1、目 录 1. 绪论 2. 阴极射线管(CRT)显示技术 3. 液晶显示器件 4. 发光二极管(LED)显示技术 5. 等离子显示器件 6. 激光显示技术 7. 新型光电显示技术 8. 大屏幕显示技术,光 电 显 示 技 术,第1章 绪论 1.1 光电显示技术概述1.1.1 显示技术研究的意义1.1.2 光电显示器件分类 1.2 显示参量与人的因素1.2.1 光的基本特性1.2.2 人眼视觉特性1.2.3 色彩学基础1.2.4 显示器件主要性能指标 习题一,光 电 显 示 技 术,1.1光电显示技术概述 1.1.1.显示技术研究的意义1.显示技术研究的意义光电子（Optical Electron
2、ic）技术是由光学、激光、电子学和信息技术互相渗透、交叉而形成的一门高新技术学科，具有广泛应用背景。光电子技术以物理学为基础，涉及激光技术、光波导技术、光检测技术、光计算和信息处理技术、光存储技术、光电显示技术、激光加工与激光生物技术、光生伏特技术、光电照明技术，已逐渐形成了光电子材料与元件产业、光信息产业、现代光学产业、光通信产业、激光器与激光应用产业等五大类光电子信息产业，开创出了“光电子时代”！,第1章 绪论,光 电 显 示 技 术,光 电 显 示 技 术,光电子技术也是当今世界上竞争最为激烈的高技术领域之一，许多科学家认为：光电子技术、纳米技术及生物工程技术构成当今三大高新技术，是21
3、世纪的代表产业。显示（display），就是指对信息的表示，即information display。在信息工程学领域中，把显示技术限定在基于光电子手段产生的视觉效果上，即根据视觉可识别的亮度、颜色，将信息内容以光电信号的形式传达给眼睛产生视觉效果。光电显示技术是将电子设备输出的电信号转换成视觉可见的图像、图形、数码以及字符等光信号的一门技术。它作为光电子技术的重要组成部分，近年来发展迅速，应用广泛。,第1章 绪论,2.显示技术的发展历史自1897年德国人布劳恩（Braun）发明阴极射线管(CRT:Cathode Ray Tube)以来，随着电视广播媒体和计算机等媒体的出现和发展，显示器件产业
4、取得了极大的进步。全世界第一只球形彩色布劳恩管（CRT）于1950年问世。当时因为它的体积大、重量沉，而且还拖了一个“尾巴”，就有人认为不超过10年，它就会被某些平板显示器所替代。殊不知，体积和重量不是它的缺点，而是存在的问题，如CRT电视机只能做到40英寸1)以下。但人们关心的屏幕上显示图像的质量，如亮度、对比度、分辨率、视野角、刷新频率和响应时间等综合性的视觉性能。 迄今为止，任何平板显示器件的工作性能都不如CRT。而且，由于它的工作原理很巧妙，本身及相应配合线路也简单，成本低，所以在显示器件中，CRT的性能价格比是最高的。2001年，市场规模达到了2.74亿只、250亿美元。,第1章 绪
5、论,光 电 显 示 技 术,然而，到了1983年，日本的科技人员对传统反射型的液晶显示器（LCD：Liquid Crystal Display）作了一些改进，除偏光片外，又在其背面加上了背景光源，在前面加上了微型彩色滤光片，改变为透射型彩色LCD。从此开创了平板显示的新纪元。接着，日本政府又组织企业和高等院校的研究所，共同攻关，先后投资达200亿美元，在此基础上研制出薄模晶体管液晶显示器（TFT-LCD）。如今TFT-LCD已逐步替代了计算机显示器的彩色显示器（CDT:Color Display Tube），并向大屏幕发展，进入TV领域，2005年已形成一个240亿美元的庞大显示器件产业。也就
6、是说，CRT构筑了大众媒体时代的现代工业社会，LCD则构筑了个人媒体为主导的现代信息社会。另一方面，显示技术已不再局限于以前的CRT和LCD，等离子体显示器（PDP:Plasma Display Panel）和有机电致发光效应（EL:Electro Luminescence）等多种新型的显示技术和显示方式已在多媒体市场上闪亮登场。PDP不仅用于40英寸以上的彩色显示器，用于高清晰度电视（HDTV）的PDP已进入家庭用显示器领域，并成为一个新兴显示器件产业。,第1章 绪论,光 电 显 示 技 术,最近几年还出现了有机发光二极管平板显示器（OLED:Organic Light Emitting D
