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CRT 陰極射線管螢幕原理

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CRT 陰極射線管螢幕原理

文章jrchiang » 2009年 8月 13日, 10:38

CRT 陰極射線管螢幕原理
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CRT顯示器( Cathode Ray Tube 陰極射線管 )的誕生改變了人類文明,一點也不為過。舉凡其應用於電視、電腦顯像器等,各種需要即時展現資訊或平面訊息,除了紙張之外,最有效的方法就是利用 CRT 顯示器了。

發明於1897年的映像管, 係德國科學家的創舉,其使用高壓電迫使電子在真空管中游離,並且可以加速撞擊電子到指定的位置。不過,其實用量產及小型化技術要到 1951 年以後電晶體發明取代真空管才真正的得以實踐。不過,CRT 技術在兩次世界大戰期間被廣泛應用在各種軍事用途上,雖然早期的真空管並不牢靠,但在雷達標示目標方面仍是不可或缺的一項要素。所幸,這個時期的科技仍處在萌發階段,藉著贏得大戰的勝利這個基礎,使得顯示器的研究得以更進一步成長。

回到現在映像管顯示器技術,已經成為人們生活中不可或缺的角色。特別是電視的發明,增進了世界資訊的流通,拉近了人與人之間的距離,映像管再增進人類和平與文化的交流上有其歷史地位!由於 CRT技術具有畫質優和價格低的特點,加上電視的普及,以致於當電腦這類新興科技產品誕生時,理所當然的顯示器選擇就是 CRT!

CRT顯示器如何展現不同的顔色

早期的 CRT 技術,僅能顯示光線的強弱,展現黑白畫面。當然,對於雷達這一類僅需顯示簡單目標資料的系統來說,黑白 CRT 的選擇已經是措措有餘了。不過,要輪到電視轉播上頭,彩色CRT技術就變得日形重要了。

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自然界所有顔色都是都是由不同波長的光所組合而成(見上圖)。我們讓太陽光通過三棱鏡,可以分色出各種不同波長的光所産生的光譜。這個『光譜』就是我們人類視覺範圍內所能看到的顏色區間。透過反向推導,將色彩產生原理應用在顯示器上,就是『加色法』這樣的方式來產生人工的顔色光線。混合主要的三種顔色:紅、綠、藍 (Red、Green、Blue) 即可產生白光,產生其他顏色也只需要將三種光依比例重疊即可。

回到電腦螢幕和電視機的主要構造,我們打開電視機的外殼(注意電源已經關閉,內部的高壓線圈可能會造成觸電危險!),位在螢光幕後端是電子束發射裝置,高壓線圈驅動電子槍將電子打在螢幕玻璃上,加上真空的空腔避免了放射電子受到空氣粒子的阻礙,可以準確的在螢幕玻璃上投影,而彩色 CRT 具有紅、綠色和藍色三支電子槍,三支電子槍同時發射電子打在螢幕玻璃上磷化物上來顯示顏色。這些磷化物受電子的激化因而發色,產生色點,大量的色點組合就形成了我們所看到的畫面。

CRT的主要構造
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CRT顯示器的大致結構就如同右圖所顯示,主要由電子槍、線圈 (Deflection coils)、遮罩(Shadow mask)、磷化螢光粉層(phosphor)和玻璃螢幕五大部分組成。其中電子槍有能力打出2萬5千伏特高壓,產生高能電子光束。並利用遮罩正確導引電子光束打在鏡面上的磷光物質,而產生亮點。同時控制電子光束的強度,即可產生不同的顏色與亮度。當顯示器接收到由電腦顯示卡或由電視訊號發射器所傳出來的影像訊號時,電子槍會從螢幕的左上角開始向右方掃瞄,然後由上至下依序掃射下來,如此反覆的掃瞄即構成我們看到的影像。

  同學們或許會有疑問?為什麼我們看電視的時候不是看到一條條的掃瞄線,而是看到完整的影像?這主要是 CRT 應用了人類眼睛視覺殘像的特性和螢光粉層的餘輝作用,這之中的差別就在電子束發射的掃瞄速度,只要單一的電子槍夠快地發射出所有構成圖像的要件,我們眼睛理依然看到的還是一幅完整的影像。舉個例子,當同學開車上高速公路時,注意看一下左右來車的輪框,MR.OH!指的是輻射輪框,如果是全密式的輪框當然啥也看不到!在高速行駛下,輻射輪條幾乎消失不見了,而你幾乎可以看到隱藏在輻射條後的蝶式煞車,這就是視覺殘像的另一項特點。

CRT的優劣

我們知道 CRT 映像管內的電子束以一定的順序,周期性地轟擊每個畫素點,誘導每個畫素依規律發光;雖然發光的周期很短,但若電子束的頻率夠高,我們還是看到一幅完整的圖像,這又有一專有名詞叫掃描速率。有了適當的掃描速率,電子餘光才能在你的眼中和腦海裡形成畫面。而遮罩(Shadow mask),上面的小孔或細槽和單色蹸光粉畫素對應,保證彩色的正確顯示。而 MASK 的間距又是決定顯像解析度的一個重要關鍵!MASK間的距離越小,代表所製造出來的顯示器的解析度越高,這個距離也有稱為點距 (dot pitch),常見的點距從 0.18~ 0.25都有。

