原标题:IT之家学院:电视屏幕显像基本原理

1900年,英国人康斯坦丁·帕斯基在为国际电联会议起草的报告中首次正式使用“Television”一词。

1925年,贝尔德在英国首次成功装配出电视机。

1949年,美国研制出世界上首只三枪三束彩色显像管。

1958年,中国第一台电视机在天津无线电厂试制成功,同年,中国电视广播中心首次在北京试播电视节目。

作为我们生活中几乎最不可或缺的家用电器,电视的历史已近百年。从《红楼梦》、《西游记》,到《快乐大本营》、《中国好声音》,可以说电视伴随了一代人的成长,说到这里,大家有没有想过,电视中的图像,到底是如何被显示出来的呢?

今天的IT之家学院,文轩就和大家聊聊电视屏幕显像的基本原理。

显像管电视的显像原理

一提到显像管电视,可能大家的脑海里总会浮现出“笨重”、“古董”、“静电“这样的词汇,事实上,显像管电视并不像我们印象中那样古老,遥想十年以前(就是首款iPhone发布的那一年),显像管电视的保有率还十分可观,时至今日,这种电视也没有完全退出市场。

要说显像管电视最让人印象深刻的特点是什么,那恐怕非“大”字不可了。这里的大并不是指它的屏幕大(当然了,大屏的显像管电视也非常常见),而是指它的体积很大,这种电视的背后永远都鼓着一个“大大的包”,这个“包”里装的到底是什么啊?

记得小时候,小编问过家里的大人,电视的后背鼓溜溜的,里面装的到底是什么啊?大人说,你看到电视里的孙悟空了么?他就被装在这里面。

曾几何时,小编一直以为打破电视背后的那个大包,就能在里面看到微缩版的孙悟空,当然了,如果家里的大人现在跟我这么解释,我肯定不会相信了。

要解释显像管电视的体积为什么这么大这个问题,还要从它里面显像管的结构讲起。

小编画了一张草图,大概描述了显像管的结构:

它的核心元器件已经在图中标示出来了,分别是阴极、聚焦线圈、偏转线圈真空管和荧光粉。

当电信号输入到电视的显像管中时,它会由显像管一端(就是比较尖的那端)的阴极(电子枪的一部分)转换为电子束,并传输到聚焦线圈,聚焦线圈则对电子束有聚集作用,如果此时这束电子束直接投射到荧光屏上,那你将在电视屏幕的中心看到一个圆圆的白点,这可不是我们想要的效果。

要让电视屏幕显示正常的画面,我们还需要一个叫做“偏转线圈”的元器件,它的作用是通过磁场将那束圆圆细细的电子束变成一条一条的,这一条条的电子束会在电视的荧光屏上做扫描,负责水平扫描的那组线圈被称作“行偏转线圈”,负责垂直扫描的那组线圈被称作“场偏转线圈”,在行偏转线圈的场偏转线圈的共同作用下,那束圆圆细细的电子束就会变成一个矩形光栅。

什么是扫描呢?这是电视机刷新画面的一种方式,小编这里又画了一个示意图,大家大概感受一下:

电视屏幕上的画面,实际上是由一条又一条的扫描线构成的,中国的电视制式是PAL-D,这种制式下,每幅图像的扫描线数量为625条。

图像的扫描展现又分为逐行扫描和隔行扫描两种,所谓的逐行扫描,指的是一次扫描即覆盖所有的行数,而隔行扫描则是先扫描偶数行,紧接着再扫描奇数行,从而形成一整幅图像,由于扫描的速度很快,所以人眼几乎感受不到扫描的过程。这两种扫描方式各有优点,又各有弊端,逐行扫描的优点是闪烁较轻,缺点则是对信号带宽的要求较高,隔行扫描的优点是节省带宽,缺点则是闪烁相对比较明显。

中国的PAL-D电视制式采用的是隔行扫描,我国的市电频率是50Hz,故每秒可以扫描50场,而又由于是隔行扫描,扫描两次才能形成一幅完整的画面,所以此时的帧率就是25帧/秒,这也是我国电视信号的标准帧率。

我们再将目光移回经由电子枪发射出的电子束上来。前文我们已经说到,电子束经过偏转线圈的处理,已经变成了一条又一条的,那这一条又一条的电子束打到玻璃上,怎么就变成了各式各样的图像了呢?

