光电显示技术 2 阴极射线管显示技术

2 阴极射线管显示技术

2.1 CRT显示器的基本结构与工作原理

CRT显示器即为一种使用阴极射线管(Cathode Ray Tube)的显示器。

主要分为黑白CRT显示器和彩色CRT显示器两大类。

• 核心部件：CRT显像管（即阴极射线管）
  • 电子枪(Electron Gun 显像管的核心部件)
  • 偏转线圈(Defiection coils)
  • 荫罩(Shadow mask)
  • 荧光粉层(Phosphor)
  • 玻璃外壳

基本工作原理

• CRT显像管使用电子枪发射高速电子；
• 经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度，最后高速电子轰击屏幕上的磷光物质使其发光；
• 通过电压调节电子枪发射电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同的光点，形成各种图案和文字。

2.1.1 黑白CRT显示器的基本结构与工作原理

黑白CRT即单色(Monochrome Monitor)CRT，只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色。

用途：

• 在电视机中显示图像
• 在工业控制设备中用作监视器

组成部分：

1. 圆锥形玻壳;
2. 玻壳正面用于显示的荧光屏;
3. 封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统;
4. 位于玻壳之外控制电子束偏转扫描的磁轭器件。

结构分析：

• 发射系统
  • 灯丝；
  • 阴极（K）；
  • 第一控制栅极（G1或称调制器）；
  • 加速极（G2或称屏蔽极）；
• 聚焦系统
  • 阳极G3；
  • 聚焦极G4；
  • 高压阳极G5。

工作流程：

1. 电子枪中阴极（K）被灯丝加热至200K时，阴极（K）大量发射电子。
2. 电子束首先被加在第一控制栅极的视频电信号所调制.
3. 经加速和聚焦后，高速轰击荧光屏上的荧光体，荧光体发出可见光。
4. 电子束的电流是受显示信号控制的，信号电压高，电子枪发射的电子束流也越大，荧光体发光亮度也越高。
5. 最后通过偏转磁轭控制电子束，在荧光屏上从上到下，从左到右依次扫描，从而将原被摄图像或文字完整地显示在荧光屏上。

2.1.2 彩色CRT显示器的基本结构与工作原理

​ 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 ）在1938年提出的。荫罩式彩色CRT的基本结构如图所示。

​ 彩色CRT是通过红®、绿(G)、蓝(B)三原色组合产生彩色视觉效果。荧光屏上的每一个像素由产生红®、绿(G)、蓝(B)的三种荧光体组成，同时电子枪中设有3个阴极，分别发射电子束，轰击对应的荧光体。为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体，在荧光面内侧设有选色电极——荫罩。
​ 在荫罩型彩色CRT中，玻壳荧光屏的内面形成点状红、绿、蓝三色荧光体，荧光面与单色CRT相同，在其内侧均有膜金属覆层。在离荧光面一定距离处设置荫罩。荫罩焊接在支持框架上，并通过显示屏侧壁内面设置的紧固钉将荫罩固定在显示屏内侧。

荫罩与荧光屏的距离可根据几何关系由下式确定：
$$\begin{gathered} q=\frac{L\cdot P_M}{3S_g} \\ \lambda =\frac{P_S}{P_M}=\frac{L}{L-q} \end{gathered}$$
式中：

