CRT显示技术的新进展

1997年将是阴极射线管（CRT）问世一百周年。CRT的出色显示性能使其能在近百年来畅销不衰而一直保持称雄地位。当今CRT的产量已达月产数百万只。这是1897年CRT的发明鼻祖K·F·Braun完全意想不到的。九十年代初，CRT显示技术在诸多应用领域内又取得了惊人进展。

高清晰度电视（HDTV）通常系指具有1125行扫描线的电视，作为第三代电视，极为引人瞩目。新型HDTV分辨率高、图像逼真，画面质量可与电影媲美，不愧为新一代彩色电视。

美国、欧洲和日本一些主要彩电制造厂家都展示了用于新型HDTV制式的竟高比为16∶9（替代现用的4∶3）的大屏幕CRT。管屏对角线尺寸范围是56～114cm（22～45英寸）。最大管屏比69cm（27英寸），屏增大45％。此外，为增大对比度，采用了低透过率玻屏，从而要求有更高的束电流（红、绿和蓝电子枪束电流均为1～2mA）。管屏尺寸和彩管工作电流的增大，促使元件、材料（尤其是阴极材料）、聚焦透镜、电子枪、荫罩及偏转线圈等均需加以进一步改进。如日本松下电器公司于1990年研制成采用超平面化设计的一系列新型黑屏彩管，目前已有69cm（27英寸）、74cm（29英寸）和84cm（33英寸）三种规格。此种超平面化黑屏彩管，其独特之处在于屏面玻璃的透过率比常规彩管约低70％，使对比度大为改善，对角曲率为2R，边缘曲率为3.5R，较该公司原有彩管的平面度提高了30％。超平面化的彩管管屏能得到清晰逼真的图像。新型设计已明显减少了因热膨胀引起的荫罩拱起现象，进一步提高了色纯度。此外，含高铕量的红色荧光粉以及纯度颇高的绿色荧光粉更为该彩管添色。值得一提的是，这种新型彩管的偏转角为108°，管屏中心厚为21mm。而该公司原有彩管的管屏中心厚为30mm。该彩管具有体积小、重量轻和使用方便等优点。

为适应HDTV的需求，有关厂家正在不遗余力地推进彩管的平面化和电子枪的高精度化。但屏面加大，随之而来的荧光屏屏面凸起问题就变得非常突出。要克服这一缺陷，就需进一步使管面平面化；另一方面，若还要保持球面，单纯加大曲率半径，又会出现管面大气压强增大和荫罩拱起等问题。针对上述这些问题，目前各厂家已采取如下相应措施：制造独特的非球面状的管面；选用合适的荫罩材料和改善表面处理。对电子枪而言，则加大主透镜的口径或制成多级聚焦式，使电子束变细。此外，还采用动态聚焦补偿，引入高电流密度的阴极，进一步提高清晰度。这就急需全面提高电子枪、偏转线圈、荫罩和荧光屏诸项技术的水平。

CRT的工作寿命与阴极负载能力成正比，但电子束电流大要求阴极有效面积也相应增大，从而光点直径也会变大。既要保持光点直径不增大，又要确保阴极的工作寿命长，就得改进普通的氧化物阴极，使其有较高的负载能力。改进措施是采用硒土掺杂阴极。三菱公司的SeO阴极已投入生产，索尼公司报道的铟沉积阴极工作寿命为普通阴极的两倍。与此同时，各制造厂家在众多展示的大屏幕CRT中采用浸渍式“分散”型阴极。在同一电流负载下，浸渍式阴极的工作寿命比普通氧化物阴极高出好几倍，但其工作温度和制造成本均较高，这就阻碍其广泛应用。1990年，东芝公司报道了一种新型的敷铱分散型阴极，此种阴极专门适用于常规阴极尺寸和加热条件，给使用此种分散型阴极技术的CRT提供了商品化的可能性。

1990年，荫罩也有新的进展。在热膨胀的状态下，由于角支撑系统的机械稳定性较好，位移均匀，故继续广泛应用于一般的X－Y轴支撑系统中。法国汤姆逊公司研制了一种改进的4点支撑荫罩，已用于宽高比为16∶9的HDTV中。