7、iode）及场致发射显示器（FED:Field Emission Display）。OLED甚至可以折叠，被誉为“梦幻显示器”，可用于可视移动多媒体。在大屏幕显示方面，除了当前教学和商业用投影器的主流产品透射式TFT-LCD投影仪外，近期开发的直观式HDTV大屏幕显示系统把HDTV、PAL和NTSC制式普通电视以及计算机的VGA、SVGA、XGA等全在一个大屏幕上显示，被称为“多媒体大屏幕显示墙”（Multimedia Display Wall)，还有蓝光LED（Light Emitting Diode）和高亮度、超高亮度LED组成的三基色全彩色LED大显示屏由于使用寿命长、环境适应能力强、价
8、格性能比高、使用成本低等特点，在大屏幕显示领域得到了广泛的应用。,第1章 绪论,另一方面，显示技术已不再局限于以前的CRT和LCD，等离子体显示器（PDP:Plasma Display Panel）和有机电致发光效应（EL:Electro Luminescence）等多种新型的显示技术和显示方式已在多媒体市场上闪亮登场。PDP不仅用于40英寸以上的彩色显示器，用于高清晰度电视（HDTV）的PDP已进入家庭用显示器领域，并成为一个新兴显示器件产业。 最近几年还出现了有机发光二极管平板显示器（OLED:Organic Light Emitting Diode）及场致发射显示器（FED:Field
9、Emission Display）。OLED甚至可以折叠，被誉为“梦幻显示器”，可用于可视移动多媒体。,第1章 绪论,在大屏幕显示方面，除了当前教学和商业用投影器的主流产品透射式TFT-LCD投影仪外，近期开发的直观式HDTV大屏幕显示系统把HDTV、PAL和NTSC制式普通电视以及计算机的VGA、SVGA、XGA等全在一个大屏幕上显示，被称为“多媒体大屏幕显示墙”（Multimedia Display Wall)，还有蓝光LED（Light Emitting Diode）和高亮度、超高亮度LED组成的三基色全彩色LED大显示屏由于使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在
10、大屏幕显示领域得到了广泛的应用。如今的显示器件世界，无论是市场还是技术都处于急剧变化的时期，可谓是百花齐放、争奇斗艳。各种显示器的应用范围不断扩大，争夺未来潜在的大市场。2002年全世界显示器件销售额为500亿美元，估计到2025年将达到5000亿美元。显示器行业群雄争霸，前景难料。,第1章 绪论,第1章 绪论,1.1.2 光电显示器件分类,如果根据收视信息的状态分类，可分成：1. 直观型（Direct View Type）2. 投影型（Projection Type）3. 空间成像型（Space Imaging Type）,原则上把显示设备上出现的视觉信息直接观看的方式称为直观型,把由显示设
11、备或者光控装置所产生的比较小的光信息经过一定的光学系统放大投射到大屏幕后收看的方式称为投影型。,指采用某种光学手段（如激光）在空间形成可供观看图像的方式，从原理上说，图像大小与显示器无关,可以很大。空间成像显示因为图像具有纵深而大大提高了真实感和现场感。,第1章 绪论,从显示原理的本质来看，光电显示技术利用了发光和电光效应两种物理现象。所谓电光效应是指加上电压后物质的光学性质（如折射率、反射率、透射率等）发生改变的现象。因此，根据像素本身发光与否，又可将显示器件分为以下两大类：1. 主动发光（emissive）型2. 被动显示(passive)型,在外加电信号作用下，主动发光型器件本身产生光辐
12、射刺激人眼而实现显示。比如CRT、PDP、ELD、激光显示器(LPD:Laser Projection Display)等。,在外加电信号作用下，被动显示型器件单纯依靠对光的不同反射呈现的对比度达到显示目的。,人类视觉所感受的外部信息中，90%以上是由外部物体对光的反射，而不是来自物体发光。所以，被动显示更适合人的视觉习惯，不会引起疲劳。当然，被动显示在黑暗的环境下是无法显示的，这时我们必须为器件配上外光源。比如LED、各种光阀管（light valve）投影仪等。,第1章 绪论,按显示屏幕大小分类有：超大屏幕（4m2）、大屏幕（14m2）、中屏幕（0.21m2）和小屏幕（0.2m2）。 按色
13、调显示功能分类有：黑白二值色调显示、多值色调显示（三级以上灰度）和全色调显示。 按色彩显示功能分类有：单色（monochrome）黑白或红黑显示、多色（multi color）显示（三种以上）和全色显示。 按显示内容、形式分类有：数码、字符、轨迹、图表、图形和图像显示。 按成像空间坐标分类有：二维平面显示和三维立体显示。,第1章 绪论,按所用显示材料分类有：固体(晶体和非晶体)、液体、气体、等离子体、液晶体显示等。 按显示原理分类有：阴极射线管(CRT)、真空荧光管(VFD)、辉光放电管（GDD）、液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、发光二极管(LED)、场致发射显示器(FED)、