$q$为荫罩与荧光屏的距离；

$\lambda$为孔距放大率；

$S_g$为从电子枪到荧光面的距离；

$L$为电子枪的束间距；

$P_S$为电子束排列方向的荫罩孔距；

$P_M$ 为电子束排列方向的荧光屏上同一色荧光体的点间距。

整体工作过程：

1. 由灯丝、阴极、控制栅组成电子枪，通电后灯丝发热，阴极被激发，发射出电子流，电子流受到带有高电压的内部金属层的加速，经过透镜聚焦形成极细的电子束，在阳极高压作用下，获得巨大的能量，以极高的速度去轰击荧光粉层。这些电子束轰击的目标就是荧光屏上的三原色。
2. 电子枪发射的电子束不是一束，而是三束，电子束在偏转磁轭产生的磁场作用下，可以控制其射向荧光屏的指定位置，去轰击各自的荧光粉单元。一般荫罩式CRT的内部有一层类似筛子的网罩，电子束通过网眼打在呈三角形排列的荧光点上，以防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体。
3. 受到高速电子束的激发，这些荧光粉单元分别发出强弱不同的红、绿、蓝三种光。根据空间混色法(将三个基色光同时照射同一表面相邻很近的三个点上进行混色的方法)产生丰富的色彩，这种方法利用人们眼睛在超过一定距离后分辨力不高的特性，产生与直接混色法相同的效果。
   用这种方法可以产生不同色彩的像素，而大量的不同色彩的像素可以组成一张漂亮的画面，而不断变换的画面就成为可动的图像。

2.1.3 CRT显示器的主要单元

2.1.3.1 电子枪

​ 电子枪用来产生电子束，以轰击荧光屏上的荧光粉发光。在CRT中，为了在屏幕上得到亮而清晰的图像，要求电子枪产生大的电子束电流，并且能够在屏幕上聚成细小的扫描点（约0.2mm）。

​ 此外，由于电子束电流受电信号的调制，因而电子枪应有良好的调制特性。在调制信号控制过程中，扫描点不应有明显的散焦现象。

电子枪的组成部分

1. 灯丝（用H、HT或F表示）
2. 阴极（用K表示，彩色显像管有三个阴极，分别用RK、GK、BK表示）
3. 栅极（用G1表示）
4. 加速极（用G2表示）
5. 高压阳极（用G或V表示）

电子枪中各部分的作用：

1. 灯丝 ——通电后将电能转变成热能并对阴极加热，使阴极表面产生600-800度的高温，创造一个使阴极发射电子的外部条件。
2. 阴极 ——呈圆筒状，装在圆筒内部，顶端涂有钡锶钙的氧化物，灯丝通电时，阴极受热后发射大量电子。
3. 栅极 ——栅极套在阴极外面，是一个金属圆筒，顶端开有小孔，让电子束通过。改变与阴极的相对电位可以控制电子束的强弱。
4. 加速极 ——它也是顶部开有小孔的金属筒，其位置紧靠栅极。通常在加速极上加有几百伏的正电压，它能控制阴极发射的电子束到达荧光屏的速度。
5. 聚集极 ——彩色显像管聚集极通常加5~8KV电位。聚集极、加速极及高压极一起构成一个电子透镜，使电子束会聚成一束轰击荧光屏荧光粉层。
6. 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。

2.1.3.2 荧光屏

荧光屏： 是由涂覆在玻璃壳内的荧光粉和叠于荧光粉层上面的铝膜共同组成的。

​ 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。

​ 荧光屏是实现CRT显像管电光转换的关键部位之一，要求发光亮度和发光效率足够高，发光光谱适合人眼观察，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。

​ CRT的发光性能首先取决于所用的荧光粉材料，因为主要由荧光粉层完成显像管内的光电转换功能。

• 荧光粉的发光效率： 是指每瓦电功率能获得多大的发光强度。

• 余辉时间： 余辉时间是荧光粉的重要特性参数。

  • 当电子束轰击荧光粉时，荧光粉的分子受激而发光，而当电子束的轰击停止后，荧光粉的发光并非立即消失，而是按指数规律衰减，这种特性称为荧光粉的余辉特性。

  • 余辉时间是指荧光粉在电子束轰击停止后，其亮度减小到电子轰击时稳定亮度的1/10所经历的时间。

  • 一般把余辉分成三类：

    • 长余辉发光： 余辉时间长于0.1s；
    • 中余辉发光： 余辉时间介于0.1s至0.001s；
    • 短余辉发光： 余辉时间短于0.001s。

    余辉太长，则同一像素第一帧余辉未尽而第二帧扫描又到了，前一帧的余辉会重叠在后一帧图像上，整个图像便会模糊。若余辉时间太短，屏幕的平均亮度将会减低。

​ 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。荧光粉的发光效率高时屏幕较亮，余辉时间长平均亮度也较大。

