显示器工作原理

LCD、CRT、PDP、DLP显示器显示原理

近年来，市场对显示器件的要求趋向于大屏幕、高清晰度、低功耗、低成本，从而促使大屏幕显示技术迅速发展，而且种类也越来越多，性能越来越好。主要的种类如下：CRT（阴极管）、LCD（液晶显示器）、PDP（等离子显示器）和DLP（数字光处理显示器），它们各有千秋，在亮度、色彩、分辨率、调整、可靠性等方面有着各自的优缺点，其中CRT三管式显示和LCD液晶显示器较为成熟，PDP等离子显示器和LDP数字光处理显示器也已商品化。下面，我们分析一下这几种显示器件的工作原理。

一．CRT三枪式显示器

三管式投影电视的基本原理是把红、绿、蓝三色的三个高亮度的小型“显像管”——投影管管屏上的电视图像，经过投影光学系统放大后，投影到屏幕上，显示出电视图像。投影光学系统与投影管组合在一起，称为投影头。按投影头与屏幕结合方式分类，三管式投影电视分为双体式、整件式和后投影式，它们分别如图一所示。通常所谓的背投就是指后投影式。 透镜

（a)双件式（b)整件式视机（c)后投影式 图一 投影电视的三种基本设计形式

三管式投影电视的三个小型红、绿、蓝三色的高亮度投影管配上相应的光学镜头，通常呈一字排列，同时把三个单基色的电视图像投影到屏幕上，从而获得一幅放大的彩色图像，要让三基色信号准确到重合在一起，曾经是三管式投影电视的一个难题，其会聚的校正和调整是比较困难。因为会聚受地磁场影响极大，不同地方、不同纬度、东西南北的不同朝向都会使三色信号失聚，所以以前的投影电视常常因会聚不良而极大地影响到图象质量。现在的三管式投影电视通常配有数字魔术会聚功能。其方法是不管电视机搬到哪里，只要一按魔术会聚按钮，利用装在屏幕四周的八个光传感器自动检测出因地磁场改变引起的会聚偏差，由数字魔术会聚电路自动校正整个屏幕的会聚，达到三色信号的完全会聚，克服了旧三管式投影电视的一大缺陷。

三管式投影电视常采用静电聚焦投影管，图二是静电聚焦投影管的结构示意图。

A1玻璃外壳A2

A3

电子枪

KM高压引出线

荧光屏

图二 静电聚焦投影管结构示意图

图中可见，投影管的结构和显像管非常相似，阴极K、调制极M与加速极A1组成电子发射系统；聚焦电极A2与屏幕电极A3组成电子聚焦系统，其高压电极直接安装在玻壳上，所以称为屏幕电压。由于投影管的工作电压很高，其屏幕电压高达2.5万~7.5万伏，所以用高压绝缘玻璃将高压引出线包围起来，以增加高压引出线与锥体外壁之间的电绝缘性能。

二．LCD液晶显示器

液晶是指在某些固体物质在一定条件下所呈现出来的液态晶体状态。这种状态不同于各向同性的液体，也不同于在三维空间分子完全规则排列的固体晶体，但又具有液体的流动性、连续性和分子排列的有序性。液晶分子极易呈现各种状态，并在外加电场作用下产生各种电光效应，可改变光线通过的方向，从而应用于做液晶显示器。液晶显示器就是利用液晶作为光阀，使用很强的外光源照射，再由电视图像信号亮度强弱的控制而透过不同强度的光线，从而实现在屏幕显示放大的电视图像。

