器物小理:电视(旧文)-器物与我

注:动图较多,建议 Wi-Fi 下观看。

电视,一种传输图像的装置。在不到一百年的时间里,机械式电视坟头长草,CRT 电视奄奄一息,等离子电视行将就木。现如今,液晶电视如日中天,OLED 电视蓄势待发。

咱们就按这个顺序聊聊它们究竟用了什么「魔法」,把图像从静止变为动态。(注:OLED 不在本文中介绍)

「拼图」游戏

从最初的机械式电视,到现在的电子式电视,各式各样显示图像的技术,都像是在玩「拼图」游戏。

像素便是「拼图」上的「方块」,与之不同的是,这个方块会产生「明暗」和「色彩」的变化。

「游戏」通常从屏幕的一角开始,比如左上,从左到右,从上到下。

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一种 CRT 电视从从左到右,依次显示像素的方式,来源:见文末

黑白电视的像素点只有「明暗」或「亮度高低」的变化。

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黑白电视上明暗不同的像素组成图像,来源:见文末

彩色电视的像素点则有「亮度」和「色彩」的变化。

一个像素点通常由三种颜色的「子像素」(或称像素单元)组成,改变每种颜色的亮度,就可以像混合颜料一样,让像素整体呈现出不同的颜色。

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CRT 彩色电视上色彩不同的「子像素」组成「像素」,像素再组成图像,来源:How a CRT TV works - 13slam

视觉残留

老一辈武术家「火云邪神」曾经说过:「天下武功,唯快不破」。

我们之所以注意不到像素变化的过程,就是因为它们的速度非常的快,而人眼又具有「视觉残留/暂留」(Persistence of vision)的特性。

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「视觉残留」的经典实验,快速转动纸片,鸟看起来像在笼子里,来源:见文末

同一张图片,被分拆成多块,在对应的位置快速、连续的出现,人眼就自动把它们组合成一张完整的图片。

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同一张图片,被分拆成多块,快速的闪现,人眼就自动把它们组合成一张完整的图片,来源:见文末

多种连续的静止图片快速出现,就变成动态的图像。

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多张连续的图片快速切换,马看起来就像在奔跑,来源:见文末

各种电视之间的不同,主要就在于「还原图像」的方式和原理。

机械式电视

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机械式电视的一端,来源:见文末

最初的电视大多是机械式电视,源自一种叫做「尼普科夫圆盘」(Nipkow Disc)的装置。

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机械式电视,左边是扫描装置,右边是显示装置,来源:hesston.edu

盯着这个圆盘,难免会心生疑惑:就这几个小孔,怎么看到完整的图像?

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缓慢旋转的带孔圆盘,来源:见文末

想一想,圆盘快速转起来会怎样?

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快速旋转的带孔圆盘,来源:见文末

由于人眼「视觉残留」的特性,圆盘只要转得足够快,我们的眼睛就会把上面的圆孔看成一条线。

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圆盘快速转动,每个圆孔形成一条线,来源:见文末

圆孔在不同时间的位置就是排成一线的多个像素,圆孔呈螺旋状分布,线上下排列,组合起来便是一幅完整的图像。

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多条「线」组成完整的图像,来源:见文末

可见:

  • 圆盘转得越快,像素就越多。

  • 圆盘上孔越多,线数就越多,图像就越清晰。

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机械式电视显示的图像,来源:The Origins of Television - Discover Magazine

器物小理:电视(旧文)-器物与我线数越高,像素越多,图像越清晰,注:后两张应该是 CRT 电视,来源:《Tele-Visionaries The People Behind the Invention of Television》- R. C. Webb

我们来看一遍机械式电视扫描、传输、显示图像的完整过程:

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扫描图像,转换成电信号,来源:见文末

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传输电信号,来源:见文末

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转换电信号,显示图像,来源:见文末

受限于原理,机械式电视始终不成气候,虽然人们努力研发出彩色的机械式电视,但还是惨遭 CRT 灭门。

CRT 电视

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CRT 电视显示图像的模拟图,来源:见文末

CRT 指阴极射线管(Cathode ray tube),俗称的「大屁股」的电视和显示器。

CRT 电视的一个像素点由一组三基色的荧光体组成,一般是红绿蓝荧光粉。

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CRT 电视的像素点由一组三基色的荧光体组成,来源:howstuffworks.com

在布满荧光体的屏幕后面,是核心部件「阴极射线管」。

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早期的阴极射线管,来源:见文末

CRT 里面有一种发射「电子束」的装置,俗称「电子枪」,其发射电子束撞击荧光体,荧光体再发出对应颜色的光线。

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电子枪透视图,来源:《知识大图解》第七期

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电子枪发射电子束,来源:CRT How to work - underdog

