计算机显示屏的原理

【CRT显示屏】CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）的基本工作原理一直沿用了几十年，直到今天也没有太大的变化。显示器是一种复杂的设备，其扩展性和可靠性也十分惊人，在这一方面，电子控制起了很大的作用，任何机械都会有磨损，唯有用电子元件才能延长寿命，甚至能适应数千小时的工作。电子枪是显像管的核心，它发出的电子束击中光敏材料（荧光屏），刺激荧光粉就能产生图像。实际上，电子枪和大体积、功率强劲的二极管没有什么区别，其原理也适用于电视机和示波器。

1、生成图像

CRT分为几个部分：Deflection Coil（偏转线圈）用于电子枪发射器的定位，它能够产生一个强磁场，通过改变强度来移动电子枪。线圈偏转的角度有限，当电子束传播到一个平坦的表面时，能量会轻微地偏移目标，仅有部分荧光粉被击中，四边的图像都会产生弯曲现象。为了解决这个问题，显示器生产厂把显像管制造成球形，让荧光粉充分地接受到能量，缺点是屏幕将变得弯曲。电子束射击由左至右，由上至下的过程称为刷新，不断重复地刷新能保持图像的持续性。

2、混合颜色

旧式的显示器只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色，即是传说中的Monochrome Monitor（单色显示器）。新一代显示器有三只电子枪，每个电子枪都有独立的偏转线圈，分别发出RGB（Red、Blue、Green，红、蓝、绿）三束光线，混合光线可以产生1600万种颜色，或者说真彩色。某些显示器能用一个电子枪发出三束光线，经过混合亦能生成其它颜色。生成彩色图像电子枪要扫描屏幕三次，其过程比黑白图像复杂得多。

3、回转变压器（Flyback Transformer）

回转变压器类似发动机点火线圈，在特定时间发出一个低能量信号给回转磁线圈，并生成磁场。当低能量源关闭后，磁线圈的能量转移到高能量输出中，最后传到电子枪发出电子束。依照CRT尺寸的不同，产生的能量也各有差异，通常在10000伏至50000伏之间。当电子枪完成一条线的扫描后，回转变压器会放出能量，关闭电子枪并消去磁场，强制光束发到屏幕的其它位置，就能画出下一条线。在显示器开启时，不要直接触摸CRT，它带有上万伏的电压，你会被击伤并导致死亡。

4、垂直和水平同步

垂直和水平是CRT中两个基本的同步信号，水平同步信号决定了CRT画出一条横越屏幕线的时间，垂直同步信号决定了CRT从屏幕顶部画到底部，再返回原始位置的时间，垂直同步也可以称为刷新率。显卡把这两个参数提供给显示器，显示器用它们来驱动内部振荡电路，确定显示器与当前显卡的设置相同。标准电视机的水平同步信号=512线×30帧/秒=15.75kHz，显示器的水平同步信号可任意调节，幅度在15.75kHz－95Khz之间。把水平同步信号反转能够得出扫描一条线的时间，即1/17.75Khz=63.5微秒。在垂直折回脉冲使电子枪关闭后，电子枪会返回原来位置，电视机扫描一帧图像要返回525次。因为CRT的频繁开关和扫描切换，在屏幕上实际表现出来的线数比525要少一些，约为428－399条线。