至於畫面的連續感,則是由掃描速率來決定,掃描越快,形成的單一影像就越多,畫面也就越流暢。通常我們以每秒鐘可以進行多少次掃描,作為衡量CRT表現的標準,而這項特性也被工業化的單位所表達也就是Hz - 赫茲。HZ越大,影像連續感就越真實,這兩者又分為了水平和垂直兩種掃瞄速率。『垂直更新速率』或『頁掃瞄速率』稱為 Refresh Rate,代表從上到下的頁展示速率。CRT 的掃瞄速率達到 85Hz 以上幾乎是保證影像活動內容的連續感,一般設定則在 75Hz以上,過低的 Refresh Rate ,因下端的『頁』尚未掃完,就跳至上端掃新的一頁而導致螢幕閃爍。『水平掃瞄速率』又稱為 Scan Rate ,係電子束由右至左的掃瞄速率,由於水平的速率要比垂直的來得更快,因此其單位通常為 kHz (千赫茲)。水平掃瞄速率有一定的公式代算,假設你的螢幕顯示速率為 75Hz,解析度為 800X600 ,那你的 Scan Rate 就必須為 600 * 75Hz = 45 kHz 。

儘管,現在的 CRT 價格低、畫質高,可是其缺點卻是體積大(受限於螢幕尺寸與電子槍之間的距離),加上易於產生的輻射線,長時間的使用有危害眼睛的疑慮。我們將在下一個單元之中討論新進的平面顯示器,包括 TFT LCD 、OLED 以及電漿電視等,這些尚在發展或已經達到實用階段的顯示器,以低耗能、小體積贏得新生代消費者的青睞。加上,越來越多的行動設備如:數位相機、筆記型電腦、影像手機等等,都必須用到這樣產品,而體積龐大的 CRT 眼下,無法突破技術困難,所以沒辦法加入這批行動行列。但是,兩者相比 CRT 本身對畫面的精確顯示,又不是一般低價品質的 TFT LCD 所能媲美的。

CRT 關鍵技術

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即使是 LCD 當道的今日,CRT仍有不少死忠的支持者,CRT 的色彩與色溫完美表現是其中一個原因之外,另一個重要的因素就是『速度』;目前 LCD 號稱進入2ms的時代,但是 CRT 卻是以 μs 的速度在表現,兩者的差距中間仍橫亙著相當地物理障礙。然而,CRT背後也因技術、專利之糾葛分成兩大系列,一是以 Shadow Mask(影罩)為主的投射方式,另一種則是 Aperture Grille (柵欄)。
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Shadow Mask(影罩)畫素放大顯示

影罩技術相當傳統,開發時程也最早,該技術的最大特色就是每一道電子束會對一塊有數千個(畫素)小孔的金屬片進行掃瞄。影罩上的小孔排列呈三角形,以RGB紅,綠,藍三原色點狀分佈,上面密佈著螢光反應劑 。一個畫面的產生是由映像管中的電子槍所激發的電子束透過(Shadow mask) 定位,精準撞擊在三色螢光點上使其發光,構成畫面,如上圖所示。
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Aperture Crille(柵NA罩)畫素放大顯示

這個技術最大的問題有二:一是電子束源中心到中心與中心到影罩邊緣的距離不等,在啟動或關閉此一系列的CRT時會發現螢幕中央出現一個極亮亮點,一閃及逝,久而久之,這一類CRT的中心會出現模糊不均的影像!這個問題的解決方案,系將影罩以鎳鐵特殊合金製作,避免溫度改變造成影像的情形。 但第二問題是影罩占去螢幕相當的空間,阻礙了大部分電子的穿越,因而亮度不佳、對比不明在早期的系列之中相當明顯。多數的製造商開發出濾光片技術,此一技術不僅讓電子槍射線由單一方向貫穿,同時還能引進外來光線提高自身的亮度層次,達到增豔、明亮的目的。

  有別於影罩的結構與缺點,Aperture Grille 柵欄式映像管採用垂直條狀的遮罩,狀似柵狀孔。顯像原理則與 Shadow Mask 相同,使用螢光材料塗佈在條狀紅,綠,藍三色之後,利用電子束撞擊條狀的螢光質發光,由於柵狀的面積較點狀來得大,因此擴大了色彩飽和度與發光亮度效率,所以柵狀顯示器可以表現出比一般 Shadow mask 更加亮麗的色彩效果。此一技術同樣也有缺點,就是可以在畫面依稀看出固定條狀的影像遮罩,適合大屏幕與遠距離觀賞。後期日本 SONY 開發了阻尼線 (Damper Line) 模糊了柵狀影像部分解決了這個問題。
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