用于数据显示的偏转线圈也取得了很大进展，在这一方面的应用，如行频在64kHz以上的已大批量生产。据报道，当今HDTV显示器将采用这些频率较高的偏转线圈。此外，采用了动态会聚线圈使一字型“自会聚”电子枪的屏角处失会聚减至最低限度，对屏角光点直径的影响也减至最小。

1993年，日本松下电器公司采用偏转角为112°的玻壳研制成两种新型大屏幕超平面CRT：对角线29英寸M68LAA型黑白CRT，最大厚度仅有424.5mm；对角线33英寸M78LAA型则为468.8mm。研制人员应用计算机模拟技术。大口径电子枪聚焦采用了多级预聚焦透镜，可得到优化电子束束径；在广角偏转时电子束不会失真。正因电子枪聚焦采用多级预聚焦透镜及强重叠磁场，偏转角达112°，同时亦可控制屏幕边缘，使其分辨率不至于下降。该新型CRT真空压力密封特性及玻壳重量几乎与现用CRT相当。

未来10年内电视的智能程度将在目前的基础上获得进一步提高，它将能自动显示一天内想观看的节目，新一代对话式电视将给人们生活带来极大方便，逛商场购物、听大学课程皆无需走出房门，通过电机回视系统即可与外界取得联系。随着频谱兼容同播系统的改进，电视画面的像质将得到进一步提高，其清晰度可望超过电影。

随着高清晰度电视技术的迅速发展和逐步普及，彩色投影电视的需求量会大幅度增长。CRT投影电视是高清晰度大屏幕显示器中技术最为成熟、性能价格比最佳的一种显示方式。大屏幕彩色投影电视能充分发挥高清晰度电视的高分辨率和宽视角等特点。为适应HDTV的发展，各公司致力于投影显示的开发研制工作，各公司除继续开发和研制普通的彩投管外，还积极开发HDTV用的彩投管，最明显的例子就是各公司都在开发HDTV用的23～25cm的彩投管。日立公司专为用于HDTV而开发的23cm折射式彩投管。该彩技管适用于标准的1125行、6O场、隔行比2∶1和宽高比5∶3的高清晰度电视，清晰度可达100O电视线，亮度高达340cd／m\(^{2}\)。此外，热应力变形靠荧光屏面的强化处理来解决，对玻屏的黑化处理采用非黑色玻璃坯件，以提高其可靠性。

日本NEC公司开发的用于HDTV的25cm（10英寸）反射式彩投管。该彩投管与常规彩投管的区别在于除采用普通施密特透镜外，又新增一个弯月面透镜，可适用于381～1524cm（150～600英寸）的大型屏幕，这种彩投管的特点是采用电磁聚焦，高压34kV，最大阴极电流可达300mA。

最近索尼公司展出一种单管折射式152cm（60英寸）彩色投影电视机，其亮度可达206cd／m\(^{2}\)，清晰度350电视线，外形结构像一只手提箱。所采用的彩投管，其特点是单枪单束，无隔离栅网结构。电子束由一台微处理机控制，准确地对红、绿和蓝三基色荧光粉点进行扫描。因为无栅网拦截电子，阴极发射出的电子可全部打在荧光粉上，因此亮度较普通有栅网彩投管提高6～8倍，这是一种颇有发展前途的彩投管。

直视型CRT管屏对角线为114cm（45英寸），其管厚和管重均难以承受。114～508cm（45～200英寸）的投影型CRT系统虽能制成，但由于其亮度和分辨率的要求高，因而在用于投影电视时对阴极的要求更为苛刻。此外，通过扩大彩投管屏面（最大管径为25cm即10英寸），设计特殊的内涂层和管屏以增大透镜系统的光耦合，以及提高行频和帧频来减小荧光屏上的峰值负载，以便降低荧光粉的饱和度。提高荧光粉和薄膜的发光效率及寿命的研究工作仍在进行着。

阴极是用来发射高密度电流，荧光屏是用来吸收电子的，因此聚焦透镜必须保持最小光点直径，即在最大光强的5％时为0.2～0.4mm。在此条件下，聚焦透镜的球差通常是限制最小光点直径的因素。磁聚焦线圈球差小，但和普通静电聚焦透镜相比，在体积、重量、功耗和成本方面仍有许多不足之处。荷兰飞利浦公司最近报道一种静电聚焦透镜，在4mA束电流下，光点直径0.25mm（5％光强下）。该透镜元件在玻璃圆柱体内采用16级灰度的黑白金属—绝缘物—金属液晶显示器（MIMICD）。适用于涂敷一层螺纹状阻值极高的电阻层。该玻璃圆柱体还用作低功率电子枪栅极的定位和支撑物。采用螺纹状聚焦透镜的设计可提高投影型CRT的分辨率，而成本却增加不多。

