图形显示功能部件阴极射线管

图形显示功能部件阴极射线管第1页/共75页计算机图形显示技术第2页/共75页3第三讲图形显示功部件阴极射线管工作原理阴极射线管荧光屏的基本特性彩色显像管工作原理三基色原理荫罩式射线管第3页/共75页4

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ

ＣＲＴ（CathodeRayTube)又称电子束器件，一般利用电磁场产生高速、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置，轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。第4页/共75页5阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ结构原理ＣＲＴ是一内部抽成真空的玻璃锥体。其基本工作原理是：

一些物质在电子轰击下发射磷光的特性

电磁场对电子运动实施控制的效应

第5页/共75页6CRT的组成阴极：加热时发射电子控制栅极：对发射电子多少实施控制加速结构：使电子形成高速度射速聚焦系统：使电子束轰击荧屏聚集成细点偏转系统：使电子束在屏幕上随意移动荧光屏：电子束轰击时发出光辉第6页/共75页7

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ工作原理

由阴极放出的电子通过控制栅极后变成电子束，该电子束在聚焦系统的作用下进一步聚焦，形成很细的束，然后在超高压电场(通常为15000—20000V)的加速下轰击屏幕表面的磷光体从而发光。阴极控制栅极聚焦系统偏转系统加速电场荧光屏电子电子束聚焦方向轰击第7页/共75页8

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ

荧光物质发光原理：其在高速电子的轰击下发生电子跃迁，即电子吸收能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短时间内，电子重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮。不会持续很久，要保持显示稳定的画面，必须不断地发射电子束。第8页/共75页9阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ阴极

呈小圆筒状

，圆筒表面涂有氧化物（氧化钡、氧化锶、氧化钍）能在受热时发射电子，圆筒内有灯丝，能把阴极加热到高温（1000～3000oC）使其发射出电子。第9页/共75页10阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ控制栅极（调制级）

圆筒状，它套在阴极外面，圆筒的中间开有一个金属小孔这个圆筒比阴极的电位要低，它排斥电子，除少数电子通过底部的孔逃脱外，大多数仍留在控制栅极内。第10页/共75页11

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ控制栅极在ＣＲＴ中作用是：（1）控制电子束的电流密度（2）使从阴极飞出的电子聚焦成能穿过控制栅极小孔的细束。控制栅极相对于阴极的电位越低，通过小孔逃逸的电子越少，如果电位低到一定程度，电子束电流密度接近0，达到这种情况的电流叫截止电压，其值一般在－20～－1000v。第11页/共75页12

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ加速结构电子束要获得足够的能量，在轰击荧光物质时能产生可见光点，就需要通过加速结构提高电子的速度。第12页/共75页13

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ加速结构

电子由控制栅极出来，穿过第二栅极的小孔，被其间的强静电场加速，然后电子束高速通过第二阳极上的小孔。

Ｅ（加速电压）第13页/共75页14

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ

加速结构电子束的速度和加速电压的关系：结论：电子束能到达的速度正比于加速电压的平方根。第14页/共75页15

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ聚焦系统作用是使电子束轰击荧光物质时，只限在很小的一点上发出辉光，以保证图形和符号的清晰。聚焦系统的好坏直接影响显示装置分辨率的高低。第15页/共75页16

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ聚焦系统分辨率(resolution)指的是显示设备所能表示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图像越清晰。分辨率取决于荧光粉的粒度，屏的尺寸和电子束的聚焦能力柱面、球面点距示意图第16页/共75页17

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ聚焦系统电子束离开控制栅极后，变细到一个点源，再发散，一直到聚焦开始作用的方．由此开始向前收敛，到屏幕时又成一个小点，完成聚焦作用。聚焦系统分为：静电聚焦和电磁聚焦。第17页/共75页18

