第1章 阴极射线管显示

§1 阴极射线管显示 阴极射线管（Cathode Ray Tube, CRT）的发展可追溯到1897年布朗的示波管，1938年德国人W. Fleching提出彩色显像管专利，1950年美国的RCA公司研制出三枪三束荫罩式彩色显你管，1953年实用化。20世纪60年代，玻壳由圆形发展为角矩形管，尺寸由21英寸发展到25英寸偏转角由70°增大到90°，荧光粉由发光效率较低的磷酸盐型发展为硫化物蓝绿荧光粉和稀土类红色荧光粉。70年代后，彩色显示管进行了一系列的改进，荧光屏由平面直角发展到超平，纯平，尺寸发展到主流29英寸以上，偏转角由90°增大到110°，横纵比不断增大，采用自会聚管以提高显示分辨率。近年来，高分辨率彩电已成为发展方向。

1.1、黑白CRT 黑白显像管是通过电光转换重现电视图像的一种窄束强流电子束管，是单色CRT。主要用途是在电视机中显示图像。其基本工作原理是：电子枪发射出电子束，电子枪受阴极或栅极所加的视频信号电压的调制，电子束经过加束极的加速，聚焦极的聚焦，偏转磁场的偏转扫描到屏幕前面的荧光涂层上，产生复合发光，最终形成满足人眼视觉特性要求的光学图像。其结构如图1.1所示。

1.1、黑白CRT 一、电子枪

1.1、黑白CRT 电子枪是显像管中极为重要的组成部分。电子束的发射、调制、加速、聚集均由电子枪来完成。显示管用电子枪属于弱流电子枪，由圆筒电极、圆片和圆帽电极排列装配而成。一般分为双电位电子枪（Bi-potential Focus, BPF）和单电位电子枪（Uni-Potential Focus, UPF）。UPF电子枪比BPF电子枪多一个高压阳极，聚焦能力大大提高，在荧光屏上形成直径为0.2mm左右的光点。

1.1、黑白CRT

1.1、黑白CRT 常用的黑白显像管电子枪包括5个以上的电极，即阴极（发射极）K，栅极（控制极）G，第一阳极（加速极）A1，第二阳极A2和第三阳极A3级成聚焦极，第四阳极A4与A2内部相连组成高压电极并且与管锥体内侧所涂石墨导电层相连至高压嘴处。它们的相互位置如图1.2所示。 阴极表面涂有氧化物材料，当阴极被阴极里面的灯丝加热到约800℃时，电子获得逸出功，大量电子从阴极表面发出，并对准栅极的小圆孔飞行出去。电子飞出的多少，由栅极与阴极之间所加的电压的大小决定，从而可以调制光点的亮暗。正常工作时，栅极所加的电压比阴极低，从而对来自阴极的电子有排斥作用，只有少量电子能通过栅极到达屏幕。栅极电压负到电子束电流为零时的电压值称为截止电压，一般为-20~-90V。栅极与阴极间的距离一般为1mm以下，栅极中心孔直径为0.6~0.8mm。 加速极呈圆盘状，中间也开有上孔，电压一般为300~450V。 聚焦极装在加速极后面，电压在0~450V之间可调，改变这个电压，可以改变电子束聚焦的质量。 第四阳极与第二阳极施加8000~16000V的高压，使电子束以足够高的速度轰击荧光粉发光。

1.1、黑白CRT 二、玻璃外壳 玻璃外壳由管颈、锥体和面玻璃三部分组成。管颈内部安装电子枪。玻璃锥体将面玻璃和管颈连接起来，其张开角φ代表最大电子束偏转角度。同样尺寸的荧光屏，偏转角φ越大，管子长度就越短，可以减少电视机的厚度，国产标准显像管主要有70°、90°、110°和114°等。玻璃锥体内，外壁涂有石墨导电层。玻璃锥体壁上装有高压帽，与内导电层相通，并与电子枪内的A2和A4阳极相连。高压由高压帽输入到A2和A4，这样高压就不从管座引入，其优点是可以降低管座绝缘材料的耐高压指标。玻壳外涂层石墨与电视机的地相连并与高压帽绝缘，内外石墨层在璃壳壁形成500~1000pf的高压电容器，兼作为高压整流滤波电容。

