彩色显示管

2.2.3　彩色显示管

1.彩色图像产生方式

（1）投影式（Projection System）

利用光学原理把红、绿、蓝三支单色投影管发出的光投影到屏幕上，产生彩色图像。依照投影管的位置可以分成前面投射式和背后投射式，依照投影管的种类又可以分成折射式和反射式。图2-17为投影式图像产生的示意图。

图2-17　投影式图像产生示意图

（2）直视式（Direct View System）

① 点组式荧光屏（Segmented Phosphor Screens）。由三原色小点（可以为条状、圆点或者其他形状）组成荧光体组（Triplet Group、Triads、Trio），荧光屏就是由这些小的荧光体组成。荧光体的红、绿、蓝三色分别受到准确的电子束轰击而发出红、绿、蓝光。由于在某一距离之外观看人眼无法分辨，因此成为这三种颜色合成的彩色。这种点状荧光屏分为荫罩管（Shadow Mask Tube）、聚焦罩管（Focus Mask Tube）、束指数管（Beam Index Tube）三种。

② 均匀荧光屏（Uniform Phosphor Screens – Penetration Tube）。在屏幕上涂上三层不同颜色的荧光体。改变电子的速度，就可以改变电子穿透的深度，从而使不同荧光体发光。控制电流可以改变亮度，而改变电子的速度可以改变颜色。这种荧光屏很少见，因而只是提及而已，这里不做深入介绍。

上述几种形式中以点组式荧光屏里的荫罩管最为常用，因而以下加以详细介绍。

荫罩管内三支相同的电子枪发射的电子束穿过具有圆孔或者方孔的金属荫罩，准确地轰击在相应的红、绿、蓝荧光体上，且一束电子只能轰击一种荧光体。其他两种电子束因为受到荫罩的阻挡而轰击不到这种荧光体，就是所谓的选色（Landing）。电子枪的排列与荫罩孔形状的搭配有三种形式，见表2-1。目前后两种比较流行。图2-18给出这三种搭配的形式。

表2-1 电子枪的排列与荫罩孔形状的搭配形式表

图2-18　电子枪的排列与荫罩孔形状搭配的三种形式图

图2-19　彩色显示管

当荧光体的尺寸大于荫罩的孔径时，称之为正范围（Positive Tolerance），反之称为负范围（Negative Tolerance）。有时候为了提升对比效果，可以在荧光体的周围涂一层黑色称为Matrix或者采用透光率较低的面盘（Tinted Panel）。

2.点组式荧光屏荫罩管

彩色显示管与单色显示管虽然在原理上相同，但是在结构上有较大的区别。与单色显示管相同，彩色显示管也包含玻璃壳、电子枪、管座、偏转线圈等几部分。但是每一部分在结构上与单色显示管相比有很大区别，如图2-19所示。因为单色显示管是早期的产品，目前在市场上的单色显示器也已经很少见到，所以后面将重点介绍彩色显示管。

彩色显示管是在彩色显像管的基础上发展起来，和彩色显像管不同就在于彩色显示管的栅网结构、荧光粉颗粒粗细程度和余晖时间等。因为彩色电视机现在仍然是大部分家庭的必要用品，因而彩色显像管和彩色显示管在发展上有相辅相成的效果。彩色显示管的发展可以分成几个方面：

（1）在电子枪的结构上：只有为数不多的几次较大的变革，就是早期的三枪三束品字型排列电子枪发展成三枪三束一字排列电子枪，及三枪一体化结构电子枪。从整体看来早期的彩色显示管发展为自动会聚彩色显示管。

（2）在荫罩（Shadow Mask）的形式上：从早期的圆孔型荫罩到条状荫罩等。

（3）在屏幕的发展上：

① 黑底技术：早期的显示管白天观看亮度要加大才看起来舒服，而夜晚观看亮度又要减小，这样一来一天中亮度总在调整，很不方便。但是现在的黑底技术使白天和夜晚观看几乎亮度不用变动。

