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1、光电子技术(2)(光电子发光与显示技术),1 阴极射线管显示,光电子技术精品课程,1 阴极射线管显示,阴极射线管（Cathode Ray Tube,CRT）的发展可追溯到1897年布朗的示波管，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
2、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。近年来，高分辨率彩电已成为发展方向。,光电子技术精品课程,我国CRT电视发展历史回顾,导入期（70年代初期到80年代初期）,从我国第一台黑白电视的诞生到现在第二代超薄CRT彩电的出现，CRT电视产业先后经历了导入期、成长期、成熟期。在技术上也实现着从黑白到彩色，从模拟到数字，从球面到平面的创新转变。,1970年12月26日，我国第一台彩色电视机在同一地点诞生，1978年，国家批准从国外引进第一条彩电生产线，不久，国内第一个彩管厂咸阳彩虹厂成立，1987年，我国电视机产量已达1934万台，超过了日本，成为世界最大的电视机生产国
3、。在导入期，CRT电视经历了从无到有，从黑白的彩色的发展历程，并选择了引进生产线的发展捷径。在电视机主要元件改变了大量依赖进口的局面后，我国掌握了CRT电视生产的主动权，各家国产品牌如雨后春笋般的涌现出来,1958年我国第一台黑白电视机（北京牌14英寸CRT电视）在天津712厂诞生,光电子技术精品课程,CRT电视成长期（80年代中期至90年代中期）,80年代中期，虽然国产彩电在数量和规模已经有了空前发展，但国内企业引进的生产线在技术上仍然比较落后外资品牌拿下了近八成的市场占有率，其中松下、东芝、日立等日本品牌占据绝对优胜地位。1989年8月，长虹率先挑起了价格战，在全国范围内全面降价。进入90
4、年代中期，价格战进入白热化阶段，一些实力较弱的彩电生产厂商相继转产或被淘汰，国产品牌与国外品牌的市场占有率之比逐渐由以前的28变成了82。在CRT电视的成长期，国产品牌在技术上的劣势暴露无遗。不过，国产品牌认清了当前的形式，扬长避短的与外资品牌打起价格战。,光电子技术精品课程,90年代中期，当国内彩电凭借低价优势压倒性的占领国内中低端彩电市场后，国外家电企业开始转向技术、升级产品，他们一方面增加在华投资并加速本土化进程，另一方面以产品和技术的革新占领高端市场。这一时期有代表性的世界知名产品为索尼的特丽珑电视。进入90年代后期，我国彩电业无论是生产技术、产销量、企业管理等已全面进入成熟期，彩电市
5、场已形成综合性品牌竞争。1998年市场占有率前10名的彩电品牌，已占据了80%以上的市场份额。在技术创新方面，这一时期的CRT电视品种已彻底告别黑白电视进入彩色世界，并由模拟向数字化迈进，显示器由球面转向平面，以至于大屏幕等离子、背投、立体、高清晰度等彩电技术大量涌现，创新的步伐越走越快。然在销量上CRT电视仍然占绝对的主流，但是在销售额上液晶电视已经达到52%。目前CRT市场的种种迹象说明，CRT电视正处于成熟期向衰退期的过渡阶段,CRT电视成熟期（90年代中后期至2010）,光电子技术精品课程,1.1、黑白CRT,黑白显像管是通过电光转换重现电视图像的一种窄束强流电子束管，是单色CRT。主
6、要用途是在电视机中显示图像。其基本工作原理是：电子枪发射出电子束，电子枪受阴极或栅极所加的视频信号电压的调制，电子束经过加束极的加速，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。阴极射线管主要有五部分组成：电子枪（ElectronGun），偏转线圈（Deflectioncoils），荫罩(Shadowmask)，荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳,光电子技术精品课程,1.1、黑白CRT,一、电子枪,光电子技术精品课程,1.1、黑白CRT,电子枪是显像管中极为重要的组成部分。电子束的发射、调制、加速、聚集均由电子枪来完成。显像
