光電子技術(shù)光電子發(fā)光與顯示技術(shù)

1、v陰極射線管（Cathode Ray Tube, CRT）的發(fā)展可追溯到1897年布朗的示波管，1938年德國人W. Fleching提出彩色顯像管專利，1950年美國的RCA公司研制出三槍三束蔭罩式彩色顯你管，1953年實(shí)用化。20世紀(jì)60年代，玻殼由圓形發(fā)展為角矩形管，尺寸由21英寸發(fā)展到25英寸偏轉(zhuǎn)角由70增大到90，熒光粉由發(fā)光效率較低的磷酸鹽型發(fā)展為硫化物藍(lán)綠熒光粉和稀土類紅色熒光粉。70年代后，彩色顯示管進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，熒光屏由平面直角發(fā)展到超平，純平，尺寸發(fā)展到主流29英寸以上，偏轉(zhuǎn)角由90增大到110，橫縱比不斷增大，采用自會(huì)聚管以提高顯示分辨率。近年來，高分辨率彩電已成為

2、發(fā)展方向。 黑白顯像管是通過電光轉(zhuǎn)換重現(xiàn)電視圖像的一種窄束強(qiáng)流電子束管，是單色CRT。主要用途是在電視機(jī)中顯示圖像。其基本工作原理是：電子槍發(fā)射出電子束，電子槍受陰極或柵極所加的視頻信號(hào)電壓的調(diào)制，電子束經(jīng)過加束極的加速，聚焦極的聚焦，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)掃描到屏幕前面的熒光涂層上，產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光，最終形成滿足人眼視覺特性要求的光學(xué)圖像。其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。v一、電子槍一、電子槍 電子槍是顯像管中極為重要的組成部分。電子束的發(fā)射、調(diào)制、加速、聚集均由電子槍來完成。顯示管用電子槍屬于弱流電子槍，由圓筒電極、圓片和圓帽電極排列裝配而成。一般分為雙電位電子槍（Bi-potential Focus, BPF

3、）和單電位電子槍（Uni-Potential Focus, UPF）。UPF電子槍比BPF電子槍多一個(gè)高壓陽極，聚焦能力大大提高，在熒光屏上形成直徑為0.2mm左右的光點(diǎn)。 常用的黑白顯像管電子槍包括5個(gè)以上的電極，即陰極（發(fā)射極）K，柵極（控制極）G，第一陽極（加速極）A1，第二陽極A2和第三陽極A3級(jí)成聚焦極，第四陽極A4與A2內(nèi)部相連組成高壓電極并且與管錐體內(nèi)側(cè)所涂石墨導(dǎo)電層相連至高壓嘴處。它們的相互位置如圖1.2所示。 陰極表面涂有氧化物材料，當(dāng)陰極被陰極里面的燈絲加熱到約800時(shí)，電子獲得逸出功，大量電子從陰極表面發(fā)出，并對(duì)準(zhǔn)柵極的小圓孔飛行出去。電子飛出的多少，由柵極與陰極之間所加

4、的電壓的大小決定，從而可以調(diào)制光點(diǎn)的亮暗。正常工作時(shí)，柵極所加的電壓比陰極低，從而對(duì)來自陰極的電子有排斥作用，只有少量電子能通過柵極到達(dá)屏幕。柵極電壓負(fù)到電子束電流為零時(shí)的電壓值稱為截止電壓，一般為-20-90V。柵極與陰極間的距離一般為1mm以下，柵極中心孔直徑為0.60.8mm。 加速極呈圓盤狀，中間也開有上孔，電壓一般為300450V。 聚焦極裝在加速極后面，電壓在0450V之間可調(diào)，改變這個(gè)電壓，可以改變電子束聚焦的質(zhì)量。 第四陽極與第二陽極施加800016000V的高壓，使電子束以足夠高的速度轟擊熒光粉發(fā)光。 v 二、玻璃外殼二、玻璃外殼 玻璃外殼由管頸、錐體和面玻璃三部分組成。管頸

5、內(nèi)部安裝電子槍。玻璃錐體將面玻璃和管頸連接起來，其張開角代表最大電子束偏轉(zhuǎn)角度。同樣尺寸的熒光屏，偏轉(zhuǎn)角越大，管子長度就越短，可以減少電視機(jī)的厚度，國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)顯像管主要有70、90、110和114等。玻璃錐體內(nèi)，外壁涂有石墨導(dǎo)電層。玻璃錐體壁上裝有高壓帽，與內(nèi)導(dǎo)電層相通，并與電子槍內(nèi)的A2和A4陽極相連。高壓由高壓帽輸入到A2和A4，這樣高壓就不從管座引入，其優(yōu)點(diǎn)是可以降低管座絕緣材料的耐高壓指標(biāo)。玻殼外涂層石墨與電視機(jī)的地相連并與高壓帽絕緣，內(nèi)外石墨層在璃殼壁形成5001000pf的高壓電容器，兼作為高壓整流濾波電容。v 三、熒光屏三、熒光屏 熒光屏一般由玻璃基板、熒光粉層和和鋁膜層構(gòu)成，也稱

