彩色显像管（CPT）的发展历程

高海洛、李景阳整理

CRT，是Cathode Ray Tube的英文首字母缩写，中文叫“阴极射线管”。

CPT，是Colour Picture Tube的英文首字母缩写，中文叫“彩色显像管”。

CRT不算古老，可也有百余年历史了。CPT是CRT行业里最后一个，也是最辉煌的产品，它创造了最大商品价值，最多的从业人员，且几乎全人类都看到过它是如何工作的。

世上第一支CRT，是由一位叫布劳恩（Karl Ferdinand Braun）的德国人在1897年发明的，那年他27岁。他在一个长长的密闭玻璃管内，一端利用气体放电现象产生自由电子，借助离子聚焦作用形成细长的电子束。在电子束附近施加磁场或电场，电子束会被偏转，高速运动的电子打在另一端涂有磷光物质的玻璃面上，磷光物质被激发瞬间发光，形成了一个直径小于1毫米的光点。布劳恩用这个办法，来显示由电势差产生的静电场，或由电流产生的磁场，也就是个原始的示波器。

这支CRT后来被命名为“布劳恩管”，那一年是1897年，定为CRT元年。

就像鲁班被中国的木匠称为祖师爷，瓦特被世界人民尊称“蒸汽机之父”，布劳恩就是“CRT之父”。

之后，布劳恩的助手迪克曼和格拉克曾向他建议，是否可以用阴极射线管做电视的显示器，可固执的布劳恩却认为：这是不可能的。

1906年，这两位助手还是用这种阴极射线管制造了一台画面接收机，进行图像重现。但他们的这种装置重现的是静止画面，应该算是传真系统而不是真正意义上的电视系统，这是后话。^[2]

这是布劳恩当时写的CRT设计论文的部分英译文（原文是德文）

最早期的CRT，只是被科学家用作验证粒子、电子等各种现象的重要实验平台。其中最著名的是汤姆逊（Joseph John Thomson，1856—1940），这个出生于英国曼彻斯特一个出版商家庭的物理学家，于1876年获得剑桥的数学奖金而进入剑桥大学深造，毕业后留校从事研究工作，1897年重新设计了“布劳恩管”，使阴极射线在电场和磁场中均发生偏转。他的实验证实了阴极射线是带电的微粒子流，并测得了微粒子的速度与它的荷子比之间的关系，同时，荷子比与电极材料无关，说明这种粒子是各种物质的共同组成，即宣告了人类发现组成物质的基本粒子“电子”。1906年，汤姆逊获得诺贝尔物理学奖。

汤姆逊使用如图所示的阴极射线管发现了电子。最左边是电子束发射装置，相当于CRT的电子枪，中间部分是磁场/电场装置，相当于CRT的偏转线圈，最右边是显示屏幕。是不是和现在的CRT有几分相像？

阴极射线管被用作示波器，也为后来CRT传输图像奠定了基础。^[3]

1923年，发明家约翰·洛吉·贝亚德（John Logie Baird）的一个朋友告诉他：“既然马可尼能够远距离发射和接收无线电波，那么发射图像也应该是可能的。”这使他受到很大启发。贝亚德决心要完成用电子信号传送图像，他变卖了仅有的一些财产，并收集大量数据，把所有时间都投入到研制电视上，终于提出最早的电视机原理设计。

1925年10月2日，贝亚德在英国伦敦的一次实验中，使用CRT器材研制出第一个半机械式模拟电视系统，得到一幅“木偶”的图像，这一件事被称为电视诞生的标志，贝亚德被称为“电视之父”。后来，他的这种“半机械式”系统被英国广播公司所采用。到1937年，由于“电子式”电视系统更受欢迎，英国广播公司才终止使用这种技术。^[4]

同一时期，俄裔美国科学家弗拉基米尔·兹沃里金（Vladimir Zworykin），正在开辟一个“电子式”电视的时代。他早在1912年在俄国就开始研究电子摄像技术。1919年移民美国，1923年在西屋电气公司工作期间，研制了电子摄像管，并在1925年进行了演示，但图像模糊不清，对比度很低，分辨率差，而且图像是静止的。这种摄像管没能走过实验室阶段。但是，美国无线电公司（Radio Corporation of America，RCA）认为这项技术非常有前景，从西屋电气公司收购了有关的技术专利权。1931年，兹沃里金经过不懈努力，终于制造出了摄像管，并进行一个完整的光电摄像管系统的实地实验。在这次实验中，他通过摄像管把图像分解为由240条扫描线组成的电信号，再传送给4英里以外的一台9英寸显像管电视机上显示出来，成功使电视摄像与显像方式电子化。