聚焦系统静电聚焦

是利用静电场对电子的效应，来改变电子运动的方向，使电子束产生折射或弯曲。电子束折射过程静电聚焦产生的场第18页/共75页19

聚焦系统电磁聚焦它的结构是在CRT的管颈上套一个窄线圈运动着的电子，经过电磁场发生运动方向偏转（受洛伦兹力），偏转方向与电子运动及磁力线方向垂直电磁聚焦产生的电磁场第19页/共75页20聚焦系统电磁聚焦电磁场的轴向分量会对不完全平行于管颈中心轴方向运动的电子，产生一个圆周运动的分量这个圆周运动的分量与沿轴向的电子速度的合成，使电子运动的轨迹变成一条拉长的螺旋线电子运动轨迹第20页/共75页21

聚焦系统电磁聚焦洛伦兹力只能改变电子运动的方向，使运动轨迹弯曲，而不会使运动速度绝对值改变。这使得电磁场适合电子束的偏转。只要所有这样运动的电子的射束弯曲成螺旋线行，并通过管子中心轴线与屏幕的交点，就可达到完全聚焦。所以通常电磁聚焦比静电聚焦效果好。第21页/共75页22

阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ偏转系统作用是电子束在聚焦后，使其打在荧光屏指定的位置上。它的构造总是由X方向偏转和Y方向偏转组成偏转系统通常可分为：静电偏转和电磁偏转。第22页/共75页23偏转系统

静电偏转由图可见，在靠近管颈处，有两组转板，X为水平方向，Y为垂直方向，当电子束通过时，将在静电场的作用下，先后在X和Y方向进行偏转，最终打到荧光屏的相应位置。第23页/共75页24偏转系统

电磁偏转由图可见，在管颈位置有两个线圈X和Y，电子束经过X线圈和Y线圈组成的磁场时受到洛伦兹力的作用，而在X和Y方向发生偏转，从而打到荧光屏的相应位置。第24页/共75页25阴极射线管工作原理

－偏转系统偏转灵敏度一个小信号加入偏转系统后能把电子束偏转一个多大角度的能力。静电偏转灵敏度计算公式如下：第25页/共75页26偏转系统

－偏转灵敏度静电偏转灵敏度其中，为偏转电压，为加速电压。结论：加速电压增加，偏转灵敏度降低加速电压固定时，偏转灵敏度只和结构参数有关第26页/共75页27

偏转系统

－偏转灵敏度电磁偏转灵敏度公式如下：结论：当和Ｌ及线圈结构确定后，偏转角度只和磁场强度有关。电磁偏转通常用于高速电子束，以产生较明亮的图形。Ｂ－磁场强度Ｌ－偏转磁场的有效长度Ｋ＝0.5（电子质量／电荷质量）－加速电压第27页/共75页28

偏转系统

－偏转灵敏度最大偏转角：到达屏幕最边缘的偏转角称为最大偏转角，这是衡量偏转系统性能最重要的指标。屏幕越大，要求的最大偏转角度就越大。对于电磁偏转而言，磁偏转的最大角度是有限的，为了达到大屏幕的要求，只能将管子加长，所以CRT显示器屏幕越大，整个显像管就越长。第28页/共75页29

偏转系统影响静电偏转和电磁偏转的因素

电磁偏转

静电偏转屏幕大小适用于屏幕电压高、管屏较大的CRT，因为电磁偏转可获得较大偏转角适用于偏转电路输出电流低、管屏较小的CRT，因为偏转角较小图形质量由于线圈的电感阻碍偏转电流的迅速变化，显示速度受到一定限制。同时偏转线圈通常绕在铁芯上，铁芯有磁滞，导致图形歪扭由于它的x、y两套极板均沿轴向安装在前后不同的位置上，也会引起图形的歪扭第29页/共75页30阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ荧光屏由屏面玻璃、荧光质和铝膜三部分组成。其作用是将电子束的轰击变成光信号输出。在荧光屏内壁涂有荧光质，它在电子束的高速轰击下发光，它由基质，激活质和溶剂质组成。第30页/共75页31