14、电致发光显示器(ELD)、电致变色显示器（ECD）、激光显示器(LPD)、电泳显示器(EPD)、铁电陶瓷显示器(PLZT)等等。,第1章 绪论,图1.1 光电显示器件的种类,第1章 绪论,1.2显示参量与人的因素,1.2.1 光的基本特性光是一种波长很短的电磁波，可见光是光刺激人眼的感觉，波长范围为380780nm），频率为7.51084.0108MHz，波谱很窄；而电磁波的波谱范围很广，包括甚低频（VLF）超长波、低频（LF）长波、中频（MF）中波、高频（HF）短波、甚高频（VHF）超短波、特高频（UHF）分米微波、超高频（SHF）厘米微波、极高频（EHF）毫米微波、红外线、光波、紫外线、X
15、射线、射线等 。,第1章 绪论,图1.2 电磁波的波谱,第1章 绪论,对光量的测量称为测光（Photometry）。 介绍几个主要的测光量的定义及其基本单位： 光通量(Luminous flux)光源单位时间内发出的光量称为光通量，符号为，单位为流明（lm）。 发光强度（Luminous intensity）光源在给定方向的单位立体角（）辐射的光通量称为发光强度，符号为，单位为坎德拉（cd）。发光强度可由下式表示：,第1章 绪论,光照度单位受光面积上（S）所接收的光通量称为光照度，符号为E，单位为勒克斯（lx）。光照度E可由下式表示： 亮度垂直于传播方向单位面积（ ）上的发光强度称为亮度，符号
16、为L，单位为cd/m2。亮度L可由下式表示：,第1章 绪论,1.2.2 人眼视觉特性,1.人眼的视觉生理基础 ：外界信息以光波形式射入眼帘，通过眼睛的光学系统在视网膜上成像。视网膜内的视觉细胞把光信息变换为电信号，传递给视神经。由左右眼引出的视神经在视交叉处把左右眼分别获得的右视觉信号和左视觉信号进行整理，然后传向外侧膝状体。外界右半部分的视觉信息传入左侧的外侧膝状体，而左半部分的视觉信息传入右侧的外侧膝状体。两个外侧膝状体经视放射线神经连接于左右后头部的大脑视觉区域。,图1.3 信息从人眼到大脑的路径,第1章 绪论,人的眼睛很像一部精巧的照相机，图1.4是眼球的截面图。该图是把右眼沿垂直方向
17、剖切后，从前部所见的构造。眼球为直径约24mm的球状体，光线通过瞳孔射入眼球内，再经晶状体在位于眼球后部内侧的视网膜上成像。 角膜的作用类似照相机的第一组镜片，承担着为了能在视网膜上成像所必需的光线折射作用。 虹膜紧贴在晶状体上，虹膜中心有一个小孔称为瞳孔。瞳孔的直径可以从2mm调节到8mm左右（16倍）。改变瞳孔的大小，就可以调节进入眼睛的光通量，类似于照相机光圈的作用。,图1.4眼球的构造,第1章 绪论,晶状体起着照相机透镜的作用，四周的睫状肌收缩、松缓可以调节其凸度，亦即调节了焦距，以便使不同距离的景物成像在视网膜上；晶状体同时吸收一部分紫外线，对眼睛起到保护作用。晶状体的弹力会随着年龄
18、增加而减小，到60岁左右，会失去调节能力而变得扁平。 视网膜广泛分布于眼球的后部，其作用很像照相机中的感光胶片。视网膜主要由许多感光细胞组成，感光细胞把光变换为电信号，它又分为两大类：一类叫杆状（rod）细胞，另一类叫锥状（cone）细胞。,第1章 绪论,锥状细胞大部分集中分布在视网膜上正对者瞳孔的中央部分直径约为2mm的区域，因呈黄色，称为黄斑区。在黄斑区中央有一个下陷的区域，称为中央凹（fovea）。在中央凹内锥状细胞密度最大，视觉的精细程度主要由这一部分所决定。在黄斑区中心部分，每个锥状细胞连接着一个视神经末梢。根据对光谱敏感度的不同，锥状细胞又可分为三类，即红视锥状细胞（吸收峰值为70
19、0nm）、绿视锥状细胞（吸收峰值为540nm）和蓝视锥状细胞（吸收峰值为450nm）。 在远离黄斑区的视网膜上分布的视觉细胞大部分是杆状细胞，而且视神经末梢分布较稀，每个锥状细胞和几个杆状细胞合接在一条视神经上。所有视神经都通过视网膜后面的一个空穴，称为乳头（nipple）的通到大脑去。在乳头处没有感光细胞，不能感受光线，故又称为盲点。,第1章 绪论,2. 人眼视觉特性,光射入眼睛会引起视觉反应，单一波长成分的光称为单色光，人眼感觉到的单色光按波长由长到短的顺序为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，参考图1.2。包含两种或两种以上波长成分的光称为复合光。太阳光就是一种复合光，且波长范围宽、能量几乎均