​ 如果已知荧光粉的发光时间特性$L(t)$，那么在一帧时间T内平均亮度应为：
$$L=\frac{1}{T}{\int }_0^{T}L(t)dt$$
​ 屏幕亮度除了与余辉时间有关外，还取决于电子束的电流密度和屏幕电压的高低。因此屏幕亮度可表示为
$$L\approx Aj{U}_a^{2}S$$
​ 从上式可以看出，欲增大亮度可以加大电流密度和电压。两者中以提高电压更为有效。

2.1.3.3 偏转系统

偏转系统的作用： 为了显示一幅图像，必须让电子束在水平方向和垂直方向上同时偏转，使整个荧光屏上的任何一点都能发光而形成光栅。

由于磁偏转像差小，在高阳极电压下适用于大角度偏转，所以显像管通常采用磁偏转。

偏转线圈是CRT显像管的重要部件。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。

• 行偏转线圈通有由行扫描电路提供的锯齿波电流，产生在垂直方向上线性变化的磁场，使电子束作水平方向扫描。
• 场偏转线圈通有由场扫描电路提供的锯齿波电流，产生在水平方向上线性变化的磁场，使电子束作垂直方向扫描。

在行扫描和场扫描共同作用下，有规律的从上到下从左到右控制电子束的运动，屏幕上呈现一幅矩形的光栅。

2.1.3.4 荫罩

荫罩、玻壳和电子枪是组成彩色显像管的三大主要部件，在彩色显象管内，荫罩装于玻壳和电子枪之间，起分色作用。

2.1.3.5 玻璃管壳

​ 玻璃管壳通常由屏幕玻璃、锥体、管颈三部分组成。用普通玻璃做CRT的外围器件，是因为透明性高，能耐受高空并能吸收从内部发生的X射线。

​ CRT在工作时产生的电子束打在荫罩及荧光屏上会发射X射线，为使X射线不逸出管外，选用能吸收X射线的材料。

​ 铅玻璃： 含有23%~35%$PbO$的玻璃，但是这种玻璃不能用于屏幕，$PbO$在电子照射下会还原为铅金属微粒，使屏幕带有颜色，产生着色现象。为防止这种情况在显示屏幕部分使用钡或锶代替铅成分。

​ 在其他管内产生的X射线也可以发生着色现象，这个X射线着色现象是在玻璃内的彩色中心发生的，可在玻璃中加入氧化锶（$Ce{O}_2$）减轻这种现象。通常的屏幕玻璃里含有0.3%左右的$Ce{O}_2$。

​ 对于某种厚度的玻璃对X射线的吸收可表达为
$$\frac{I}{I_0}=e^{-\mu t}$$
​ 式中，$I_0$、$I$分别是X射线的入射、出射强度，$\mu$吸收系数，$t$玻璃的厚度。为得到所需的X射线吸收特性，应考虑吸收系数之后再决定玻璃的最低厚度。

2.2 CRT显示器的驱动与控制

2.2.1 CRT显示器相关技术

2.2.1.1 生成图像

CRT的Deflection Coil（偏转线圈）用于电子枪发射器的定位，它能够产生一个强磁场，通过改变强度来移动电子枪。

线圈偏转的角度有限，当电子束传播到一个平坦的表面时，能量会轻微地偏移目标，仅有部分荧光粉被击中，四边的图像都会产生弯曲现象。

为了解决这个问题，显示器生产厂把显像管制造成球形，让荧光粉充分地接受到能量，缺点是屏幕将变得弯曲 、反光厉害 。

纯平显示器则是通过添加校正电路解决这个问题

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。

2.2.1.2 混合颜色

旧式的显示器只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色，即单色显示器（Monochrome Monitor）。新一代显示器有三只电子枪，每个电子枪都有独立的偏转线圈，分别发出R、G、B（Red、Blue、Green，红、蓝、绿）三束光线，混合光线可以产生1600万种颜色。