② 屏幕外形上：例如早期的球面经过平面、柱面到现在的纯平面等。

③ 防眩上：防眩技术使人在近距离观看不会因为外界灯光射到屏幕上再反射到人眼时晃眼。这种防眩技术是使屏幕的表面粗糙化，使入射光在屏幕上发生漫反射。还有现在的镀膜技术，在屏幕的表面镀一层1/4波长的薄膜，入射光中一部分直接反射，一部分进入膜中在第二个界面反射，两束反射光相干相消达到消除反射的目的。

（4）在电子透镜上：例如现在的双束动态聚焦等。

经过了多年的发展，彩色显像管和显示管都已经达到了一个空前的水平。这部分将详细介绍彩色显示管。特别是点组式荧光屏荫罩管目前在市场上最多，所以我们将详细介绍。

3.彩色显示管的分类

目前世界上生产彩色CPT的厂商很多，各家所使用的技术也有所不同。就目前彩色显示器的不同构件标准，彩色显示管有如下分类：

（1）依照屏幕尺寸和长宽比，彩色显示管分为15英寸、17英寸、19英寸等，现在最常用的为15英寸、17英寸。依照长宽的比例来分有4︰3、16︰9等，最常见的为4︰3。

（2）依照偏转线圈的偏转角度，彩色显示管可以分为55°、76°、90°、110°、114°。彩色显像管中114°居多，而彩色显示管90°居多。

（3）依照屏幕的形状来分类，彩色显示管可以分为球面管（Spherical Tube）、柱面管（Cylindrical Tube）、平面管（Flat Square Tube）。早期的彩色显示管球面居多，现在多数为纯平面管。

① 球面显示管就是屏幕无论在水平方向或垂直方向皆有弧度，显示画面就像画在一个篮球上的图画，画面的失真是大家不难想象的，这种显示管主要用在早期低阶的入门产品之中（有许多20英寸产品使用），如图2-20（a）所示。

② 柱面显示管的屏幕是圆柱体外表面的一部分，水平方向上有弧度，但是垂直方向上没有弧度。它具有防止上下画面扭曲及反光的功能。主要产品为SONY公司的Trinitron（特丽龙），及Mitsubishi 公司的DiamondTron。通常这种显示管的亮度较高，点距（Dot Pitch ）的结构与一般的显示管不同，如图2-20（b）所示。

③ 平面管。这里所说的平面并不是真正的平面，而不过是曲率半径比上述的球面管大而已。实际上这种显示管的横向和纵向也有弧度，只是弧度比球面管要小。

④ 纯平面显示管就是指其屏幕是一个平面，它对于反光及画面变形的免疫力最高。一般平面直角显示管大多具有孔状荫罩（Shadow Mask），但是NEC公司的（Croma Clear）技术却例外地选用了槽状荫罩（Slot Mask），以及近似于椭圆的荧光体，并以类似于条状方式排列，如图2-20（c）所示。

图2-20　屏幕的类型

（4）依照荫罩（Shadow Mask）分类：

① 依照开孔形式分为，槽状（Slot Aperture）、条状（Grall）、圆型（Round Aperture），如图2-21所示。

图2-21　阴罩分类图

② 根据金属材料可分为脱氧铝（Aluminum Killed）AK、合金（Invar）等。

4.彩色显示管的电子枪

（1）电子枪的功能

电子枪发射三束电子束，三束电子束经过荫罩孔分别轰击红、绿、蓝三种荧光粉。三束电子束的电流可以调整，将要显示的颜色分解成三束电流，分别控制电子枪发射出来的电子束，利用相加混色方法使彩色在屏幕上再现。

（2）电子枪应该具备的特性

电子枪应具有良好的聚焦（Focus）特性，使得电子束聚焦成一细束，若画面均匀，则说明聚焦良好。像差（Aberration）要小，寿命长，具有令人满意的亮度。另外加工简单，易于安装。

（3）电子枪的发展

它从一开始的三枪三束品字型电子枪（因为其放置方式类似于Δ，还称之为（Delta）枪），经过三枪三束一字排列电子枪In-line（Separate）阶段，到现在的In-Line（Common）三枪一体化结构电子枪。品字型电子枪显示管现在已经很少见，所以下面主要介绍三枪一体化电子枪。