这些电子束打在透明的玻璃上肯定是无法显像的,知道显像管电视的屏幕为什么叫“荧光屏”吗?因为这个屏幕上被涂上了一层荧光粉。

荧光粉是由特殊的化学物质组成的,当电子束打到这层荧光粉上时,它们就会发出各种不同的光,电视画面就这样形成了。

显像管电视有黑白电视和彩色电视之分,黑白电视的电子枪相对比较简单,荧光粉也只能对图像的亮度部分进行还原,而彩色电视的电子枪就比较复杂了,它里面射出的电子束可以包含色彩信息,它的荧光粉可发出的光的颜色则有蓝白、灰白和黄白等几种。

记得小时候家里的电视,看时间长了,摸一摸它的屏幕,可以感到静电,知道显像管的显像原理之后,终于知道这是怎么回事了,这块屏幕一直在接受电子束的轰击,产生静电再正常不过了。

平板电视的显像原理

随着科技的进步,时代的发展,电视也终于成功地减肥了。现在在商场看到的电视,大多是薄薄的平板电视,平板电视又分为很多种,比如等离子电视、LCD电视、OLED电视等等,今天,我们挑出TFT-LCD和OLED这两位选手和大家讨论。

TFT的显像原理

TFT,全称为“Thin Film Transistor”,翻译成中文就是“薄膜晶体管”,是LCD的一种。要理解TFT的显像原理,我们要从它的结构说起,小编这里画了一张简单的TFT面板结构示意图:

可以看到,一块TFT屏幕的组成元素大概是这么几样:背光板、偏光片、薄膜晶体板、彩色滤光片和透明基板。

背光板的作用是发出白色的光,这些光经过偏光片的散射后,将来到由薄膜晶体板和彩色率偏光片夹着的液晶面前。

液晶是一种可以随着温度的变化而改变性质的物体,它的分子结构就像一个又一个的火柴棒,当这些“火柴棒”的摆放方式发生变化,透过液晶的光线的量也会随之发生变化。这样说可能不太容易理解,小编又画了张图:

可以看到,当液晶的两端不施加电压时,它们的分子是与光线传播的方向垂直排列的,这样,光线就无法穿透液晶层,而当液晶的两端施加电压时,它们的分子是与方向传播的方向水平排列的,这样,光线就可以穿透液晶层,如下图所示:

在一块液晶屏幕中,液晶分子与光线传播方向间的夹角不同,透光的光的量不同,最终传到我们眼睛里的光线的明暗就不同。

如果把液晶分子比喻成百叶窗的叶片,那么液晶层下方的薄膜晶体板则是每个百叶窗叶片的开关。光线透过液晶层的多少,全由薄膜晶体板来控制。

当光线通过液晶层后,画面的明暗已经成型,不过我们还需要给它加点色彩,这时,我们在前面给它拦一个彩色滤光片,当带有明暗信息的画面通过这些彩色滤光片,我们就可以得到有色彩的画面了。

经由彩色滤光片传出的光会再次经过偏光片的散射,最后,带有明暗信息和色彩信息的经过散射的光传到我们的眼睛里,我们就可以看到有明暗、有颜色的电视画面了。

OLED的显像原理

和TFT-LCD这种自带光源的显示技术不同,OLED的每个显示单元可以自行发光,因此,在显示黑色时,它的像素点是完全关闭的,可以黑得更加深邃:

由于它的发光原理和结构特征和LCD不同,光线无需通过偏光板进行散射,因此相比于LCD,它可视角度更好。

小编画了一张简单的OLED面板结构示意图,如下:

可以看到,OLED的组成元素大概有阴极、电子注入/传输层、有机发光层、空穴注入、传输层、阳极和透明基板。

有机发光层是一层具有半导体特性的透明薄膜,当电子经由阴极走向阳极时,正极空穴会与阴极电荷在发光层中结合,产生不同颜色和不同亮度的光。这些光通过透明基板,传到我们的眼睛里,就是我们所看到的电视画面。

由于蓝色像素相对于红色和绿色像素寿命较短,因此,OLED屏幕的次像素排量方式和LCD略有不同。

这里我们解释一下什么是次像素,一个完整的像素,应该可以显示出所有不同的色彩,而要显示出各式各样的色彩,就需要红、绿、蓝这三种色光进行不同剂量的配比,包含红、绿、蓝这三个显示单元的像素,我们称之为单像素,而组成单像素的红、绿、蓝三个色光单元,我们称其为次像素。

LCD的次像素排列方式是标准的RGB排列,就像下图这样:

而OLED是像素自发光,相比于红色和绿色,蓝色次像素的寿命较短,因此,OLED需要将蓝色次像素的数量尽可能的减少,同时增大蓝色次像素的面积,为了平衡色光,红色次像素的数量也随之减少,并增大面积,由此,便形成了这种单像素间共享蓝色次像素的RGB-Pentile的次像素排列方式:

这种次像素的排列方式,有着显示不够细腻和色彩不够准确的缺点,当然了,为了优秀的画面对比度和广阔的可视角度,这种小缺点也是可以接受的,何况经过这么多年的改进,OLED偏色的显示粗糙的问题已经基本上被攻克了。

遥想当年,那些又薄又大的电视动辄上万,而如今,我们只需花个千把块钱就能买到入门级的液晶电视了,不得不感叹科技的发展和时代的进步。

好的,这次的电视屏幕显像原理就和大家讨论到这里,更多实用教程、尝试科普,敬请关注IT之家学院。

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