4.1-CRT显示的基本原理-1

第四章阴极射线管（CRT）的显示特性及结构特点1897年，德国的布朗发明了阴极射线管（CRT，CathodeRayTube）的雏形。1938年德国人W.Fleching提出彩色显像管专利。1950年美国的RCA公司研制出三枪三束荫罩式彩色显像管，1953年实用化。20世纪60年代，玻壳由圆形发展为角矩形管，尺寸由21英寸发展到25英寸，偏转角由70°增大到90°，荧光粉由发光效率较低的磷酸盐型发展为硫化物蓝绿荧光粉和稀土类红色荧光粉。70年代后，彩色显示管进行了一系列的改进，荧光屏由平面直角发展到超平，纯平，尺寸发展到主流29英寸以上，偏转角由90°增大到110°，横纵比不断增大，采用自会聚管以提高显示分辨率。因为CRT显示器在图像质量和性能价格比上有很大的优越性，一直是各类平板显示器件的追赶目标。为了更好地理解以后我们将要学习到地各类平板显示器件的优缺点，先对CRT显示器件有个较为全面的了解是十分必要的。百余年来，CRT一直占据了光电显示的主导地位，如今其技术已极其成熟。阴极射线管作为一种传统的信息显示器件，它显示质量优良，制作和驱动比较简单，有很好的性能价格比。随着CRT应用的延伸，人们已不满足于CRT现状，期望一种显示质量如同CRT，而又具有体积小，重量轻，工作电压低，功耗小的新产品。液晶LCD平板显示器等离子体PDP平板显示器CRT显示器WeightversusScreenDiagonalWEIGHT(lbs)SCREENDIAGONAL(inches)0102030405060051015207080DISPLAYDIAGONALCRTDIAGONALFLATPANELDISPLAYDIAGONALRASTERCRTDiagonal4.1CRT显示的基本原理4.1CRT显示的基本原理1、CRT基本组成与各部分工作原理CRT(CathodeRayTube)结构示意图:灯丝：灯丝加电将阴极烘热发射电子。阴极：阴极受热后发射电子。栅极：也叫做控制极或调制极。圆筒形套在阴极外面，顶部中心开孔。通过调整栅极电压来调制通过的电子数目，改变显像管束电流的大小，从而控制荧光屏的亮度。1、CRT基本组成与各部分工作原理第一加速阳极：使电子束加速射向荧光屏，通过改变电压大小来控制荧光屏的背景亮度。聚焦极：使电子聚焦成很细的电子束，保证亮点足够小，提高分辨率。改变聚焦电压的大小可改变荧光屏聚焦的好坏。偏转区：使电子束产生水平和垂直方向的偏转，从而使电子束按指定的位置着屏。最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。锥体部分为高压阳极。单色显像管加电压12～17KV，彩色显像管加电压22～34KV，随显像管尺寸大小而异。阳极高压对电子束起最后加速的作用，使其有较大的能量轰击荧光屏百激发出光点，电压越高光点越亮。显像管荧光屏玻璃内壁涂一层荧光膜，受电子轰击而发光，发光颜色与荧光粉颜色有关。1、CRT基本组成与各部分工作原理1、CRT基本组成与各部分工作原理Electrongun对电子束的聚焦方法：静电聚焦和磁聚焦一般的CRT都是采用静电聚焦，主要是因为静电聚焦控制简单，几乎不消耗功率。而磁聚焦需要在电子枪上外加磁聚焦线圈，要消耗较大的功率，调整比较麻烦，但是在设计合理、调整恰当的情况下，其聚焦效果会相当好，因此常常用于一些要求精细聚焦的场合。①静电聚焦如果在电位分别为U1和U2（U1＞U2）的两块平行板之间有一电子，在电场力作用下由电位为U1的极板移向电位为U2的极板，则电场力所做的功e(U1-U2)应转变为电子的动能mV2/2，即式中，m为电子质量；e为电子电荷；v是电子在路径终点的速度。由上式可求得电子在路径终点时的速度为式中，U为电子路径终点和起点之间的电位差。