阴极射线管工作原理

－荧光屏荧光质基质是无色透明物质，如：锌，镁和硅的氧化物与硫化物。激活质使被激发的电子便于转移，造成他们飞出的条件。银、铜、锰是良好的激活质。溶剂可以是氯化钠等材料，它用来加速结晶过程，结晶后溶剂就被排出。第31页/共75页32阴极射线管工作原理

－ＣＲＴ荧光质后面蒸发一层铝膜，它的作用是：（1）挡住内部杂散光，从而提高图像对比度。（2）有利于提高屏幕的最高亮度。（3）可挡住体积大、速度低的负离子，使之不能穿过铝膜到达荧光屏。第32页/共75页33

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性荧光屏的特性影响到画面质量，表示荧光屏的特性参数很多，主要有亮度，余辉，光谱，临界闪烁等。亮度特性：荧光屏由荧光质通过沉淀的方法形成。亮度是衡量光点发光亮暗程度的一个指标。荧光屏的亮度正比于电子束能量，即正比于电子束的电流密度、ＣＲＴ加速电极的高压和电子束在荧光屏上的停留时间。第33页/共75页34

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性影响荧光屏亮度特性的因素：

１．荧光质的能量转换效率，在电气相同条件下，不同的荧光质有不同的发光效率。２．发光亮度与电子束的能量和电子束本身的电流密度有关

其中B是光亮度，j是电子束电流密度，是高压，是激发荧光质所需的最小电压。第34页/共75页35影响荧光屏亮度特性的因素：3.发光亮度与电子束的能量积累有关，电子束在荧光屏上停留时间越长，荧光质上能量积累越多，光点就越亮。

减小环境光亮度的方法：

（1）在玻璃屏表面沉积一层反反射涂层（2）在玻璃屏表面放置一定向滤波器（3）在玻璃屏表面放一偏振光过滤器，可使对比度提高3.5倍。第35页/共75页36

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性余辉特性电子束轰击到荧光屏上，立即使荧光粉发光，而电子束停止轰击后，其光要经过一段时间才能消失，这段时间称为荧光屏的余辉时间。在工程上常把电子束停止轰击到亮度下降到初始值的10%所经历的时间定义为荧光屏的余辉时间。第36页/共75页37

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性

不同的荧光质其余辉时间不同，一般按照以下的分类来大体评价余辉时间：极短：1us以下→电视飞点扫描用短：1～10us→低速飞点扫描用尚短：10us～1ms→一般电视显像用普通：1～100ms→

中速显示用长：100ms～1s→

低速显示用极长：1s以上→雷达、观测仪器用第37页/共75页38

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性要保持荧光屏上有稳定的图像就必须不断发射电子束，重复绘制图形，即不断更新。刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次，只有刷新频率高于一定值后，图像才能稳定显示。第38页/共75页39

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性余晖时间是决定产生不闪烁图形所需刷新频率的主要因素，余晖越长，所需的刷新速度就越低。余晖时间短的荧光物质适用于动态图形的显示，而余晖时间长的荧光物质适用于静态图形的显示。例：一种荧光物质的余晖时间为20毫秒，则大约所需的刷新频率为：1000/20＝50（帧/秒）第39页/共75页40

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性余辉特性荧光质的余辉衰减规律大致为指数函数或者幂函数，它与发光机理有密切的关系。下面给出两种典型的余辉衰减函数：第40页/共75页41

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性余辉特性双层荧光屏是由两种荧光粉做成的，而且结合了这两种荧光粉的特性。长余辉层玻璃体短余辉层第41页/共75页42

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性闪烁效应在CRT中显示图像或者数据时，电子束必须在荧光屏上不断的重复扫描，当重显频率过低时观察者看到的是一亮一暗的图像或数据，这种现象称为闪烁效应。闪烁不会影响图像显示的信息量，但是会使观察者的眼睛过分疲劳而降低工作效率。第42页/共75页43

