圖形顯示功能部件陰極射線管

圖形顯示功能部件陰極射線管第1頁/共75頁計算機圖形顯示技術(shù)第2頁/共75頁3第三講圖形顯示功部件陰極射線管工作原理陰極射線管熒光屏的基本特性彩色顯像管工作原理三基色原理蔭罩式射線管第3頁/共75頁4

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ

ＣＲＴ（CathodeRayTube)又稱電子束器件，一般利用電磁場產(chǎn)生高速、經(jīng)過聚焦的電子束，偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置，轟擊屏幕表面的熒光材料而產(chǎn)生可見圖形。第4頁/共75頁5陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ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

電磁場對電子運動實施控制的效應

第5頁/共75頁6CRT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點偏轉(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6頁/共75頁7

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)的作用下進一步聚焦，形成很細的束，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7頁/共75頁8

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ

熒光物質(zhì)發(fā)光原理：其在高速電子的轟擊下發(fā)生電子躍遷，即電子吸收能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。由于高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短時間內(nèi)，電子重新回到低能態(tài)，這時將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點就會亮。不會持續(xù)很久，要保持顯示穩(wěn)定的畫面，必須不斷地發(fā)射電子束。第8頁/共75頁9陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ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。第9頁/共75頁10陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ控制柵極（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10頁/共75頁11

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ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束?？刂茤艠O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，達到這種情況的電流叫截止電壓，其值一般在－20～－1000v。第11頁/共75頁12

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ加速結(jié)構(gòu)電子束要獲得足夠的能量，在轟擊熒光物質(zhì)時能產(chǎn)生可見光點，就需要通過加速結(jié)構(gòu)提高電子的速度。第12頁/共75頁13

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ加速結(jié)構(gòu)

電子由控制柵極出來，穿過第二柵極的小孔，被其間的強靜電場加速，然后電子束高速通過第二陽極上的小孔。

Ｅ（加速電壓）第13頁/共75頁14

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ

加速結(jié)構(gòu)電子束的速度和加速電壓的關系：結(jié)論：電子束能到達的速度正比于加速電壓的平方根。第14頁/共75頁15

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ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。第15頁/共75頁16

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ聚焦系統(tǒng)分辨率(resolution)指的是顯示設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柱面、球面點距示意圖第16頁/共75頁17

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ聚焦系統(tǒng)電子束離開控制柵極后，變細到一個點源，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，完成聚焦作用。聚焦系統(tǒng)分為：靜電聚焦和電磁聚焦。第17頁/共75頁18

聚焦系統(tǒng)靜電聚焦

是利用靜電場對電子的效應，來改變電子運動的方向，使電子束產(chǎn)生折射或彎曲。電子束折射過程靜電聚焦產(chǎn)生的場第18頁/共75頁19

聚焦系統(tǒng)電磁聚焦它的結(jié)構(gòu)是在CRT的管頸上套一個窄線圈運動著的電子，經(jīng)過電磁場發(fā)生運動方向偏轉(zhuǎn)（受洛倫茲力），偏轉(zhuǎn)方向與電子運動及磁力線方向垂直電磁聚焦產(chǎn)生的電磁場第19頁/共75頁20聚焦系統(tǒng)電磁聚焦電磁場的軸向分量會對不完全平行于管頸中心軸方向運動的電子，產(chǎn)生一個圓周運動的分量這個圓周運動的分量與沿軸向的電子速度的合成，使電子運動的軌跡變成一條拉長的螺旋線電子運動軌跡第20頁/共75頁21

聚焦系統(tǒng)電磁聚焦洛倫茲力只能改變電子運動的方向，使運動軌跡彎曲，而不會使運動速度絕對值改變。這使得電磁場適合電子束的偏轉(zhuǎn)。只要所有這樣運動的電子的射束彎曲成螺旋線行，并通過管子中心軸線與屏幕的交點，就可達到完全聚焦。所以通常電磁聚焦比靜電聚焦效果好。第21頁/共75頁22

陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作用是電子束在聚焦后，使其打在熒光屏指定的位置上。它的構(gòu)造總是由X方向偏轉(zhuǎn)和Y方向偏轉(zhuǎn)組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)通?？煞譃椋红o電偏轉(zhuǎn)和電磁偏轉(zhuǎn)。第22頁/共75頁23偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