6、作屏幕。面玻璃尺寸寬度與高度之比有4：3、16：9等類型，習(xí)慣上將屏幕對(duì)角線長度定為顯像管的規(guī)格，用厘米（或英寸）表示。為了減小環(huán)境光的影響，提高圖像對(duì)比度，熒光屏玻璃采用具有中性吸光性能的煙灰玻璃，此外還要滿足光潔度、均勻性、耐壓力、面張力和防爆等性能要求。 熒光粉層完成顯像管內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換功能，黑白顯像管要求在電子轟擊下熒光粉發(fā)白光，一般采用顏色互補(bǔ)的兩種熒光粉混合起來發(fā)白光。如將發(fā)藍(lán)光的ZnSAg與發(fā)黃光的ZnS、CdSAg以55：45的比例混合制得P4熒光粉，或直接采用單一白色熒光粉。熒光粉的另一個(gè)重要參數(shù)是余輝時(shí)間，余輝時(shí)間定義為亮度減少到1/10時(shí)所用的時(shí)間，余輝時(shí)間長于0.1秒的叫

7、長余輝熒光粉，介于0.10.001秒的稱為中余輝熒光粉，短于0.001秒的稱為短余輝熒光粉。余輝太長運(yùn)動(dòng)畫面會(huì)有拖影，余輝太短平均亮度降低，電視采用中余輝熒光粉，示波器等則采用長余輝熒光粉。 熒光粉采用沉淀法涂覆，把洗凈烘干的玻璃屏放在涂覆機(jī)上，玻璃屏的傾角和轉(zhuǎn)速由涂覆機(jī)來控制。向玻璃屏中心滴入加有醋酸鋇等電解質(zhì)的熒光粉和水玻璃懸浮液，開啟涂覆機(jī)使其均勻涂覆于玻璃基板上，經(jīng)烘干后即形成牢固的熒光粉層。 在熒光粉層表面蒸鍍一層0.10.5m的鋁膜，并使其與電子槍的陽極相連，可以提高圖像顯示性能。主要優(yōu)點(diǎn)為：可以防止負(fù)電荷積累導(dǎo)致的熒面電位下降，從而限制了亮度的提高；鋁可將熒光粉發(fā)向管內(nèi)的光線反射

8、到觀察者一側(cè)，提高亮度；阻檔負(fù)離子對(duì)熒光層的轟擊防止離子斑。 熒光粉的發(fā)光效率以每瓦電功率所獲得的發(fā)光強(qiáng)度計(jì)，輸入的電功率是電子束電流（陰極電流（A）與陽極高壓的乘積，發(fā)光強(qiáng)度為cd（坎德拉）。一般的熒光粉發(fā)光效率都大于5cd/W，有的大于10cd/W，而白熾燈的發(fā)光效率都不超過2cd/W。 v四、掃描方式四、掃描方式 在顯像管中電子束的掃描是通過磁偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。在廣播電視技術(shù)中，將一幅畫面稱為一幀，并規(guī)定每秒傳送25幀。每幀只要分解為幾十萬個(gè)像素，這些像素又分割成625行，這樣每系就要傳送25625=15625行，要實(shí)現(xiàn)這樣的速度，必須采用電子掃描來實(shí)現(xiàn)。 按電子束運(yùn)動(dòng)的規(guī)則可分為直線掃描、

9、圓掃描、螺旋掃描等。在電視系統(tǒng)中，為了充分利用矩形屏幕并使掃描設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，采用了勻速單向直線掃描方式，而單向直線掃描又分為逐行掃描和隔行掃描兩種方式。v五、逐行掃描五、逐行掃描 在電視系統(tǒng)中，攝像管與顯像管電子槍外部都裝有相互垂直的行、場(chǎng)兩對(duì)偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流有行、場(chǎng)鋸齒電流。電子束在通過兩個(gè)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，在熒光屏上做從上到下、從左到右的勻速往復(fù)直線掃描動(dòng)動(dòng)。我們將一行緊跟一行的撫摸方式稱為逐行掃描，在逐行掃描過程中，其圖像信號(hào)的時(shí)間順序與空間順序是一致的。 我國電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，行掃描的周期為64s，其中行掃描正程為52，行逆程為12s。場(chǎng)掃描頻率為50Hz，即可適應(yīng)人眼的暫留效應(yīng)，克服閃爍