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性闪烁效应对于给定的荧光质，最低的重显频率极限值应该是图像刚好不出现闪烁的那一频率，也就是刚好出现闪烁的那一频率。这个频率称为临界停闪频率或临界闪烁频率。实际选用的图像重显频率应该大于该频率。临界闪烁频率由眼睛的视觉暂留时间，荧光质的余辉时间，亮度和颜色等因素所决定。第43页/共75页44

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性闪烁效应对于一般中等余辉的显像管，重显频率超过45赫兹时所显示的图像将不会出现闪烁重复频率越高，荧光质上能量积累越多，光点的亮度越高。第44页/共75页45

阴极射线管工作原理

－荧光屏的基本特性光谱特性荧光屏的光谱特性是指不同的荧光质在电子束的轰击下发出不同颜色的光。荧光质发出的是连续的光，只有某一波长最亮——峰值波长的光，所以人们感觉的似乎只是某一种颜色的光。第45页/共75页46

彩色显象管工作原理

三基色原理1荫罩式显象管

三枪三束荫罩式彩色显像管单枪三束彩色显像管自会聚三束彩色显像管2电子束穿透式显像管第46页/共75页47

彩色显象管工作原理终端显示系统中的彩色显示器有两种类型：三基色彩色显示、压控式彩色显示。相应的显示器件有荫罩式显像管和电子束穿透式显像管。第47页/共75页48

彩色显象管工作原理

－三基色原理自然界的绝大多数光都可以由三种相互独立的单色光以不同的比例配得，绝大多数的色光也能分解成三种相互独立的单色光，这即为三基色原理的基本内容。这三种相互独立的颜色称为三基色。三基色不是唯一的，例如可以红、绿、蓝作为三基色，也可以用青、紫、黄作为三基色。在实际应用中，用红、绿、蓝作为三基色最普遍。第48页/共75页49

彩色显象管工作原理

－三基色原理通常认为：波长780-630nm的光是红色；580-500nm的光是绿色；460-410nm的光是蓝色。在色度学上，红、绿、蓝三种标准基色光是指某一特定波长的光。国际上规定，红色光波长为700nm,绿色光波长为564.1nm，蓝色光波长为435.6nm。第49页/共75页50

彩色显象管工作原理

－三基色原理根据等量强度的R、G、B合成的彩色图，我们可以看出：

红色＋绿色＝黄色红色＋蓝色＝紫色第50页/共75页51

彩色显象管工作原理

－三基色原理

绿色＋蓝色＝青色蓝色+黄色=白色红色＋绿色＋蓝色＝白色第51页/共75页52

彩色显象管工作原理

－三基色原理利用三基色按不同比例混合来获得彩色的方法叫混色法。彩色的混合方式有两种，一种是彩色光的混合，符合相加混色原理；另一种是彩色颜料的混合，符合相减混色原理。第52页/共75页53

相加混色第53页/共75页54

相减混色在相减混色中，当三基色等量相减时得到黑色。等量黄色和品红相减而青色为0时，得到红色。等量青色和品红相减而黄色为0时，得到蓝色。等量黄色和青色相减而品红为0时，得到绿色。第54页/共75页55

彩色显象管工作原理

－三基色原理强度相同的R、G、B单色光给人们的亮度感觉不一样，因为人眼对不同波长的光其视敏度不同。如果白光亮度定为100%，那么眼睛看到的强度相同。的三基色光其亮度的百分比分别为：绿光59%，蓝光11%，红光30%，若用Z表示白光的亮度，有如下关系：

