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第四章 颜色补充(硬件知识)

时间:2015-12-05 22:30:57      阅读:471      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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在颜色上,我一直存在着一些疑问,为什么显示器可以显示不同的颜色呢?越先进的浏览器显示颜色的机制更加复杂, 所以我在维基上搜索了一些关于最早的阴极射线管等知识,摘抄在下面。便于学习。这里对维基百科表示感谢。

荧幕尺寸依荧幕对角线计算,通常以英寸(inch)作为单位,现时一般主流尺寸有17"、19"、21"、22"、24、27"等,指荧幕对角的长度。常用的显示屏又有标屏(窄屏)与宽屏,方荧幕长宽比为4:3(还有少量比例为5:4),宽荧幕长宽比为16:10或16:9。在对角线长度一定情况下,宽高比值越接近1,实际面积则越大。宽屏比较符合人眼视野区域形状。

显示器的性能一般由以下性能指标决定:

  • 荧幕尺寸(一般采用英寸)
  • 可视面积
  • 实际面积
  • 纵横比 (水平:垂直,较常见为4:3,16:9和16:10)
  • 分辨率(点/平方英寸;dpi,一般为72-96dpi)
  • 点距(毫米;通常为0.18-0.25mm)
  • 刷新率(赫兹;Hz,只适用于CRT显示屏。一般为60-120Hz,视乎采用的分辨率。)
  • 亮度(流明;Lux)
  • 对比度:最高亮度比最低亮度,一般为300:1-10,000:1
  • 能耗(瓦特;W):显示器进入待机状态下的能耗较小。
  • 反应时间(毫秒;ms):一个像素从活动(黑)到静止(白)状态,再返回到活动状态所用的时间。数值越小越好。
  • 可视角度:在纵横方向可以看到图像的最大角度。

阴极射线管Cathode ray tube缩写CRT,又称“显像管”、布劳恩管)是一种用于显示系统的物理仪器,曾广泛应用于示波器电视机显示器上。它是利用阴极电子枪发射电子,在阳极高压的作用下,射向萤光屏,使萤光粉发光,同时电子束在偏转磁场的作用下,作上下左右的移动来达到扫描的目的。早期的阴极射线管仅能显示光线的强弱,展现黑白画面。而彩色阴极射线管具有红、绿色和蓝色三支电子枪,三支电子枪同时发射电子打在屏幕玻璃上磷化物上来显示颜色。

由于它笨重、耗电且较占空间,2000年代起几乎被轻巧、省电且省空间的液晶显示器取代。阴极射线管的市场剩下极重视色彩表现及低温环境下等特殊用途。

历史

最早的阴极射线管是由英国人威廉·克鲁克斯首创,可以发出射线,这种阴极射线管被称为克鲁克斯管。

德国人卡尔·费迪南德·布劳恩在阴极射线管上涂布萤光物质,此种阴极射线显像管被称为布劳恩管,在德国、日本等地,仍广泛使用布劳恩管这一称呼。

显像管的种类

  1. 磁场偏向型:以磁场令电子束产生偏向,产生磁场的偏向线圈附加在阴极射线管颈部外侧。电视机使用此种方式的显像管。
  2. 电场偏向型:以电场令电子束产生偏向,产生电场的偏向极板内建在阴极射线管内部。示波器使用此种方式的显像管,以利应付不同的扫描频率,但此方式需要较长的管身。
  3. 威廉士管:具有记忆保持功能的特殊阴极射线管。
  4. 液晶显示屏的每个像素由以下几个部分构成:悬浮于两个透明电极(氧化铟锡)间的一列液晶分子层,两边外侧有两个偏振方向互相垂直的偏振过滤片。如果没有电极间的液晶,光通过其中一个偏振过滤片其偏振方向将和第二个偏振片完全垂直,因此被完全阻挡了。但是如果通过一个偏振过滤片的光线偏振方向被液晶旋转,那么它就可以通过另一个偏振过滤片。液晶对光线偏振方向的旋转可以通过静电场控制,从而实现对光的控制。

    液晶分子极易受外加电场的影响而产生感应电荷。将少量的电荷加到每个像素或者子像素的透明电极产生静电场,则液晶的分子将被此静电场诱发感应电荷并产生静电扭力,而使液晶分子原本的旋转排列产生变化,因此也改变通过光线的旋转幅度。改变一定的角度,从而能够通过偏振过滤片。