10、感，又與電網(wǎng)頻率相同，達(dá)到消除干擾的目的。場(chǎng)掃描周期為20ms，場(chǎng)掃描正程時(shí)間18.4ms，場(chǎng)掃描逆程時(shí)間1.6ms，要實(shí)現(xiàn)這樣的指標(biāo)，電視圖像信號(hào)的通頻帶要求達(dá)到11MHz以上。v六、隔行掃描六、隔行掃描 我國電視信號(hào)通頻帶規(guī)定，圖像信號(hào)帶寬為6MHz。為了達(dá)到即不占用很寬的頻率帶，又能夠滿足足夠高的掃描頻率，以克服以閃爍現(xiàn)像，因此提出了2：1隔行掃描的工作方式。隔行掃描即是把一幀分為兩場(chǎng)來掃描，每秒掃描50場(chǎng)。規(guī)定奇數(shù)行1，3，5，7573（顯示行，其它為場(chǎng)逆程非顯示行）的場(chǎng)為奇數(shù)場(chǎng)，偶數(shù)行2，4，6，574的場(chǎng)為偶數(shù)場(chǎng)。若采用奇、偶兩場(chǎng)均勻相互嵌套的話，即可以獲得高的清晰度，又能保證每幀

11、掃描起點(diǎn)相同，兩場(chǎng)的掃描鋸齒電流規(guī)律相同，大大降低了對(duì)掃描電路的要求。這就是奇數(shù)行2：1隔行掃描方式。其掃描過程如圖1.3所示。隔行掃描示意圖（a）奇場(chǎng)光柵（b）偶場(chǎng)光柵（c）每幀光柵（d）行鋸齒電流波形（e）場(chǎng)鋸齒電流波形v（4）色度坐標(biāo)系 為了使各種顏色可以通過人的視覺系統(tǒng)良好地重現(xiàn)，人們建立了許多種色度坐標(biāo)系，總的來說有以下幾種： 1）CIE-RGB計(jì)色系統(tǒng) 在色度學(xué)中，國際照明委員會(huì)（CEI）于1931年規(guī)定了三基色（RGB）計(jì)色系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的三基色是：波長700nm、光通量1lm的紅光為一個(gè)紅基色單位，用（R）表示；波長546.1nm、光通量為4.5907lm的綠光為一個(gè)綠色單位

12、，用（G）表示；波長435.8nm、光通量為0.0601lm的藍(lán)光為一個(gè)藍(lán)基色單位，用（B）表示；等量的RGB能配出等能白光；即，當(dāng)用1lm的紅光做為基準(zhǔn)時(shí)，要配出白光，需要4.507lm的綠光和0.0601lm的藍(lán)光，白光的光通量為5.6508lm。v任一彩色光F總可以通過下列配色議程配出其中，R（R）、G（G）B（B）稱為F的三色分量，R、G、B稱為三色系數(shù)，m稱為色模，代表F所含三基色單位總量，r、g、b稱為色度坐標(biāo)或相對(duì)色系數(shù)，分別代表F所用三基色單位總量為我時(shí)所需的各基色量的數(shù)值，1931CIE色度圖系統(tǒng) 2）色度的XYZ計(jì)色系統(tǒng) 由于1931CIE-RGB坐標(biāo)系統(tǒng)中，出現(xiàn)了坐標(biāo)負(fù)值

13、，不易理解，因此1931年CIE推薦了一個(gè)新的國際色度學(xué)系統(tǒng)，1931CIE-XYZ系統(tǒng)，又稱XYZ國際坐標(biāo)制。在XYZ系統(tǒng)中，X、Y、Z不是真實(shí)的三基色，而是假想紅、綠、藍(lán)三基色或數(shù)學(xué)計(jì)算三基色。在該系統(tǒng)中，X、Y、Z均為正值，XYZ中只有Y（Y）基色分量一項(xiàng)有亮度，令1（Y）的光通量 為1lm，而另外兩個(gè)基色不含有亮度，但其色度仍有X、Y、Z的比值確定，這樣X=Y=Z時(shí)仍代表等能白光。XYZ系統(tǒng)是由RGB系統(tǒng)推導(dǎo)而來的。由于（X）和（Z）的光通量應(yīng)為零，（X）、（Z）的連線應(yīng)為光通量等于零的軌跡。在RGB圖中，這條無亮度線公式就應(yīng)為XYZ在RGB系統(tǒng)中的位置v彩色顯像管采用紅綠藍(lán)（簡(jiǎn)稱RGB）三基色相加混色原理實(shí)現(xiàn)彩色圖像的顯示。v彩色顯像管應(yīng)能產(chǎn)生三束電子流，它們可以是來自一個(gè)電子槍（單槍三束），也可以來自三個(gè)電子槍（三槍三束）。v確保受三個(gè)基色信號(hào)控制的三束電子束準(zhǔn)確轟擊相應(yīng)的熒光粉，是彩色顯像管技術(shù)的關(guān)鍵。v蔭罩是一塊刻有成千上萬個(gè)孔的薄