20、匀分布，给人以白光的综合感觉。 （1）光谱光效率。人眼对不同波长光的敏感程度。相同主观亮度感觉情况下，=555nm的黄绿光，所需光的辐射功率最小。,第1章 绪论,（2）视觉二重功能。人的视觉具有明视觉功能和暗视觉功能。锥状细胞的感光灵敏度比较低，大约在104个光子数量级，只有在明亮条件下才起作用。锥状细胞密集地分布在视网膜中央凹区域，且每个锥状细胞连接一根视神经，因此它能够分辨颜色和物体细节，是一种明视觉器官。杆状细胞的感光灵敏度比较高，大约在102个光子数量级，是一种暗视觉器官。,第1章 绪论,（3）暗适应。从明亮处向昏暗处移动时，视觉系统灵敏度会逐渐变化，大约40min左右达到最大灵敏度。
21、当我们从明亮的地方进入黑暗环境，或突然关掉电灯，要经过一段时间才能看清物体，这就是暗适应现象。,第1章 绪论,（4）明适应。从黑暗环境到明亮环境变化的逐渐习惯过程，称为明适应。与暗适应比较，其时间要快得多，大约仅需1min左右即可完成。（5）视觉惰性。在外界光作用下，感光细胞内视敏感物质经过暴光染色过程是需要时间的，响应时间大约为40ms；另一方面，当外界光消失后，亮度感觉还会残留一段时间，大约为100ms。,第1章 绪论,（6）闪烁（flicker）。以周期性光脉冲形式反复刺激眼睛，频率低时，可以出现闪烁现象；随着频率逐渐提高就观察不到闪烁了，视觉变得稳定而均匀。将此闪烁感刚刚消失时的频率称
22、为临界闪烁频率（CFF:Critical Fusion Frequency）。此时视野内的明亮度等于亮度的时间平均值。,第1章 绪论,（7）视角。眼睛的视野是比较大的，由视线方向的中心与鼻侧的夹角约为65，与耳侧的夹角约为100104，向上方约为65，向下方为75。,第1章 绪论,1.2.3. 色彩学基础,彩色是物体反射光作用于人眼的视觉效果。自然界中的景物，在太阳光照射下，由于反射了可见光中的不同成分而吸收其余部分，从而引起人眼的不同彩色感觉。1.三基色原理自然界中任意一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的基色的线性组合。国际照明委员会（CIE）的色彩学CIE-RGB计色系统规定：波长70
23、0nm，光通量为1lm的红光为一个红基色单位，用（R）表示；波长546.1nm，光通量为4.95lm的绿光为一个绿基色单位，用（G）表示；波长435.8nm，光通量为0.060lm的蓝光为一个蓝基色单位，用（B）表示。,第1章 绪论,将三基色按一定比例相加混合，就可以模拟出各种颜色，如： 红色+绿色=黄色 绿色+蓝色=青色 红色+蓝色=紫色 红色+绿色+蓝色=白色等量的RGB能配出等能的白光。这样三基色按不同比例就能合成出如图1.5所示的以三基色为顶点的三角形所包围的各种颜色。,第1章 绪论,光电 显 示 技 术,图1.5三基色原理示意图,第1章 绪论,2. 色彩再现,显示器中的色彩再现，不是
24、把实际的色彩完全忠实地再现，只要再现出的色彩令收看者满意就可以了。图1.6所示为一个彩色显像管（CPT）荧光粉点的布局图，红（R）、绿（G）、蓝（B）三色荧光粉点各自在相应的红、绿、蓝电子束的轰击下发光从而产生颜色。三个荧光粉点虽然在荧光屏上占有不同的空间位置，但它们产生的不同颜色的光却落在同一个视觉细胞上，产生出三色相加的视觉效果。可见，彩色再现是对人眼视觉特性的巧妙利用，荧光屏上所显示的颜色实际上是在观察者自己的视觉上混合产生的。色彩再现的过程如图1.7所示。,第1章 绪论,图1.6 彩色显像管荧光粉点布局图,图1.7 色彩再现过程示意图,第1章 绪论,3.颜色的特征参数： 颜色包括三个特
25、征参数：亮度、色度、饱和度。 亮度表示各种颜色的光对人眼所引起的视觉强度，它与光的辐射功率有关。 色调表示颜色彼此区分特性，不同波长的光辐射在物体上表现出不同色调特性。 饱和度表示颜色光所呈现的颜色深浅程度（或纯度）。饱和度越高，则颜色越深，如深红、深绿等。饱和度越低，则颜色越浅，如浅红、浅绿等。 色调与饱和度又合称为色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。,第1章 绪论,1.2.4 .显示器件主要性能指标,1.像素（pixel）：像素指构成图像的最小面积单位，具有一定的亮度和色彩属性。在显示器中，像素点的大小可依据该系统的观看条件（如观看距离、照明环境等）下，肉眼所能分辨的最小
