第二章阴极射线管(CRT)显示技术.
图形显示设备简述
第二章图形显示设备简述§1 图形显示设备一般的计算机都配备了高分辨率的显示器、图形卡或集成的视频系统，还配备了支持图形用户界面的操作系统。
图形已经成为了标准。
在计算机应用程序中，最常用的CRT（阴极射线管）显示技术有向量刷新和光栅扫描。
1、矢量刷新显示器刷新式CRT使用短余辉的荧光粉，涂层必须靠每秒30至50次的电子速轰击，来保持屏幕图形不闪烁(重画画面)。
除阴极射线管外，它需要一个显示文件，一个显示控制器。
显示文件：一个内存区，容纳绘制要显示的对象的指令；显示控制器：从显示文件中读取这些信息并把它转化为数字命令，并将其发送到CRT。
矢量刷新显示器 :(P19)有时有控制栅极和加速阳极（P19）。
⊿控制栅极：通过改变控制栅的电压来控制显示的光强。
荧光涂层发射光的强度依赖轰击屏幕的电子数量，聚焦系统用来控制电子束，在轰击荧光屏时会聚到一个小点，否则由于电子互相排拆，电子束在靠近屏幕时会散开；⊿加速阳极：带负电荷的自由电子，在高正电压作用下加速冲向荧光屏。
在高精度系统中，还使用附加的聚焦硬件，以保持电子束能聚焦到所有屏幕位置，否则电子束只能在屏幕中心较好地聚焦，在屏幕边框时，所显示的图像变得模糊。
使用图形软件命令设定各个屏幕位置的亮度级。
⊿二对偏转线圈（X轴水平偏转和Y轴垂直偏转）：偏转线圈的产生电磁场作用于电子束，使轰击屏幕的电子束发生偏转。
⊿ CRT的分辨率（resolution）resolution是可以无重叠显示的最多点数。
电子束轰击荧光屏，形成一个亮点，亮点中心位置的亮度最大，并按正态分布向亮点的边缘衰减。
这个分布依赖于CRT电子束横截面电子密度分布。
resolution常常简述为每个方向的总点数，但更精确的定义是在水平和垂直方向上每厘米可绘制的点数640*480、1024*768.1280*1024高分辨率。
高清晰度系统（High-definition system）⊿纵横比（aspect ratio）在屏幕的二各方向上画相同长度的线段，二个方向点数的比值。
第二章-图形显示设备
荧光屏
荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光 余辉时间：电子束离开某点后，该点的亮度值 衰减到初始值1/10所需的时间（10~60us）
某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率 停闪频率=1秒/余辉时间 例如：一种荧光物质持余辉时间40毫秒，刷新频 率为1000/40=25帧/秒。
余辉时间短，适用于动态图形显示。余辉时 间长，适用于静态图形显示
光栅显示系统的特点
优点： 成本低 易于绘制填充图形 色彩丰富 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关 易于修改图形
缺点： 需要扫描转换 会产生混淆
LCD显示器
CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示 领域发展 屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示 器的体积必然要加大，在使用时候就会受 到空间的限制 CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产 生图像，容易受电磁波干扰 长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响
要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电 子束
刷新频率
每秒钟重画图像的次数，通常刷新频率应为 30-50
刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示， 这个临界值称为停闪频率（critical flicker frequency CFF）
电子枪
电灯丝，金属阴极和控制栅组成。 阴极：由灯丝加热发出电子束， 控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔
应用：主要用于画线显示器 优点：成本低 缺点：
1、只能产生四种颜色 2、 图形质量比较差
2.2.2 彩色阴极射线管----影孔板法
原理：通常用于光栅扫描显示器中，颜色范围 广，每个像素有三个荧光点（红、绿、蓝三基 色）。影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于 精确定位像素的位置
影孔板
外层玻璃
荧光涂层
帧缓存可以是专 用的存储器，也可以 是系统内存中的一块 固定区域。
CRT
18
• 荧光粉有红、绿、蓝三种颜色，要求发光效率高，颜色饱 和度好，亮度相匹配
19
蒸Al工艺
• 防止离子斑
– 离子斑：显像管残余气体，形成负离子，轰击荧光屏中部 – Al层让电子通过，阻挡负离子
• 荧光粉绝缘体如何保持电荷平衡在荧光粉表面蒸发Al膜 • 使屏面的组成部分都处于阳极高压电位
– Al与内石墨层，使得荧光屏等电位
