光电显示-03 【补】crt显示器

1,光电显示技术Photoelectric Display Technology,2,平板显示器的参照物CRT,【补】,CRT就是利用电子束轰击荧光屏，使其发光显示图像的器件,1发射电子，并将它们汇聚成细束的电子枪2使电子束在荧光屏上扫描的偏转系统3根据电子束能量强弱而发出不同亮度光的荧光屏,三大部件,3,电子枪,偏转系统,荧光面,电子束,像素发光点,CRT结构示意图,4,一 、荧光屏,1.荧光粉发光机理,一般的荧光粉的基质的能带宽度为Eg=36ev，为高绝缘体，对可见光是透明的。例如：ZnS的Eg=3.7ev，要使它在电子轰击下发出可见的蓝光（能量为2.7ev），则必须使ZnS掺杂，形成发光中心。,发光过程：,被电子束激发的电子空穴各自先被施主杂质和受主杂质所俘获，然后复合发光。,5,2. 对荧光粉的基本要求和主要参量,（1）基本要求,由于CRT是工作在10-4Pa高真空条件下，首先要求荧光粉蒸汽压低，容易去气，发光效率高，余辉适当。,余辉是指停止电子束轰击后光输出 减少到初始值10%所经历的时间。余辉小于1ms为短余辉，1100ms为中余辉，大于0.1s为长余辉；彩色显像管的荧光粉的余辉约为2ms。,能耐400氧化环境的焙烧，只能是无机质；在电子轰击下稳定、寿命长（此处寿命是指发光效率降为初始值的一半时的时间，一般都可达几万小时）。,6,（2）主要参量,亮度输出和发光效率：对于室内观看的显示屏亮度大于70cd/m2，黑白显像管的屏发光效率大于35lm/W发光颜色和光谱：黑白显像管希望发白光，需要采用颜色互补的两种荧光粉：发黄光的（Zn，Cd）S：Ag和发蓝光的ZnS：Ag，配比45：55，国内牌号为Y26，国外牌号为P4，这种荧光粉称为白场粉，在电子轰击下发白光；彩色显像管采用红、绿、蓝三种荧光粉，它们的发光光谱决定了色度图中颜色三角形的面积和位置：常用的三色荧光粉为绿色荧光粉为ZnS：Cu，Al和Zn：Al的混合粉，蓝色粉一直用ZnS：Ag，红色粉现在多使用铕激活的氧硫化钇（Y2O2S：Eu）。,7,荧光粉的光电特性：亮度输出与电子束电流电压的关系,其中：L为荧光粉屏面的亮度，Kb为比例系数，J为电子束电流密度，Va为显像管的阳极电压，Vo为死电压，当Va Vo时，荧光屏不发光。N为13，可取2代入。,对于硫化物荧光粉L和J在低电流密度下成正比，当J20A/cm2时，就出现明显的饱和倾向，而稀土荧光粉看不到电流饱和效应。,8,3荧光粉的涂敷工艺,为了使荧光屏发光均匀，荧光粉必须涂敷均匀，一般采用沉淀法。,优点：均匀，厚度可控制，节省材料缺点：周期长,4. 蒸铝工艺,蒸铝的好处：,1.使屏面处于阳极高压电位：将铝膜蒸在荧光屏上，通过铝层又与内石墨层相通，这样便可将阳极电压加在荧光粉上，而不受粘住电位的影响。,2.防止离子斑:显像管内虽然是高真空，但总会有残留气体存在，形成负离子，负离子经过偏转磁场时，因其质量远大于电子，直接打在荧光屏中心。长期受负离子轰击，荧光粉被溅射而发黑，出现离子斑，蒸铝后，起到对负离子的阻挡作用。,9,成膜工艺为：将含有上述有机物的若干成分配成乳胶，玻璃屏放在支架上旋转，点上乳胶加热即可。蒸完铝膜之后，要在焙烧炉中400下氧化气氛中烧约1小时，有机物将受热分解掉。在这个过程中，铝膜也会部分氧化，但生成的AL2O3层是透明的，同时保护铝层不再继续往里氧化，因此所蒸的铝膜要有一定厚度。,粘结在玻璃屏上的荧光粉层是比较粗糙的，必须先形成一个光滑的中间膜然后在中间层上蒸铝，才能获得较好的镜面反射层；对中间膜的要求是要表面平滑，与荧光粉、铝膜以及玻璃粘附力大，蒸汽压低，以及可以用加热方法除去，常用硝化纤维和丙烯酸类树脂,注意,3.提高屏幕亮度：荧光粉受到电子轰击后发出的光线象点光源一样四处发散，铝膜作为镜面将射向后方的光线反射给观众。,10,二、电子枪,电子枪的功能：生成一束强度可调的聚焦电子束,原理：任何金属加热到足够高的温度都会有足够多的电子克服固体表面的阻力从固体逸出，成为热发射电子。