英国人贝亚德（J. L. Baird）和他在1925年研制的第一台机械扫描式电视机

1933年，兹沃里金研制成功可供电视摄像用的摄像管和显像管，完成了使电视摄像与显像完全电子化的过程。至此，现代电视系统基本成型。今天电视摄影机和电视接收的成像原理与器具，就是根据他的发明改进而来。

1934年，美国费城的弗拉克林实验室，利用兹沃里金的“全电子”模式，实现了可以商业应用的电视接收和传输试验，在当时引起了轰动。因为相比当时以电影来记录影像的方式，电视更加方便，成本更低，关键还能实现实时传播。随后的几年，电视设备开始进入快速发展的阶段，电视也开始逐步普及，其中最具有标志性意义的事件就是1936年的柏林夏季奥运会，这是人类历史上第一次实现电视转播，当时大约有16万柏林人通过电视直播观看比赛，用的也是“全电子”模式的电视系统。当然全部都是黑白电视，这时候还没有出现彩色电视。^[5]

从提出电视概念的第一天起，一直存在着两条“路线”的斗争：以贝亚德为首的“机械扫描模式”和以兹沃里金为首的“全电子模式”。虽然都用上了CRT设备，但二者实现图像传输的原理却有很大差异。贝亚德是世界上第一个搞出电视这个概念的人，并且他的“机械扫描”电视系统，在英国也有初步的商业试播，然而兹沃里金的“全电子”电视系统，在黑白电视的商业应用上，取得了更大成功，对未来的影响也最大。

眼瞅着兹沃里金的“全电子模式”风头更劲，贝亚德当然不服气，来了个跳跃式发展，试图用“机械扫描”模式搞彩色电视。“机械扫描”模式是不能兼容兹沃里金的“全电子”模式黑白电视的。当然，在那个时候，还说不清哪种方式更好，有些方面似乎贝亚德的“机械扫描”更有优势，比如说，1928年的7月3日，贝亚德又是世界上第一个进行公开演示，用带有红、绿、蓝三色滤光器的三个有30个孔的尼普克夫扫描圆盘，在电视机屏幕上显示了鲜红的草莓、蓝色的领带等图案^[6]，让人们开始幻想未来的彩色电视了。(www.xing528.com)

1940年，美国哥伦比亚广播公司（CBS）的工程师，用类似贝亚德的“机械扫描模式”进行探索，推出了场序制彩色电视系统，这种系统通过摄像机与接收机的彩色滤色镜的转动来运行，在第二次世界大战前，哥伦比亚广播公司还用这种系统进行了一些试验性的播出。^[7]

1939至1945年，二战的爆发使得刚发展起来的电视技术几乎停滞。战争结束后，电视工业又蓬勃发展起来，电视也迅速流行。1946年，英国广播公司恢复了固定电视广播，美国政府也解除了二战期间颁布的禁止制造新电视的法令。^[8]

RCA公司成立于1919年，当时正处于第一次世界大战期间，在美国政府的要求下，美国通用电气（General Eiectric，GE）、美国电话电报公司（American Telephone　&　Telegraph Co.，AT&T）和西屋（Westinghouse）公司为了国防目的，共同组建了RCA公司，为军方研发和生产摩斯电码发报机。1926年，RCA在纽约组建了广播电台网，即国家广播公司（NBC）。^[9]1929年，RCA并购了留声机制造商Victor，并迅速成为美国最大的消费电子制造商之一。^[10]那只听留声机的小狗，成了那个时代家喻户晓的商标。1932年，美国司法部决定，把RCA拆分成一家完全独立的公司。

世界上第一个现代意义的彩色显像管

20世纪30年代，RCA花费了整整十年时间，和数百万美元的科研经费，在弗拉基米尔·兹沃里金带领的团队的艰苦努力下，开发出了时至今日仍然使用的电视系统（“全电子”模式的电视原理），并在1939年的纽约世博会上向公众展示。

1949年，当时美国的两大广播业巨头，RCA公司和哥伦比亚广播公司，正在就彩色显像管的技术标准展开竞争。竞争的焦点是看谁先做出能够出色工作的样品。

RCA的总裁戴维·沙诺夫（David Sarnoff）先生召集了公司里6个最有才华的工程师和科学家，对他们说：“你们要在6个月内拿出彩色显像管的工作样品。不管花多少钱，摒弃一切条条框框的约束，不要听各种权威的话（Forget about money，forget about red tapes，and forget about line of authority）。”六个月后，他们真的按期拿出了世界上第一支彩色显像管的样品，管内使用了荫罩（Mask）——之前还从没有人想到，用这个办法来产生彩色图像！他们把显像管送去华盛顿演示，引起巨大轰动。