三基色原理——真彩色（1600万种颜色）

2.2.1.3 回转变压器（彩显中唯一的高压输出元件）

回转变压器（又名高压包/驰返变压器，作用类似发动机点火线圈）

在特定时间发出一个低能量信号给回转磁线圈，并生成磁场。当低能量源关闭后，磁线圈的能量转移到高能量输出中，最后传到电子枪发出电子束。

依照CRT尺寸的不同，产生的能量也各有差异，通常在10000V至50000V之间。当电子枪完成一条线的扫描后，回转变压器会放出能量，关闭电子枪并消去磁场，强制光束发射到屏幕的其他位置就能画出另一条线。

2.2.1.4 垂直和水平同步

垂直和水平是CRT中两个基本的同步信号.

• 水平同步信号决定了CRT画出一条横越屏幕线的时间，
• 垂直同步信号决定了CRT从屏幕顶部画到底部，再返回原始位置的时间，垂直同步也可以称为刷新率 。

​ 标准电视机的水平同步信号
$$水平同步信号=512线\times 30帧/秒=15.75kHz$$
​ 显示器的水平同步信号可任意调节，幅度在$15.75KGz\sim 95KHz$之间。

​ 把水平同步信号反转能够得出扫描一条线的时间，即$1/17.75KHz=63.5\mu s$。

2.2.1.5 交错和非交错

​ 显示器表现的是静态画面，并以连续的画面来组成动画，由于计算机画面是随机的，无法预先录制，在玩3D游戏时会感到画面的过渡出现停顿感。为了追求显示画面的速度，需要采用两种不同扫描方式。

​ 电视机采用的是交错(Interlace)扫描，机器本身刷新速度不足，每一帧都要刷新两次，由于人眼的视觉暂停原理，会感到画面是连续播入的，缺点是人眼能发现两次刷新的不同，感到屏幕有闪烁，长时间观看容易使眼睛疲劳。电视机能稳定运行在30Hz，或30帧/秒，但早期CRT并不能保持刷新率不变，磁偏转线圈常常影响着电子束的发射，有时还会减弱电子束，以及荧光粉的发热时间的限制，导致上半部分屏幕比下半部分屏幕更亮，后来，人们采用了分线刷新的方法，第一次扫奇数行、第二次扫偶数行，缺点是每做一样工作要刷新两个周期，显示器的反应较慢，当然，画面闪烁是少不了的。不过，也因此而增加了显示器的刷新速度，以30fps的频率实现60fps图像亦变为可能，避免了显像管负荷过重而烧毁。

2.2.1.6 金属隔板技术(荫罩或荫栅)

点状荫罩(Shadow Masks)指电子枪和荧光屏之间放置一个金属隔板，上面有许多小洞让电子通过。其作用是防止一个荧光点加热时传导到附近的点，分离显示器的色彩。