热发射电流的密度JK与材料逸出功M和工作温度T的关系为：,k为波尔兹曼常数，Ao为发射常数，值为120.4Acm-2K-2,1.发射电子的阴极,在黑白显像管中是一把电子枪生成一个电子束，彩色显像管中是一把电子枪生成三个电子束,11,若T=1000K，逸出功减小1eV，则JK增加105倍；若M保持不变，T由1000K增大到1500K，则JK增加104倍。,耐高温的纯钨曾作为阴极材料，钨的逸出功为4.52eV，要加温到24002700K才有显著发射，其效率只有6-8lm/W，且阴极本身发出耀眼亮光，无法在CRT中使用；后来发明了氧化物阴极，电真空器件才得以大发展，氧化物阴极的逸出功只有12eV，工作温度可以低至950-1100K，发射效率可达100-250lm/W。,但Tk的增加会引起材料的强烈蒸发，所以降低逸出功是阴极研究中最重要的目标。,逸出功和温度对热发射电流的影响：,12,结构有直热式和间热式：直热式加热电流直接流过基金属加热涂在基金属上的氧化物阴极，但在显像管中要求等电位电子发射体，则必须采用间热式阴极。,间热式阴极,间热式阴极基金属为桶状，外表面涂有氧化物发射体，筒内为经过绝缘处理的加热体，称为热子或灯丝。,（1）氧化物阴极的结构,13,（2）涂层材料,氧化物阴极的组成材料是BaO，SrO和CaO，制作氧化物阴极的原材料是三元碳酸盐（Ba、Sr、Ca）CO3，而不是直接用(Ba、Sr、Ca）O，因为前者在空气中稳定，而后者在空气中容易和水蒸气结合形成发射能力极差的氢氧化合物。碳酸盐加热可以分解为氧化物和二氧化碳，二氧化碳在抽气时可以被排除。,显像管的寿命终了，有80%是因为阴极Ba元素消耗过度造成的。,阴极中毒现象:当显像管中的残余气体增多时，其中O2、H2O、CO2等都会与阴极表面的钡原子化合。使逸出功增加，发射能力下降。,14,2.发射系统,电子枪由发射系统和投射系统两部分组成,发射系统由阴极、调制极（也称栅极）与加速极三部分构成阴极发射电子，讨论时令阴极电位为零，调制极上加负电压用于控制阴极电子发射，即调控电子束电流；加速极上加正电压，用于加速电子，将发射电子从阴极表面拉出来。这三个电极间距离很近，阴极与调制极间距只0.10.14mm，调制极中央开有0. 5mm的小孔，以让电子通过。,在这三极系统电场的作用下，对从阴极发射的电子有极强的汇聚作用，尽管从阴极表面发出的电子初速度各不相同，初始发射方向也不相同，但他们在调制极孔外侧C处汇聚成一个最小截面点，称之为交叉点。交叉点是透射透镜的物方焦点。,15,3.投射系统,投射系统也叫电子聚焦系统，其任务是把交叉点成像在荧光屏上形成亮斑。,式中：b为透镜到屏的距离，即像距，a为交叉点到透镜的距离，即物距。Vcr是交叉点的电位，Vb是荧光屏电压。,投射系统通常由一些同轴圆筒电极或带孔圆片电极组成，它的作用类似于光学中的会聚透镜。会聚能力也可以用焦距f表示投射系统的放大倍数M为：,16,电子枪成像原理,17,三、偏转系统,为了在显象管上显示图像，电子束必须从左到右，从上到下在屏幕上扫出一个光栅。从原理上讲利用电场或磁场都可以使电子束偏转实现扫描的功能。,显象管中偏转角大至90、110，屏幕尺寸又大，阳极电压也很高，若用电偏转，偏转电压将大于5000V，偏转畸变也无法解决，所以显像管都使用磁偏转，利用运动电子在磁场中受到的洛仑兹力使电子束偏转。,四玻璃外壳,玻璃外壳由芯柱、颈部、锥部和屏面四部分组成。,管颈为一细长管子，内装电子枪；玻璃锥体将荧光屏和管颈连接起来，内外均涂有石墨层。,黑白显像管玻璃外壳占成本的主要成分，彩色显像管玻璃外壳占成本的50%。,18,内壁石墨层与高压阳极相连，形成等电位空间以保证电子高速运动；外壁石墨导电层接地，内外两层石墨层间形成电容，可供高压整流后滤波用；石墨层是黑色，可充分吸收管内的杂乱反射光，有助于提高图像对比度。,石墨层的作用：,玻璃外壳最重要的部分是屏面,耐大气压力,显像管工作于高真空，因此内外压差是一个大气压，即1kg/cm2的压力。