第六章 显示技术_CRT显示.ppt

,显示器的分类,按照显示器的显示管分类，可分为：阴极射线显示(CRT)液晶显示器（LCD）等离子体显示（PDP）电致发光显示(ELD),第6章显示技术,CRT（Cathode-Ray-Tube）显示器，即阴极射线管显示器，是最早使用的显示器，它技术成熟，价格便宜，寿命长，可靠性高。,6.1阴极射线显示(CRT),一、黑白显像管二、彩色显像管,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。,6.1.1黑白显像管,黑白显像管由电子枪、偏转系统、荧光屏和锥体外壳组成。,荧光屏,锥体外壳,黑白显像管结构,电子枪是显像管中极为重要的组成部分。它是电子束源，用来发射电子，并将其加速和聚焦成细束，同时外加电信号控制电子束的强度。偏转系统能依据输入的有电子束位置信息的信号使电子束在向荧光屏行进途中轨迹发生偏转，以控制电子束到达荧光屏上的位置。偏转系统可以用静电式偏转或磁偏转，电子枪与偏转系统合称显示器件的电子光学系统。一般分为双电位电子枪（Bi-potentialFocus,BPF）和单电位电子枪（Uni-PotentialFocus,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。,电子枪,双电位电子枪的各电极电压及结构如图所示：灯丝、阴极（发射极）K，控制极G1（栅极），加速极G2（第一阳极A1），聚焦极G3（第二阳极A2），高压阳极G4。栅极与阴极间的距离一般为1mm以下，栅极中心孔直径为0.60.8mm。,G2,灯丝,阴极,控制极,聚焦极,加速极,阳极,G3,双电位电子枪（Bi-potentialFocus,BPF）,0V-60-20V400V0300V9000V,G4,G1,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，因此，将视频信号电压加在阴极或栅极上可以调制电子束强度。电子束经过加速极的加速，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。其结构如图所示。,基本工作原理,灯丝,阴极,栅极,聚焦极,加速极,高压阳极,A2,A3,G,加速极A1呈圆盘状，电压一般在300450V之间。聚焦极装在加速极后面，电压在0300V之间可调，改变这个电压，可以改变电子束聚焦的质量。阳极施加800016000V的高压，使电子束以足够高的速度轰击荧光粉发光。,灯丝,阴极,栅极,聚焦极,加速极,阳极,A2,A3,单电位电子枪与双电位电子枪相比，相当于在双电位电子枪的G2和G4之间多加了一个高压阳极，电位大幅度增加，增强了预聚焦能力，电子束进入主透镜(由G3、G4、G5组成)前，经过预聚焦作用，变细了，然后再通过主透镜的聚焦，使电子束激发荧光屏产生的光点足够小。,单电位电子枪（Uni-potentialFocus,UPF）,灯丝,阴极,栅极,聚焦极,加速极,高压阳极,G4,G5,G3,G1,灯丝,阴极,栅极,聚焦极,加速极,阳极,G4,G5,G3,G1,另外，由于聚焦极G4的电位大大低于G3、G5，因而G4上的电位变化对电场影响作用减小了，这对显像管聚焦持性的稳定和提高起了良好的保证作用。单电位电子枪只要在设计装配时将三电极（G3、G4、G5）位置调整好，在以后的使用中，对聚焦电压就不必进行调整，所以这种枪又称为自聚焦电子枪。,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，其张开角代表最大电子束偏转角度。同样尺寸的荧光屏，偏转角越大，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。,玻璃外壳,荧光屏,荧光屏一般由玻璃基板、荧光粉层和和铝膜层构成。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。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。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0.10.001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。,显像管外面都装有行与场两对偏转线圈，线圈中分别流过行、场锯齿波扫描电流，同时产生水平方向与垂直方向的偏转磁场。