光电显示技术第2章-2015

2.1CRT显示器的基本结构与工作原理2.2CRT显示器的驱动与控制2.3CRT显示器的特点、

性能指标及发展历史第2章阴极射线管显示技术2.1.1黑白CRT显示器的

基本结构与工作原理2.1.2彩色CRT显示器的

基本结构与工作原理2.1.3CRT显示器的主要单元2.1CRT显示器的基本

结构与工作原理

阴极射线管(CRT)已有100多年的发展历史，是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术，具有技术成熟、图像色彩丰富、还原性好、全彩色、高清晰度、较低成本和丰富的几何失真调整能力等优点，主要应用于电视、计算机显示器、工业监视器、投影仪等终端显示设备。

CRT（CathodeRayTube）显示器分为黑白CRT显示器和彩色CRT显示器两大类，其核心部件是CRT显像管（阴极射线管）。由电子枪（ElectronGun）、偏转线圈（Defiectioncoils）、荫罩（Shadowmask）、荧光粉层（Phosphor）及玻璃外壳五部分组成，其中电子枪是显像管的核心。2.1CRT显示器的基本结构与工作原理黑白CRT：单一电子枪，黑白两色。用途：黑白电视机，工业设备监视器。黑白CRT主要组成部分：锥形玻壳、荧光屏、电子枪系统和偏转线圈（扫描用的磁轭器件）。2.1.1黑白CRT显示器的

基本结构与工作原理图2.1单色CRT的结构示意图

黑白CRT显示器的基本结构

发射系统：灯丝（F）、阴极（K）、控制栅极（G1）、加速极（G2屏蔽极）；

聚焦系统：第二阳极（G3）、聚焦极（G4）、高压阳极（G5）。阴极（被灯丝加热至6000C时）电子束（被视频电信号调制）加速和聚焦高速轰击荧光粉发光。黑白CRT显示器的基本结构彩色CRT利用三基色图像叠加原理实现彩色图像的显示。荫罩式彩色CRT是目前占主导地位的彩色显像管，这种管子的原始设想是德国人弗莱西（Fleshsig）1938年提出的。荫罩式彩色CRT的基本结构如图2.2。

2.1.2彩色CRT显示器的

基本结构与工作原理图2.2彩色CRT的结构示意图

彩色CRT显示器的基本结构图2.0彩条信号重现示意图彩条信号的重现灯丝（通电发热）三个阴极（发射电子流）加速极（聚焦、高压阳极）高速轰击荧光粉发光（三原色）。三束电子在偏转线圈磁场的作用下，射向荧屏指定位置，轰击目标荧光粉单元。CRT内部有荫罩板，电子束通过网眼打在荧光点上。彩色CRT显示器的工作过程彩色CRT显示器的工作过程

电子打在荧屏上的位置由偏转线圈中的磁场大小来定位。电子束射击由左至右，由上至下的过程称为刷新，不断重复地刷新就能保持图像的持续性。线圈偏转的角度有限，四边的图像都会产生弯曲现象。为了解决这个问题，厂家把显像管制造成球形，缺点是屏幕将变得弯曲。电子束流大小不同对应红、绿、蓝三种光强弱不同。根据空间混色法产生丰富的色彩，此方法利用了人眼分辨力不高的特性。混合光线可以产生1600万种颜色，或者说真彩色。用此方法可产生不同色彩的像素，大量颜色各异的像素可组成漂亮的画面，而不断变换的画面就成为可动的图像。彩色CRT显示器的工作过程单色CRT只进行辉度（辉度是对（消色）发光强度的主观感受）控制，彩色CRT还需进行颜色控制，辉度和颜色都是通过束流来控制的。电流控制方式有栅极（G1）驱动方式和阴极驱动方式。在阴极驱动方式中，改变阴极电位（栅极接地），就可改变相应的辉度。彩色CRT的颜色显示是通过3个电子束各自的电流（由电压调制）来调制的。辉度及颜色画面的辉度与信号振幅的关系画面的辉度控制

1、电子枪对于电子枪的设计一般应有以下几个方面的考虑：1.注入电子具有一定的能量，枪的结构要有足够的耐压强

度，能承受一定的加速电压。2.要有足够的发射能力，能给出足够的脉冲电流。3.电子束的束流直径和发射角要求在给定范围内。4.结构简单，易于加工、安装和检修。5.枪的使用寿命非常长。

电子枪由灯丝（H或F）、阴极（RK、GK、BK）、栅极（G1）、加速极（G2）、高压阳极（G或V）组成。2.1.3CRT显示器的主要单元图2.4电子枪结构示意图1、电子枪

