‌اند. برای فرستادن جریان به یک پیکسل خاص ستون و ردیفی که پیکسل در آن قرار گرفته مشخص می‌شود و جریان به آن فرستاده می‌شود . با تنظیم دقیق ولتاژ اعمال شده به کریستال می‌توان میزان نور عبور کرده را تغییر داد و شدت نور را تنظیم کرد.

تا اینجا ما یک تصویر سیاه و سفید با درجه‌های مختلف خاکستری داریم. برای این که تصویر ما رنگی باشد به یک فیلتر رنگ هم نیاز داریم. هر پیکسل شامل سه پیکسل کوچک که فیلترهای رنگ آبی، سبز و قرمز دارند، می‌شود. همان‌طور که در موارد قبل گفتیم همه رنگ‌ها از ترکیب این سه رنگ با تغییر شدت هر یک از اجزا تشکیل می‌شود. مثلا هر پیکسل رنگ آبی می‌توانند با تغییر شدت، 256 درجه مختلف رنگ را تولید کند پس در کل 8/16 میلیون رنگ می‌توان تولید کرد. (256 آبی 256 x  قرمز256 x  سبز). برای تولید این تعداد رنگ به تعداد بسیار زیادی ترانزیستور نیاز داریم. مثلا در یک لپتاب معمولی با رزولوشن 768*1024  ما 768*1024*3 به 2359296 ترانزیستور داریم. اگر هر کدام از این ترانزیستورها مشکل داشته باشد ما یک پیکسل خراب خواهیم داشت.

تفاوت عمده ال سی دی با نمایشگرهای دیگر این است که از ماده فسفری برای نمایش پیسکل‌های رنگی استفاده نشده است. از لحاظ مصرف انرژی نیز به صرفه‌تر است و به طور معمول 60 درصد کمتر از تلویزیون‌های معمولی با اندازه مشابه انرژی مصرف می‌کند.

صفحه فسفری‌

هر ماده‌ای است که در معرض تابش پرتو، (پرتو تابیده شده ممکن است فرابنفش یا پرتوالکترونی باشد)، نور مرئی تابش کند فسفر نامیده می‌شود. رنگ‌های فلورسنت نیز نور فرابنفش نامرئی را جذب می‌کنند و نور مرئی با یک رنگ خاص را تابش می‌کنند.

در یک لامپ اشعه کاتدی نیز سطح داخلی صفحه تلویزیون با فسفر پوشیده شده است. وقتی الکترون‌ها با صفحه برخورد می‌کنند، صفحه تابش می‌کند. در تلویزیون‌های سیاه و سفید فقط یک نوع فسفر وجود دارد که با برخورد الکترون به آن نور سفید تابش می‌کند؛ اما در تلویزیون رنگی
3 نوع فسفر وجود دارد که به صورت نقاط یا ردیف‌هایی هستند که نور قرمز، سبز و آبی تابش می‌کند. اگر به صفحه تلویزیون نزدیک شوید، می‌توانید این نقاط رنگی را ببینید. در مقابل 3 پرتو الکترون وجود دارد که این 3 رنگ را روشن می‌کنند. رنگ‌های دیگر از ترکیب این رنگ‌ها به دست می‌آیند. وقتی روی صفحه یک نقطه قرمز داریم، پرتو الکترون نور قرمز عمل می‌کند و فسفر نور قرمز را روشن می‌کند. وقتی یک نقطه سفید داریم، هر سه رنگ با هم روشن می‌شوند و ترکیب آنها نور سفید را تشکیل می‌دهد. تا به حال هزاران فسفر مختلف براساس رنگی که تابش می‌کنند و مدت زمانی که تابش آنها طول می‌کشد، فرمول‌بندی شده‌اند.

پرتو الکترون در واقع تصویر را روی صفحه نقاشی می‌کند. مدارهای الکتریکی درون تلویزیون به کمک سیم‌پیچ‌های مغناطیسی، پرتو الکترون را به صورت رفت و برگشتی و بالا و پایین روی صفحه حرکت می‌دهند. پرتو الکترون یک خط از تصویر را از چپ به راست نقاشی می‌کند و سپس بسرعت برمی‌گردد، کمی پایین می‌آید و یک خط افقی دیگر را نقاشی می‌کند و همین طور تا پایین ادامه می‌یابد. زمانی که پرتو به ابتدا برمی‌گردد، خاموش است و اثری روی صفحه نمی‌گذارد. زمانی که پرتو روشن است و خطوط تصویر را نقاشی می‌کند با تغییر شدت پرتو درجه‌های مختلف رنگ تولید می‌شود و به این ترتیب تصویر تشکیل می‌شود، چون فاصله بین خطوط بسیار کم است، مغز ما همه آنها را مانند یک تصویر می‌بیند. از بالا تا پایین صفحه تلویزیون به طور معمول 480 سطر وجود دارد که تصویر را تشکیل می‌دهد.

مرضیه رستمی‌