靜電偏轉(zhuǎn)由圖可見，在靠近管頸處，有兩組轉(zhuǎn)板，X為水平方向，Y為垂直方向，當電子束通過時，將在靜電場的作用下，先后在X和Y方向進行偏轉(zhuǎn)，最終打到熒光屏的相應位置。第23頁/共75頁24偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

電磁偏轉(zhuǎn)由圖可見，在管頸位置有兩個線圈X和Y，電子束經(jīng)過X線圈和Y線圈組成的磁場時受到洛倫茲力的作用，而在X和Y方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而打到熒光屏的相應位置。第24頁/共75頁25陰極射線管工作原理

－偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)靈敏度一個小信號加入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)后能把電子束偏轉(zhuǎn)一個多大角度的能力。靜電偏轉(zhuǎn)靈敏度計算公式如下：第25頁/共75頁26偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

－偏轉(zhuǎn)靈敏度靜電偏轉(zhuǎn)靈敏度其中，為偏轉(zhuǎn)電壓，為加速電壓。結(jié)論：加速電壓增加，偏轉(zhuǎn)靈敏度降低加速電壓固定時，偏轉(zhuǎn)靈敏度只和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關第26頁/共75頁27

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

－偏轉(zhuǎn)靈敏度電磁偏轉(zhuǎn)靈敏度公式如下：結(jié)論：當和Ｌ及線圈結(jié)構(gòu)確定后，偏轉(zhuǎn)角度只和磁場強度有關。電磁偏轉(zhuǎn)通常用于高速電子束，以產(chǎn)生較明亮的圖形。Ｂ－磁場強度Ｌ－偏轉(zhuǎn)磁場的有效長度Ｋ＝0.5（電子質(zhì)量／電荷質(zhì)量）－加速電壓第27頁/共75頁28

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

－偏轉(zhuǎn)靈敏度最大偏轉(zhuǎn)角：到達屏幕最邊緣的偏轉(zhuǎn)角稱為最大偏轉(zhuǎn)角，這是衡量偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)性能最重要的指標。屏幕越大，要求的最大偏轉(zhuǎn)角度就越大。對于電磁偏轉(zhuǎn)而言，磁偏轉(zhuǎn)的最大角度是有限的，為了達到大屏幕的要求，只能將管子加長，所以CRT顯示器屏幕越大，整個顯像管就越長。第28頁/共75頁29

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)影響靜電偏轉(zhuǎn)和電磁偏轉(zhuǎn)的因素

電磁偏轉(zhuǎn)

靜電偏轉(zhuǎn)屏幕大小適用于屏幕電壓高、管屏較大的CRT，因為電磁偏轉(zhuǎn)可獲得較大偏轉(zhuǎn)角適用于偏轉(zhuǎn)電路輸出電流低、管屏較小的CRT，因為偏轉(zhuǎn)角較小圖形質(zhì)量由于線圈的電感阻礙偏轉(zhuǎn)電流的迅速變化，顯示速度受到一定限制。同時偏轉(zhuǎn)線圈通常繞在鐵芯上，鐵芯有磁滯，導致圖形歪扭由于它的x、y兩套極板均沿軸向安裝在前后不同的位置上，也會引起圖形的歪扭第29頁/共75頁30陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ熒光屏由屏面玻璃、熒光質(zhì)和鋁膜三部分組成。其作用是將電子束的轟擊變成光信號輸出。在熒光屏內(nèi)壁涂有熒光質(zhì)，它在電子束的高速轟擊下發(fā)光，它由基質(zhì)，激活質(zhì)和溶劑質(zhì)組成。第30頁/共75頁31

陰極射線管工作原理

－熒光屏熒光質(zhì)基質(zhì)是無色透明物質(zhì)，如：鋅，鎂和硅的氧化物與硫化物。激活質(zhì)使被激發(fā)的電子便于轉(zhuǎn)移，造成他們飛出的條件。銀、銅、錳是良好的激活質(zhì)。溶劑可以是氯化鈉等材料，它用來加速結(jié)晶過程，結(jié)晶后溶劑就被排出。第31頁/共75頁32陰極射線管工作原理

