陰極射線管(CRT)顯示技術(shù)

陰極射線管(CRT)顯示技術(shù)第一頁，共27頁。

主要分為黑白CRT顯示器和彩色CRT顯示器兩大類。它的核心部件是CRT顯像管（即陰極射線管），其主要由五部分組成：電子槍(ElectronGun)、偏轉(zhuǎn)線圈(Defiectioncoils)、蔭罩(Shadowmask)、熒光粉層(Phosphor)及玻璃外殼，其中電子槍是顯像管的核心。包括直觀刷新式、直觀存儲式和特種CRT

．直觀刷新式是目前應(yīng)用最廣泛的，主要用于顯示設(shè)備、電視接收機(jī)、雷達(dá)終端、示波器等，后面討論的都是這種CRT

。CRT（Cathode-Ray-Tube）顯示器，即陰極射線管顯示器，是最早使用的顯示器，它技術(shù)成熟，價格便宜，壽命長，可靠性高。第二頁，共27頁。結(jié)構(gòu)原理CRT是一內(nèi)部抽成真空的玻璃錐體。其基本工作原理是：一些物質(zhì)在電子轟擊下發(fā)射磷光的特性電磁場對電子運(yùn)動實(shí)施控制的效應(yīng)

第三頁，共27頁。1.黑白CRT顯示器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

黑白CRT即單色(MonochromeMonitor)CRT，只有單一的電子槍，僅能產(chǎn)生黑白兩種顏色。它的主要用途是在電視機(jī)中顯示圖像，以及在工業(yè)控制設(shè)備中用作監(jiān)視器。黑白CRT主要由圓錐形玻殼、玻殼正面用于顯示的熒光屏、封入玻殼中發(fā)射電子束用的電子槍系統(tǒng)和位于玻殼之外控制電子束偏轉(zhuǎn)掃描的磁軛器件四部分組成。

第四頁，共27頁。熒光屏圓錐形玻殼偏轉(zhuǎn)磁軛第五頁，共27頁。圖1單色CRT的結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)中燈絲、陰極（K）、第一控制柵極（G1或稱調(diào)制器）、加速極（G2或稱屏蔽極）構(gòu)成發(fā)射系統(tǒng)；第二陽極G3、聚焦極G4、高壓陽極G5構(gòu)成聚焦系統(tǒng)。第六頁，共27頁。聚焦系統(tǒng)作用是使電子束轟擊熒光物質(zhì)時，只限在很小的一點(diǎn)上發(fā)出輝光，以保證圖形和符號的清晰。聚焦系統(tǒng)的好壞直接影響顯示裝置分辨率的高低。

分辨率(resolution)指的是顯示設(shè)備所能表示的像素個數(shù)。像素越密，分辨率越高，圖像越清晰。分辨率取決于熒光粉的粒度，屏的尺寸和電子束的聚焦能力

電子束離開控制柵極后，變細(xì)到一個點(diǎn)源，再發(fā)散，一直到聚焦開始作用的方．由此開始向前收斂，到屏幕時又成一個小點(diǎn)，完成聚焦作用。聚焦系統(tǒng)分為：靜電聚焦和電磁聚焦。第七頁，共27頁。CRT的組成陰極：加熱時發(fā)射電子控制柵極：對發(fā)射電子多少實(shí)施控制加速結(jié)構(gòu)：使電子形成高速度射速聚焦系統(tǒng)：使電子束轟擊熒屏聚集成細(xì)點(diǎn)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：使電子束在屏幕上隨意移動熒光屏：電子束轟擊時發(fā)出光輝第八頁，共27頁。

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ工作原理

由陰極放出的電子通過控制柵極后變成電子束，該電子束在聚焦系統(tǒng)的作用下進(jìn)一步聚焦，形成很細(xì)的束，然后在超高壓電場(通常為15000—20000V)的加速下轟擊屏幕表面的磷光體從而發(fā)光。陰極控制柵極聚焦系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)加速電場熒光屏電子電子束聚焦方向轟擊第九頁，共27頁。2彩色CRT顯示器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

彩色CRT利用三基色圖像疊加原理實(shí)現(xiàn)彩色圖像的顯示。蔭罩式彩色CRT是目前占主導(dǎo)地位的彩色顯像管，這種管子的原始設(shè)想是德國人弗萊西（Fleshsig）在1938年提出的。蔭罩式彩色CRT的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2彩色CRT的結(jié)構(gòu)示意圖