1950年 三枪三束显像管——点状荫罩

• 优点： 成本低。

• 缺点： 透过率为50% ，导致亮度低、对比度低、分辨率低。

• 荫罩的选材制作要求：

1. 如何使用更薄的金属来制造隔板，并缩小点与点之间的位置(Dot Pitch，点距)，让它与屏幕上的点一一对应；
2. 如何修正电子束的颜色，让它更符合要求。

• 荫罩的缺点：

1. 荫罩的主要缺点是金属板会随着能量的变化而产生弯曲，特别是在高亮度的情况下，需要更多的能量来战胜荫罩的阻抗，弯曲会更加严重。

   会造成画面模糊，可以使用INVAR(不胀钢)，它是镍/铁合金，膨胀率几乎为零来解决。

2. 屏幕弯曲会产生刺眼的眩光。

   用**AGC(Anti Glare Coatings，防眩光涂层)**能解决这个问题。

1968年 单枪三束显像管——条状荫栅（栅条式金属板）

• 优点：

  1. 透过率为95%以上；
  2. 垂直方向实现完全平面（柱面显像管）。

• 缺点：

  1. 金属板过热导致栅条间隔变小；

     画面模糊。

  2. 栅条振动；

     画面颤抖。

     Sony公司的特丽珑（trinitron）采用了两条水平金属线来固定栅条的位置，虽然会在高亮度时会出现约隐可见的金属线，但不影响画面的完整。

1972年 自会聚显像管 沟槽荫罩

• 优点： 透过率为70%，分辨率高。
• 缺点： 仍然无法避免金属板的变形，唯有沿用原有的球状显像管。

技术内容：

1. 采用一字形三电子枪一体化结构；
2. 槽形荫罩板和条状荧光粉条；
3. 黑底技术；
4. 采用快速启动阴极。

2.2.2 CRT显示器驱控电路

2.2.2.1 扫描方式

2.2.2.1.1 扫描方式

光栅扫描术语

• 一行：从左端向右端扫描一次；
• 行正程：从左到右的扫描时间；
• 行逆程：从右端迅速返回左端的时间；
• 帧正程：从左上角扫到右下角的时间；
• 帧逆程：从右下角返回左上角的时间。

扫描方式

• 逐行扫描（顺序扫描）： 个人PC使用。
• 隔行扫描（飞跃扫描）： 电视、广播、DVD、VCD

1. 信号带宽：
   $$f=\frac{1}{2}A{K}_1{K}_2{Z}^2{f}_p$$
   $A$ 图像宽高比；

   $K_1$ 凯尔系数；

   $K_2$ 隔行扫描系数；

   $Z^2$ 扫描行数；

   $f_p$ 帧频。

   在模拟信号系统中，带宽用来标识传输信号所占有的频率宽度，这个宽度由传输信号的最高频率和最低频率决定，两者之差就是带宽值，因此又被称为信号带宽或者载频带宽，单位为Hz。

   逐行扫描导致信号带宽增加

   • 会使一定波段内可安排的电视频道数目减少，信道的频带利用率下降；
   • 电视设备复杂化，增加投资成本。
   • 实际系统采用隔行扫描方式来降低图像信号的频带。

2. 隔行扫描：一帧分为两场，第一场扫奇数行，第二场扫偶数行。

​ 实现隔行扫描的关键： 保证偶数场的扫描行准确地插在奇数场的扫描行之间，否则就会出现并行现象，使图像质量下降。

2.2.2.1.2 两大电视广播制式

NTSC

• 日本、美国、加拿大、墨西哥

• 525条水平线，隔行扫描，30帧/s

PAL

• 德国、英国、新加坡、中国大陆

• 625条水平线，隔行扫描，25帧/s（克服了相位失真的敏感性，图像彩色误差较小）

2.2.2.2 辉度及颜色

通过电流量来控制：栅极驱动、阴极驱动。

​ 单色CRT 只需要对辉度进行控制，对彩色CRT来说还需要对颜色进行控制，辉度和颜色都是都是通过电流量来控制的。辉度和信号幅度的关系如图所示。电流控制方式中有栅极(G1)驱动方式和阴极驱动方式。

​ 在栅极(G1)驱动方式中，在电子枪的栅极/阴极间施加不同的电压，就可以得到相应的辉度。

​ 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。由各色输入阶数的乘积，决定显示的色数，对于阶数为16的情况，可显示4096（$16^3$）种颜色。