液晶盒的结构如图三，最上面和最下面是偏振光滤光板，在上下偏振光滤光板的内侧是两块定向膜，在两块定向膜之间充入液晶。设光从上面往下照。

图三 液晶盒的结构

液晶盒不加电压时，液晶分子呈水平排列，光线沿分子排列间隙穿过，若液晶分子排列扭转，则空过的光线也跟着扭转，如图三（a）。光线从上面的偏振光滤光板定向膜射入，随液晶分子扭转90°后，穿过液晶盒下表面的定向膜和偏振光滤光板射出，图象变得明亮。 当液晶盒加上一定电压时，液晶分子由水平方向整齐排列变成沿垂直方向排列，由上面来的入射光不发生方向扭转，不能通过下面的滤光板，液晶盒下表面无光线射出，图象变黑，如图三（b）。液晶的这种电光效应，是液晶能够做显示器的根本原因。当在LCD板上所施加的电压不同，则透光率也有所不同。当不加电压时，透光率为100%，加上电压后透光率下降，当所加电压足够高时，光线被完全截止，由此可形成不同的灰度。

彩色液晶显示板的结构如图四所示。

图四 彩色液晶显示板的结构

图四中偏振光滤光板的作用是控制输入、输出光线；玻璃基板的作用是防止电极对其他部分漏电；透明电极的作用是将视频信号加在液晶材料上，并且不妨碍显示光线通过；定向膜的作用是使液晶分子按一定方向排列；液晶的作用是把视频信号的变化规律转换成光的偏转方向的规律；垫片的作用是使液晶盒的上下两块玻璃基板之间的间隔不变；利用三间隔放置的RGB三基色彩色滤光片（构成象素）可显示彩色图象。由于液晶本身并不发光，它是利用金属卤化物投影灯经光学镜片在显示器背面照射的光（背照光），来使LCD板的图象变亮。

在LCD板的每个象素上，当加上不同的视频电压，则R-LCD、G-LCD、B-LCD三基色LCD板分别透射R、G、B三基色光，经投影透镜合成彩色光，投射在投影屏幕上，显示出彩色图象。

镜头投影型液晶显示器的光学系统如图五所示。

光源发出的全波长的白光经分色镜（DM1~DM4）分解成红（R）、（G）、（B）三基色光，其中DM1能反射绿光，而通过红光和蓝光；DM2能反射蓝光而通过红光；M1、M2、M3均为反光镜，M1将光源的白光全部反射，UV/IR滤光器为红外、紫外光滤光器，滤除不可见光的干扰。经DM1反射的绿光再经M2反射通过透镜和液晶板（G），在液晶显示板上加上视频信号电压，利用此电压可改变液晶的分子的排列方向，控制透过LCD板的光通

量，在LCD板上形成表示图象特性的亮暗变化，即显示被投影的图象，也即在液晶G板上将形成绿图像，通过DM3、DM4把绿图像投影到投影透镜上，蓝、红光经类似处理后投影到投影透镜上，三基色光经进行放大，再投影在投影屏幕上，合成后成为彩色的图像。

三．PDP等离子显示器

等离子显示屏的工作原理与荧光灯一样，是一种气体放电的显示装置。其内部结构类似三明治，前、后板是两块玻璃板，容器中间夹着充满的惰性气体（由氖、氙、氩构成）。整个等离子显示屏又是由许多小放电管单元构成。在小放电管的电极间加上不很高的电压（几百伏）后，就能使封在两层玻璃之间的惰性气体原子受到激发而电离，在电极附近产生辉光放电而辐射出紫外线，再激励平板显示屏上的RGB三基色荧光粉发出可见光，所有单元明暗和颜色变化组合使等离子显示屏产生各种灰度和色彩的图像，与显像管发光效果很相似。

等离子体显示器可分为交流型（AC-PDP）和直流型（DC-PDP）。两者的区别主要是：DC-PDP加在电极上的是直流电压，其电极直接暴露在放电空间，来激发两块平板玻璃间的惰性气体；而在AC-PDP显示器结构中，电极被绝缘层所覆盖。AC-PDP具有固有的存储特性、结构简单、高亮度和寿命长等特点，目前大多数公司研制和生产PDP都是采用AC型结构。AC-PDP又分为对向放电和表面放电两种，其中表面放电AC-PDP的生产工艺水平和产品性能处于领先水平。DC-PDP 和表面放电型的AC-PDP结构见图六。从图中可见，由于气体槽和电极分布在夹层结构中，所以无论PDP等离子体电视机尺寸扩展到多大，其图像显示屏总会是又薄又扁平，因而重量就会很轻。