对于29英寸的显像管屏面的面积为2700cm2，平面上所承受的压力为2.7吨。,19,对于29英寸显像管，阳极电压30KV，电子轰击荧光屏的速度约为光速的三分之一。高能电子突然受阻会发出0.050.06nm的x射线，所以必须有防护措施，以免伤害观众。在玻璃中掺入PbO（氧化铅）吸收x射线效果最好，因此在管颈和锥体部分的玻璃成分中掺入20%-30%的PbO，防止x射线泄露。因为PbO在高能电子束轰击下会分解出Pb使屏幕发黑，所以屏面不能掺入PbO，而是掺入BaO和SrO。,防x射线辐射,透过率合适,为了提高画面的对比度，一般采用低透过率屏面，即取50%的透过率玻璃，称为烟玻璃。因为外光入射到屏面进入后又反射回来，要经过玻璃面两次，受两次衰减，而荧光粉发出的光只需要一次平面衰减，这样画面的亮度虽然有所降低，但是外光的所用更弱，对比度提高。,20,五、荫罩式彩色显像管,在彩色显像管四十多年的发展过程中占主导地位的是荫罩式三枪三束、单枪三束和自会聚彩色显像管，且前两种管因为结构复杂，所以自汇聚式占主导地位。,自会聚彩色显像管,主要部件：一字形一体化电子枪；条槽式荫罩板；垂直粉条，荧光屏球面形状；自会聚偏转线圈。,特点：完全取消动态会聚电路，只靠偏转磁场本身的特殊分布来实现会聚，调节非常简单，于黑白显像管同样方便，同时由于取消了会聚线路，节省成本。,21,荫罩板与荧光粉点,在荧光屏后面约1cm处，设有一块荫罩板，作用是确保R、G、B电子束只能击中相应的R、G、B荧光粉点，故荫罩板又称为选色板。,荫罩板是由0. 15mm厚的薄钢板制成，上面有规律地排列着40余万个槽孔（荫罩孔），每个荫罩孔对应着一组R、G、B三基色荧光粉点。荫罩孔按“品”字形规律交错排列，使荫罩板的机械强度及抗热变形性能增强。,22,色纯度是指彩色显像管显示单基色光栅的纯净程度。具体地说，就是要求R、G、B电子束轰击对应的R、G、B荧光粉，而不轰击其它荧光粉,色纯度,色纯原理,23,色纯度不良的故障现象:屏幕局部出现色斑,色斑,24,会聚,会聚：是指R、G、B电子束在任一扫描下，均能穿过同一个荫罩孔，以击中同一组R、G、B荧光粉点。如果R、G、B电子束没有穿过同一个荫罩孔，则称发生了会聚误差。静会聚：是指R、G、B电子束在没有进行偏转时的会聚，也就是屏幕中心的会聚。 动会聚：是指R、G、B电子束在扫描偏转过程中的会聚，也就是屏幕边缘四角的会聚。,25,会聚误差示意图,屏幕一个白色亮点分裂成R、G、B三色点或两种色点，或一条白色亮线分裂成R、G、B三色线或两种颜色线，像的轮廓将出图现彩色镶边现象。,静会聚不良原因：R、G、B阴极间隔误差、水平一字形排列误差，调整静会聚通常可用黑底白格的图像或十字线图像等，观察中央部位有无基色条散开现像。,静会聚,动会聚,26,会聚良好,白色线没有裂开,会聚不良现象,27,图像的轮廓将出图现彩色镶边现象,轮廓镶边,28,（4）自会聚彩色显像管的动会聚,指电子束偏转角较大，在荧光屏上表现为屏四周区域失会聚的现象。,29,4.彩色显像管制造中的特殊工艺,荧光粉的涂敷,彩色显像管荧光屏的涂敷采用旋转涂覆法,黑底技术,为了保证色纯，不同粉点之间留有空隙，荧光屏约25%30%的面积是不发光的。在不发光处涂黑色吸光物质可以将对比度提高40%深黑底的石墨是在涂荧光粉之前进行的，也是利用荫罩做模板通过照相曝光，显影来完成的，但这里采用负片，即通过荫罩孔被曝光的部分在显影时被水冲走，未曝光部分作为黑底留下。,30,荫罩是彩色显像管的选色元件，而且在工艺上它是光学曝光法涂屏时的曝光模板。,材料：采用厚度为0.10.22mm的超低碳钢板（含碳量小于0.004），要求晶粒细小7.510m，导磁率高，矫顽力小，热膨胀系数小，对超高分辨率彩色显像管采用含36镍的殷 钢，其膨胀系数只有普通荫罩的10。,荫罩的制造,荫罩孔的尺寸与形状：中心孔尺寸大些，越向四周孔尺寸越缩小，以限制大偏转角下的束斑尺寸；孔的形状为碗状的锥形，