（4）电子枪的基本构造

图2-22是电子枪基本构造示意图。电子枪由灯丝（Heater）、阴极（Cathode）、控制栅极（G₁）、加速极（G₂）、电子透镜形成的聚焦极（G₃）、阳极（G₄）等几部分组成。每部分的功能和工作参考电压见表2-2。

图2-22　电子枪基本结构

表2-2　电子枪组件、功能和工作电压表

5.三枪一体化彩色显示管

三枪一体化自动会聚彩色显示管的电子枪，如图2-23所示。所谓三枪是有三个相同的电子枪按照品字排列在一起，分别为R（红枪）、G（绿枪）、B（蓝枪）。每个电子枪射出一束电子，这样三束电子通过荫罩会聚分别轰击属于自己的荧光粉。荧光屏上的荧光粉按照R、B、G一组组地排列，这样一组荧光粉就按照彩色合成原理合成了一个颜色。

三枪一体化是只有一个电子枪。一个电子枪就可以发出R、G、B三束电子，而这三束电子经过电子透镜聚焦，荫罩会聚，最后轰击属于自己的荧光粉，发出相应的光。现代的显示管基本都用此种形式的电子枪。

图2-23　三枪一体化电子枪

6.相关术语解释

（1）色温

注意这并不是温度的概念，而是标注显示管颜色色调的物理概念。例如，我们说白色日光灯和白炽灯都称为白色，那么这两种白色有什么不同？再例如，复印纸的白色和小学生写作业用的白纸有什么不同呢？我们说它们都是白色，但是色温不同。要了解色温首先要了解绝对黑体的概念。

绝对黑体是指在物理上把能够在任何温度下全部吸收任何辐射波长的物体。绝对黑体是既不反射也不透射，完全吸收入射光的理想物体。如果对绝对黑体加热，它就可以辐射连续光谱的光。因此在一定温度下的绝对黑体呈现一定的颜色，温度和颜色是一一对应，因而某种颜色可以用绝对黑体相应的温度来表示。

绝对黑体的辐射温度称之为色温度，简称色温。用色温度来表示通常物体的颜色是指某物体在温度T时，它的辐射能量和温度为T_c的绝对黑体辐射能量随波长分布曲线的变化大致相同，则称T_c为该物体的色温度。由于辐射能量随波长分布曲线的变化大致相同，所以该物体所发光的颜色与温度为T_c时的绝对黑体颜色相同。

回到刚才所讲的白色，国际上规定了五种标准白色光源，作为色度计算的基准：

• A光源，2800K钨丝白炽灯光源，色温为2854K。

• B光源，相当于中午直射的太阳光，可以通过A光源加滤色片得到，色温为4800K。

• C光源，白天自然光源，色温为6770K。

• D₆₅光源，相当于白天的平均照明光，彩色电视机使用的标准光源，色温为6500K。

• E光源，色温为5500K。

（2）点距

点距的构成及计算方法与荫罩及荧光体技术有关。目前显示管常见的荫罩有点状荫罩（Shadow Mask ）、栅条状荫罩（Aperture Grille）、槽状荫罩（Slot Mask）几种。

① 点状荫罩的荫罩上开有极为精细的圆孔，其荧光体亦为点状（Phosphor Dot），因此具有一般圆形点距。

② 栅条状荫罩及槽状荫罩都具有条状荧光体（Phosphor Stripe）。

点距通常是指在荫罩式CRT上一个荧光粉点到下一个相同荧光粉点的对角线距离（槽状及栅条状荫罩的计算法如图2-24所示），通常用毫米为单位。这个距离也可以用水平或垂直距离来表示，又叫做荧光三点组距离。在条状荧光体中也叫做条距。无论是条距还是点距通常人眼是无法判别的，如要判别必须用50倍以上的放大镜。点距与像素的显示分辨率没有关系，严格地说，电子束打到一个或几个荧光点产生像素，而具有较小点距的显示管可以产生清晰的图像。

如果没有说明，那么后面提到的点距就是指对角线距离。在早期的显示器中点距有0.31mm的管，现在许多高级显示器的点距多为0.28mm 或0.26mm，甚至再有细者达0.21mm。