黑白 CRT 只有一把枪,彩色电视 CRT 有三把枪,分别对应像素点里面的红绿蓝荧光体。

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彩色 CRT 内部的三把电子枪,来源:CRT How to work - underdog

三把电子枪发射电子束,穿过「透镜」和「荫罩」,分别撞击同一像素点里的红、绿、蓝荧光体。

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三把电子枪分别发射电子数撞击对应的荧光体,来源:CRT How to work - underdog

电子枪发射的电子束越强,其撞击的荧光体发出的光线亮度就越高。

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电子枪发射的电子束越强,其撞击的荧光体发出的光线亮度就越高,来源:CRT How to work - underdog

一个像素点整体的颜色,由红绿蓝混合而成,三者比例不同,产生的色彩就不同。

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电子束撞击一个像素点里面的三色荧光体,产生不同颜色的组合,来源:CRT How to work - underdog

再用磁场改变电子束的方向,从左做右、从上到下撞击荧光体。(方向或相反)

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电子束在磁场作用下改变方向,来源:CRT How to work - underdog

各个像素点依次高速变化,人眼看到的便是完整图像。

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电子枪由左到由,由上到下,撞击荧光体,改变像素,生成图像,来源:CRT How to work - underdog

一个又一个像素组成图像的一条线,一条又一条线组成完整的图像。
这一过程高速进行,图像快速切换,从静止变为动态,这便是视觉「魔法」的奥义。

液晶电视

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一种液晶的形态,来源:How LCDs Work - How Stuff Works

液晶,并不是发光体,也不是滤光器,它的作用更像是台灯的「旋钮」,旋转它的方向,便可以改变像素的亮度。

与 CRT 和 等离子电视不同,液晶电视有独立的背光系统,通常位于屏幕背部侧边,过去常用 CCFL 灯管(冷阴极荧光灯管),现在一般为 LED 灯条。

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这个液晶显示器的「背光」位于下侧,来源:见文末

如果我们凑近观察液晶电视,就会看到密密麻麻的像素。再放大去看,就会发现每个像素由三个「子像素」组成。

器物小理:电视(旧文)-器物与我液晶电视/显示器的「像素」和「子像素」,来源:wikipedia.com

把「子像素」拆开,就会发现它是一个多层结构。

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液晶像素由三个子像素组成,子像素是个多层结构,来源:见文末

中间那个便是「液晶盒」。

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子像素里的「液晶盒」,来源:见文末

液晶在两块偏光板(或称偏振片)之间,两块偏光板放置的方向呈 90 度交叉。

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两块偏光板的放置方向垂直,来源:Sharp LCD Technology - MrAquosled

未通电时,液晶随两端的偏光板扭个 90 度。

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不通电时,像素单元里的液晶扭曲 90 度,来源:How LCD works - David Rodriguez

通电时,液晶平行排列。

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像素单元通电,液晶平行排列,来源:How LCD works - David Rodriguez

它是怎么发光的呢?我们前面已经说过了,液晶本身不发光,光线来自电视的背光系统。

接通电源,背光亮起,光线先由「导光系统」分配均匀,再穿过「偏光板」。

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光线穿过偏光板,来源:How LCD works - David Rodriguez

「偏光板」和「偏光太阳镜」的原理类似,光线经过它之后,只剩下一个方向。

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光线被转换为一个方向的「偏振光」,来源:How LCD works - David Rodriguez

光线经第一块偏光板转换之后,进入液晶。

  • 如果此时没通电,光线会随着液晶扭个 90 度。

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光线方向被液晶改变,扭转 90 度,来源:How LCD works - David Rodriguez

  • 如果此时通电了,液晶变为平行排列,光线径直穿过去。

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光线径直穿过液晶,来源:How LCD works - David Rodriguez

光线从液晶出来之后,还要经过第二块偏光板。

如上所述,两块偏光板放置的方向垂直,所以根据通电与否会出现两种状况:

  • 液晶单元没通电,光线方向转 90 度,刚好可以穿过第二块偏光板,像素单元点亮。

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光线穿过第二块偏光板,像素点亮,来源:How LCD works - David Rodriguez

  • 液晶单元通电,光线方向不被液晶改变,但被第二块偏光板阻挡,像素单元不亮。

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光线被第二块偏光板挡住,像素不亮,来源:How LCD works - David Rodriguez