第十頁，共27頁。

彩色CRT是通過紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三原色組合產(chǎn)生彩色視覺效果。熒光屏上的每一個像素由產(chǎn)生紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)的三種熒光體組成，同時電子槍中設(shè)有3個陰極，分別發(fā)射電子束，轟擊對應(yīng)的熒光體。為了防止每個電子束轟擊另外兩個顏色的熒光體，在熒光面內(nèi)側(cè)設(shè)有選色電極——蔭罩。在蔭罩型彩色CRT中，玻殼熒光屏的內(nèi)面形成點(diǎn)狀紅、綠、藍(lán)三色熒光體，熒光面與單色CRT相同，在其內(nèi)側(cè)均有膜金屬覆層。在離熒光面一定距離處設(shè)置蔭罩。蔭罩焊接在支持框架上，并通過顯示屏側(cè)壁內(nèi)面設(shè)置的緊固釘將蔭罩固定在顯示屏內(nèi)側(cè)。第十一頁，共27頁。圖3彩色CRT工作原理

第十二頁，共27頁。

蔭罩與熒光屏的距離可根據(jù)幾何關(guān)系由下式確定：

(1)(2)

式中：為蔭罩與熒光屏的距離；為孔距放大率；為從電子槍到熒光面的距離；為電子槍的束間距；為電子束排列方向的蔭罩孔距；為電子束排列方向的熒光屏上同一色熒光體的點(diǎn)間距。第十三頁，共27頁。

整體工作過程：由燈絲、陰極、控制柵組成電子槍，通電后燈絲發(fā)熱，陰極被激發(fā)，發(fā)射出電子流，電子流受到帶有高電壓的內(nèi)部金屬層的加速，經(jīng)過透鏡聚焦形成極細(xì)的電子束，在陽極高壓作用下，獲得巨大的能量，以極高的速度去轟擊熒光粉層。這些電子束轟擊的目標(biāo)就是熒光屏上的三原色。電子槍發(fā)射的電子束不是一束，而是三束，電子束在偏轉(zhuǎn)磁軛產(chǎn)生的磁場作用下，可以控制其射向熒光屏的指定位置，去轟擊各自的熒光粉單元。一般蔭罩式CRT的內(nèi)部有一層類似篩子的網(wǎng)罩，電子束通過網(wǎng)眼打在呈三角形排列的熒光點(diǎn)上，以防止每個電子束轟擊另外兩個顏色的熒光體。第十四頁，共27頁。

受到高速電子束的激發(fā)，這些熒光粉單元分別發(fā)出強(qiáng)弱不同的紅、綠、藍(lán)三種光。根據(jù)空間混色法(將三個基色光同時照射同一表面相鄰很近的三個點(diǎn)上進(jìn)行混色的方法)產(chǎn)生豐富的色彩，這種方法利用人們眼睛在超過一定距離后分辨力不高的特性，產(chǎn)生與直接混色法相同的效果。用這種方法可以產(chǎn)生不同色彩的像素，而大量的不同色彩的像素可以組成一張漂亮的畫面，而不斷變換的畫面就成為可動的圖像。第十五頁，共27頁。電子槍是顯像管中極為重要的組成部分。它是電子束源，用來發(fā)射電子，并將其加速和聚焦成細(xì)束，同時外加電信號控制電子束的強(qiáng)度。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)能依據(jù)輸入的有電子束位置信息的信號使電子束在向熒光屏行進(jìn)途中軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以控制電子束到達(dá)熒光屏上的位置。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以用靜電式偏轉(zhuǎn)或磁偏轉(zhuǎn)，電子槍與偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)合稱顯示器件的電子光學(xué)系統(tǒng)。一般分為雙電位電子槍（Bi-potentialFocus,BPF）和單電位電子槍（Uni-PotentialFocus,UPF）。UPF電子槍比BPF電子槍多一個高壓陽極，聚焦能力大大提高，在熒光屏上形成直徑為0.2mm左右的光點(diǎn)。1、電子槍CRT顯示器的主要單元第十六頁，共27頁。

雙電位電子槍的各電極電壓及結(jié)構(gòu)如圖所示：燈絲、陰極（發(fā)射極）K，控制極G1（柵極），加速極G2（第一陽極A1），聚焦極G3（第二陽極A2），高壓陽極G4。柵極與陰極間的距離一般為1mm以下，柵極中心孔直徑為0.6~0.8mm。G2燈絲陰極控制極聚焦極加速極陽極G3