26、尺寸而确定。实际系统的具体例子，如表1-3所列。,第1章 绪论,表1-3 显示器制式与像素数、宽高比,第1章 绪论,2.亮度：显示器件的亮度指从给定方向上观察的任意表面的单位投射面积上的发光强度。亮度值用cd/m2表示。一般显示器应有70cd/m2的亮度，具有这种亮度图像在普通室内照度下清晰可见。在室外观看要求亮度更高，可达300cd/m2以上。人眼可感觉的亮度范围为0.0350000cd/m2。 3.亮度均匀性：亮度均匀性反应的是显示器件在不同显示区域所产生的亮度的均匀性。通常也用它的反面概念不均匀性来描述，或者用规定取样点的亮度相对于平均亮度的百分比来描述。,第1章 绪论,4.对比度和灰度
27、对比度指画面上最大亮度和最小亮度之比。该指标与环境光线有很大关系，另外测试信号一般采用棋盘格信号，并将亮度控制器调整到正常位置，对比度调整到最大位置，此时对比度为白色亮度和黑色亮度的比值。一般显示器应有301对比度。 5.灰度指画面上亮度的等级差别。例如，一幅电视画面图像应有八级左右的灰度。人眼可分辨的最大灰度级大致为100级。 6.分辨率（resolution）分辨率指单位面积显示像素的数量。,第1章 绪论,7.清晰度（definition）清晰度是指人眼能察觉到的图像细节清晰的程度，用光高度(帧高)范围内能分辨的等宽度黑白条纹(对比度为100)数目或电视扫描行数来表示。如果在垂直方向能分辨
28、250对黑白条纹，就称垂直清晰度为500行(线)。,第1章 绪论,8.分辨力是人眼观察图像清晰程度的标志，与清晰度定义近似，分辨力可以用图像小投影点的数量表示，如SVGA彩色显示器的分辨力是800600，就代表画面是由800600个点所构成，组成方式为每条线上有800个投影点，共有600条线。分辨力有时也用光点直径来表示。用光栅高度除以扫描线数，即可算出一条亮线的宽度，此宽度即为荧光屏上光点直径的大小。在显示器件中，光点直径大约几微米到几千微米。一般对角线为2353cm的电视显像管其光点直径约为0.20.5mm。,第1章 绪论,9.发光颜色发光颜色(或显示颜色)的衡量方法，可用发射光谱或显示光
29、谱的峰值及带宽，或用色度坐标表示。显示器件的颜色显示能力，包括颜色的种类、层次和范围，是彩色显示器件的一个重要指标。真（全）色彩的色彩数目为16777216色，即红、绿、蓝各256级灰度， 256256256=1677721616M。 10.余辉时间余辉时间指荧光粉的发光，从电子轰击停止后起，到亮度减小到电子轰击时稳定亮度的l/10所经历的时间，余辉时间主要决定于荧光粉，一般阴极射线荧光粉的余辉时问从几百纳秒到几十秒。,第1章 绪论,11.解析度DPI（Dot Per Inch）解析度指图片1英寸长度上小投影点的数量，分为水平解析度和垂直解析度。解析度越高显示出来的影像也就越清晰。 12.收看
30、距离收看距离可以用绝对值表示，也可以用与画面高度H的比值来表示（即相对收看距离）。 13.周围光线环境周围光线环境主要指观看者所在的水平照度以及照明装置。,第1章 绪论,14.图像的数据率数据率指在一定时间内、一定速度下，显示系统能将多少单元的信息转换成图形或文字并显示出来。如果已知一个字符或像素是以n比特）（bit）计算机符号表示，数据率可以换算成比特/秒（bps）。图像的信息量是惊人的，比如：一张A4文件的数据量大约是2KB），一张A4黑白照片的数据量大约是40KB，一张A4彩色照片的数据量大约是5MB，一分钟家用录像系统（VHS:Video Home System）质量的全活动图像的数据
31、量约为10MB，一分钟广播级全动态影像（FMV:Full-motion Video）的数据量就约为40MB。,第1章 绪论,15.其它其它指标如辐射，CRT明显大于其他显示器件，其它显示器件之间差别不大。在显示相应时间方面，LCD类的显示器件劣于其他器件。在显示屏的缺陷点方面，CRT一般不会出现这样的问题，而其它显示器件虽然在出厂时该指标控制的较严，但用户在使用过程中有时会出现缺陷点。在可靠性方面（MTBF值），基本上都可以达到15000h，需要注意的是投影设备里往往使用了灯泡作为光源，灯泡的寿命有限，只能作为消耗品，也就是说在使用过程中需要定期更换这些部件。,第1章 绪论,习题一 1.光电显