2.2.2.3 CRT显示器驱控器的电路构成

CRT显示器驱控器的电路，如图所示，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。

2.3 CRT显示器的特点、性能指标及发展历史

2.3.1 CRT显示器的特点

1. 价格低

CRT的价格比任何平板显示器（FPD）都低。

2. 亮度高

3. 对比度高——黑底技术（可以提高亮度和对比度）

   • 将荫罩上的小孔加大使通过小孔后的电子束直径比荧光粉点大，这样就提高了输出亮度；
   • 屏幕上除荧光粉点以外的部分涂上石墨，这样又可以提高对比度。

4. 色域广

   • 三基色饱和度高；
   • 灰度变化是连续的。

5. 分辨率高（电子枪的偏转可以满足多种屏幕尺寸）

6. 响应速度快（荧光粉10us~1ms，LCD20ms）

7. 视角宽（水平方向170度，LCD只有90度）

8. 显示版式可以灵活变化（4:3或者16:9）

9. 寿命长（ 100000h ）

2.3.2 CRT显示器的性能指标

2.3.2.1 像素和分辨率

像素

• 屏幕能独立控制其颜色与亮度的最小区域;
• 一定分辨率下显示器可以定位和分配颜色值的最小单位.不同分辨率下像素大小也不一样.

屏幕分辨率：纵横方向上的像素点数。

表示方式：水平线上像素点数*水平线数
$$\begin{gathered} 水平线上像素点数\times 水平线数 \\ 最大显示宽度/水平点距=像素数 \end{gathered}$$

2.3.2.2 点距和栅距

点距:（标称点距或对角点距）

• 荧光屏上两个最临近的同色荧光点的直线距离，即两个红色（或绿、蓝）像素单元之间的距离。
• 点距越小，图形越清晰细腻，但是对显像管的聚焦性能要求也越高。

水平点距和点距的关系如等边三角形的高和边的关系

$$水平点距=对角点距\times \frac{\sqrt{3}}{2}=对角点距\times 0.866$$
如：标准17英寸的CRT显示器，标称点距0.28mm (水平点距为0.243mm)

2.3.2.3 场频（垂直扫描频率）、行频（水平扫描频率）及视频带宽

场频： 垂直刷新率，垂直扫描频率。

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，闪烁现象越不明显，从而使眼睛不易疲劳。

行频： 水平刷新率，水平扫描频率。

指电子枪每秒在屏幕上扫过的水平线数。
$$行频=场频\times 垂直分辨率\times 1.04$$
视频带宽： 是指每秒钟电子枪扫描过图像点的个数，以兆赫兹（MHz）为单位。
$$\begin{gathered} 视频带宽=垂直刷新率\times (垂直分辨率÷0.93)\times (水平分辨率÷0.8)) \\ =水平分辨率\times 垂直分辨率\times 垂直刷新率\times 1.34 \end{gathered}$$
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。

2.3.2.4 屏幕尺寸和最大可视面积

屏幕尺寸： 以对角线的长度衡量 ，以英寸为单位.
$$1inch=2.54cm$$
最大可视面积：显示可见图形的最大面积。
$$最大可视面积<屏幕尺寸$$

2.3.2.5 色温——表征光源的光谱质量

• 绝对黑体：不反光、不透光、完全吸收光。
• 色温

定义：当某一光源所发出的光的光谱分布与不反光、不透光完全吸收光的绝对黑体在某一温度时辐射出的光谱分布相同时，我们就把这一黑体的温度称为这一光源的色温。

作用： 专门用来量度和计算光线的颜色成分 的方法。

常见光源的色温：

日光灯——7200~8500K
蓝天——12000~18000K
标准烛光——1930K
钨丝灯——2760~2900K
荧光灯——3000K
中午阳光——5400K
闪光灯——3800K

暖光: 低色温光源能量分布中红辐射多一点。
冷光: 高色温光源能量分布中蓝辐射多一点。

我国平均色温——8000~9500k
欧美平均色温——5600~6500k

黑眼睛看9300为白色——蓝眼睛看则偏蓝。

蓝眼睛看6500k为白色——黑眼睛看则偏黄。

2.2.3.6 亮度

亮度是指显示器荧光屏上荧光粉发光的总能量与其接受的电子束能量之比。 所以某一点的光输出正比于电子束电流、高压及停留时间三者的乘积。简单的讲，亮度是控制荧光屏发亮的等级。