在这两个偏转磁场的共同作用下，电子束就在荧光屏上从上到下、从左到右的匀速往复直线扫描。,扫描方式,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。每帧又分割成625行，这样每帧就要传送25625=15625行。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。,扫描方式,我们将一行紧跟一行的扫描方式称为逐行扫描。,逐行扫描（Progressive）,电子束扫描示意图,当轰击荧光屏的电子束不发生任何偏转时，则电子束会始终轰击在荧光屏中心一个点上，此时荧光屏只有一个亮点。为了使整个荧光屏都发光，必须在管锥根部套一只偏转线圈，使电子束在偏转磁场的作用下发生水平、垂直方向偏转，这又称电子束扫描。,逐行扫描原理,水平方向上的扫描(也称行扫描)。由左端逐渐移到右端，这段扫描过程称行正程扫描。行正程扫描所需时间称为行扫描正程时间，用THt表示。,THt,行扫描原理,从右端快速返回左端。这段扫描过程称为行逆程扫描。行逆程扫描所需时间称行扫描逆程时间，用THr表示，而且THtTHr。行扫描的周期则为：TH=THt+THr行扫描频率：fH=1/TH,场扫描原理,产生垂直方向的扫描(也称场扫描),场扫描锯齿电流,场扫描原理,场扫描锯齿电流,在垂直方向由上端向下端移动，这一过程称为场正程扫描。所需要的时间称为场扫描正程时间，用TVt表示。从下端快速返回到上端，这过程称场逆程扫描。场扫描逆程时间用TVr表示。其中TVtTVr。场扫描周期TV=TVt+TVr。同理，场扫描频率fv=1/TV,TVt,TVr,逐行扫描原理,场扫描锯齿电流,N行,我国电视标准规定，行扫描的周期为64s，其中行扫描正程为52s，行逆程为12s。场频为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。,我国电视标准,场扫描周期为20ms，场扫描正程时间TVt18.4ms，场扫描逆程时间TVr1.6ms，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。,我国电视标准,场扫描锯齿电流,TVt,TVr,隔行扫描是每一帧被分割为两场，每一场包含了一帧中所有的奇数扫描行或者偶数扫描行，规定奇数行1，3，5，7573的场为奇数场，偶数行2，4，6，574的场为偶数场。通常是先扫描奇数行得到第一场，然后扫描偶数行得到第二场。每秒扫描50场。,隔行扫描（Interlaced）,奇场光栅,偶场光栅,每帧光栅,行锯齿电流波形,场锯齿电流波形,隔行扫描光栅的形成,隔行扫描示意图,二、彩色显像管,1、彩色视觉和描述,人的视觉不仅能感知光的刺激，还将不同频率的电磁波感知为不同的颜色。光能本身是无颜色的，颜色是人们眼睛感知光后产生的生理和心理现象。眼睛对光的感觉称为光觉，对颜色的感觉称为色觉，这是眼睛的特性。,人的彩色视觉,人眼视网膜上有大量的光敏细胞，按形状分为杆状细胞和锥状细胞，杆状细胞灵敏度很高，但对彩色不敏感，人的夜间视觉主要靠它起作用，因此，在暗处只能看到黑白形象而无法辨别颜色。锥状细胞既可辨别光的强弱，又可辨别颜色，白天视觉主要由它来完成。,彩色视觉的物理基础是人类视网膜中有感受彩色的传感器锥(cone）细胞。,为了解释视觉对颜色的感知能力，美国物理学家ThomasYoung1801年提出三色假说，后来由Helmholtz加以发展，形成著名的Young-Helmholtz三色学说三色假说的中心内容是：假设有三种视觉(锥体)感受器，分别对红、绿、蓝三种颜色敏感；当光线同时作用在这三种感受器上时，三个感受器产生的兴奋程度不同；不同兴奋程度的组合将产生不同的颜色感觉，三种感受器处于等强度兴奋时，便产生白色的感觉。现代技术的发展充分证实了三色假说的合理性。,根据三色原理的假设:锥状细胞可分成三类，分别称为红敏细胞、绿敏细胞、蓝敏细胞。,它们各自的相对视敏函数曲线分别为图所示的VR（）、VG（）、VB（），其峰值分别在580nm、540nm、440nm处。,例如600nm的单色黄光就处在VR（）、VG（）曲线之下，所以600nm的单色黄光既激励了红敏细胞，又激励了绿敏细胞，可引起混合的感觉。,当混合红绿光同时作用于视网膜时，分别使红敏细胞、绿敏细胞同时受激励，只要混合光的比例适当，所引起的彩色感觉，可以与单色黄光引起的彩色感觉相同。