CRT 显示技术

本文简单介绍阴极射线管，其主要由五部分组成：电子枪、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。

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

工作时，电子枪中阴极（K）被2000K灯丝加热，阴极（K）大量发射电子。电子束在第一控制栅极的视频电信号所调制，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。

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的基本结构如下图所示。

下图是彩色CRT的内部结构示意图：

彩色CRT是通过红和单电位电子枪（Uni-Potential Focus, UPF）。UPF电子枪比BPF电子枪多一个高压阳极，聚焦能力大大提高，在荧光屏上形成直径为0.2mm左右的光点。

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。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。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。

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。

当阴极被阴极里面的灯丝加热到约800℃时，电子获得逸出功，大量电子从阴极表面发出，并对准栅极的小圆孔飞行出去。电子飞出的多少，由栅极与阴极之间所加的电压的大小决定，因此，将视频信号电压加在阴极或栅极上可以调制电子束强度。电子束经过加速极的加速，聚焦极的聚焦，偏转磁场的偏转扫描到屏幕前面的荧光涂层上，产生复合发光，最终形成满足人眼视觉特性要求的光学图像。

控制栅极在CRT中作用是：控制电子束的电流密度；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。

分辨率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。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。

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，或者说真彩色。某些显示器能用一个电子枪发出三束光线，经过混合亦能生成其它颜色。生成彩色图像电子枪要扫描屏幕三次，其过程比黑白图像复杂得多。

回转变压器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。

点状荫罩三基色相加混色原理实现彩色图像的显示。彩色显像管产生三束电子流，确保受三个基色信号控制的三束电子束准确轰击相应的荧光粉，是彩色显像管技术的关键。

彩色电视荧光屏内壁涂有发光颜色为红、绿、蓝的荧光粉点，每一组三个红、绿、蓝荧光粉点排列成品字形，组成一个彩色像素，这些粉点的直径很小是显像管最重要的技术参数之一，单位为毫米。一般公认的点距定义是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。点距越小越好，点距越小，显示器显示图型越清晰细腻，显示器的档次越高，不过对于显像管的聚焦性能要求就越高。

分辨率不仅与显示尺寸有关，还要受显像管点距、视频带宽等因素的影响。知道分辨率、点距和最大显示宽度就能得出像素值。比如一台17英寸的CRT显示器，一行中能容纳1421组三原色，能满足1280个像素点的需要，因此这台显示器的理想分辨率是1024×768，勉强可以达到1280×1024的分辨率，但不可能达到1600×1200的分辨率。分辨率的计算方法如下：最大显示宽度/水平点距=像素数，比如标准17英寸CRT显示器的最大显示宽度是320mm，标称点距是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。

CRT彩色显示器利用显像管内的电子枪，将红、绿、蓝三个电子束分别打在R、G、B荧光粉层上，荧光粉被激活，即可发出光来。R、G、B三种荧光点被不同强度的电子流点亮，就会发出各种色彩。最终就形成了你所看到的显示画面了。在适当的距离外，人眼分辨不出单色小点，而只是看到一个合成的彩色光点。

三枪三束彩色显像管，也称荫罩管，是较早开发的显像管，它由荧光屏、荫罩、电子枪及玻璃外壳四部分组成。它有三只独立的电子枪，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。

单枪三束彩色显像管有三个阴极，但发射出的三束电子束共用同一个电子枪聚焦。单枪三束荧光屏上红、绿、蓝荧光粉是以纵向条状涂复在屏上的，在荧光屏的内侧有一金属板，称为分色板，它的作用是使三条电子束只能轰击各自的荧光粉条。

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。

自会聚彩色显像管，它的优点是克服了过去彩色显像管需要进行复杂动会聚调整的缺点，使彩色电视机在安装和调整使时，不需要校正动会聚误差就可获得良好的效果。

它的结构如下图所示，呈精密一字形排列电子枪，其几何中心的电子束没有会聚误差，两个边束的会聚误差也比较容易校正，地磁影响小。在自会聚管中还使三个阴极之间的间距很小，各个栅极作成一体，分别开出一排（三个）小孔让电子束通过。

自会聚彩色显像管采用了开槽式荫罩板，荫罩孔是相互交错的小长槽孔。这种结构增加了荫罩板的机械强度和抗热变形性能。荧光屏上的三色荧光粉对应槽形荫罩孔也相互交错成小条状排列。