7、管用电子枪属于弱流电子枪，由圆筒电极、圆片和圆帽电极排列装配而成。一般分为双电位电子枪（Bi-potential Focus,BPF）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。,1.组成,黑白显像管的结构,光电子技术精品课程,2.分类,光电子技术精品课程,1.1、黑白CRT,常用的黑白显像管电子枪包括5个以上的电极，即阴极（发射极）K，栅极（控制极）G，第一阳极（加速极）A1，第二阳极A2和第三阳极A3级成聚焦极，第四阳极A4与A2内部相连组成高压电极并且与管锥体内侧所
8、涂石墨导电层相连至高压嘴处。,光电子技术精品课程,阴极表面涂有氧化物材料，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，从而可以调制光点的亮暗。正常工作时，栅极所加的电压比阴极低，从而对来自阴极的电子有排斥作用，只有少量电子能通过栅极到达屏幕。栅极电压负到电子束电流为零时的电压值称为截止电压，一般为-20-90V。栅极与阴极间的距离一般为1mm以下，栅极中心孔直径为0.60.8mm。加速极呈圆盘状，中间也开有上孔，电压一般为300450V。聚焦极装在加速极后面，电压在0450V之
9、间可调，改变这个电压，可以改变电子束聚焦的质量。第四阳极与第二阳极施加800016000V的高压，使电子束以足够高的速度轰击荧光粉发光。,光电子技术精品课程,3.电子束的聚焦,带有负电量e的电子，在电场E中受到的作用力为：,U1,U2,1）.静电聚焦,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,如果电子进入电场的初速度不为零，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，此时有一下几种情形：,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,影响屏幕光点尺寸的主要原因：1.交叉点的大小，主要取决于预聚焦透镜的设计和阴极的形状及其选用的材料；
10、2.离开第二透镜后，在飞向屏幕途中电子束里电荷之间的相互排斥作用。引入辅助聚焦透镜，减少调节主聚焦电压时不会影响预聚焦透镜，同时减少电子束飞向屏幕途中的相互排斥作用,光电子技术精品课程,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利用。电子在磁场受到的磁场力为：,当,时,带电粒子在磁场中做匀速圆周运动（回旋运动），,光电子技术精品课程,在均匀磁场中运动的带电粒子，当,与,和匀速圆周运动，结果它将沿螺旋线向前运动。,间有一任意夹角时，,带电粒子同时参与匀速直线运动,螺旋线的半径为,粒子回转一周所前进的距离螺距,粒子回旋周期为,光电子技
11、术精品课程,一束发散角不大的带电粒子束，当它们在磁场B的方向上具有大致相同的速度分量时，它们有相同的螺距。经过一个周期它们将重新会聚在另一点，这种发散粒子束会聚到一点的现象与透镜将光束聚焦现象十分相似，因此叫磁聚焦。,光电子技术精品课程,3.静电偏转,偏转角度在30度和53度两种,光电子技术精品课程,4.磁偏转,飞出聚焦系统的电子束立即进入偏转区，在偏转磁场作用下发生偏转,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,对穿过其间的电子束产生水平方向的作用力F，在屏幕上产生左右偏转。为得到比较均匀的磁场，通过计算，线圈匝按余弦规律分布。因行输出管的输出功率较大，需要较大的电流流过行偏转线圈，在偏转线圈
12、外部套有铁氧体磁环，使磁力线通过磁环形成闭合回路，可使内部磁场强度提高，磁环同时起屏蔽作用。为减小漏磁场线匝形状做成马鞍形,光电子技术精品课程,磁场不均匀,光点变成椭圆形,桶形失真,光电子技术精品课程,1.1、黑白CRT,二、玻璃外壳 玻璃外壳由管颈、锥体和面玻璃三部分组成。管颈内部安装电子枪。玻璃锥体将面玻璃和管颈连接起来，其张开角代表最大电子束偏转角度。同样尺寸的荧光屏，偏转角越大，管子长度就越短，可以减少电视机的厚度，国产标准显像管主要有70、90、110和114等。玻璃锥体内，外壁涂有石墨导电层。玻璃锥体壁上装有高压帽，与内导电层相通，并与电子枪内的A2和A4阳极相连。高压由高压帽输入