如果你打烂两个管子，比较一下黑白显像管和彩色显像管的构造，你会发现两者其实大同小异，最大的区别就是，彩管多了个荫罩组件。它装在玻璃壳里面，靠近屏幕的位置。荫罩是一片薄薄的钢片，上面有规律地布满了小孔，“代表”不同颜色的电子束以不同的角度穿过小孔后，“恰好”打在该颜色荧光粉上，发光。这就是荫罩式彩色显像管的基本原理。

1950年3月29日，RCA公司的董事长戴维·沙诺夫（David Sarnoff）向世界宣告：“我们已经踏上电视新纪元的门槛——彩色电视时代”。

戴维·沙诺夫，1891年2月27日生于俄罗斯和白俄罗斯边界地区，犹太人。小时候随父母移居美国，15岁到美国马可尼公司工作，17岁时成为公司的无线电报务员。1912年泰坦尼克号沉没事件使其一举成名，当海难发生时，沙诺夫正值班，此后三天三夜，他在电报室里将生还者名单接二连三发出，无形中所有人的希望都寄托在了他的身上。也正是此次意外事件使其声名大振。随后公司提升他为高级职员。1916年沙诺夫向公司递交一份备忘录，颇有预见性地建议公司研究开发他所说的“无线电乐盒”（Radio Music Box），这个构想实际上已经描绘了未来广播的雏形。但当时计划并未被采纳。

1919年，他参与了创立RCA，投注大部分心力，领导RCA短时间内扩展到各种领域。1922年他又给公司董事会写信，建议创办一家由RCA控股的广播公司。1926年他的建议获接纳，NBC诞生。1930年沙诺夫升任RCA总经理。1934年出任NBC的董事长，直到1970年退休。他曾经掌控RCA和NBC两家公司，都是曾经持续大幅成长的通信和消费电子帝国，也是当时全世界最大的公司之一，他被誉为美国广播通信业之父。

二战期间，他作为预备役军官，在艾森豪威尔上将的参谋部任新闻顾问，负责盟军在欧洲的广播，并领准将军衔，所以后来人们习惯称其为“沙诺夫将军”（General Sarnoff）。

1951年，RCA把实验室易名为“戴维沙诺夫实验室”，以纪念他的功绩。1971年12月12日，他病逝于美国纽约，终年80岁。

1954年，美国RCA公司，采用德州仪器公司研制的晶体管，制成世界第一台全晶体管电视机RCA CT-100，这台电视采用了NTSC制式，当年售价为1000美元。由于彩色显像管非常昂贵，RCA每一部电视都是亏本生意，但是当新一代产品批量上市的时候，他们用很短的时间就赚回了两倍的利润。

1986年，GE并购RCA后，“戴维沙诺夫实验室”亦易名“戴维·沙诺夫显示器件公司”，致力于继续发展CRT事业，开发出许多概念性彩管（类似车展上看到的“概念车”），比如：他们开发的大尺寸、宽屏幕彩管，是用两支完全独立的电子枪，分别扫描左右两块区域；为了压缩大屏幕彩管的长度，他们设计了电子枪与屏面平行的彩管；等等。在视频信号的数字化处理方面，这家公司都做出过卓越贡献。

RCA首创的荫罩式彩色显像管技术，产生彩色图像的原理非常巧妙，可以完全兼容现行的黑白电视广播信号，也就是说，如果接收黑白信号，在彩色显像管可以正常显示黑白图像；如果接收彩色信号，黑白电视机也依然可以正常工作，只不过放出来的还是黑白图像。这样，由黑白电视转换到彩色电视，就变得非常顺利了（平稳过渡，谁都不会有意见）。而它的竞争对手，哥伦比亚广播公司，情况就不大一样，它使用转动的彩色滤光镜来产生彩色图像，与现行的黑白电视广播完全不能兼容，并且结构也异常复杂，很快就被市场抛弃了。从此，RCA一骑绝尘。

当时，RCA公司发明的彩管是三枪三束管，“代表”三种颜色的三支各自独立的电子枪，呈“品”字形排列，三束电子束流经同一个荫罩上的小孔后，“恰好”打在红、绿、蓝三个荧光粉点上，组成一个像素。三枪三束管优点很多，拥有划时代的意义，毋庸赘述，单提缺点，这是未来进步的方向。第一，由于电子束是经小孔穿过荫罩，电子的透过率很低，屏幕亮度也就低；第二，电子枪需要三套调整电路，调整也麻烦。

日本三菱公司一直是三枪三束管的最狂热支持者，并改进为一字形三枪三束，加上荫栅选色结构，最终推出“钻石珑”管，在高端显示器上应用，占有一席之地。

三枪三束彩色显像管示意图

整个五六十年代，彩色显像管的研制有了长足的进展，RCA的荫罩式彩色显像管似乎一家独大，成了业界的标准，并被美国联邦通信委员会（FCC）采纳。全世界的电器制造公司都纷纷向美国RCA公司申请专利许可证。^[11]