陰極射線管顯示器(CRT)的構造與原理

作者:Hightech   |   2019 / 04 / 30

文章來源:知識力   |   圖片來源:Koko


陰極射線管的構造

陰極射線管(CRT)是利用電子「熱游離」的原理所製作的螢幕,在螢幕表面塗佈螢光粉,分別以三支電子槍發射出三道電子束撞擊螢光粉而發出紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色的光。先製作一支前粗後細的玻璃管,將鎢絲放入玻璃管較細的一端,並且將玻璃管抽成真空,如<圖一(a)>為傳統電視機的府視圖,觀看電視的人眼睛由右向左看。

由於陰極射線管是使用「熱游離」的方式產生電子束,所以會對鎢絲施加數千伏特以上的高電壓使鎢絲發熱,配合尖端放電的原理使電子射出形成電子束,並且使用「電磁透鏡(電磁鐵)」來控制電子束前進的方向,在螢幕表面依序掃描,才能顯示出不同的影像,由於電磁透鏡不易使電子束快速轉向,電子束必須行走一段足夠的距離以後才能被轉向到螢幕邊緣,因此陰極射線管螢幕的厚度很厚,如<圖一(a)>所示。

<圖一(b)>為電子束在螢幕表面的掃描順序,由上到下、由左到右,螢幕的橫向掃描線稱為「線(Line)」,由上到下依序為 Line 1、Line 2、Line 3…,螢幕的橫向掃描線總共有多少條要由螢幕的解析度來決定,如果解析度是 VGA(640 行 × 480 列),則每一條掃描線有 640 個畫素,掃描線總共有 480 條。

圖一、陰極射線管的構造示意圖。(資料來源:趙中興,螢幕原理與技術,全華圖書股份有限公司)

陰極射線管的呈像原理

如果由傳統電視機的正面看過去,如<圖二(a)>所示,則在玻璃面板的內部有螢光粉塗佈在表面,其排列依次為紅(R)、綠(G)、藍(B)不停地反覆,每一組 RGB 稱為一個「畫素(Pixel)」。彩色電視機的電子槍總共有三支,同時會發射出三道電子束,由電視機的正後方射向玻璃面板上的螢光粉,因此同一個時間螢幕上只會有一個畫素的 RGB 被點亮,如<圖二(b)>所示。

假設第一個瞬間(第 0.1 微秒)左上角的第一個畫素被點亮,則下一個瞬間(第 0.2 微秒)左上角的第二個畫素被點亮,再下一個瞬間(第 0.3 微秒)左上角的第三個畫素被點亮,如<圖二(b)>所示,依此類推,如果這台電視機的解析度是 VGA(640 行 × 480 列),則三道電子束必須要在 1 秒鐘之內掃描整個畫面 30 次以上(30fps),電視機的畫面才能讓肉眼看起來是連續的動作。

圖二、陰極射線管(CRT)的呈像原理。(資料來源:飛利浦(Phillips, LIGHT-NL)29 吋電視)

交錯式與非交錯式陰極射線管

  • 交錯式(Interlace):電子束在 1/30 秒鐘內掃描畫面的奇數行(Line 1、Line 3、Line 5…),下一個 1/30 秒鐘內掃描畫面的偶數行(Line 2、Line 4、Line 6…),因為先掃描奇數行再掃描偶數行,故稱為「交錯式(Interlace)」,這種電視畫面看起來會有點閃爍,對眼睛比較不好,但是電子束掃描速度比較慢,製作比較容易,成本比較低。
  • 非交錯式(Non-interlace):電子束在 1/30 秒鐘內掃描畫面的所有行(Line 1、Line 2、Line 3…),這種電視畫面看起來不會閃爍,對眼睛比較好,但是電子束掃描速度比較快,製作比較困難,成本比較高。

陰極射線管的優點

  • 價格較低:陰極射線管的材料成本很低,而且製造困難度也不高,因此價格比較低,是目前市面上最便宜的一種螢幕。
  • 沒有視角的問題:沒有利用液晶分子使極化光旋轉的原理,所以不像液晶螢幕(LCD)一樣有視角的問題。
  • 色彩真實明亮:使用電子束照射螢光粉,會讓螢光粉發出真實明亮的光,眼睛看起來很清晰,所以許多進行色彩調配的工作人員(例如:印刷廠),仍然使用陰極射線管而不使用液晶螢幕(LCD)。

陰極射線管的缺點

  • 厚度較厚:由於電磁透鏡不易使電子束快速轉向,電子束必須行走一段足夠的距離以後才能被轉向到螢幕邊緣,因此的厚度很厚、體積較大。
  • 螢幕呈圓弧形:如<圖一(a)>所示,如果將「鎢絲」的位置當成圓心,則「玻璃面板」的位置恰好為圓弧,這樣由鎢絲到玻璃面板的中央部位或邊緣部位的距離才會相同(圓心到圓弧的距離固定為半徑),電子束才能同時到達,影像才不會扭曲,但是也因為這個限制,造成螢冪呈圓弧形,大家可以自行觀察家中傳統電視的四個角落,是不是有一點向內凹呢?整個玻璃面板看起來像是一個球面而不是平面。

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知識力》授權轉載

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