5、交错和非交错

显示器表现的是静态画面，并以连续的画面来组成动画，由于电脑画面是随机的，无法预先录制，在玩3D游戏时就会感到画面的过渡出现停顿感。为了追求显示画面的速度，需要采用的二种不同扫描方式。电视机采用的是交错（Interlace）扫描，机器本身刷新速度不足，每一帧都要刷新两次，由于人眼的视觉暂停原理，会感到画面是连续播入的，缺点是人眼能发现两次刷新的不同，感到屏幕有闪烁，长时间观看容易使眼睛疲劳。显示器的隔行扫描与之相近，但有少许不同。电视机能稳定运行在30Hz，或30帧/秒，但早期CRT并不能保持刷新率不变，磁偏转线圈常常影响着电子束的发射，有时还会减弱电子束，以及荧光粉的发热时间的限制，导致上半部分屏幕比下半部分屏幕更亮，所以我们不能再沿用电视机的技术，必须有所突破。后来，人们采用了分线刷新的方法，第一次扫奇数行、第二次扫偶数行，缺点是每做一样工作要刷新两个周期，显示器的反应较慢，当然，画面闪烁是少不了的。不过，也因此而增加了显示器的刷新速度，以30fps的频率实现60fps图像亦变为可能，避免了显像管负荷过重而烧毁。幸运的是，在荧光粉发热时间和稳定性增加，以及电子枪得到重大改进的今天，上述发生早期CRT应用的问题亦不复再现。

6、金属隔板技术

点状阴罩（Shadow Masks）指电子枪和荧光屏之间放置一个金属隔板，上面有许多小洞让电子通过。其作用是防止一个荧光点加热时传导到附近的点，分离显示器的色彩。在阴罩技术方面，有两点最重要：一是如何使用更薄的金属来制造隔板，并缩小点与点之间的位置（Dot Pitch，点距），让它与屏幕上的点一一对应；二是如何修正电子束的颜色，让它更符合要求。

阴罩的主要缺点是金属板会随着能量的变化而产生弯曲，特别是在高亮度的情况下，需要更多的能量来战胜阴罩的阻抗，弯曲会更加严重。金属板变形使电子束偏离原定目标，显示的画面会模糊不清。为此，人们只好不断寻找合适制造阴罩的金属，目前效果最好的是INVAR（不胀铜），它是镍/铁合金，膨胀率几乎为零。阴罩的第二个缺点是屏幕弯曲会产生刺眼的眩光，用AGC（Anti Glare Coatings，防眩光涂层）能解决这个问题。

Aperture Grills（栅条式金属板）的原理和阴罩差不多，只是圆孔换成了垂直的栅条，增加了电子束的穿透率。由于栅条是垂直的，可以使用柱面显像管，在垂直方向实现完全平面。缺点是金属板过热会导致栅条间隔变小，显示图像模糊。除此之外，栅条的微小振动也会导致画面颤抖。Sony的Trinitron（特丽珑）采用了两条水平金属线来固定栅条的位置，虽然在高亮度时可以见到约隐约现的金属线，但并不影响画面的完整。

slot mask（槽状阴罩）是NEC和Panasonic开发的新技术，它结合了传统阴罩和栅条金属板的优点，以重直长方形栅条代替了旧式的圆点，增加了电子束的穿透率。不过，它仍然无法避免金属板的变形，唯有沿用原有的球状显像管。另外，槽的形状还要尽量接近电子束的外形，防止荧光粉受到过多的能量照射。

【LCD显示屏】
（一）液晶的物理特性

液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。

（二）单色液晶显示器的原理

LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。

LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。
LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。
然而，可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由于计算机屏幕几乎总是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。

从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。
（三）彩色LCD显示器的工作原理

对于笔记本电脑或者桌面型的LCD显示器需要采用的更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。

LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但也同时带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示(每个单元就是一个像素)。

CRT通常有三个电子枪，射出的电子流必须精确聚集，否则就得不到清晰的图像显示。但LCD不存在聚焦问题，因为每个液晶单元都是单独开关的。这正是同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清晰的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在40～60Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。不过，LCD屏的液晶单元会很容易出现暇疵。对1024×768的屏幕来说，每个像素都由三个单元构成，分别负责红、绿和蓝色的显示一所以总共约需240万个单元(1024×768×3＝2359296)。很难保证所有这些单元都完好无损。最有可能的是，其中一部分己经短路(出现“亮点”)，或者断路(出现“黑点”)。所以说，并不是如此高昂的显示产品并不会出现瑕疵。