13、到A2和A4，这样高压就不从管座引入，其优点是可以降低管座绝缘材料的耐高压指标。玻壳外涂层石墨与电视机的地相连并与高压帽绝缘，内外石墨层在璃壳壁形成5001000pf的高压电容器，兼作为高压整流滤波电容。,光电子技术精品课程,1.1、黑白CRT,三、荧光屏荧光屏一般由玻璃基板、荧光粉层和和铝膜层构成，也称作屏幕。面玻璃尺寸宽度与高度之比有4：3、16：9等类型，习惯上将屏幕对角线长度定为显像管的规格，用厘米（或英寸）表示。为了减小环境光的影响，提高图像对比度，荧光屏玻璃采用具有中性吸光性能的烟灰玻璃，此外还要满足光洁度、均匀性、耐压力、面张力和防爆等性能要求。荧光粉层完成显像管内的光电转换功能
14、，黑白显像管要求在电子轰击下荧光粉发白光，一般采用颜色互补的两种荧光粉混合起来发白光。如将发蓝光的ZnSAg与发黄光的ZnS、CdSAg以55：45的比例混合制得P4荧光粉，或直接采用单一白色荧光粉。荧光粉的另一个重要参数是余辉时间，余辉时间定义为亮度减少到1/10时所用的时间，余辉时间长于0.1秒的叫长余辉荧光粉，介于0.10.001秒的称为中余辉荧光粉，短于0.001秒的称为短余辉荧光粉。余辉太长运动画面会有拖影，余辉太短平均亮度降低，电视采用中余辉荧光粉，示波器等则采用长余辉荧光粉。,荧光粉,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,1.1、黑白CRT,荧光粉采用沉淀法涂覆，把洗净烘干的玻
15、璃屏放在涂覆机上，玻璃屏的倾角和转速由涂覆机来控制。向玻璃屏中心滴入加有醋酸钡等电解质的荧光粉和水玻璃悬浮液，开启涂覆机使其均匀涂覆于玻璃基板上，经烘干后即形成牢固的荧光粉层。在荧光粉层表面蒸镀一层0.10.5m的铝膜，并使其与电子枪的阳极相连，可以提高图像显示性能。主要优点为：可以防止负电荷积累导致的荧面电位下降，从而限制了亮度的提高；铝可将荧光粉发向管内的光线反射到观察者一侧，提高亮度；阻档负离子对荧光层的轰击防止离子斑。荧光粉的发光效率以每瓦电功率所获得的发光强度计，输入的电功率是电子束电流（阴极电流（A）与阳极高压的乘积，发光强度为cd（坎德拉）。一般的荧光粉发光效率都大于5cd/W，
16、有的大于10cd/W，而白炽灯的发光效率都不超过2cd/W。,光电子技术精品课程,1.1、黑白CRT,四、扫描方式在显像管中电子束的扫描是通过磁偏转来实现的。在广播电视技术中，将一幅画面称为一帧，并规定每秒传送25帧。每帧只要分解为几十万个像素，这些像素又分割成625行，这样1s内就要传送25625=15625行，要实现这样的速度，必须采用电子扫描来实现。按电子束运动的规则可分为光栅扫描、圆扫描、螺旋扫描等。在电视系统中，为了充分利用矩形屏幕并使扫描设备简单可靠，采用了匀速单向光栅扫描方式，而单向光栅扫描又分为逐行扫描和隔行扫描两种方式。,光电子技术精品课程,隔行(interlaced)和逐行
17、(progressive)，所以我们通常将隔行简称做I，逐行简称做P，如1080P，就是逐行扫描1920*1080的分辨率。这两种扫描方式都是CRT时代显示器的水平扫描方式。CRT的每一帧画面都通过电器枪自上而下的扫描来完成。这一过程中，如果逐一完成每一条水平扫描线，就称作逐行扫描。如果先扫描所有奇数扫描线，再完成偶数扫描线，就是隔行扫描，每一帧(Frame)图像通过两场(Filed)扫描完成，第一场只扫描奇数行，第二场只扫描偶数行。,隔行扫描(左图是奇数场，右图是偶数场),逐行扫描,光电子技术精品课程,1.1、黑白CRT,1、逐行扫描在电视系统中，摄像管与显像管电子枪外部都装有相互垂直的行、
18、场两对偏转线圈，线圈中分别流有行、场锯齿电流。电子束在通过两个偏转磁场时，在荧光屏上做从上到下、从左到右的匀速往复直线扫描动动。我们将一行紧跟一行的抚摸方式称为逐行扫描，在逐行扫描过程中，其图像信号的时间顺序与空间顺序是一致的。我国电视标准规定，行扫描的周期为64s，其中行扫描正程为52s，行逆程为12s。场扫描频率为50Hz，即可适应人眼的暂留效应，克服闪烁感，又与电网频率相同，达到消除干扰的目的。场扫描周期为20ms，场扫描正程时间18.4ms，场扫描逆程时间1.6ms，要实现这样的指标，电视图像信号的通频带要求达到11MHz以上。,光电子技术精品课程,1.1.黑白CRT,2、隔行扫描我国