    在将电荷加到透明电极之前,液晶分子的排列被电极表面的排列决定,电极的化学物质表面可作为晶体的晶种。在最常见的TN液晶中,液晶上下两个电极垂直排列。液晶分子螺旋排列,通过一个偏振过滤片的光线在通过液芯片后偏振方向发生旋转,从而能够通过另一个偏振片。在此过程中一小部分光线被偏振片阻挡,从外面看上去是灰色。将电荷加到透明电极上后,液晶分子将几乎完全顺着电场方向平行排列,因此透过一个偏振过滤片的光线偏振方向没有旋转,因此光线被完全阻挡了。此时像素看上去是黑色。通过控制电压,可以控制液晶分子排列的扭曲程度,从而达到不同的灰度。

    有些液晶显示屏在交流电作用下变黑,交流电破坏了液晶的螺旋效应,而关闭电流后,液晶显示屏会变亮或者透明,这类液晶显示屏常见于笔记本电脑与平价液晶显示屏上。另一类常应用于高清液晶显示屏或大型液晶电视上的液晶显示屏则是在关闭电源时,液晶显示屏为不透光的状态。

    为了省电,液晶显示屏采用复用的方法,在复用模式下,一端的电极分组连接在一起,每一组电极连接到一个电源,另一端的电极也分组连接,每一组连接到电源另一端,分组设计保证每个像素由一个独立的电源控制,电子设备或者驱动电子设备的软件通过控制电源的开/关序列,从而控制像素的显示。

    检验液晶显示屏的指标包括以下几个重要方面:显示大小、反应时间(同步速率)、阵列类型(主动和被动)、视角、所支持的颜色、亮度和对比度、分辨率和屏幕高宽比、以及输入接口(例如视觉接口视频显示阵列)。

    简史

    液晶显示屏对于许多的用户而言可能是一个比较新鲜的名词,不过这种技术存在的历史可能远超过我们的想像。1888年,一位奥地利植物学家便发现了液晶特殊的物理特性。

    第一台可操作的液晶显示屏基于动态散射模式(Dynamic Scattering Mode,DSM),美国无线电公司乔治·海尔曼带领的小组开发了这种液晶显示屏。海尔曼创建了奥普泰公司,这个公司开发了一系列基于这种技术的的液晶显示屏。

    1970年12月,液晶的旋转向列场效应瑞士被仙特和赫尔弗里希于霍夫曼-勒罗克中央实验室注册为专利。但于前一年的1969年,詹姆士·福格森美国俄亥俄州肯特州立大学便已发现了液晶的旋转向列场效应,于1971年2月在美国注册了相同的专利。1971年,他的公司(ILIXCO)生产了第一台基于这种特性的液晶显示屏,很缓存代了性能较差的DSM型液晶显示屏。在1985年之后,这一发现才产生了商业价值。1973年,日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数字显示。现在,液晶显示屏是笔记本电脑掌上电脑的主要显示设备,在投影机中也扮演着非常重要的角色,且开始逐渐渗入到桌面显示屏市场中。

    显示原理

    技术分享
    JR东日本山手线运行信息画面

    在不加电压下,光线会沿着液晶分子的间隙前进而转折90度,所以光可通过。但加入电压后,光顺着液晶分子的间隙直线前进,因此光被滤光板所阻隔。

    液晶是具有流动特性的物质,所以只需外加很微小的力量即可使液晶分子运动,以最常见普遍的向列型液晶为例,液晶分子可轻易的借着电场作用使得液晶分子转向,由于液晶的光轴与其分子轴相当一致,故可借此产生光学效果,而当加于液晶的电场移除消失时,液晶将借着其本身的弹性及黏性,液晶分子将十分迅速的恢复原来未加电场前的状态。

    透射和反射显示

    液晶显示屏可透射显示,也可反射显示,决定于它的光源放哪里。

    透射型液晶显示屏由一个屏幕背后的光源照亮,而观看则在屏幕另一边(前面)。这种类型的LCD多用在需高亮度显示的应用中,例如电脑显示器PDA手机中。用于照亮液晶显示屏的照明设备的功耗往往高于液晶显示屏本身。