• 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 2.3.2 CRT显示器的性能指标 2.3.3 CRT显示技术的发展历史
1
2
• 玻璃外壳、内部真空的电子管 • 电子束产生
– 真空条件下加热电子枪灯丝产生热电子 – 电子经过聚焦系统会聚成电子束 – 通过加速系统获得更高的能量
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氧化物阴极
• 氧化物阴极（BaO, SrO, CaO)，BaO发射电子，加 入SrO形成固溶体增加寿命，CaO增加涂层和基底 金属的附着力。
• 浸没了氧化物（BaO，CaO）的钨片，突破氧化物 阴极的电流密度上限（2Acm-2）。
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发射系统
• 加速电子，增加电子能量 • 由阴极、调制极(栅极)和加速极组成
24
2）防X射线辐射
加铅或 钡 锶 以吸收X射线
对于某种厚度的玻璃对X射线的吸收可表达如
下式：
I et I0
吸式收中系，I数0 及，It是分玻别璃是的X射厚线度的。入为射得、到出所射需强的度X射， 线是 吸收特性，应考虑吸收系数之后再决定玻璃的最 低厚度。
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3）透过率合适 玻璃表面的理论反射率为4%，透过显像管屏面两 个表面后最大透过率为92%。为了提高画面的对 比度，一般采用低透过率屏面，即取50%的透过 率玻璃，称为烟玻璃。
CRT 2.1课
2）荧光屏在CRT中的功能——电光转换
3）对荧光屏和荧光粉的基本要求：
① 发光亮度和发光效率足够高； ② ③ ④ ⑤ 发光光谱适合人眼观察（可见光）； 图像分辨率高，传递效果好； 余辉时间适当； 机械、化学热稳定性好，寿命高
4）荧光粉的性能
①黑白CRT——采用颜色互补的两种荧光粉（蓝、黄）发出 白光或直接采用单一的白色荧光粉； 彩色CRT——红、绿、蓝三基色荧光粉。 ②发光效率：指每瓦电功率能获得多大的发光强度。 ③余辉： 余辉特性——荧光粉的发光在电子束结束轰击以后并非消 失，而是呈指数衰减； 余辉时间——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。
长余辉发光＞ 0.1s——示波器
余辉分成三类
中余辉发光 0.1~0.001s——电视、显示器 短余辉发光＜ 0.001s
余辉时间太长导致拖影； 余辉时间太短导致平均亮度的降低。
荧光粉的发光效率 L
1 T
T
0
L (t ) dt
5）屏幕的亮度取决于
余辉时间
屏幕电压
2 L AjUa S
⑤聚集极——彩色显像管聚集极通常加5~8KV电位。聚集 聚 极、加速极及高压极一起构成一个电子透镜，使电子束 焦 会聚成一束轰击荧光屏荧光粉层。
系 统 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。
特别说明
a) 发射系统：作用是产生强度足够大而且可以 控制的电子流，并将电子流进行预聚焦。 主要参数 截止电压:合成电场为负时，阴极电子因负电位将全部 返回阴极，电子束电流为0（阴极、栅极、加速极 合成），将栅极电压负到电子束流为0时的电压值 称为截止电压，在-20~-90V。
《阴极射线管》幻灯片PPT
§2.4.3 CRT显示器的驱动与控制
二、辉度及颜色
单色CRT 只需要对辉度进展控制，对彩 色CRT来说还需要对颜色进展控制，辉度和颜 色都是都是通过电流量来控制的。电流控制方 式中有栅极(G1)驱动方式和阴极驱动方式。
信 号
白色
振
幅
黑色
第二章 电光信息转换
目录 章首 节首 上一张 下一张 结束
§2.4.3 CRT显示器的驱动与控制
4
4ˊ
5
5ˊ
6
6ˊ
7
7ˊ
(a) 顺序扫描方式
7b 1
2
7ˊ
3
1ˊ
4
2ˊ
5
3ˊ
6
4ˊ
7
5ˊ
6ˊ
7a
(b) 飞越扫描方式
图2.4.3-1 CRT扫描方式
13 5 7 2 4 6 1
行 扫
t
描
场
扫
tห้องสมุดไป่ตู้
描 奇数场
偶数场
图2.4.3-2 7行光栅的行扫描与场扫描波形
第二章 电光信息转换
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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一样， 在其内侧均有AI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。
第二章 电光信息转换
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§2.4.1 根本构造与工作原理
三、CRT显示器驱控器的电路构成
CRT显示器驱控器的电路，如图2.4.3-4所
示，主要包括视频电路、偏转电路、高压电路、
crt显示器原理
crt显示器原理
CRT（阴极射线管）显示器是一种使用阴极射线技术显示图像的设备。
它由一个大而深的玻璃管构成，内部有一个阴极和一个阳极，以及一系列控制电极。
在CRT显示器中，阴极主要用于发射电子束，通过加热造成阴极发射电子。
