CRT的工作原理

CRT顯示器(學名為「陰極射線顯像管」)是就是這樣一種裝置，它主要由電子槍(Electron gun)、偏轉線圈(Deflection coils)、蔭罩(Shadow mask)、高壓石墨電極和螢光粉塗層(phosphor)和玻璃外殼五部分組成。其中我們印象最深的肯定是玻璃外殼，也可以叫做螢光屏，因為它的內表面可以顯示豐富的色彩圖像和清晰的文字。CRT顯示器是怎樣將三基色原理用在其中的呢？當然，並不是直接將這三基色畫在螢光屏上，而是用電子束來進行控制和表現的。

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電子槍是如何工作的

這首先有賴於螢光粉層，在螢光屏上塗滿了按一定方式緊密排列的紅、綠、藍三種顏色的螢光粉點或螢光粉條，稱為螢光粉單元，相鄰的紅、綠、藍螢光粉單元各一個為一組，學名稱之為像素。每個像素中都擁有紅、綠、藍(R、G、B)三基色，根據我們剛才所說的三基色理論，這就有了形成千變萬化色彩的基礎。然而，怎樣把這三原色混合成豐富的色彩呢？ 　　

我們通過電子槍(Electron gun)來解決這個問題，沒錯，電子槍就好像手槍一樣，可以發射，不過發射的不是子彈，而是非常高速的電子束。其工作原理是由燈絲加熱陰極，陰極發射電子，然後在加速極電場的作用下，經聚焦極聚成很細的電子束，在陽極高壓作用下，獲得巨大的能量，以極高的速度去轟擊螢光粉層。這些電子束轟擊的目標就是螢光屏上的三基色。為此，電子槍發射的電子束不是一束，而是三束，它們分別受電腦顯卡R、 G、 B三個基色視頻信號電壓的控制，去轟擊各自的螢光粉單元。受到高速電子束的激發，這些螢光粉單元分別發出強弱不同的紅、綠、藍三種光。根據空間混色法(將三個基色光同時照射同一表面相鄰很近的三個點上進行混色的方法)產生豐富的色彩，這種方法利用人們眼睛在超過一定距離後分辨力不高的特性，產生與直接混色法相同的效果。用這種方法可以產生不同色彩的像素，而大量的不同色彩的像素可以組成一張漂亮的畫面，而不斷變換的畫面就成為可動的圖像。很顯然，像素越多，圖像越清晰、細膩，也就更逼真。可是，怎樣用電子槍來同時激發這數以萬計的像素髮光並形成畫面呢？

畫面是如何形成的

科學家們想到了一個很聰明的辦法，其原理是利用了人們眼睛的視覺殘留特性和螢光粉的餘輝作用，這就是我們即使只有一支電子槍，只要我們的三支電子束可以足夠快地向所有排列整齊的像素進行激發，我們還是可以看到一幅完整的圖像的。大家不要懷疑，我們現在的CRT顯示器中的電子槍能發射這三支電子束，然後以非常非常快的速度對所有的像素進行掃描激發。 　　要形成非常高速的掃描動作，我們還需要偏轉線圈(Deflection coils)的幫助，通過它，我們可以使顯像管內的電子束以一定的順序，周期性地轟擊每個像素，使每個像素都發光，而且只要這個周期足夠短，也就是說對某個像素而言電子束的轟擊頻率足夠高，我們就會看到一幅完整的圖像。我們把這種電子束有規律的周期性運動叫掃描運動。

顯示器的掃描方式

CRT顯示器電子槍工作原理示意圖
理解了三基色，聰明的你一定會想到，可以用這樣一個原理來製作彩色顯示器呀。沒錯，我們今天的色彩豐富的CRT顯示器正是由這個三基色原理製造出來的。剛才我們提到，三基色的選擇在原則上是任意的，但是通過實驗研究發現，人類的肉眼對紅、綠、藍三種顏色反應最靈敏（人眼所見的各種色彩是因為光線有不同波長所造成的，肉眼對這三種波長的感受特別強烈 ），而且它們的配色範圍比較廣，用這三種顏色可以隨意配出自然界中的大部分顏色，因此在CRT顯示器中，選用紅、綠、藍三種顏色作為三基色，還分別用R、G、B三個字母來表示。現在問題來了，怎樣可以把這三基色的光表現出來呢，我們需要一個機電裝置來完成這一表現過程 　　

沒錯，因為有大量排列整齊的像素需要激發，必然要求有規律的電子槍掃描運動才顯得高效，通常實現掃描的方式很多，如直線式掃描，圓形掃描，螺旋掃描等等。其中，直線式掃描又可分為逐行掃描和隔行掃描兩種，相信大家都經常聽到，事實上，在CRT顯示系統中兩種都有採用。逐行掃描是電子束在屏幕上一行緊接一行從左到右的掃描方式，是比較先進的一種方式。而隔行掃描中，一張圖像的掃描不是在一個場周期中完成的，而是由兩個場周期完成的。在前一個場周期掃描所有奇數行，稱為奇數場掃描，在後一個場周期掃描所有偶數行，稱為偶數場掃描。無論是逐行掃描還是隔行掃描，為了完成對整個屏幕的掃描，掃描線並不是完全水平的，而是稍微傾斜的，為此電子束既要作水平方向的運動，又要作垂直方向的運動。前者形成一行的掃描，稱為行掃描，後者形成一幅畫面的掃描，稱為場掃描。 　　

有了掃描，就可以形成畫面，然而在掃描的過程中，怎樣可以保證三支電子束準確擊中每一個像素呢？這就要藉助於蔭罩(Shadow mask)，它的位置大概在螢光屏後面(從螢光屏正面看)約10mm處，厚度約為0.15mm的薄金屬障板，它上面有很多小孔或細槽，它們和同一組的螢光粉單元即像素相對應。三支電子束經過小孔或細槽後只能擊中同一像素中的對應螢光粉單元，因此能夠保證彩色的純正和正確的會聚，所以我們才可以看到清晰的圖像。 　　

至於畫面的連續感，則是由場掃描的速度來決定的，場掃描越快，形成的單一圖像越多，畫面就越流暢。而每秒鐘可以進行多少次場掃描通常是衡量畫面質量的標準，我們通常用幀頻或場頻(單位為Hz，赫茲)來表示，幀頻越大，圖像越有連續感。我們知道，24Hz場頻是保證對圖像活動內容的連續感覺，48Hz場頻是保證圖像顯示沒有閃爍的感覺，這兩個條件同時滿足，才能顯示效果良好的圖像。其實，這就跟動畫片的形成原理是相似的，一張張的圖片快速閃過人的眼睛，就形成連續的畫面，就變成動畫。