    反射型液晶显示屏,常见于电子钟表和计算器中,(有时候)由后面的散射的反射面将外部的光反射回来照亮屏幕。这种类型的液晶显示屏具有较高的对比度,因为光线要经过液晶两次,所以被削减了两次。不使用照明设备明显降低了功耗,因此使用电池的设备电池使用更久。因为小型的反射型液晶显示屏功耗非常低,以至于光电池就足以给它供电,因此常用于袖珍型计算器。

    半穿透反射式液晶显示屏既可以当作透射型使用,也可当作反射型使用。当外部光线很足的时候,该液晶显示屏按照反射型工作,而当外部光线不足的时候,它又能当作透射型使用。

    彩色显示

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    彩色液晶显示器的一个亚像素结构
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    液晶显示屏上的像素放大图
    技术分享
    眼镜型液晶显示屏(概念产品)

    液晶显示屏技术也是根据电压的大小来改变亮度,每个液晶显示屏的子图元显示的颜色取决于色彩筛检程序。由于液晶本身没有颜色,所以用滤色片产生各种颜色,而不是子图元,子图元只能通过控制光线的通过强度来调节灰阶,只有少数主动矩阵显示采用模拟信号控制,大多数则采用数字信号控制技术。大部分数字控制的液晶显示屏都采用了八位控制器,可以产生256级灰阶。每个子图元能够表现256级,那么你就能够得到2563种色彩,每个图元能够表现16,777,216种成色。因为人的眼睛对亮度的感觉并不是线性变化的,人眼对低亮度的变化更加敏感,所以这种24位的色度并不能完全达到理想要求,工程师们利用脉冲电压调节的方法以使色彩变化看起来更加统一。

    彩色液晶显示屏中,每个像素分成三个单元,或称子像素,附加的滤光片分别标记红色,绿色和蓝色。三个子像素可独立进行控制,对应的像素便产生了成千上万甚至上百万种颜色。老式的CRT采用同样的方法显示颜色。根据需要,颜色组件按照不同的像素几何原理进行排列。

    主动阵列和被动阵列

    常见于电子表口袋型计算机的以少量片段构成之液晶显示屏,其各片段均具有单一电极接点。一个外部专用电路提供电荷到每一个控制单元,这种显示结构在有较多显示单位(如液体显示屏)时会显得笨重。小型单色显示屏,例如PDA上的或旧型笔记本电脑屏幕的被动数组液晶显示屏,即应用超扭转向列(STN)或双层超扭转向列(DSTN)技术(DSTN修正STN的色彩偏差问题)。

    显示屏上的每一行或列都有一个独立的电路,每一个像素的位置也要一个行和列同时指定,这类显示方式称为“被动数组”,因为每一个像素也要在更新前记着各自的状态,此时每像素也是没有稳定的电荷供应。当像数增加时,相对的行和列数目也会增加,这种显示方式变得更难使用,以被动数组所制造的液晶显示屏特性为非常慢的反应时间及低对比度

    现行高分辨率彩色显示屏,例如电脑屏幕或电视,皆为主动数组。薄膜晶体管液晶显示屏会被添加到偏光板与色彩滤镜上。每个像素都有自己的晶体管,允许操控单一像素。当一条列线路被打开时,所有行线路会连接到一整列(row)的像素,而每条行线会有正确的电压驱动,这条列线路会关掉而另一列(row)被打开。在一次完整的画面更新运作中,所有列线路会依照时间序列被打开。同等大小的主动数组显示屏比起被动数组显示屏会显得更亮更锐利,而且有短的反应时间。

    质量控制

    有些液晶屏幕面板中含有缺陷的晶体管而造成永久性的亮点与暗点。跟IC不同的是液晶面板即使有坏点依旧可以正常显示,这也可以避免只因出现少数坏点而将比IC面积还要大很多的液晶面板丢弃形成浪费。面板制造商有不同的坏点判定标准。

    因为尺寸较大,液晶显示屏面板比IC电路板更容易有缺陷。譬如12吋的SVGA LCD有8个坏点,而六吋晶圆只有3个缺陷。但是,一片可分区为137颗IC的晶圆上出现3颗废品并不是很糟糕,而抛弃这块液晶面板的话就意味着0%的产出。由于制造商之间的激烈竞争,现时质量控制的标准已经提高。如果液晶屏幕拥有四个或以上的坏点是比较容易察觉到的,因此顾客可以要求更换新的一台。液晶屏幕的坏点位置同样是不可忽略的。生产商常会因毁损像素在屏幕中央区域而降低标准。有些生产商则提供零坏点保证。