雙電位電子槍（Bi-potentialFocus,BPF）0V-60~-20V400V0~300V9000VG4G1第十七頁，共27頁。

當(dāng)陰極被陰極里面的燈絲加熱到約800℃時，電子獲得逸出功，大量電子從陰極表面發(fā)出，并對準(zhǔn)柵極的小圓孔飛行出去。電子飛出的多少，由柵極與陰極之間所加的電壓的大小決定，因此，將視頻信號電壓加在陰極或柵極上可以調(diào)制電子束強(qiáng)度。電子束經(jīng)過加速極的加速，聚焦極的聚焦，偏轉(zhuǎn)磁場的偏轉(zhuǎn)掃描到屏幕前面的熒光涂層上，產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光，最終形成滿足人眼視覺特性要求的光學(xué)圖像。其結(jié)構(gòu)如圖所示?；竟ぷ髟鞟1燈絲陰極柵極聚焦極加速極高壓陽極A2A3G第十八頁，共27頁。陰極呈小圓筒狀

，圓筒表面涂有氧化物（氧化鋇、氧化鍶、氧化釷）能在受熱時發(fā)射電子，圓筒內(nèi)有燈絲，能把陰極加熱到高溫（1000～3000oC）使其發(fā)射出電子?？刂茤艠O（調(diào)制級）圓筒狀，它套在陰極外面，圓筒的中間開有一個金屬小孔這個圓筒比陰極的電位要低，它排斥電子，除少數(shù)電子通過底部的孔逃脫外，大多數(shù)仍留在控制柵極內(nèi)。第十九頁，共27頁。

控制柵極在CRT中作用是：（1）控制電子束的電流密度（2）使從陰極飛出的電子聚焦成能穿過控制柵極小孔的細(xì)束。控制柵極相對于陰極的電位越低，通過小孔逃逸的電子越少，如果電位低到一定程度，電子束電流密度接近0，達(dá)到這種情況的電流叫截止電壓，其值一般在－20～－1000v。第二十頁，共27頁。

加速極A1呈圓盤狀，電壓一般在450~600V之間。聚焦極裝在加速極后面，電壓在5~8KV，改變這個電壓，可以改變電子束聚焦的質(zhì)量。陽極施加22K~34KV的高壓（CRT尺寸越大所需電壓越高），使電子束以足夠高的速度轟擊熒光粉發(fā)光。A1燈絲陰極柵極聚焦極加速極陽極A2A3第二十一頁，共27頁。

單電位電子槍與雙電位電子槍相比，相當(dāng)于在雙電位電子槍的G2和G4之間多加了一個高壓陽極，電位大幅度增加，增強(qiáng)了預(yù)聚焦能力，電子束進(jìn)入主透鏡(由G3、G4、G5組成)前，經(jīng)過預(yù)聚焦作用，變細(xì)了，然后再通過主透鏡的聚焦，使電子束激發(fā)熒光屏產(chǎn)生的光點(diǎn)足夠小。

單電位電子槍（Uni-potentialFocus,UPF）G2燈絲陰極柵極聚焦極加速極高壓陽極G4G5G3G1第二十二頁，共27頁。G2燈絲陰極柵極聚焦極加速極陽極G4G5G3G1

另外，由于聚焦極G4的電位大大低于G3、G5，因而G4上的電位變化對電場影響作用減小了，這對顯像管聚焦持性的穩(wěn)定和提高起了良好的保證作用。單電位電子槍只要在設(shè)計裝配時將三電極（G3、G4、G5）位置調(diào)整好，在以后的使用中，對聚焦電壓就不必進(jìn)行調(diào)整，所以這種槍又稱為自聚焦電子槍。第二十三頁，共27頁。2.熒光屏熒光屏，是由涂覆在玻璃殼內(nèi)的熒光粉和疊于熒光粉層上面的鋁膜共同組成的。工作的時候熒光屏后面的電子槍發(fā)射電子束打在熒光粉上，于是一部分熒光粉亮起來，顯示出字符或者圖像。

熒光屏是實(shí)現(xiàn)CRT顯像管電光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位之一，要求發(fā)光亮度和發(fā)光效率足夠高，發(fā)光光譜適合人眼觀察，圖像分辨力高、傳遞效果好，余輝時間適當(dāng)，機(jī)械、化學(xué)、熱穩(wěn)定性好，壽命高。第二十四頁，共27頁。CRT的發(fā)光性能首先取決于所用的熒光粉材料，因?yàn)橹饕蔁晒夥蹖油瓿娠@像管內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換功能。熒光粉的發(fā)光效率是指每瓦電功率能獲得多大的發(fā)光強(qiáng)度。余輝時間是熒光粉的重要特性參數(shù)。當(dāng)電子束轟擊熒光粉時，熒光粉的分子受激而發(fā)光，而當(dāng)電子束的轟擊停止后，熒光粉的發(fā)光并非立即消失，而是按指數(shù)規(guī)律衰減，這種特性稱為熒光粉的余輝特性。余輝時間是指熒光粉在電子束轟擊停止后，其亮度減小到電子轟擊時穩(wěn)定亮度的1/10所經(jīng)歷的時間。第二十五頁，共27頁。