CRT显示器的技术性能指标有以下一些：

1. 像素和分辨率

像素是指屏幕能独立控制其颜色与亮度的最小区域。分辨率就是屏幕图像的密度，即显示器屏幕的单位面积上有多少个基本像素点，它们是图像清晰程度的标志，也是描述分辨能力大小的物理量。对于电子显示器件，常用单位面积上的扫描线数和两光点之间的距离来表示分辨率。他们取决于场频和行频的组合。

2. 点距和栅距

点距（DOT PITCH）是显像管最重要的技术参数之一，单位为毫米。一般公认的点距定义是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。

点距有实际点距、垂直点距和水平点距的差别。垂直点距等于三个同色荧光点组成三角形边长的一半；水平点距实际上是这个三个同色荧光点组成三角形的高。用显示区域的宽和高分别除以点距，即得到显示器的垂直和水平方向上最高可显示的点数。

3. 场频、行频及视频带宽

如果说画质等显示效果只能通过主观判断的话，那么水平扫描频率、垂直扫描频率及视频带宽这三个参数就绝对是显示器的硬指标，并且很大程度上决定了显示器的档次。视频带宽是指每秒钟电子枪扫描过图像点的个数，以兆赫兹为单位。这是显示器非常重要的一个参数，能够决定显示器性能的好坏。带宽越高则表明了显示器电路可以处理的频率范围越大，显示器性能越好。高的带宽能处理更高的频率，信号失真也越小，显示的图像质量更好，它反映了显示器的解像能力。

带宽对于显示器来说是一个很重要的指标，太小的带宽无法使显示器在高分辨率下有良好的变现。视频带宽的计算方法为：理论带宽＝分辨率×刷新率。     实际应用中电子枪在扫描时扫过水平方向上的像素点数与垂直方向上的像素点数均高于理论值，这样才能避免信号在扫描边缘时衰减，使图像四周同样清晰。一般水平分辨率大约为实际扫描值的80％，垂直分辨率大约为实际扫描值的93％。

实际带宽＝垂直刷新率×（垂直分辨率÷0.93）×（水平分辨率÷0.8）＝水平分辨率×垂直分辨率×垂直刷新率×1.34

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。

显像管的电子束通过水平扫描和垂直扫描完成屏幕的刷新，每完成一次垂直扫描就完成一个完整屏幕的刷新。

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。

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。单位一般是千赫兹。场频和行频的关系式一般如下：

行频 = 场频×垂直分辨率×1.04            

可见行频是一个综合了分辨率和场频的参数，能够比较全面的反映显示器的性能。当在较高分辨率下要提高显示器的刷新率时，可以通过估算行频是否超出频率响应范围来得知显示器是否可以达到想要的刷新率。

4. 刷新率

刷新率是指显示屏幕刷新的速度，它的单位是赫兹。刷新频率越低，图像闪烁和抖动的越厉害，眼睛观看时疲劳的越快。刷新频率越高，图像显示就越自然、越清晰。刷新率又分水平刷新率和垂直刷新率。水平刷新率又叫行频，他是显示器每秒内水平扫描的次数。垂直刷新率也叫场频，它是由水平刷新率和屏幕分辨率所决定的，垂直刷新率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。一般来说，垂直刷新率最好不要低于80Hz，如能达到85Hz以上的刷新频率就可完全消除图像闪烁和抖动感，眼睛也不会太容易疲劳，在目前这是对显示器最基本的要求了。

5. 屏幕尺寸和最大可视面积

屏幕尺寸实际是指显像管尺寸。最大可视面积指显像管的屏幕显示的可见图形的最大范围。屏幕大小通常以对角线的长度衡量，以英寸为单位是白色的，但是蓝眼睛的人看了就是偏蓝，蓝眼睛的人看6500K是白色，所以在不同地区显示器都要将颜色调节到适合这一地区的人的使用，调节色温就是为了完善这些功能。

7. 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。 

8. 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。

9. 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。

10. 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。 

CRT 最大的优势在于高的性能价格比及大画面高密度显示，同时还具有其它一系列优点：价格低，亮度高，对比度高，色域广，分辨率高，速度快，视野角宽，显示版式可以灵活变化，寿命长等。但是也存在比较明显的缺点：耗电量大，尺寸大，重量大；无法制造较大面积的显示屏，较大真空玻璃外壳容易破裂；显示面积较大时，扫描频率降低，无法显示运动影像；受电磁场影响，容易发生线性失真；存在辐射，影响使用者身体健康。

关键字：  CRT 显示技术 本文简单介绍阴极射线管(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...  雪球