19、电视信号通频带规定，图像信号带宽为6MHz。为了达到即不占用很宽的频率带，又能够满足足够高的扫描频率，以克服以闪烁现像，因此提出了2：1隔行扫描的工作方式。隔行扫描即是把一帧分为两场来扫描，每秒扫描50场。规定奇数行1，3，5，7573（显示行，其它为场逆程非显示行）的场为奇数场，偶数行2，4，6，574的场为偶数场。若采用奇、偶两场均匀相互嵌套的话，即可以获得高的清晰度，又能保证每帧扫描起点相同，两场的扫描锯齿电流规律相同，大大降低了对扫描电路的要求。这就是奇数行2：1隔行扫描方式。其扫描过程如图1.3所示。,光电子技术精品课程,1.1、黑白CRT,隔行扫描示意图（a）奇场光栅（b）偶场光栅
20、（c）每帧光栅（d）行锯齿电流波形（e）场锯齿电流波形,光电子技术精品课程,逐行扫描与隔行扫描图像质量对比,逐行扫描和隔行扫描的特点：逐行扫描的图像画面平滑、无闪烁;隔行扫描行间闪烁比较明显、会造成锯齿现象，它们是由组成单一帧的两个视场间的相对位移造成的;隔行扫描是一种压缩方式，用帧周期一半的时间，通过偏置两个视场来组建一帧，减少了一半需要传输或储存的信息量;对于未被压缩的隔行高清晰度视频，这个数据产生速度大约是前面的两倍。,光电子技术精品课程,几种常见的电视扫描格式：*D1为480i格式，和NTSC模拟电视清晰度相同，525条垂直扫描线，483条可见垂直扫描线，4：3 或16：9，隔行/60
21、Hz，行频为15.25KHz。*D2为480P格式，和逐行扫描DVD规格相同，525条垂直扫描线，480条可见垂直扫描线，4：3 或 16：9，分辨率为640480，逐行/60Hz，行频为31.5KHz。*D3为1080i格式，是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为19201080，隔行/60Hz，行频为33.75KHz。*D4为 720p格式，是标准数字电视显示模式，750条垂直扫描线，720条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为1280720，逐行/60Hz，行频为45KHz。*D5为1080p格式，是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫
22、描线，1080条可见垂直扫描线，16：9，分辨率为19201080逐行扫描，专业格式。*此外还有576i，是标准的PAL电视显示模式，625条垂直扫描线，576条可见垂直扫描线，4：3或16：9，隔行/50Hz，记为576i或625i。,以上标准中“i”表示隔行，“P”表示逐行。HDTV标准是高品质视频信号标准，包括1080i、720p、1080p，也就是说D3、D4、D5属于 HDTV标准,只有60英寸以上的显示屏才能够显示出19201080的信号,光电子技术精品课程,1.2、彩色CRT,彩色显像管采用红绿蓝（简称RGB）三基色相加混色原理实现彩色图像的显示。彩色显像管应能产生三束电子流，它
23、们可以是来自一个电子枪（单枪三束），也可以来自三个电子枪（三枪三束）。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。,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,圆孔荫罩板,41,光电子技术精品课程,三枪三束显像管结构示意图,光电子技术精品课程,单枪三束显像管结构示意图,光电子技术精品课程,荫罩式彩色显像管,荫罩是一块刻有成千上万个孔的薄钢板。荫罩孔的作用在于保证三个电子共同穿过同一个荫罩孔，以激发荧光粉，使之发出红、绿、蓝三色光。孔状荫罩和沟槽状荫罩 由于电子束在轰击荫罩时会产生软X射线，因此玻壳配方中掺入重金属，屏幕上为氧化锶和氧化钡，玻壳内含有氧化铅。,光电
24、子技术精品课程,主流中低档荫罩式显示器,孔状荫罩优点：成本低缺点：透过率50%，亮度、对比度低，分辨率低,沟糟荫罩优点：分辨率高，透过率70%,光电子技术精品课程,荫栅式彩色显像管,条状荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的互相平行的铁线阵列组成。电子透过率达到95%以上,光电子技术精品课程,自会聚显像管的结构,自会聚显像管采用精密一字形排列电子枪，每个电子枪都有自己的阴极、控制栅极、加速极、聚焦极和高压阳极，除了阴极为三个独立的结构外，其它均采用单片三孔或单一圆筒的一体化结构,光电子技术精品课程,1.3、彩色与视觉特性,1.彩色特性,可见光光谱,从光的角度可将物体分为发光体和不发光体两大类。发光