Z=0.3R+0.59G+0.11B第55页/共75页56

彩色显象管工作原理

－荫罩式显象管

荫罩式显象管也是一种CRT，主要有：

三枪三束荫罩式彩色显象管单枪三束彩色显象管自动会聚彩色显象管第56页/共75页57

彩色显象管工作原理

－荫罩式显象管三枪三束显象管主要由电子枪、阴罩板和荧光屏等部分组成。荫罩管有三个独立的电子枪，近于平行（略向中心倾斜1°左右），围绕显像管的中心轴线排成“品”字形，彼此相隔120°。三电子枪各发射一个独立的受基色信号控制的电子束。每只电子枪都有灯丝、阴极、控制栅极，加速电极和聚焦电极。第57页/共75页58三枪三束荫罩管第58页/共75页59彩色显象管工作原理

－荫罩式显象管三枪三束显象管荫罩管的荧光屏上荧光粉点按红、绿、蓝三个一组呈品字形排开，每一组构成一个像素。整个屏幕大约44万个三色组，因此约有132万个荧光粉点。显像管工作时，三个电子束应只击中各自对应的荧光粉点，为此在荧光屏前约1cm处安装一块金属网孔板，称为荫罩板。第59页/共75页60彩色显象管工作原理

－荫罩式显象管三枪三束显象管荫罩板上约有44万个小孔，每个小孔对应屏幕上一组三色点。三个电子枪射出的电子束正好在荫罩板孔处相交，并同时穿过小孔后轰击各自的荧光粉点。荫罩孔之间的点距越小，扫描点越近，像素尺寸越小。三个电子束在同一时间在荫罩板表面上相交的现象就叫作会聚。第60页/共75页61彩色显象管工作原理

－荫罩式显象管三枪三束显象管通过控制三个电子束的强弱可以控制屏幕上点的颜色。如果每一个电子枪都有256级（8位）的电压强度控制，那么这个CRT所能产生的颜色就是我们平时所说的24位真彩色，这样的RGB彩色系统通常称为全彩色系统或真彩色系统。第61页/共75页62

彩色显象管工作原理

－荫罩式显象管三枪三束显象管电子枪向荧光屏的电子大约只有15~20%能穿过荫罩板去激发荧光粉点，多余的电子则被荫罩板吸收。这就带来两个缺点：（1）大量电子束流过荫罩板，会使荫罩管发热而变形，从而引起电子束打错位置而使色彩不纯。（2）轰击荧光屏上的电子束电流小，从而引起管子光点亮度不高。第62页/共75页63

彩色显象管工作原理

－荫罩式显象管三枪三束显象管解决方法：

1）管内应有对荫罩温度变化进行补偿的措施。

2）应加大电子枪射出电子束的电流和提高第二阳极电压。但同时又带来新的问题：随着第二阳极电压的提高，X射线的辐射变得严重。第63页/共75页64

彩色显象管工作原理

－荫罩式显象管三枪三束显象管黑底荫罩管：能够较好地克服上面的缺陷。将荧光小点缩小到一般荫罩管电子束直径的大小，将荫罩板小孔加大（电子束直径扩大），屏幕上除荧光小点外均涂上吸收光性能很强的石墨，这样，使屏幕真正发光的面积与普通荫罩管相同，而余下的面积不再反射杂散光，从而提高了对比度。荫罩小孔加大使荫罩热损耗减少，改善了荫罩板由于温升所造成的影响。第64页/共75页65彩色显象管工作原理

－荫罩式显象管单枪三束彩色显象管单枪三束彩色显象管只有一个电子枪，里面有三个排列在一条直线上的独立阴极，而控制栅极加速极和聚焦极共用一组。因三只电子束排列在一条直线上，所以三色荧光粉也必须由阴罩管的点状品字排列改为垂直细条排列，它们按R,G,B顺序在荧光屏上自左到右依次排列。第65页/共75页66

单枪三束彩色显象管单枪三束管结构原理图第66页/共75页67

彩色显象管工作原理

－荫罩式显象管单枪三束彩色显象管在荧光屏前用以分色的是垂直条缝的缝隙板。电子枪射出的三条水平排列电子束经聚焦透镜作用后进入会聚镜，两块