实际上显示器只能分辨与荫罩上孔相同的点，因为存在R、G、B三电子束及荧光点在几何上的变化，如槽状栅网及条状栅网，所以显示器制造厂商现在开始用两种描述方式，点距与荫罩距。在描述条状栅网与槽状栅网时，水平点距与垂直点距将更加准确。关于点距的计算，如图2-24所示。

图2-24　点距的计算

（3）表面处理

早期的显示管屏幕表面，不做任何处理，这样操作者身后的光源很容易被显示管屏幕反射到操作者的眼中，引起视觉疲劳。现在的显示管屏幕都有表面处理。显示管表面处理方式对画面的鲜艳度、清晰度、防屏幕反光及静电都有直接的影响。表面处理一般有以下几种方式：

① 光面处理：这种方式没有对屏幕表面进行特殊处理，虽能够提供大透光度，但没有防反光、抗眩光、防静电的效果。

② 机械粗糙表面：用机械方式将屏幕表面研磨粗糙，可以防反光和抗眩光。

③ 表面化学腐蚀：屏幕表面经过化学腐蚀，有抗眩光的效果。

④ 双层防反光处理：成本较低，但是效果不佳。

⑤ 多层镀膜表面：用光学镀膜方式来防反光、抗眩光和防静电。

采用机械粗糙表面与表面化学腐蚀，虽然可以达到防反光和抗眩光的效果，但是这些都是以降低图像的清晰度为代价的。所以较高级的显示管现在采用多层镀膜的方式，这样既达到防反光、抗眩光和防静电的效果，又保持高亮度和图像的清晰度。

多层镀膜方式是指用光学的方法在屏幕表面蒸发沉积多层几乎透明的光学镀，每层膜的厚度均为1/4波长（λ/4镀膜）。这样通过每层两个表面反射的光在相位上差180°，而且为相干光，所以其反射出来的光相互抵消掉了。如果不是用镀膜，而是用λ/4厚度的玻璃薄层，贴在屏幕表面，可以获得更加良好的效果。该方法可以将反射限制在令人满意的范围内，但在理论上却不能完全消除反射。如果按照可见光最长波长7800Å(1Å=10⁻¹⁰m)来计算，计算公式是：

λ/4=7800/4=1950 Å=195 nm

由此可见，镀膜是如此之薄，以至于用比较粗糙的布或其他物品很容易将其擦拭掉，从而影响效果。因此在擦拭此种屏幕的时候要用柔软的湿布并轻轻地擦拭，切忌用有机溶剂。

（4）色纯

色纯是指彩色显示管显示单基色光栅的纯净程度。这也就是要求红、绿、蓝三条电子束分别只轰击其对应的荧光粉，而不轰击其他荧光粉。在绿束和蓝束截止时，要求呈纯红色光栅；红束和绿束截止时，要求呈纯蓝色光栅；红束和蓝束截止时，呈纯绿色光栅，否则就称为色纯不良。色纯不良会使重现图像时彩色失真。产生色纯不良的原因有两个：

① 制造工艺的差异。

② 偏转线圈安装位置不当。

虽然自会聚显示管可以自动校正会聚误差，但是对于由以上原因产生的误差，静会聚与色纯的调整还是必要的。

通常用套在管径上的偏转线圈后部的一对色纯环调整色纯。色纯环沿径向充磁，圆环的突耳是极性的标志，大的为N极，小的为S极。两片色纯环以大小耳重叠为起始点，若相对旋转两片磁环，得到不同方向和大小的合成磁场，此磁场会影响电子束的运动轨迹。由于这个磁场对三个电子束的影响是相同的，因此能对三电子束的位置进行整体调整。

（5）会聚

要正确地重现彩色图像，三条电子束必须聚在同一荫罩孔上。然后分别轰击各自对应的荧光粉，这一性能称为会聚（Convergence）。在无偏转的情况下，图像的中心部分称为静会聚（Static Convergence），而在偏转过程中，相对屏幕的边缘部分称为动会聚（Dynamic Convergence）。如果显示管会聚不良，我们称为失会聚。每个厂家都会根据所选用的CDT而定出失会聚标准，通常将屏幕划分成几个区域，分别给出每个区域会聚不可超过的最大数值范围。