2.2.3.7对比度

对比度是指荧光屏画面上最大亮度与最小亮度之比。一般显示器最起码应有30：1的对比度。

2.2.3.8 灰度

在图形显示方式中，灰度是指一系列从纯白到纯黑的阴影。

2.2.3.9 余辉时间

荧光屏上的荧光粉在电子束停止轰击后，其光辉并不会立即消失，而是要经历一个逐步消失的过程，在这个过程中观察到的光辉称之为余辉。

2.3.3 CRT显示技术的发展历史

2.4 习题2

1. 简述CRT显示的特点。

   1. 价格低

   CRT的价格比任何平板显示器（FPD）都低。

   2. 亮度高

   3. 对比度高——黑底技术（可以提高亮度和对比度）

      • 将荫罩上的小孔加大使通过小孔后的电子束直径比荧光粉点大，这样就提高了输出亮度；
      • 屏幕上除荧光粉点以外的部分涂上石墨，这样又可以提高对比度。

   4. 色域广

      • 三基色饱和度高；
      • 灰度变化是连续的。

   5. 分辨率高（电子枪的偏转可以满足多种屏幕尺寸）

   6. 响应速度快（荧光粉10us~1ms，LCD20ms）

   7. 视角宽（水平方向170度，LCD只有90度）

   8. 显示版式可以灵活变化（4:3或者16:9）

   9. 寿命长（ 100000h ）

2. 说明阴极射线管构成和驱动控制电路。

   核心部件：CRT显像管（即阴极射线管）

   • 电子枪(Electron Gun 显像管的核心部件)
   • 偏转线圈(Defiection coils)
   • 荫罩(Shadow mask)
   • 荧光粉层(Phosphor)
   • 玻璃外壳

   CRT显示器驱控器的电路，如图所示，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。

3. 说明黑白CRT显示系统工作原理。

   黑白CRT即单色(Monochrome Monitor)CRT，只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色。

   用途：

   • 在电视机中显示图像
   • 在工业控制设备中用作监视器

   组成部分：

   1. 圆锥形玻壳;
   2. 玻壳正面用于显示的荧光屏;
   3. 封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统;
   4. 位于玻壳之外控制电子束偏转扫描的磁轭器件。

   结构分析：

   • 发射系统
     • 灯丝；
     • 阴极（K）；
     • 第一控制栅极（G1或称调制器）；
     • 加速极（G2或称屏蔽极）；
   • 聚焦系统
     • 阳极G3；
     • 聚焦极G4；
     • 高压阳极G5。

   工作流程：

   1. 电子枪中阴极（K）被灯丝加热至200K时，阴极（K）大量发射电子。
   2. 电子束首先被加在第一控制栅极的视频电信号所调制.
   3. 经加速和聚焦后，高速轰击荧光屏上的荧光体，荧光体发出可见光。
   4. 电子束的电流是受显示信号控制的，信号电压高，电子枪发射的电子束流也越大，荧光体发光亮度也越高。
   5. 最后通过偏转磁轭控制电子束，在荧光屏上从上到下，从左到右依次扫描，从而将原被摄图像或文字完整地显示在荧光屏上。

4. 说明彩色CRT显示系统工作原理。

   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

   ​ 彩色CRT是通过红®、绿(G)、蓝(B)三原色组合产生彩色视觉效果。荧光屏上的每一个像素由产生红®、绿(G)、蓝(B)的三种荧光体组成，同时电子枪中设有3个阴极，分别发射电子束，轰击对应的荧光体。为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体，在荧光面内侧设有选色电极——荫罩。