32、示器件有哪些分类？2.测光量有哪些？单位分别是什么？3.简述人眼的视觉生理基础。4.简述色彩再现原理？,光 电 显 示 技 术,5.表征显示器件的主要性能指标有哪些？ 6.计算：一个满帧图像，分辨力为VGA制式640480像素，每像素量化量为8bits，刷新频率为30Hz，则一秒钟视频图像的资料长度为多少字节。假设拨号上网的速率为33.6kbps，以这样的速率来传送一分钟的图像资料大约需要多少时间才能完成？假如图像压缩比为501，实时传输图像需要多大的传输速率？,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
33、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,光 电 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
34、 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,2.1.1 黑白CRT显示器的基本结构与工作原理黑白CRT即单色(Monochro
35、me 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。,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,图2.1 单色CRT的结构示意图,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
36、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,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
37、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2.2 彩色CRT的结构示意图,光 电 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
38、钉将荫罩固定在显示屏内侧。,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,图2.3 彩色CRT工作原理,光 电 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)(2-2)式中： 为荫罩与荧光屏的距离； 为孔距放大率；为从电子枪到荧光面的距离； 为电子枪的束间距； 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。,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
39、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。,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
40、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。,第2章 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）、
41、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,图2.4 电子枪结构示意图,光 电 显 示 技 术,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。,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,(4) 加速极它也是顶部开有小孔的金属
42、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58KV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2234KV。,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,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