最后顺便指出，在投影光间系统中，CRT还能用作选址器件。这些系统把CRT的高速、高分辨特点和金属卤素灯（或氙灯）的大功率，高光效结合在一起。光阀的有源矩阵寻址倍受人们关注。在HDTV中，用特殊的高分辨CRT进行光学寻址也已到了可展示的阶段。美国休斯航空公司报道了一种CRT寻址非晶硅光导体，其帧频为60Hz，适用于HDTV。该系统实际的分辨率超过30线对／mm，每个光阀的光强为2000lm，适用于电视会议和剧院显示的大屏幕HDTV。

数据显示用彩管与彩色电视用彩管的区别在于红绿蓝三基色荧光体节距不同，彩色电视用彩管的节距约为0.5mm。目前，要求显示用彩管的节距在0.3mm左右。在个人计算机终端用彩管中，大部分的节距为0.3lmm。在计算机辅助设计、计算机辅助制造系统及工程工作站中，主要需要三基色点节距0.2mm的彩管，对于0.26或0.21mm超高分辨率彩管的需求也日趋增大。

HDTV只是最近才充分利用CRT高分辨率的特点，而数据显示宽阔的市场推动了整个八十年代荫罩式CRT技术的发展，为满足这一市场的需求，各公司研制了荧光体节距小的管屏（0.21～0.31mm）、动态像差校正电子枪、殷钢荫罩、荫罩的角支撑技术、64kHz以上高频偏转线圈和会聚线圈。

有关电子枪的改进，近几年来大多是对电子束的通过孔进行改进，主要改进方式是改变孔的形状，在孔四周增设形状不同的凸缘和使各电极上的对应孔不同轴。此外，还有通过电阻来提高电子枪的性能，以及在电子束通过孔周围设置高导磁率的环形或条形零件来提高图像质量。荫罩的改进主要是在荫罩的形状、荫罩表面涂层和荫罩安装等三方面进行。玻壳的改进主要有如下两种：一种是涉及平面直角彩管的管屏厚度和曲率的变化；另一种是解决大屏幕电视如何缩短纵向尺寸的问题。如在减小彩管纵向尺寸方面，提出了一种方法，即将管屏框部和颈部通过一块金属板连接，从而省掉玻壳的锥体部分。在与玻壳有关的改进中，大都是有关在管屏外表面增涂滤光层或防静电层，大多数薄膜层都兼有防反射和防静电的双重功能。

1986年，美国泽尼思公司推出创新的36cm（14英寸）平面张力荫罩（FTM）彩管。在有张力的状态下，将荫罩直接焊至玻壳上，使电子束功耗低于传统设计，而且完全平直的管屏易于抑制反射光，使亮度和对比度都非常好。1990年，该公司继续发展了FTM技术，报道了一种新颖的镍基张力荫罩。此外，在1989年5月，SID年会上又展示了一种具有极佳动态会聚和像散校正的48cm（19英寸）FTM彩管。

在彩管进展令人十分振奋之时，黑白CRT又传来喜讯。黑白管正在解决X射线薄膜的对比度和分辨率问题，从而使X射线显示的发展前景变好。电子枪设计正朝着低像差聚焦透镜及相应可达到最佳电子束束径的方向发展。

上述CRT诸项技术的进展使得CRT显示器的显示质量更好、更便于使用。彩管在显示应用领域中既广且量多，技术发展甚快，用户需求的是易于读出，各生产厂家今后应从高分辨率和人机工程学角度寻求易读的解决途径。