电子枪产生大电子束电流，会聚成细小的扫描点（约0.2mm）。

电子枪应有良好的调制特性。受调制信号控制时，扫描点应不散焦。⑴灯丝：通电后加热阴极，使阴极表面温度达600-800度，使阴极能发射电子。⑵阴极：呈圆筒状，顶端涂有钡锶钙的氧化物，受热后发射大量电子。决定电子枪的发射能力和寿命（1、轰击型：其加热方式是通过在热子（灯丝）和阴极之间加上几百乃至上千伏的轰击电压，在此电压下，从热子发射的电子轰击阴极，使阴极加热到一定温度后从其表面发射出大量电子来。2、加热型：这种阴极，化合物层固定在薄壁的底托上（镍管或钼管），底托下面放着耐热绝缘的螺旋钨丝。电流流过灯丝，灯丝烧热阴极，当阴极达到发射电子的温度时，就发射出电子来。）

⑶栅极：栅极套在阴极外面，是一金属圆筒，顶端开有让电子束通过的小孔。改变栅极与阴极间的相对电位可控制电子束的强弱。电子枪中各部分的作用：⑷加速极：紧靠栅极，加有几百伏的正电压，它能控制电子束到达荧光屏的速度。⑸聚焦极：彩管聚焦极电位5~8KV。聚焦、加速及高压极一起构成电子透镜，使电子束会聚成一束轰击荧光屏荧光粉。⑹高压阳极：建立一个强电场，使电子束以极快的速度轰击荧光屏上的荧光粉。高压阳极通常为22~34KV。电子枪中各部分的作用：荧光屏的最外层是玻璃壳、中间是荧光粉层、最内层是铝膜。工作时，电子束穿透铝膜打在荧光粉上，被打荧光粉发光，显示出字符或者图像。它是电光转换关键器件，要求亮度和发光效率高，光谱适合人眼观察，图像分辨力高、传递效果好，余辉时间适当，机械、化学、热稳定性好，寿命高。2、荧光屏铝膜的作用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；阻挡负离子对荧光层的轰击防止离子斑。荧光屏，顾名思义就是发出荧光的屏幕。是一个大玻璃壳，玻璃壳里面是荧光粉，工作的时候荧光屏后面的电子枪发射电子束打在荧光粉上，于是一部分荧光粉亮起来，显示出字符或者图像。整个显示器里面是高度真空的。余辉时间：轰击停止后，亮度减小到稳定亮度的1/10所经历的时间。

长余辉发光：余辉时间长于0.1s；

中余辉发光：余辉时间0.1s～0.001s；

短余辉发光：余辉时间短于0.001s。

屏幕的亮度取决于荧光粉的发光效

率、余辉时间及电子束轰击的功率。2、荧光屏（VacuumFluorescentDisplay，VFD）荧光粉的发光时间特性为

，则一帧时间T内平均亮度应为：

(2-3)屏幕亮度与电子束的电流密度和屏幕电压高低有关。因此屏幕亮度可表示为(2-4)可见，欲增大亮度，提高电压更有效。3、玻璃管壳

玻璃管壳通常由屏幕玻璃、锥体、管颈三部分组成。由普通玻璃做成：透明性高，能耐受高真空并吸收从内部发生的X射线。

文字及图象画面都是由一个个称为像素的点构成的，使这些点顺次显示的方法称为扫描。磁偏转像差小，适合在高阳极电压下大角度偏转，故显像管通常采用磁偏转。

偏转线圈分为行偏转线圈和场偏转线圈即水平偏转线圈和垂直偏转线圈。

行线圈通入行频锯齿波电流，产生垂直线性变化磁场，使电子束水平扫描。

场线圈通入场频锯齿波电流，产生水平线性变化磁场，使电子束垂直扫描。4、偏转系统逐行扫描

在电视的标准显示模式中，i表示隔行扫描，p表示逐行扫描。

逐行扫描：将一幅图像的像素从左至右、从上至下一行接一行扫描的方式叫逐行扫描。

世界上最早进行电视广播的时候都是采用逐行扫描电视制式，因为当时电视的清晰度非常低，并且只能广播黑白图像节目，节目内容也不丰富，大部分是文字广告和音乐之类内容。后来人们想把电影节目也搬到电视节目之中，此时才强烈感到电视机的清晰度不够。（后面介绍隔行扫描）

逐行扫描主要应用于计算机的显示器中。为了提高画面的清晰度，消除闪烁感，还可以增加扫描线数，目前显示器的扫描线数一般为768行，因而会感到画面非常细腻、清晰。逐行扫描垂直和水平同步水平同步信号决定了CRT画出一条水平线再返回起点所需的时间，垂直同步信号决定了CRT从屏幕顶部画到底部，再返回起点的时间，垂直同步也可以称为刷新率。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，这样每秒就要传送25×625=15625行。垂直和水平同步行正程时间:

行逆程时间:行扫描周期:

行频:场正程时间:

场逆程时间:场扫描周期:

场频:(帧频)场扫描逆程系数隔行扫描：将每一帧进行两次扫描，第一次扫奇数行、第二次扫偶数行，两场扫描完成一帧图像的方式称为隔行扫描。每帧扫描行数（相邻两场行数和）必为奇数，实现奇、偶两场扫描光栅均匀镶嵌。隔行扫描电视有个缺点，就是当图像上下两行的对比度差别很大时产生行间闪烁隔行扫描11’33’55’77’22’44’66’11’33’55’7行扫描电流场扫描电流tt为什么要采用隔行扫描？一帧图像是连续扫描625行组成的，每秒钟共扫描50帧图像，即帧扫描频率为50帧/秒，或写成50Hz(赫兹)，行扫描频率为31.25kHz。逐行扫描方法使信号的频谱及传送该信号的信道带宽均达到很高的要求。对于每帧图像为625行的隔行扫描，每帧图像分两场扫，每一场只扫描了312.5行，而每秒钟只要扫描25帧图像就可以了，故每秒钟共扫描50场(奇数场与偶数场各25场)，即隔行扫描时帧频为25Hz、场频为50Hz，而行扫描频率为15.625kHz。为什么要采用隔行扫描？隔行扫描的行扫描频率为逐行扫描时的一半，因而电视信号的频谱及传送该信号的信道带宽亦为逐行扫描的一半。这样采用了隔行扫描后，在图像质量下降不多的情况下，信道利用率提高了一倍。由于信道带宽的减小，使系统及设备的复杂性与成本也相应减少，这就是为什么世界上早期的电视制式均采用隔行扫描的原因。但隔行扫描也会带来许多缺点，如会产生行间闪烁效应、出现并行现象等不良效应。自从数字电视发展后，为了得到高品质的图像质量，逐行扫描也已成为数字电视扫描的优选方案。选择性应用为什么同是逐行扫描，电脑显示器不会产生图像大面积闪烁，而电视机会产生呢？这是因为电脑显示器用的是中余辉显像管，而电视机用的是短余辉显像管，两者的用途不一样，电脑显示器主要是用来显示静止图像，而电视机则是用来显示活动图像。50Hz的逐行扫描电视从主观上看来比50Hz隔行扫描电视机的图像质量还差。

按照我国的电视标准即（PAL-D制式）规定，我国电视的行频是15625Hz，而每幅电视画面有625行扫描线，而我国供电频率为50Hz，即场频为每秒50场，但由于是隔行扫描，每帧画面被分为奇数场和偶数场，即每扫描两次才形成一帧画面，故而帧频为每秒25帧（25i），即每秒钟连续变化25帧电视图像。隔行扫描，每帧两场，每秒50场；每行水平扫描正程为52μs，逆程为12μs，场正程时间≥18.4ms，逆程时间≤1.6ms，垂直方向显示575行。PAL制电视机的水平同步信号=625线×25帧/秒=15.625kHz，TH＝64µs；5、荫罩在彩色显象管内，荫罩装于玻壳和电子枪之间，起分色作用，防止电子束打到目标荧光粉以外的点，正确显示色彩。荫罩(Shadowmask)，它的位置大概在荧光屏后面(从荧光屏正面看)约10mm处，厚度约为0.15mm的薄金属障板，它上面有很多小孔或细槽，它们和同一组的荧光粉单元即像素相对应。如果没有荫罩，电子束在扫描移动过程中，会对相邻的他色单元进行重复轰击。三支电子束经过小孔或细槽后只能击中同一像素中的对应荧光粉单元，因此能够保证彩色的纯正和正确的会聚，所以我们才可以看到清晰的图像。如果没有荫罩？荫罩的问题一：随着收到的能量的变化而产生弯曲，高亮度时，弯曲更加严重。结果：电子束偏离目标，画面模糊不清。办法：寻找合适的金属，目前效果最好的是INVAR（不胀铜），它是镍/铁合金，膨胀率几乎为零。荫罩的第二个问题：屏幕弯曲产生刺眼的眩光。用防眩光涂层能解决此问题。5、荫罩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%CRT显示器驱控器的电路，如图2.7所示，主要包括视频电路、偏转电路、高压电路、电源电路等基本电路，以及所选择的动态聚焦电路、水平偏转周波数切换电路等。2.2CRT显示器驱控器的电路构成图2.7CRT显示器驱控器的电路CRT显示器驱控器的电路2.3.1CRT显示器的特点2.3.2CRT显示器的性能指标2.3.3CRT显示技术的发展历史

