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La tecnologia del tubo a raggi catodici (cathode ray tube, CRT) risale ai primi anni del 1900, ed ha avuto un forte sviluppo con l’introduzione della televisione negli anni ’50 e ’60.

Nel 1909 vennero assegnati due premi Nobel per la fisica: il primo a Guglielmo Marconi per le sue ricerche sulle onde radio, e il secondo al fisico tedesco Karl Ferdinand Braun, che aveva inventato il tubo a raggi catodici nel 1897. La tecnologia CRT è dunque dei tempi di Guglielmo Marconi ed ha più di un secolo di vita.

Monitor CRT monocromatico

Il monitor a raggi catodici (CRT) monocromatico consiste di un cannone elettronico che emette un fascio di elettroni che colpiscono il rivestimento interno dello schermo del tubo (vedi figura), rivestito di uno strato di materiale fosforescente cioè materiale che, quando colpito da elettroni, emette luce che persiste per breve tempo anche quando non è più colpito dal fascio di elettroni (è il fenomeno della “fosforescenza”). La luminanza della luce emessa da questo materiale, chiamato genericamente fosfòro (niente a che fare con l’elemento chimico) dipende dall’intensità del fascio di elettroni che lo colpisce.

La parola “fosforo” ha in italiano due significati, che dipendono da dove si mette l’accento: il fòsforo (phosphorus) è l’elemento chimico il cui simbolo è P, diffuso sotto forma di sali nel mondo minerale, vegetale e animale, mentre il fosfòro (phosphor) è qualunque materiale che converte l’energia assorbita in luce.

L’intera area dello schermo forma un raster che viene scansionato dal fascio elettronico. Il fascio elettronico viene deflesso orizzontalmente e verticalmente, in modo da scansionare tutti i pixel, iniziando in alto a sinistra per finire in basso a destra. L’intensità del fascio elettronico viene modulata in modo che ogni singolo pixel emetta una data luminanza formando una immagine. La scansione avviene abbastanza velocemente da dare l’impressione che l’immagine sullo schermo sia fissa.

Monitor CRT a colori

Nel caso di monitor a colori ogni pixel è composto da tre fosfòri di materiali diversi, molto piccoli e ravvicinati, non individuabili ad occhio nudo. Il primo fosfòro produce luce rossa, il secondo verde e il terzo blu. Per esempio, un monitor con 800 x 600 pixel ha un raster di 480  000 pixel, ognuno dei quali formato da tre fosfòri.

Il colore del pixel si forma in mescolanza additiva dei colori dei tre fosfòri.

I fosfòri sono disposti in terne circolari (Precision InLine) o in strisce verticali (Trinitron). I fosfori sono molto vicini per cui è impossibile distinguerli a occhio nudo.

Il tubo dispone di tre cannoni elettronici (rispettivamente per il rosso, verde e blu) che emettono tre fasci di elettroni che spazzano progressivamente l’intero raster. Quando i tre fasci colpiscono un pixel, un particolare meccanismo magnetico-meccanico con l’uso di una maschera forata (shadow mask) fa in modo che il primo fascio colpisca il fosfòro R, il secondo colpisca il fosfòro G e il terzo quello B.

A quel punto ognuno dei tre fosfòri del pixel produce una certa intensità di luce rispettivamente rossa, verde e blu. I colori dei tre fosfòri si mescolano additivamente dando origine al colore del pixel.Variando l’intensità con la quale i tre fasci elettronici colpiscono i tre fosfòri, varia il colore del pixel.

Se l’immagine deve essere mantenuta il fosfòro necessita di essere continuamente alimentato con elettroni perché la sua persistenza (il periodo di tempo in cui la luce viene emessa) è breve: da 40 microsecondi a 3 secondi. Per immagini in movimento è più adatta una persistenza breve, ma una persistenza più lunga riduce lo sfarfallio.

Scansione e frequenza

La frequenza verticale o frequenza di quadro (vertical frequency o frame rate) è la frequenza alla quale viene completata un quadro (cioè un’intera schermata). Per la computer grafica è necessaria una frequenza verticale almeno di 75 Hz. Se è troppo bassa, minore di 60 Hz, si verifica il fenomeno dello sfarfallio (flicker).

La frequenza orizzontale o frequenza di linea (horizontal frequency o line rate) è la frequenza a cui viene scansionata la singola riga del monitor.

La frequenza video (video frequency, dot clock) è la velocità a cui il fascio elettronico può accendersi e spegnersi. Da notare che i monitor CRT necessitano di un’area di blanking per permettere al cannone elettronico di spegnersi e riposizionarsi.

L’interlacciamento (interlacing) è un metodo che consente di ridurre la frequenza verticale mantenendo basso lo sfarfallio. In uno schermo interlacciato ogni quadro è fatto da due campi che contengono ognuno una riga sì e una no. Per le applicazioni grafiche è preferibile un monitor non interlacciato.

I monitor CRT multisync possono funzionare a diverse risoluzioni senza degradare l’immagine.