    耗电量

    主动矩阵式液晶显示屏的电功率比CRT小。事实上,它已经成为便携式设备的标准显示屏,从PDA到笔记本电脑均广泛运用。但是液晶显示屏技术的效率还是太低:即使你将屏幕显示白色,从背景光源中发射的光也只有不到10%穿过屏幕发出,其他的都被吸收。所以目前新型的等离子显示屏的耗电量已经比同面积的液晶显示屏低。

    PDA,如PalmCompaqiPAQ常使用反射显示屏。这意味着环境光射进显示屏中,穿过极化的液晶层,碰撞反射层,再反射出来显示成图像。据估计,在此过程中84%的光被吸收,所以只有六分之一的光起作用,虽然还有待改进,但已足以提供可视视频需要的对比度。单向反射和反射显示屏使得不同光照条件下耗费最少能源使用液晶显示屏成为可能。

    零功率显示屏

    技术分享
    扭转向列型(TN)液晶显示面板的结构
    1.垂直方向的偏振片极化入射光;
    2.玻璃基版上带有氧化铟锡(ITO)的透明电极。透明电极的形状,将决定打开液晶显示屏电源后,光线不通过而显示暗色的地址。垂直的条纹被蚀刻在基版上,这样子液晶的排列方向,就会与偏振后的入射光同向;
    3.扭转向列型(TN)液晶;
    4.带有共同透明电极薄膜(ITO)的玻璃基版,水平的条纹被蚀刻在基版上,使液晶的排列方向成为水平;
    5.水平偏向的偏振片,可以阻挡或使光线通过;
    6.反射面将光线反射回观察者。

    在2000年开发出零功率显示屏,可以在待机时不需要使用电力,但是这个技术目前无法量产。法国的Nemoptic公司开发出另一个零功率薄型液晶显示技术,而该技术在2003年7月在台湾量产。此技术针对像是电子书便携式电脑这类的低耗能的移动设备。零功率液晶显示屏也跟电子纸竞争。

显示器主要有3种颜色 分别是R(红) G(绿) B (蓝)这3种是最基本的颜色(以下来自百度)目前的显示器大都是采用了RGB颜色标准,在显示器上,是通过电子枪打在屏幕的红、绿、蓝三色发光极上来产生色彩的,目前的电脑一般都能显示32位颜色,约有一百万种以上的颜色。 
  在LED领域 利用三合一点阵全彩技术, 即在一个发光单元里由RGB三色晶片组成全彩像素。 随着这一技术的不断成熟,LED显示技术会给人们带来更加丰富真实的色彩感受。原理
  RGB是从颜色发光的原理来设计定的,通俗点说它的颜色混合方式就好像有红、绿、蓝三盏灯,当它们的光相互叠合的时候,色彩相混,而亮度却等于两者亮度之总和(两盏灯的亮度嘛!),越混合亮度越高,即加法混合。 
  有色光可被无色光冲淡并变亮。如蓝色光与白光相遇,结果是产生更加明亮的浅蓝色光。知道它的混合原理后,在软件中设定颜色就容易理解了。 
  红、绿、蓝三盏灯的叠加情况,中心三色最亮的叠加区为白色,加法混合的特点:越叠加越明亮。 
  红、绿、蓝三个颜色通道每种色各分为255阶亮度,在0时“灯”最弱——是关掉的,而在255时“灯”最亮。当三色数值相同时为无色彩的灰度色,而三色都为255时为最亮的白色,都为0时为黑色。 
  RGB 颜色称为加成色,因为您通过将 R、G 和 B 添加在一起(即所有光线反射回眼睛)可产生白色。 加成色用于照明光、电视和计算机显示器。 例如,显示器通过红色、绿色和蓝色荧光粉发射光线产生颜色。绝大多数可视光谱都可表示为红、绿、蓝 (RGB) 三色光在不同比例和强度上的混合。 这些颜色若发生重叠,则产生青、洋红和黄。

 

第四章 颜色补充(硬件知识)

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