早期的显像管是通过电路产生水平和垂直会聚电流，在线圈中产生动态磁场使电子束产生附加位移来校正动会聚。静会聚是通过套在CDT管径上的两对永磁铁来校正。现在所用的显示管为自会聚管，在其管上配有一个精密的偏转线圈，并将偏转线圈与管在出厂时调整好配对出厂，这一调整过程称为ITC调整。经调整后的显示管在安装时会聚只需要做微小的调整或不用调整。

（6）聚焦

物理偏向缺陷使电子束在屏幕的边缘产生失真。一束电子打在屏幕上本应该显示一个圆点，但是在屏幕的边缘却变成了椭圆，而且越向边缘这种现象越严重。通常显示管电子枪中都有一个聚焦极，它实际上为一个电子透镜，此透镜与光学透镜作用在光线上的效果相似，平行光通过光学凸透镜后在光轴上会聚成一点，而电子束通过电子透镜后会变成一束非常细的电子流。因此，只要给此聚焦极加上直流电压就可以达到聚焦的目的。但是，因为显示管结构问题，通常屏幕中心与屏幕边缘聚焦效果不一样，要想使屏幕中心与边缘的聚焦效果一致，就要在边缘提高聚焦电压。

解决此问题目前都采用将交流电压加在直流聚焦电压上，以产生一种动态聚焦电压，供给具有这种聚焦形式的显示管。这样的系统可以确保画面上下左右聚焦一致，并可减低画面的扭曲，增强电子束打点的点面圆比约为50％，并提高20％的聚焦准确度。

现在17英寸及以上较高级显示器都装有双电子束动态聚焦的显示管。这种显示管包含两组电子透镜，可动态地校正水平方向与垂直方向上的聚焦，所以其画面聚焦相当清晰。另外比较高级的显示器，在控制菜单中还有水平与垂直聚焦调整功能，这样现在的显示器基本上聚焦都非常良好，不再是严重的问题。

（7）消磁

由于地磁场及杂散场会使R、G、B三条电子束产生干扰，而这种干扰会对显示管的色纯与会聚产生不良影响。为了使影响减到最小，在显示管部分锥体外边可装上厚约0.5mm冷轧钢皮制成的磁屏蔽罩，但是它还不能完全消除地磁及杂散场的影响。除此之外荫罩板本身连同屏幕面附近的其他钢铁配件和防爆环等都必须消磁，否则色纯度和会聚还会受到影响。

显示器在调试过程中，特别是色彩、几何调整之前，都用下述外部消磁方法。该方法使用手持式消磁线圈。它是一个具有足够匝数的空心线圈，接上市电后产生1000安匝的磁场。将线圈平行地对在显示管面前，在屏幕前沿着机壳前缘慢慢地做圆周运动。随后慢慢离开屏幕，将线圈面朝下，最后在距离屏幕1米左右处将电源切断。这种操作使钢铁部件经受连续的循环磁化，而当线圈移远时，磁场强度逐渐减小，所以切断电源后，荫罩板及其他钢铁部件上仅留下很弱的与地磁场相反的剩磁，这样实际上显示管内部已经不存在干扰磁场。这种消磁方法只有在生产厂及维修部门才用。

通常显示器之中都存在自动消磁电路，它是指将消磁线圈套在显示管防爆环外，在电路上使其与一个正温度系数热敏电阻（消磁电阻）串联接在交流市电上，在开机时线圈中通过强大的市电电流，在短时间内达到消磁的目的，随着热敏电阻的阻值变大，这种消磁动作结束，这样在每次开机时都会有一次消磁。但是这种方法只有在热敏电阻彻底冷却下来时才能进行下一次消磁，因为在显示器运行过程中因位置移动而引起的磁化现象，就要将机器关掉使其冷却下来后才能消去。现在比较高级的显示器中都具有手动消磁功能，这样可以随时进行消磁。