,由此可见，不同波长的光对三种细胞的刺激量是不同的，产生的彩色视觉各异，人眼因此能分辨出五光十色的颜色。现在很多显示技术正式基于这一假设，在图像复现过程中，不是重现原来景物的光谱分布，而是利用3种相似于红、绿、蓝锥状细胞特性的3种光源进行配色，在色感上得到相同的效果。,三基色与色匹配,为了建立标准，国际照度委员会(CIE)在1931年就规定了3种基本色的波长分别为R：700nm，G:546.1nm，B：435.8nm。当把红、绿、蓝色光混合时，通过改变三者各自的强度比例可得到白色以及各种彩色。,自然界中绝大部分的可见光谱可以用红、绿和蓝三基色光按不同比例和强度的混合来表示。RGB分别代表着3种颜色：R（波长=700.00nm)，G（波长=546.1nm)、B（波长=435.8nm)。RGB颜色模型是相加混色，称为加色模型。,RGB颜色模型,RGB色彩模式为图像中每一个像素的RGB分量分配一个0255范围内的强度值。例如：纯红色R=255，G=0，B=0；白色的R、G、B都为255；黑色的R、G、B都为0。RGB图像使用三种颜色，按照不同的比例混合，可以生成16581375种颜色。,R（红）G（绿）B（蓝）（0,0,0）代表黑色，(255,255,255)代表白色,RGB颜色模型,红色：=700.00nm绿色：=546.1nm蓝色：=435.8nm,RGB颜色模型,R:200,G:50,B:120,黄(255,255,0),黑(0,0,0),绿(0,255,0),青(0,255,255),蓝(0,0,255),品红(255,0,255),白(255,255,255),红(255,0,0),彩色电视重现图像是靠彩色显像管屏幕上三种荧光粉在电子束轰击下发出红、绿、蓝三种基色光混合而得到的，这三种基色称为显像三基色。,显像三基色,PAL制式将RGB三色信号改组成Y、U、V信号。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图就是黑白灰度图。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号。,YUV模型与RGB模型的转换关系如下：,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。彩色显像管产生三束电子流，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。,6.1.2彩色显像管,彩色电视荧光屏内壁涂有发光颜色为红、绿、蓝的荧光粉点，每一组三个红、绿、蓝荧光粉点排列成品字形，组成一个彩色像素，这些粉点的直径很小(几微米到几十微米)。,CRT彩色显示器原理,当一个图像被显示在屏幕上时，它是由无数小点组成的，它们被称为像素(pixel)。象素也即发光“点”；分辨率指屏幕上象素的数目，数目越大，分辨率也就越高。屏幕上的像素可以被置为不同的颜色和亮度。每一个像素包含一个红色、绿色、蓝色的磷光体，如图所示。大量的像素就组成了图像。,屏幕上的像素,CRT彩色显示器原理,利用显像管内的电子枪，将红、绿、蓝三个电子束分别打在R、G、B荧光粉层上，荧光粉被激活，即可发出光来。R、G、B三种荧光点被不同强度的电子流点亮，就会发出各种色彩。最终就形成了你所看到的显示画面了。在适当的距离外，人眼分辨不出单色小点，而只是看到一个合成的彩色光点。,点距(DotPitch),点距是指屏幕上两个相邻荧光点的距离。,点距(DotPitch),点距是衡量显示器性能的重要指标，点距越小，显示器显示图形越清晰。常见点距规格有0.31mm、0.28mm、0.25mm等，目前高清晰大屏幕显示器通常采用0.25mm的点距，某些产品甚至达到0.21mm。,显像管种类,彩色显像管分为单枪三束和三枪三束两种。三枪三束彩色显像管有三个阴极，发射出的三束电子束分别由三个电子枪聚焦。,三枪三束采用的孔状荫罩,在距离荧光屏后约2mm处放置一块荫罩板，一般用0.12mm0.16mm厚的低碳钢板制作，钢板上的小孔与荧光屏上的红、绿、蓝荧光粉点一一对应。荫罩起选色的作用，由红、绿、蓝三个电子枪发射的三个电子束在荫罩上的小孔处会聚穿过小孔后打在相应的红、绿、蓝荧光粉点上。,单枪三束显像管,单枪三束彩色显像管有三个阴极，但发射出的三束电子束共用同一个电子枪聚焦。,单枪三束彩色显像管采用荫栅式,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。用条状