－ＣＲＴ熒光質(zhì)后面蒸發(fā)一層鋁膜，它的作用是：（1）擋住內(nèi)部雜散光，從而提高圖像對比度。（2）有利于提高屏幕的最高亮度。（3）可擋住體積大、速度低的負離子，使之不能穿過鋁膜到達熒光屏。第32頁/共75頁33

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性熒光屏的特性影響到畫面質(zhì)量，表示熒光屏的特性參數(shù)很多，主要有亮度，余輝，光譜，臨界閃爍等。亮度特性：熒光屏由熒光質(zhì)通過沉淀的方法形成。亮度是衡量光點發(fā)光亮暗程度的一個指標。熒光屏的亮度正比于電子束能量，即正比于電子束的電流密度、ＣＲＴ加速電極的高壓和電子束在熒光屏上的停留時間。第33頁/共75頁34

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性影響熒光屏亮度特性的因素：

１．熒光質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換效率，在電氣相同條件下，不同的熒光質(zhì)有不同的發(fā)光效率。２．發(fā)光亮度與電子束的能量和電子束本身的電流密度有關

其中B是光亮度，j是電子束電流密度，是高壓，是激發(fā)熒光質(zhì)所需的最小電壓。第34頁/共75頁35影響熒光屏亮度特性的因素：3.發(fā)光亮度與電子束的能量積累有關，電子束在熒光屏上停留時間越長，熒光質(zhì)上能量積累越多，光點就越亮。

減小環(huán)境光亮度的方法：

（1）在玻璃屏表面沉積一層反反射涂層（2）在玻璃屏表面放置一定向濾波器（3）在玻璃屏表面放一偏振光過濾器，可使對比度提高3.5倍。第35頁/共75頁36

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性余輝特性電子束轟擊到熒光屏上，立即使熒光粉發(fā)光，而電子束停止轟擊后，其光要經(jīng)過一段時間才能消失，這段時間稱為熒光屏的余輝時間。在工程上常把電子束停止轟擊到亮度下降到初始值的10%所經(jīng)歷的時間定義為熒光屏的余輝時間。第36頁/共75頁37

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性

不同的熒光質(zhì)其余輝時間不同，一般按照以下的分類來大體評價余輝時間：極短：1us以下→電視飛點掃描用短：1～10us→低速飛點掃描用尚短：10us～1ms→一般電視顯像用普通：1～100ms→

中速顯示用長：100ms～1s→

低速顯示用極長：1s以上→雷達、觀測儀器用第37頁/共75頁38

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性要保持熒光屏上有穩(wěn)定的圖像就必須不斷發(fā)射電子束，重復繪制圖形，即不斷更新。刷新一次指電子束從上到下將熒光屏掃描一次，只有刷新頻率高于一定值后，圖像才能穩(wěn)定顯示。第38頁/共75頁39

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性余暉時間是決定產(chǎn)生不閃爍圖形所需刷新頻率的主要因素，余暉越長，所需的刷新速度就越低。余暉時間短的熒光物質(zhì)適用于動態(tài)圖形的顯示，而余暉時間長的熒光物質(zhì)適用于靜態(tài)圖形的顯示。例：一種熒光物質(zhì)的余暉時間為20毫秒，則大約所需的刷新頻率為：1000/20＝50（幀/秒）第39頁/共75頁40

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性余輝特性熒光質(zhì)的余輝衰減規(guī)律大致為指數(shù)函數(shù)或者冪函數(shù)，它與發(fā)光機理有密切的關系。下面給出兩種典型的余輝衰減函數(shù)：第40頁/共75頁41

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性余輝特性雙層熒光屏是由兩種熒光粉做成的，而且結(jié)合了這兩種熒光粉的特性。長余輝層玻璃體短余輝層第41頁/共75頁42

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性閃爍效應在CRT中顯示圖像或者數(shù)據(jù)時，電子束必須在熒光屏上不斷的重復掃描，當重顯頻率過低時觀察者看到的是一亮一暗的圖像或數(shù)據(jù)，這種現(xiàn)象稱為閃爍效應。閃爍不會影響圖像顯示的信息量，但是會使觀察者的眼睛過分疲勞而降低工作效率。第42頁/共75頁43