当今，众多的民用和军用飞机座舱采用扫描方式的黑白或荫罩式彩色CRT，但尚在另辟佳径。1990年，日本索尼公司、意大利托马斯公司和法国汤姆逊公司都继续研制束指引彩色CRT。束指引管不采用吸收能量的荫罩，而是通过紫外束指引条把屏上光反馈到视频定时电路。虽然仍存在磁场或机械不稳定性，但闭合回路使色彩和图形稳定，从而使束指引彩管技术成为车载显示器的理想技术。索尼公司推出一种偏转90°、17cm（6.7英寸）束指引直角彩管，水平像素为512。意大利托马斯公司在20cm（8英寸）束指引直角CRT中采用静电聚焦。法国汤姆逊公司在28cm（11英寸）束指引直角CRT中采用磁聚焦设计，现已正式投入生产。束指引彩管技术正在全面发展，该新型彩管用于高分辨率和小屏幕彩色显示最有发展前途。目前已制成1.5英寸的摄像管寻像器，用于头盔显示的小型单色管的电子枪也已研制成功，这将预示着小型束指引彩管具有良好的分辨率。

向智能化迈进是显示器技术发展的另一目标。在军用领域中，头盔显示器正趋小型化，以便将其装入飞行员头盔内。这种显示器能把信息投影到驾驶员的视场之内。下一步的发展方向是增加变换功能，使显示器能随驾驶员眼睛的视向而改变投影方向。研制三维图像显示器的一些研究人员足以掌握了满足这种跟踪要求所需的技术。尽管各国的国防费用削减，但头盔和平视式显示器件仍在继续发展。由于CRT显示固有的高效率和灵活的设计性，使其能继续称雄于这些特殊的军用领域。

由于彩显管具有分辨率高、亮度高和易于扫描等优点，因而已成为显示电视图像的主要器件，但还存在纵向尺寸长和体积笨重等缺点。为扬长避短，早在七十年代扁平CRT就面世，但进展缓慢。原因在于扁平CRT一直未根除传统的电子枪。新型平板CRT－（FPCRT）却去掉电子枪，采用线状或矩阵阴极，实现矩阵驱动，加之又是平板管屏，故使其既克服了CRT的现存缺点，又兼有平板显示之优点，即轻而薄、低压驱动和低功耗。1993年，日本平板玻璃公司采用精密制模工艺技术研制出一种可应用于平面图像显示器的薄型平板显示光阀。此项制模工艺技术采用的是3μm标准。通常14英寸电视机用阴极射线管屏厚为350～700mm，用该法生产出的显示器光阀厚度仅约50mm。此外，新型光阀可在整机的平面显示屏上显示出优质图像，其像质优于CRT。据预测，电视机及计算机显示终端对此种既平又薄的显示器的需求量颇大，其需求量在未来数年内将呈指数上升。1990年度欧洲显示会议上LETI公司（法国原子能委员会下属公司）展出的一种“微尖”显示器称得上一种极平的CRT。该显示器件从微尖阴极阵列形成场发射。每0.1mm\(^{2}\)的像素含有1,000～10,000个微尖阴极。因此，冗余极高，即使有数个微尖阴极受损也不会有任何明显的影响。用80V最大阴—栅电压寻址。阳极板涂有荧光粉，在400V电压下，对角线15cm（6英寸）显示器亮度为300cd／m2，固有对比度100∶1。该公司采用了净化成形工艺，从而改进了微尖结构和发射表面，这样，减少了各徽尖间的非一致性，并且还消除了特亮点和不稳定性。此外，在导电的阴极和微尖之间还涂上一层硅，此层硅对每一微尖起到了限流电阻的作用，各像素既稳定又均匀。像素内部的亮度变化低于10％，而各像素间的亮度差异则小于5％。该“微尖”显示器的屏面尺寸为110×90mm\(^{2}\)（约4\(\frac{1}{4}\)×31;2平方英寸）。尽管只有340×340像素，但显示的图像却非常清晰。线性调制控制极能达到模拟的灰度级。所展示的有电源电视显示器厚度还不到3mm，确实令人感到惊讶！平板CRT既保持了传统真空电子器件之优点，还克服掉其缺点，属于一种真空电子学原理与半导体制造工艺相结合的新一代极有发展前途的显示器件。其广阔应用前景不仅在字符、图形和图像等复杂的矩阵显示方面，而且尤其在超大屏幕显示方面已显示出巨大魅力。上述表明，CRT显示的发展也走向了平板显示之路，由此可见，平板化将是未来显示器件一大发展趋势。（蒋庆全）