在亮和不亮之间,还有很大的操作空间,施加的电压值不同,液晶扭转的角度就不同,亮度便不一样。

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像素的亮度变化,来源:见文末

光有了,怎么改变颜色呢?在像素单元前面分别放上红绿蓝三基色的滤光片(或称滤色膜)即可。

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在像素前面放上滤光片,来源:How LCD works - David Rodriguez

于是只要控制「像素单元」的电压值,便可以改变液晶的扭转方向,进而改变像素单元的光线强度和组合,最终改变整个像素的颜色。

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「像素单元」亮度的组合,让「像素」呈现出多种色彩,来源:见文末

成千上万像素组合起来,成为电视屏幕/显示器。

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成千上万像素组合起来,成为电视屏幕/显示器,来源:How LCD works - David Rodriguez

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成千上万像素组合起来,成为电视屏幕/显示器,来源:How LCD works - David Rodriguez

像素的组合随着信号快速变化,便可以呈现完整的动态图像。

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像素的组合随着信号变化,便可以呈现完整的动态图像,来源:见文末

等离子电视

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等离子的内部结构图,三个「像素单元」组成一个像素,来源:How Plasma Displays Work - How Stuff Works

虽然在民用消费市场,等离子电视两只脚都跨进了棺材,但我们还是得聊一下。
老规矩,我们先放大来看:

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等离子电视的屏幕同样分布着密密麻麻的像素,来源:Plasma TV - Discovery Channel

等离子的像素同样由三个小单元组成,有时被叫做「等离子管」,里面封装「惰性气体」,上下都有电极。

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等离子的像素同样由三个小单元组成,有时被叫做「等离子管」,来源:Plasma TV - Discovery Channel

「等离子管」通电,电极射出电子,内部气体放电发出「紫外线」。

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「等离子管」通过「气体放电」发出紫外线,来源:Plasma TV - Discovery Channel

有没有感觉有点像荧光灯?没错,等离子管的发光原理和荧光灯类似,可视为微型的荧光灯。

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「等离子管」通过「气体放电」发出紫外线,来源:Plasma TV - Discovery Channel

两者都是利用气体放电发出紫外线,然后经荧光粉转换为可见光。

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「等离子管」的内部结构,蓝色部分为荧光粉,来源:How Plasma Displays Work -How Stuff Works

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「等离子管」发光示意图,来源:How Plasma Displays Work -How Stuff Works

每个「等离子管」发出一种颜色的光线,三种颜色的「等离子管」组成一个像素,最后用电极控制像素的亮度和组合,以此实现多种色彩。

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「等离子管」颜色和亮度的组合,让「像素」整体呈现出多种色彩,来源:Plasma TV - Discovery Channel

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成千上万个像素,组成等离子电视的屏幕,来源:Plasma TV - Discovery Channel

最后

绝大部分电视和显示器,都像是在玩「拼图」游戏,先用三个基色(红绿蓝)的「子像素」拼出各色「像素」,再用不同颜色的「像素」拼出完整的图。

  • CRT 电视的「子像素」依靠「电子束」撞击荧光粉发出红绿蓝光。

  • 等离子电视的「子像素」依靠「气体放电」发出紫外线,经荧光粉转换为红绿蓝光。

所以 CRT 和等离子电视有时被称为「发光型」或「主动发光型」。

  • 液晶电视的光源独立于其他组件,「子像素」的光线来自「背光系统」,经液晶调节亮度,再由「滤光片」转换为红绿蓝光。

所以液晶电视有时被称为「非发光型」或「非主动发光型」。

主要来源

How LCDs Work - How Stuff Works

How Plasma Displays Work - How Stuff Works

How Television Works -  How Stuff Works

Tele-Visionaries The People Behind the Invention of Television - R. C. Webb

图解电气大百科 - 曾根悟

发光材料与显示技术 - 徐叙瑢

平板显示技术 - 应根裕、胡文波、邱勇等

动图来源视频

Television History - Largest Dams

TFT / LCD Monitor - How it works! (3D Animation) - Thomas Schwenke

Nipkow Disk Arduino Project - David Henderson

Presentation Program for CRT, LCD/TFT, Plasma Displays - Lumpiluk

How did the first television work? / Mechanical Television - 1shnitsel

The Origins of Television - Discover Magazine

CRT How to work - underdog

How a CRT TV works - 13slam

Physics - Electromagnetism: How a Television Works - EducationCommonsRW’s channel

LCD Technology: How You’re Seeing this Video - In One Lesson

How LCD works - David Rodriguez

Sharp LCD Technology - MrAquosled

Plasma TV - Discovery Channel

题图来源:PEXELS