43、，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。,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,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。,第2章 阴极射线管(
44、CRT)显示技术,一般把余辉分成三类：余辉时间长于0.1s的称为长余辉发光；余辉时间介于0.1s至0.001s的称为中余辉发光；余辉时间短于0.001s的称为短余辉发光。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。,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,如果已知荧光粉的发光时间特性 ，那么在一帧时间T内平均亮度应为：(2-3)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
45、度和屏幕电压的高低。因此屏幕亮度可表示为 (2-4)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。,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,3. 偏转系统如果不加偏转电压，经过加速、聚焦的具有很高动能的电子束轰击荧光面时，仅能在荧光屏中心位置产生亮度很高的光点，难以成像；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，这就是偏转系统的作用。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
46、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，产生一个水平方向线性变化的磁场，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。,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,我国采用的PAL制式规定，每帧625行，每秒25帧。隔行扫描，每帧两场，每秒50场；每行水平扫描正程为52s，逆程为12s，场正程时间18.4ms，逆程时间1.6ms，垂直方向显示575行。,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,4. 荫罩荫罩、玻壳和电子枪是组成彩色显
47、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。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。,第2章 阴极射线管(CRT)显示技术,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
48、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。,2.2 CRT显示器的驱动与控制 2.2.1 CRT显示器相关技术,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，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。,2.2.
49、1 CRT显示器相关技术,3. 回转变压器（Flyback Transformer） 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。,2.2.1 CRT显示器相关技术,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=512
50、线30帧/秒=15.75kHz，显示器的水平同步信号可任意调节，幅度在15.75KGz95KHz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=63.5s。电视机扫描一帧图像要返回525次。因为CRT的频繁开关和扫描切换，在屏幕上实际表现出来的线数比525要少一些，一般约为428399条线。,2.2.1 CRT显示器相关技术,5. 交错和非交错 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。,