这些电子经过一个由一系列聚焦电极和偏转电极组成的控制电极，形成一个窄束，然后被带有荧光物质的荧光屏吸收。
偏转电极可通过在水平和垂直方向上加不同的电压，控制电子束的位置和移动方向。
荧光屏被划分为许多小的像素，每个像素都由不同颜色的荧光物质组成，如红色、绿色和蓝色。
当电子束照射到荧光屏上时，被激发出的荧光物质会发光，从而形成图像。
CRT显示器刷新图像的过程非常快。
屏幕上的每个像素都被电子束逐个扫描，每个像素的亮度和颜色都相应地进行调整。
电子束从屏幕的上方开始扫描，在水平方向上移动，逐行扫描完整个屏幕。
当达到最后一行时，电子束快速地返回到屏幕顶部，进入下一个帧的扫描过程。
为了保持图像的稳定性，CRT显示器使用一个称为垂直同步的信号来定时刷新屏幕。
这个信号告诉显示器何时开始扫描一个新的图像帧，并确保帧与帧之间的过渡是平稳的。
总而言之，CRT显示器通过发射电子束，并将其精确地扫描
在荧光屏上，以产生图像。
它的强项在于色彩鲜艳、对比度高和响应时间快，但也存在体积大、重量重以及辐射问题等缺点。
电视机显示原理解析
电视机显示原理解析电视机是我们日常生活中经常接触的电子设备之一，通过其显示屏幕来展示各种图像和视频。
本文将对电视机的显示原理进行解析，探讨其工作机制和技术原理。
一、电视机显示原理概述电视机的显示原理是将电信号转化为可视的图像。
其核心原理是通过像素点的排列和控制，使得图像信号能够以一定的频率和方式传输到显示屏幕上，从而呈现出清晰、连续的图像。
二、阴极射线管（CRT）显示原理阴极射线管是早期电视机采用的显示技术，其原理基于电子束的发射、缩聚和聚焦。
当电视机接收到视频信号后，电子枪会发射出一束高速电子束，经过聚焦和偏转器的作用，该束会打在屏幕上的荧光物质上，激发其发光，从而显示出相应的图像。
三、液晶显示原理液晶显示是现代电视机主流的显示技术，其原理是利用液晶分子在电场作用下的光电效应。
液晶面板由两层平行的玻璃基板组成，其中夹层涂上液晶分子。
当电视接收到视频信号后，电场的作用会改变液晶分子的取向，从而调节通过液晶层的光强，最终形成可见的图像。
四、LED显示原理LED显示是另一种常见的电视显示技术，其原理是利用发光二极管（LED）发光的特性。
LED电视屏幕上有许多微小的LED灯珠，通过控制不同灯珠的发光亮度和颜色，以及灯珠排列的方式，来呈现图像。
LED显示具有高亮度、高对比度和低能耗的优势。
五、OLED显示原理OLED显示是近年来的新兴显示技术，其原理是利用有机发光二极管（OLED）的发光特性。
OLED电视屏幕由许多微小的OLED发光元件组成，通过控制不同发光元件的发光亮度和颜色，以及排列方式，形成图像。
OLED显示具有超薄、高对比度、广视角和快速响应的特点。
六、电视机显示技术的发展趋势随着科技的进步和市场的需求，电视机显示技术正不断发展。
新的显示技术和材料不断涌现，旨在提供更高的画质、更大的屏幕和更低的能耗。
例如，4K和8K分辨率的电视机已经问世，并且曲面屏、柔性屏等新型屏幕设计也逐渐被推出。
总结：电视机显示原理是电子技术和光学原理的结合，常见的显示技术包括阴极射线管、液晶、LED和OLED。
第2章图形系统的组成
2.1显示设备
阴极射线管(CRT)
由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁， 即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态 很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能 态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一 点就会亮了。 荧光物质的主要特性是余辉。余辉是指电子束移去后 荧光屏可继续发光的时间。一般将余辉定义为发光减 小到原有亮度的1/10所需的时间。
下图表示了一个荫栅式与荫罩式的荧光屏的点排列, 其 中距离d 就是人们平常所说的点距。
柱面和球面显示器点距定义示意图
12
2.1显示设备
随机扫描式图形显示器
随机扫描图形显示器中, 电子束的定位和 偏转具有随机性, 即电子束的扫描轨迹随显示 内容而变化, 只在需要的地方扫描, 而不是全屏 扫描。 这种扫描方式免除了全屏扫描中无图形处 的冗余扫描, 因此速度快, 图像清晰。
2. 荫罩式彩色CRT 目前应用较广的彩色显像管是将红、绿、蓝 三种彩色同时显示在一个管屏上, 合成一幅彩色 图形。彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光 物质, 它们分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。 而电子枪也发出三个电子束来激发这三种物质, 中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位 置。 根据屏幕上荧光点的排列不同, 控制栅格也 就不一样。 普通的监视器一般用三角形的排列 方式, 这种显像管被称为荫罩式显像管。
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2.2光栅扫描显示系统