将e和m以绝对静电单位制代入，U用伏特（V）表示（1静电单位电压=300伏特），可以得到212/2()mveUU1222()eevUUUmm102824.810600(km/s)9.110300UvU如果电子在进入电场时初速度不等于零，则它在每一瞬间的速度是初速度与电场力所得速度的几何和，此时有以下几种情形：（1）电子初速度的方向与电场力作用的方向相同或相反。（2）电子初速度垂直于电场力的作用方向：静电偏转的基础。①静电聚焦（3）电子初速度的方向与电场方向成夹角（）。为便于分析起见，从上图中两平行板间的电场取出一个很小的区域加以放大，如右图。是电力线方向，虚线A和B为不同等位面之间的夹层，AB之上的区域电位为U1，AB之下的区域电位为U2，且U2＞U1。090'oo12xxvv111222sin,sinxxvvvv1122sinsinvv1221sinsinvv2121sinsinUU①静电聚焦（4）等位面为曲面时，根据上式，在U2＞U1的条件下，，可做出如下图所示的两种典型情况。图(a）中等位面为凸面，将使电子束会聚，相当于会聚透镜；图(b）的等位面为凹面，则使电子束发散，相当于发散透镜。如果设计多个电极，每个电极施加不同的电压，形成凸、凹不同的等位面组合，就相当于光学中的透镜组。12①静电聚焦经以上分析可知：电子在电场中的运动轨迹在由一个电位经等位面进入另一个电位时，就像光线由一种媒质进入另一种媒质的折射一样也会发生转折，而且表示电子转折的公式也和光线折射规律的公式类似，只不过在实际电场中电位总是连续变化的，找不出像前两幅图所示那样“跳跃”变化的情况。正是由于电子在电场中的运动与光线在介质中的传播有这种极其相似的关系，因此光学中的许多定律可以被直接引用到电子运动轨迹的研究中，成为一门叫做“电子光学”的学科。而CRT电子枪中的聚焦系统也通常被称为“电子光学系统”。①静电聚焦在上面分析的基础上，回过头来再看看电子枪中的电子束是如何聚焦的。为此将CRT电子枪沿管轴剖开，画出阴极（K）、控制极（G）、预加速极（A1）和聚焦阳极（A2）相互之间的电场分布如图所示。电子束是靠两个复杂的电子光学透镜组来完成聚焦的。第一电子透镜也可称为预聚焦透镜，由阴极、控制极和第一阳极组成。第二透镜在第一阳极和第二阳极之间，其焦距较长，又叫做主聚焦透镜。只要选择好各电极上的电压，就可以使通过主聚焦透镜后电子束会聚于f2点。调节聚焦极（即A2）的电压就可改变主聚焦透镜的电场分布，从而改变焦距。当调节到无点正好落到荧光屏上时，则显示的光点就会是最小、最清晰的。①静电聚焦影响屏幕上光点尺寸的主要原因有二：一是交叉点的尺寸，其大小主要决定于预聚焦透镜的设计和阴极的形状及其所选用的材料。二是离开第二透镜后，在飞向屏幕的途中电子束里电荷之间的相互排斥作用。为使第二透镜聚焦良好，通常是在预聚焦极和主聚焦极之间再安装一个辅助聚焦极，它与高压阳极相连，带有很高的电压，这样在调节主聚焦电压时不会影响预聚焦透镜，同时减小了电子束飞往屏幕途中的相互排斥作用。顺便提及，前述只有第一阳极（预加速阳极）、第二阳极（主聚焦极）和高压阳极（也可称为第三阳极）的CRT叫做三极式CRT；而引入了辅助聚焦阳极的CRT叫做四极式CRT。①静电聚焦②磁聚焦电子在磁场中运动会受到磁场力的作用而改变其运动方向，CRT中的磁聚焦和磁偏转就是对这一现象的巧妙利用。电荷量为e的电子，以速度v飞入均匀磁场，当速度的方向与磁感应强度B的方向之夹角为时，电子在电场中所受到的磁场力Fm的大小为力Fm的方向可根据下述的右手定则来决定：将分开拇指的右手掌放置成使磁力线穿入掌心，并拢的四个手指指向电流方向，则伸开的拇指就指示了磁场作用力Fm的方向。mF=eBvsin长磁透镜通过电子束交叉点的电子，以大小相同、与管轴夹角不同的速度进入方向与管轴平行的均匀磁场，这种磁透镜叫做长磁透镜。2(sin)/sinmvreBvsinmvreB2evUm2sinmUreB2/(sin)trv(/)(2/)tmeB(cos)(/)(2/)(cos)ltvmeBv这种长磁透镜要求在整个区间都要保证磁场是均匀的，它只能由长度大大超过其直径的线圈来产生。