2.3CRT显示器的特点、

性能指标及发展历史2.3.1CRT显示器的特点CRT的最大优势是性价比高、大画面高密度显示，同时还具有下列优点：1、价格低；低于任何平板显示器2、亮度高；平均亮度300cd/m2,发光效率5lm/W;TFT-LCD:150cd/m2,7lm/W;PDP:550cd/m2,1.2~2.5lm/W;3、对比度高；暗室中对比度可达1000：14、色域广；真正的全彩色：红、绿、蓝、各1024级灰度构成10.73亿种颜色；TFT-LCD或PDP灰度级别仅限于256，1670万个彩色5、分辨率高；CRT的分辨率主要取决于电子枪；6、响应速度快；余辉时间10us~1ms，TFT-LCD一般大于20ms。7、视野角宽；视角接近170°，TFT-LCD：40°（垂直）90°（水平）8、显示版式可以灵活变化；可以4：3，也可以16：9。9、寿命长；10000h以上2.3.2CRT显示器的技术指标1、像素和分辨率

像素指屏幕能独立控制颜色与亮度的最小区域。分辨率的表示方式1：

指图像的密度，即屏幕上单位面积内像素的数量，它是图像清晰程度的标志。单位有：点每英寸（dpi）、线每英寸（lpi）和像素每英寸（ppi，pixelperinch）分辨率的表示方式2：我们可以把显示屏想象成是一个大型的棋盘，而就是每一条水平线上的点数乘以水平线的数目，如640×480、720×348、1024×768及1024×1024等。以640×480的分辨率来说，即每一条线上包含有640个像素点且共有480条线，也就是说扫描列数为640列，行数为480行。分辨率越高，屏幕上所能呈现的图像也就越精细。1、像素和分辨率分辨率的计算：最大显示宽度／水平点距=像素数。如标准17英寸CRT显示器的最大显示宽度是320mm，点距是0.28mm，那么首先按0.28×0.866=0.243的公式计算出水平点距，然后按320/0.243=1316的公式得出像素数。1、像素和分辨率点距的定义：荧光屏上两个最临近的同色点的直线距离，即两个红色（或绿、蓝）像素单元之间的距离，单位为毫米。点距越小，图型越清晰细腻，显示器的档次越高，对显像管聚焦性能要求也越高。以前多为0.31mm和0.39mm，如今大多数显示器采用的都是0.28mm的点距。常见的显示器点距0.28mm（水平方向为0.243mm）。2、点距和栅距条栅状荫罩类型的彩色显示器不存在点距的概念。这种显示器的彩色元素是由红、绿、蓝三色的竖向条纹构成，没有像素点。栅距是指磷光栅条之间的距离。

2、点距和栅距

水平扫描频率、垂直扫描频率及视频带宽三个参数是显示器的硬指标，在很大程度上决定了显示器的档次。

视频带宽指每秒钟电子枪扫描过图像点的个数。它决定显示器的性能。带宽越宽，显示器能处理的信号频率就越高，失真也越小，性能越好。高的带宽反映了显示器的解像能力。3、场频、行频及视频带宽带宽=场频×（垂直分辨率÷0.93）×（水平分辨率÷0.8）＝水平分辨率×垂直分辨率×场频×1.34

场频就是垂直扫描频率也即屏幕垂直刷新率，通常以Hz为单位,它表示屏幕的图像每秒钟重复描绘多少次，也就是指每秒钟屏幕刷新的次数。垂直刷新率越高，屏幕的闪烁现象越不明显，眼睛就越不容易疲劳。视频带宽的计算

垂直像素和水平像素都要除以一个参数是因为要考虑电子枪从最后一行（列）返回到第一行（列）的回程时间。带宽＝1024×768×60×1.34＝63.23MHz行频就是水平扫描频率，指电子枪每秒在屏幕上扫过的水平线数。单位为kHz。场频和行频的关系式一般如下：行频=场频×垂直分辨率×1.04行频综合了分辨率和场频，较全面地反映显示器的性能。分辨率较高、想提高显示器的刷新率，要估算行频是否超出频率响应范围。行频＝60×768×1.04≈48kHz刷新频率低，图像闪烁和抖动，眼睛易疲劳。刷新频率越高，图像显示就越自然、清晰。刷新率又分水平刷新率（行频）和垂直刷新率（场频）。场频最好不低于80Hz，若达到85Hz以上，则可完全消除图像闪烁和抖动感，眼睛不易疲劳，这是目前对显示器的基本要求。4、刷新率屏幕尺寸＝显像管尺寸。最大可视面积：屏幕显示的可