下图是一个具有24位面的帧缓冲存储器，红、绿、 蓝各8个位面，其值经数模转换控制红、绿、蓝电 子枪的强度，每支电子枪的强度有256(8位)个等级， 则能显示256*256*256=16兆种颜色，16兆种颜色也 称作(24位)真彩色。
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阴极射线管(CRT)显示技术 2.1.3 CRT显示器的主要单元
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。 电子枪是由灯丝（用H、HT或F表示）、阴极 （用K表示，彩色显像管有三个阴极，分别用RK、 GK、BK表示）、栅极（用G1表示）、加速极（用 G2表示）、高压阳极（用G或V表示）组成。
第2章 阴极射线管(CRT)显示技术
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。它的主要用途是在电视机中显示图像， 以及在工业控制设备中用作监视器。黑白CRT主要 由圆锥形玻壳、玻壳正面用于显示的荧光屏、封入 玻壳中发射电子束用的电子枪系统和位于玻壳之外 控制电子束偏转扫描的磁轭器件四部分组成。
光电显示技术
第2章 阴极射线管(CRT)显示技术
2.1 CRT显示器的基本结构与工作原理
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 2.1.3 CRT显示器的主要单元
2.2 CRT显示器的驱动与控制
2.2.1 CRT显示器相关技术 2.2.2 CRT显示器驱控电路
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 2.3.2 CRT显示器的性能指标 2.3.3 CRT显示技术的发展历史
习题二
第2章 阴极射线管(CRT)显示技术
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。它的核心部件是CRT显像管（即阴极射 线管），其主要由五部分组成：电子枪(Electron Gun)、 偏转线圈(Defiection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧 光粉层(Phosphor)及玻璃外壳，其中电子枪是显像管的 核心。 CRT显示器的工作原理和我们家中电视机的显像管基本 一样，我们可以把它看作是一个图像更加精细的电视机。 经典的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。
第2章
阴极射线管(CRT)显示技术
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2.2所示。
第2章
阴极射线管(CRT)显示技术
图2.Hale Waihona Puke 单色CRT的结构示意图第2章
阴极射线管(CRT)显示技术
结构中灯丝、阴极（K）、第一控制栅极（G1 或称调制器）、加速极（G2或称屏蔽极）构成发射 系统；第二阳极G3、聚焦极G4、高压阳极G5构成 聚焦系统。工作时，电子枪中阴极（K）被灯丝加 热至200K时，阴极（K）大量发射电子。电子束首 先被加在第一控制栅极的视频电信号所调制，然后 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。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。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。
第2章
阴极射线管(CRT)显示技术
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。
光电显示技术
图2.2 彩色CRT的结构示意图
第2章
阴极射线管(CRT)显示技术
彩色CRT是通过红(R)、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(R)、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。
PS / PM L /( L q)
第2章
阴极射线管(CRT)显示技术
整体工作过程：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。 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。
光电显示技术
图2.3 彩色CRT工作原理
第2章
阴极射线管(CRT)显示技术
荫罩与荧光屏的距离可根据几何关系由下式确定： (2-1) q L P 3S
M g
(2-2) 为孔距放大率； 式中：q 为荫罩与荧光屏的距离； Sg为从电子枪到荧光面的距离； L 为电子枪的束 PS PM 间距； 为电子束排列方向的荫罩孔距； 为电子 束排列方向的荧光屏上同一色荧光体的点间距。 荫罩有圆孔形、长方孔形等形式。通常，三角形布 置的电子枪采用圆孔形荫罩，直线性布置的电子枪可 采用各种形式的荫罩。玻壳内除设有荫罩之外，还设 有屏蔽地磁场用的内屏蔽罩，其作用是防止电子束受 地磁场的干扰，使电子束不会射向其他颜色的荧光体。