1.1、黑白CRT 三、荧光屏 荧光屏一般由玻璃基板、荧光粉层和和铝膜层构成，也称作屏幕。面玻璃尺寸宽度与高度之比有4：3、16：9等类型，习惯上将屏幕对角线长度定为显像管的规格，用厘米（或英寸）表示。为了减小环境光的影响，提高图像对比度，荧光屏玻璃采用具有中性吸光性能的烟灰玻璃，此外还要满足光洁度、均匀性、耐压力、面张力和防爆等性能要求。 荧光粉层完成显像管内的光电转换功能，黑白显像管要求在电子轰击下荧光粉发白光，一般采用颜色互补的两种荧光粉混合起来发白光。如将发蓝光的ZnS[Ag]与发黄光的ZnS、CdS[Ag]以55：45的比例混合制得P4荧光粉，或直接采用单一白色荧光粉。荧光粉的另一个重要参数是余辉时间，余辉时间定义为亮度减少到1/10时所用的时间，余辉时间长于0.1秒的叫长余辉荧光粉，介于0.1~0.001秒的称为中余辉荧光粉，短于0.001秒的称为短余辉荧光粉。余辉太长运动画面会有拖影，余辉太短平均亮度降低，电视采用中余辉荧光粉，示波器等则采用长余辉荧光粉。

1.1、黑白CRT 荧光粉采用沉淀法涂覆，把洗净烘干的玻璃屏放在涂覆机上，玻璃屏的倾角和转速由涂覆机来控制。向玻璃屏中心滴入加有醋酸钡等电解质的荧光粉和水玻璃悬浮液，开启涂覆机使其均匀涂覆于玻璃基板上，经烘干后即形成牢固的荧光粉层。 在荧光粉层表面蒸镀一层0.1~0.5μm的铝膜，并使其与电子枪的阳极相连，可以提高图像显示性能。主要优点为：可以防止负电荷积累导致的荧面电位下降，从而限制了亮度的提高；铝可将荧光粉发向管内的光线反射到观察者一侧，提高亮度；阻档负离子对荧光层的轰击防止离子斑。 荧光粉的发光效率以每瓦电功率所获得的发光强度计，输入的电功率是电子束电流（阴极电流（μA）与阳极高压的乘积，发光强度为cd（坎德拉）。一般的荧光粉发光效率都大于5cd/W，有的大于10cd/W，而白炽灯的发光效率都不超过2cd/W。

1.1、黑白CRT 四、扫描方式 在显像管中电子束的扫描是通过磁偏转来实现的。在广播电视技术中，将一幅画面称为一帧，并规定每秒传送25帧。每帧只要分解为几十万个像素，这些像素又分割成625行，这样每系就要传送25×625=15625行，要实现这样的速度，必须采用电子扫描来实现。 按电子束运动的规则可分为直线扫描、圆扫描、螺旋扫描等。在电视系统中，为了充分利用矩形屏幕并使扫描设备简单可靠，采用了匀速单向直线扫描方式，而单向直线扫描又分为逐行扫描和隔行扫描两种方式。

1.1、黑白CRT 五、逐行扫描 在电视系统中，摄像管与显像管电子枪外部都装有相互垂直的行、场两对偏转线圈，线圈中分别流有行、场锯齿电流。电子束在通过两个偏转磁场时，在荧光屏上做从上到下、从左到右的匀速往复直线扫描动动。我们将一行紧跟一行的抚摸方式称为逐行扫描，在逐行扫描过程中，其图像信号的时间顺序与空间顺序是一致的。 我国电视标准规定，行扫描的周期为64μs，其中行扫描正程为52，行逆程为12μs。场扫描频率为50Hz，即可适应人眼的暂留效应，克服闪烁感，又与电网频率相同，达到消除干扰的目的。场扫描周期为20ms，场扫描正程时间≥18.4ms，场扫描逆程时间≤1.6ms，要实现这样的指标，电视图像信号的通频带要求达到11MHz以上。