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性閃爍效應對于給定的熒光質(zhì)，最低的重顯頻率極限值應該是圖像剛好不出現(xiàn)閃爍的那一頻率，也就是剛好出現(xiàn)閃爍的那一頻率。這個頻率稱為臨界停閃頻率或臨界閃爍頻率。實際選用的圖像重顯頻率應該大于該頻率。臨界閃爍頻率由眼睛的視覺暫留時間，熒光質(zhì)的余輝時間，亮度和顏色等因素所決定。第43頁/共75頁44

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性閃爍效應對于一般中等余輝的顯像管，重顯頻率超過45赫茲時所顯示的圖像將不會出現(xiàn)閃爍重復頻率越高，熒光質(zhì)上能量積累越多，光點的亮度越高。第44頁/共75頁45

陰極射線管工作原理

－熒光屏的基本特性光譜特性熒光屏的光譜特性是指不同的熒光質(zhì)在電子束的轟擊下發(fā)出不同顏色的光。熒光質(zhì)發(fā)出的是連續(xù)的光，只有某一波長最亮——峰值波長的光，所以人們感覺的似乎只是某一種顏色的光。第45頁/共75頁46

彩色顯象管工作原理

三基色原理1蔭罩式顯象管

三槍三束蔭罩式彩色顯像管單槍三束彩色顯像管自會聚三束彩色顯像管2電子束穿透式顯像管第46頁/共75頁47

彩色顯象管工作原理終端顯示系統(tǒng)中的彩色顯示器有兩種類型：三基色彩色顯示、壓控式彩色顯示。相應的顯示器件有蔭罩式顯像管和電子束穿透式顯像管。第47頁/共75頁48

彩色顯象管工作原理

－三基色原理自然界的絕大多數(shù)光都可以由三種相互獨立的單色光以不同的比例配得，絕大多數(shù)的色光也能分解成三種相互獨立的單色光，這即為三基色原理的基本內(nèi)容。這三種相互獨立的顏色稱為三基色。三基色不是唯一的，例如可以紅、綠、藍作為三基色，也可以用青、紫、黃作為三基色。在實際應用中，用紅、綠、藍作為三基色最普遍。第48頁/共75頁49

彩色顯象管工作原理

－三基色原理通常認為：波長780-630nm的光是紅色；580-500nm的光是綠色；460-410nm的光是藍色。在色度學上，紅、綠、藍三種標準基色光是指某一特定波長的光。國際上規(guī)定，紅色光波長為700nm,綠色光波長為564.1nm，藍色光波長為435.6nm。第49頁/共75頁50

彩色顯象管工作原理

－三基色原理根據(jù)等量強度的R、G、B合成的彩色圖，我們可以看出：

紅色＋綠色＝黃色紅色＋藍色＝紫色第50頁/共75頁51

彩色顯象管工作原理

－三基色原理

綠色＋藍色＝青色藍色+黃色=白色紅色＋綠色＋藍色＝白色第51頁/共75頁52

彩色顯象管工作原理

－三基色原理利用三基色按不同比例混合來獲得彩色的方法叫混色法。彩色的混合方式有兩種，一種是彩色光的混合，符合相加混色原理；另一種是彩色顏料的混合，符合相減混色原理。第52頁/共75頁53

相加混色第53頁/共75頁54

相減混色在相減混色中，當三基色等量相減時得到黑色。等量黃色和品紅相減而青色為0時，得到紅色。等量青色和品紅相減而黃色為0時，得到藍色。等量黃色和青色相減而品紅為0時，得到綠色。第54頁/共75頁55

彩色顯象管工作原理

－三基色原理強度相同的R、G、B單色光給人們的亮度感覺不一樣，因為人眼對不同波長的光其視敏度不同。如果白光亮度定為100%，那么眼睛看到的強度相同。的三基色光其亮度的百分比分別為：綠光59%，藍光11%，紅光30%，若用Z表示白光的亮度，有如下關系：

Z=0.3R+0.59G+0.11B第55頁/共75頁56

彩色顯象管工作原理

－蔭罩式顯象管

蔭罩式顯象管也是一種CRT，主要有：

三槍三束蔭罩式彩色顯象管單槍三束彩色顯象管自動會聚彩色顯象管第56頁/共75頁57

彩色顯象管工作原理

－蔭罩式顯象管三槍三束顯象管主要由電子槍、陰罩板和熒光屏等部分組成。蔭罩管有三個獨立的電子槍，近于平行（略向中心傾斜1°左右），圍繞顯像管的中心軸線排成“品”字形，彼此相隔120°。三電子槍各發(fā)射一個獨立的受基色信號控制的電子束。每只電子槍都有燈絲、陰極、控制柵極，加速電極和聚焦電極。第57頁/共75頁58三槍三束蔭罩管第58頁/共75頁59彩色顯象管工作原理