25、体的颜色由其本身发出的光谱所确定，例如激光二极管发红光是由于其光谱为780nm；不发光的物体颜色与照射光的光谱和其对照射光的吸收、反射、透射等特性有关，例如绿叶反射绿色的光，吸收其他的光而呈绿色,2.物体的颜色,光电子技术精品课程,在彩色电视系统中，设定了A、B、C、D、E五种标准白光源。其中：A光源：色温为2854K的白光，光谱偏红，相当于白炽灯发出的光。B光源：色温为4847K的白光，相当于中午直射的太阳光。C光源：色温为6774K的白光，相当于白天的自然光。它是NTSC制标准白光源。D光源：色温为6504K的白光，相当于白天的平均光。它是PAL制标准白光源。E光源：色温为5500K的理想
26、标准白光源。,3.标准光源,4.人眼的视觉特性,人眼的视觉特性包括亮度视觉、色度视觉、对图像细节的分辨率和对彩色的分辨率。亮度视觉（1）亮度视觉，是指人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别，以及在不同环境亮度下对同一亮度所产生的主观感觉。人眼对不同波长的光有不同的灵敏度，常用相对视敏度曲线表示。,人眼的相对视敏函数曲线,光电子技术精品课程,（2）彩色视觉 人眼的红、绿、蓝三种锥状细胞的视敏函数峰值分别在580nm、540nm、440nm，而且部分交叉重叠可引起混合色的感觉，不同波长的光对三种锥状细胞的刺激量不同，产生的彩色视觉也不同。（3）视觉隋性 人眼的主观亮度感觉与客观光的亮度并不同步，
27、人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的变化。这一特性称为视觉惰性或视觉暂留，视力正常的人视觉暂留时间约为0.1s。当人眼感受到重复频率较低的光强时，会有亮暗的闪烁感。通常将不引起闪烁感的最低频率称为临界闪烁频率，人眼的临界闪烁频率约为46Hz，高于该频率时人眼不再感觉到闪烁。顺序制彩色电视正是利用人眼的视觉惰性，采用时间混色法将三基色光顺序出现在同一平面的同一位置上，只要三基色光点相距时间间隔足够小，人眼观察到的就是其混合后的彩色。（4）分辨力 分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力，它取决于景物细节的亮度和对比度，亮度越低，分辨力越差。细节对比度越小，分辨力也越差。同时制彩色电视是利用人眼空
28、间细节分辨力差的特点，采用空间混色法将三基色光在同一平面的对应位置充分靠近，只要光点足够小且充分近，人眼在一定距离外观察到的就是其混合后的彩色。,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,相减混色,基本原理：滤光特性,写出混色关系,5.混色原理,三基色：自然界所有颜色可以由这三种颜色相混而成，同时三种颜色是相互独立，不能用其他两种合成。,光电子技术精品课程,光电子技术精品课程,相加混色,与相减混色比彩色范围更宽,时序混色和空间混色,光电子技术精品课程,6.计色制与色度图,700nm,546.1nm,435.8nm,待配色,配色实验,待配彩色光为：F=RR+GG+BB,F具有一
29、定亮度和色度的任一彩色光RGB分别表示红绿蓝三个基色单位RGB表示基色系数,彩色的量度,光电子技术精品课程,计色制与色度图RGB计色制：为准确的对各种颜色进行计算，国际照明委员会（CIE）采用一套可以由物理手段产生的谱色光作为三基色，其中，波长为700nm的红光为基色光，波长为546.1nm的绿光为基色光，波长为435.8nm的蓝色为基色光。由于这三种基色光可以由物理手段产生，因此通常称它们为物理三基色。,RGB色度图,光电子技术精品课程,XYZ计色制：在XYZ计色制中，人们用假想的三个基色X、Y、Z代替物理三基色R、G、B，建立新的计色系统和色度图。,XYZ色度图,光电子技术精品课程,色度三角形在色度图中，以R、G、B三点为顶点构成一色度三角形，由R、G、B混合出的颜色都包含在这个三角形内,色度三角形示意图,亮度方程在彩色电视中，PAL制和NTSC制均采用同样的亮度方程，Y=0.3R0.59G0.11B用电压表现形式为EY=0.3ER0.59EG0.11EB,光电子技术精品课程,作业1、CRT的基本组成由那些？简述基本原理2、什么是电子聚焦？分别解释静电场和磁场聚焦原理。3、CRT扫描方式有哪些？其工作原理是什么4、三基色原理？并分别针对相加混色和相减混色联测各自混色关系？5、荫罩与荫栅式显像管的对比？,