1.1. 黑白CRT 六、隔行扫描 我国电视信号通频带规定，图像信号带宽为6MHz。为了达到即不占用很宽的频率带，又能够满足足够高的扫描频率，以克服以闪烁现像，因此提出了2：1隔行扫描的工作方式。隔行扫描即是把一帧分为两场来扫描，每秒扫描50场。规定奇数行1，3，5，7…573（显示行，其它为场逆程非显示行）的场为奇数场，偶数行2，4，6，…574的场为偶数场。若采用奇、偶两场均匀相互嵌套的话，即可以获得高的清晰度，又能保证每帧扫描起点相同，两场的扫描锯齿电流规律相同，大大降低了对扫描电路的要求。这就是奇数行2：1隔行扫描方式。其扫描过程如图1.3所示。

1.1、黑白CRT 隔行扫描示意图 （a）奇场光栅（b）偶场光栅（c）每帧光栅（d）行锯齿电流波形（e）场锯齿电流波形

相加混色

相减混色

为了使各种颜色可以通过人的视觉系统良好地重现，人们建立了许多种色度坐标系，总的来说有以下几种： （4）色度坐标系 为了使各种颜色可以通过人的视觉系统良好地重现，人们建立了许多种色度坐标系，总的来说有以下几种： 1）CIE-RGB计色系统 在色度学中，国际照明委员会（CEI）于1931年规定了三基色（RGB）计色系统。该系统采用的三基色是：波长700nm、光通量1lm的红光为一个红基色单位，用（R）表示；波长546.1nm、光通量为4.5907lm的绿光为一个绿色单位，用（G）表示；波长435.8nm、光通量为0.0601lm的蓝光为一个蓝基色单位，用（B）表示；等量的RGB能配出等能白光；

即，当用1lm的红光做为基准时，要配出白光，需要4.507lm的绿光和0.0601lm的蓝光，白光的光通量为5.6508lm。

任一彩色光F总可以通过下列配色议程配出 其中，R（R）、G（G）B（B）称为F的三色分量，R、G、B称为三色系数，m称为色模，代表F所含三基色单位总量，r、g、b称为色度坐标或相对色系数，分别代表F所用三基色单位总量为我时所需的各基色量的数值，

1931CIE色度图系统

2）色度的XYZ计色系统 由于1931CIE-RGB坐标系统中，出现了坐标负值，不易理解，因此1931年CIE推荐了一个新的国际色度学系统，1931CIE-XYZ系统，又称XYZ国际坐标制。在XYZ系统中，X、Y、Z不是真实的三基色，而是假想红、绿、蓝三基色或数学计算三基色。在该系统中，X、Y、Z均为正值，XYZ中只有Y（Y）基色分量一项有亮度，令1（Y）的光通量 为1lm，而另外两个基色不含有亮度，但其色度仍有X、Y、Z的比值确定，这样X=Y=Z时仍代表等能白光。XYZ系统是由RGB系统推导而来的。由于（X）和（Z）的光通量应为零，（X）、（Z）的连线应为光通量等于零的轨迹。在RGB图中，这条无亮度线公式就应为

XYZ在RGB系统中的位置

1.2、彩色CRT 彩色显像管采用红绿蓝（简称RGB）三基色相加混色原理实现彩色图像的显示。 彩色显像管应能产生三束电子流，它们可以是来自一个电子枪（单枪三束），也可以来自三个电子枪（三枪三束）。 确保受三个基色信号控制的三束电子束准确轰击相应的荧光粉，是彩色显像管技术的关键。

（1）荫罩式彩色显像管 荫罩是一块刻有成千上万个孔的薄钢板。 荫罩孔的作用在于保证三个电子共同穿过同一个荫罩孔，以激发荧光粉，使之发出红、绿、蓝三色光。 孔状荫罩和沟槽状荫罩 由于电子束在轰击荫罩时会产生软X射线，因此玻壳配方中掺入重金属，屏幕上为氧化锶和氧化钡，玻壳内含有氧化铅。

主流中低档荫罩式显示器 孔状荫罩 优点：成本低 缺点：透过率50%，亮度、对比度低，分辨率低 沟糟荫罩 优点：分辨率高，透过率70%

荫栅式彩色显像管 条状荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的互相平行的铁线阵列组成。 电子透过率达到95%以上

三菱三枪三束与SONY单枪三束