－蔭罩式顯象管三槍三束顯象管蔭罩管的熒光屏上熒光粉點按紅、綠、藍三個一組呈品字形排開，每一組構(gòu)成一個像素。整個屏幕大約44萬個三色組，因此約有132萬個熒光粉點。顯像管工作時，三個電子束應只擊中各自對應的熒光粉點，為此在熒光屏前約1cm處安裝一塊金屬網(wǎng)孔板，稱為蔭罩板。第59頁/共75頁60彩色顯象管工作原理

－蔭罩式顯象管三槍三束顯象管蔭罩板上約有44萬個小孔，每個小孔對應屏幕上一組三色點。三個電子槍射出的電子束正好在蔭罩板孔處相交，并同時穿過小孔后轟擊各自的熒光粉點。蔭罩孔之間的點距越小，掃描點越近，像素尺寸越小。三個電子束在同一時間在蔭罩板表面上相交的現(xiàn)象就叫作會聚。第60頁/共75頁61彩色顯象管工作原理

－蔭罩式顯象管三槍三束顯象管通過控制三個電子束的強弱可以控制屏幕上點的顏色。如果每一個電子槍都有256級（8位）的電壓強度控制，那么這個CRT所能產(chǎn)生的顏色就是我們平時所說的24位真彩色，這樣的RGB彩色系統(tǒng)通常稱為全彩色系統(tǒng)或真彩色系統(tǒng)。第61頁/共75頁62

彩色顯象管工作原理

－蔭罩式顯象管三槍三束顯象管電子槍向熒光屏的電子大約只有15~20%能穿過蔭罩板去激發(fā)熒光粉點，多余的電子則被蔭罩板吸收。這就帶來兩個缺點：（1）大量電子束流過蔭罩板，會使蔭罩管發(fā)熱而變形，從而引起電子束打錯位置而使色彩不純。（2）轟擊熒光屏上的電子束電流小，從而引起管子光點亮度不高。第62頁/共75頁63

彩色顯象管工作原理

－蔭罩式顯象管三槍三束顯象管解決方法：

1）管內(nèi)應有對蔭罩溫度變化進行補償?shù)拇胧?/p>

2）應加大電子槍射出電子束的電流和提高第二陽極電壓。但同時又帶來新的問題：隨著第二陽極電壓的提高，X射線的輻射變得嚴重。第63頁/共75頁64

彩色顯象管工作原理

－蔭罩式顯象管三槍三束顯象管黑底蔭罩管：能夠較好地克服上面的缺陷。將熒光小點縮小到一般蔭罩管電子束直徑的大小，將蔭罩板小孔加大（電子束直徑擴大），屏幕上除熒光小點外均涂上吸收光性能很強的石墨，這樣，使屏幕真正發(fā)光的面積與普通蔭罩管相同，而余下的面積不再反射雜散光，從而提高了對比度。蔭罩小孔加大使蔭罩熱損耗減少，改善了蔭罩板由于溫升所造成的影響。第64頁/共75頁65彩色顯象管工作原理

－蔭罩式顯象管單槍三束彩色顯象管單槍三束彩色顯象管只有一個電子槍，里面有三個排列在一條直線上的獨立陰極，而控制柵極加速極和聚焦極共用一組。因三只電子束排列在一條直線上，所以三色熒光粉也必須由陰罩管的點狀品字排列改為垂直細條排列，它們按R,G,B順序在熒光屏上自左到右依次排列。第65頁/共75頁66

單槍三束彩色顯象管單槍三束管結(jié)構(gòu)原理圖第66頁/共75頁67

彩色顯象管工作原理

－蔭罩式顯象管單槍三束彩色顯象管在熒光屏前用以分色的是垂直條縫的縫隙板。電子槍射出的三條水平排列電子束經(jīng)聚焦透鏡作用后進入會聚鏡，兩塊