   整体工作过程：

   1. 由灯丝、阴极、控制栅组成电子枪，通电后灯丝发热，阴极被激发，发射出电子流，电子流受到带有高电压的内部金属层的加速，经过透镜聚焦形成极细的电子束，在阳极高压作用下，获得巨大的能量，以极高的速度去轰击荧光粉层。这些电子束轰击的目标就是荧光屏上的三原色。
   2. 电子枪发射的电子束不是一束，而是三束，电子束在偏转磁轭产生的磁场作用下，可以控制其射向荧光屏的指定位置，去轰击各自的荧光粉单元。一般荫罩式CRT的内部有一层类似筛子的网罩，电子束通过网眼打在呈三角形排列的荧光点上，以防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体。
   3. 受到高速电子束的激发，这些荧光粉单元分别发出强弱不同的红、绿、蓝三种光。根据空间混色法(将三个基色光同时照射同一表面相邻很近的三个点上进行混色的方法)产生丰富的色彩，这种方法利用人们眼睛在超过一定距离后分辨力不高的特性，产生与直接混色法相同的效果。
      用这种方法可以产生不同色彩的像素，而大量的不同色彩的像素可以组成一张漂亮的画面，而不断变换的画面就成为可动的图像。

5. 简述CRT显示的技术性能指标。

   像素和分辨率、点距和栅距、场频（垂直扫描频率）、行频（水平扫描频率）及视频带宽、屏幕尺寸和最大可视面积、色温、亮度 、对比度、灰度、余辉时间

6. CRT扫描方式分为哪几种？个人PC用什么方式？电视机采用什么方式？

   • 逐行扫描（顺序扫描）： 个人PC使用。
   • 隔行扫描（飞跃扫描）： 电视、广播、DVD、VCD

7. 一台标准17英寸的CRT显示器（宽度320mm、对角点距0.28mm），能否正常显示$1600\times 1200$分辨率？为什么？
   $$\begin{gathered} 水平点距=0.28\times 0.866=0.24248 \\ 水平像素=\frac{320}{0.24248}=1319.70 \\ 1319.70<1600 \end{gathered}$$
   不能，因为17英寸的CRT显示器分辨率不足。

8. 手机护眼模式下设置色温偏暖，说明色温值高还是低？哪种颜色的辐射多一点？

   暖光: 低色温光源能量分布中红辐射多一点。

2.5 例题补充

1. 电视为什么不采用逐行扫描？

   答： 逐行扫描导致信号带宽增加。

   • 会使一定波段内可安排的电视频道数目减少，信道的频带利用率下降；
   • 电视设备复杂化，增加投资成本。
   • 实际系统采用隔行扫描方式来降低图像信号的频带。

   补充：

   隔行实际上是一种简单粗暴的压缩方式，是在电视业刚刚出现的时候迫于硬件设备的局限而诞生的压缩方式，弥补波段有限和传输带宽有限的问题。

   现代通信的带宽和频段完全足够，但是出于历史问题，全世界的模拟电视都是这么设计的，所以现在继续沿用了这个习惯。

   但是在网络上看视频就是完全不同的逻辑了。

   隔行扫描的视频分辨率往往加i后缀，逐行扫描的视频则加p做区分，比如1080i比1080P的频带宽度就要少一半。

2. 显示器的点距是否会随着分辨率改变？

   比如对于一个分辨率为1920*1080的显示 器，它的点距是0.248mm，我调节它的分 辨率为1280*1024，它的点距是否会变大？

   **答：**不会，**点距是物理的，固定的，**分辨率建 议用推荐分辨率，其他的分辨率都是虚拟的,会发虚,反而使图像的清晰度下降。

3. 像素分辨率为24bit，请问这句话是什么意思？

​ 答：

单位	含义	代换
bit	一位二进制数
Byte	字节，1字节由8个二进制位组成	$1Byte=8bit$
KB	千字节	$1KB=1024Byte$
MB	兆字节	$1MB=1024KB$

上面这句话表明的是一个像素的大小，即表示一个像素需要占用24位二进制数的容量。

4. 当前显示模式：$1280\times 1024(32bit)(60Hz)$ 什么意思？

​ 答：

​ 屏幕分辨率：$1280px\times 1024px$

​ 像素：$32bit$ 每个像素由32位二进制数组成

​ 刷新频率：$60Hz$ 屏幕每秒刷新60次，每次$1/60s$