这个线圈比管子还要长，对显示用CRT来说是不可取的。实际磁聚焦显像管通常采用短磁透镜。短磁透镜是由套在管颈外面并通以恒定电流的短线圈形成的。线圈的长度比阴极到屏幕的距离小得多。显然，这种短线圈所产生的磁场是不均匀的，但却成轴对称。它与长磁透镜的主要区别是：①在长磁透镜中，物与像都位于磁场中；而短磁透镜中的物与像均在聚焦磁场外面。②在长磁透镜中，对电子束发生偏斜作用而实现聚焦的只是磁场的轴向分量（长磁透镜也只有轴向分量）；而在短磁透镜中使电子束发生偏斜运动的除了磁场的轴向分量外还有径向分量。短磁透镜短磁透镜以速度为v的旁轴电子进入这种不均匀磁场，与磁场径向分量Hr之间相互作用，产生力，得到侧向加速度，使之旋转运动。由于电子有了侧向运动的速度分量，此速度分量又与磁场的轴向分量Hz相互作用，产生指向管轴的力Fz。因此电子在向前运动的同时，一方面旋转一方面向管轴靠近。在飞出聚焦磁场后，就沿飞出点的切线方向直线前进。当电子经过聚焦中心达到右边磁场时，电子受力与进入磁场时受力方向相反。说明：在聚焦中心左边电子束逼近管轴会聚；在右边电子束离开管轴发散。这相当于光学系统中的凸、凹透镜的组合。飞出聚焦系统的电子束立即进入偏转区，在偏转电场或磁场的作用下发生偏转运动。利用电场使电子束偏转的CRT叫做静电偏转CRT；利用磁场使电子束偏转的CRT叫做磁偏转CRT。静电偏转是由安装在CRT管颈内聚焦阳极后面的两对相互垂直的偏转板来实现的。由于偏转板安装在CRT管颈内部，其尺寸就受到管颈空间的限制，因而对电子束的偏转作用也受到了限制。这就使CRT的偏转角不可能做得很大。磁偏转CRT的偏转原理磁偏转的关键部件是套在CRT管颈外面的两组相互正交的偏转线圈，其形状如下图所示。对线圈通以电流时线圈中与管轴平行的纵向部分在管颈内产生与电子束运动方向垂直的磁场，使电子束发生偏转运动。而线圈的横向部分则完全是为了传导电流之用，它对电子束的偏转毫无好处，故往往是把两端的横向部分翘起成马鞍形以减小其有害影响。当电子离开聚焦阳极进入偏转磁场之后就发生偏转运动；离开偏转磁场后就沿飞出点的切线方向前进射向荧光屏。电子在偏转磁场中将做圆周运动，圆弧的半径再用加速阳极电压Eb代替上式中的电压U偏转量：说明了偏转量与CRT管子参量和偏转磁场之间的相互关系。2sinmUreB2bEmreBsinsin//ACrlrsin2beBlmE磁偏转CRT的偏转原理一、荧光屏的构成在CRT玻璃屏幕的内侧涂敷了薄薄的一层称为荧光粉的发光物质，这样的屏幕就叫做荧光屏，其作用是将电子的轰击变成光信号输出。荧光屏的构成：玻璃屏面，荧光粉和铝膜1.荧光粉荧光质：在电子轰击下具有足够发光能力的化合物，基本材料是无色透明的物质，例如锌、镉、镁和硅的氧化物与硫化物——ZnO，ZnS，CdS，MgO，CdO，SiO等。溶剂：氯化钠（NaCl）一类物质，用来加速结晶过程，结晶后溶剂就被排除出去。激活剂：使被激发的电子便于转移，造成电子飞出的条件。银、铜、锰等是良好的激活剂。荧光粉组成对荧光粉的性能要求是：发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合适寿命长等。1.荧光粉2.铝膜铝膜:采用真空镀膜技术敷在荧光质上的一层极薄的蒸铝层，厚度在微米级好处:①起反光镜的作用，增加亮度的同时提高对比度。②铝膜直接与锥体上的石墨导电层相连，相当于荧光质直接和管壁导电层相通，屏幕的电位不再与二次电子的发射性质有关，仅仅决定于最后的加速阳极电压。③铝膜还吸收管子内部的负离子，消除了由于质量远大于电子的离子轰击荧光屏而形成的损伤（即离子斑）。缺点：增加铝膜，要求加速阳极的电压也更高，以便穿透铝层打到荧光质上。3.玻璃屏玻璃外壳由芯柱、颈部、锥部和屏面四部分组成。玻璃外壳各部分中最关键的屏面，需要兼顾下面四个方面。（1）耐大气压力显像管工作于高真空，内外压差是一个大气压，即1kg/cm2