LCD显示屏包含了在CRT技术中未曾用到的一些东西。为屏幕提供光源的是盘绕在其背后的荧光管。有些时候，会发现屏幕的某一部分出现异常亮的线条。也可能出现一些不雅的条纹，一幅特殊的浅色或深色图像会对相邻的显示区域造成影响。此外，一些相当精密的图案(比如经抖动处理的图像)可能在液晶显示屏上出现难看的波纹或者干扰纹。

现在，几乎所有的应用于笔记本或桌面系统的LCD都使用薄膜晶体管（TFT）激活液晶层中的单元格。TFT LCD技术能够显示更加清晰，明亮的图象。早期的LCD由于是非主动发光器件，速度低，效率差，对比度小，虽然能够显示清晰的文字，但是在快速显示图象时往往会产生阴影，影响视频的显示效果，因此，如今只被应用于需要黑白显示的掌上电脑，呼机或手机中。

随着技术的日新月异，LCD技术也在不断发展进步。目前各大LCD显示器生产商纷纷加大对LCD的研发费用，力求突破LCD的技术瓶颈，进一步加快LCD显示器的产业化进程、降低生产成本，实现用户可以接受的价格水平。
（四）应用与液晶显示器的新技术

（1）采用TFT型Active素子进行驱动

为了创造更优质画面构造，新技术采用了用独有TFT型Active素子进行驱动。大家都知道，异常复杂的液晶显示屏幕中最重要的组成部分除了液晶之外，就要算直接关系到液晶显示亮度的背光屏以及负责产生颜色的色滤光镜。在每一个液晶像素上加装上了Active素子来进行点对点控制，使得显示屏幕与全统的CRT显示屏相比有天壤之别，这种控制模式在显示的精度上，会比以往的控制方式高得多，所以就在CRT显示屏会上出现图像的品质不良，色渗以及抖动非常厉害的现象，但在加入了新技术的LCD显示屏上观看时其画面品质却是相当赏心悦目的。

（2）利用色滤光镜制作工艺创造色彩斑澜的画面

在色滤光镜本体还没被制作成型以前，就先把构成其主体的材料加以染色，之后再加以灌膜制造。这种工艺要求有非常高的制造水准。但与同其他普通的LCD显示屏相比，用这种类型的制造出来的LCD，无论在解析度，色彩特性还是使用的寿命来说，都有着非常优异的表现。从而使LCD能在高分辨率环境下创造色彩斑澜的画面。

（3）低反射液晶显示技术

众所周知，外界光线对液晶显示屏幕具有非常大的干扰，一些LCD显示屏，在外界光线比较强的时候，因为它表面的玻璃板产生反射，而干扰到它的正常显示。因此在室外一些明亮的公共场所使用时其性能和可观性会大大降低。目前很多LCD显示器即使分辨率再高，其反射技术没处理好，由此对实际工作中的应用都是不实用的。单凭一些纯粹的数据，其实是一种有偏差的去引导用户的行为。而新款的LCD显示器就采用的“低反射液晶显示屏幕”技术就是在液晶显示屏的最外层施以反射防止涂装技术（AR coat），有了这一层涂料，液晶显示屏幕所发出的光泽感、液晶显示屏幕本身的透光率、液晶显示屏幕的分辨率、防止反射等这四个方面都但到了更好的改善。

（4）先进的“连续料界结晶矽”液晶显示方式

在一些LCD产品中，在观看动态影片的时候会出现画面的延迟现象，这是由于整个液晶显示屏幕的像素反应速度显得不足所造成的。为了提高像素反应速度，新技术的LCD采用目前最先进的Si TFT液晶显示方式，具有比旧式LCD屏快600倍的像素反应速度，效果真是不可同日而语。先进的“连续料界结晶矽”技术是利用特殊的制造方式，把原有的非结晶型透明矽电极，在以平常速率600倍的速度下进行移动，从而大大加快了液晶屏幕的像素反应速度，减少画面出现的延缓现象。