荧光线

荧

DC-PDP表面放电型AC-PDD

图六 DC-PDP和表面放电型AC-PDP等离子体显示板工作原理示意图

等离子体显示器是一种数字信号直接驱动的显示器，其每个小放电管既是可控发光元件，而且还是一个可控存储单元，这使得整流器屏既是发光单元的二维阵列，又是一个矩阵存储器。由于每个发光元件只有发光和不发光两种状态，这使得其亮度控制不能象CRT一样通过调节电子束流的大小来控制，而是以改变发光时间的长短来控制灰度高低，这称为子帧驱动技术。对于数字图像信号来说，无须使用D/A变换器，数字信号即可直接用于驱动。同时子帧驱动技术不仅实现了灰度等级，而且利用存储特性，实现了整幅图像的同时显现（象电影而不象CRT）。但美中不足的是由于它没有一般A/D变换后的低通滤波器，使得一些高频的瑕疵无从掩饰；其子帧驱动虽然使AC-PDP能完美地再现静止图像，但某些场景的活动图像边缘会出现伪彩色。同时，由于等离子体显示器是由许多小等离子管构成发光单元，每一个发光单元独立发光，这使得其耗电量大于300W，在制造工艺中，要多方面考虑其散

热问题。

四．DLP数字光处理显示器

DLP数字光处理显示器是由许多数字微镜器件DMD构成，数字微镜器件DMD从名称上我们可以发现它的结构上应该有许多的小型镜片，实际上也是，一片解析度为848×600的DMD，面积只有9 cm2，厚度也只有0.5cm，却是由848×600个小反射铝镜构成，每个小铝镜表示一个像素，大小只有16μm×16μm。这些小铝镜子是四方形的，可绕轴旋转。这些镜子在旋转时，由于角度不可，其反射量也不同，投影到屏幕上的光强也不同，人们所见到的屏幕上的亮度也不可。

为很好地控制这许多的镜子同时按要求做旋转的动作，每块DMD都对应着采用CMOS制造的随机动态存储器，通过对每一个镜片下存储器单元的电子寻址，来控制镜子的旋转。镜片的旋转角度只有两种+10度和-10度，当镜片成+10度时为通状态，光源的光被反后通过透镜投影到屏幕上；当镜片成-10度时为断开的状态，反射光不仅不能投射到屏幕上，且被吸引掉。而改变通断时间的长短即可获得不同的灰度层次。对于8位灰度层次的像素，在一帧时间内分成20/255，21/255，22/255，…..27/255八个时间宽度，对入射光进行控制。若八个时间宽度光开关均接通，则为最大亮度；若均断开，则为最暗。八个时间宽度通断的任意组合即能获得256种灰度值。这种只用控制“通”和“断”两种状态（相当于数字信号“1”和“0”两种状态）的时间长短来控制亮度值大小的方法，称为二进制脉冲宽度调制。其对亮度控制结果看图七。

DMD在DLP中的作为显示器件使用，一部完整的DLP投影机还要包括视频前端、数字格式变换和由光源、存储器和DMD构成的数字显示部分。由于DLP显示器可以直接对数字信号进行处理，可免D/A转换所产生的信号损失和D/A转换所需的费用，提供了全数字化的视讯结构，而由于其输入为电数字图像，输出为光数字图像，输出的光图像能精确复现输入的电图像，图像画面极其稳定，是许多数字源：如数字视盘DVD、高清度电视HDTV和计算机的高性能显示器。同时，由于其镜片非常小，密合性非常好，可以提供较高的解像度以产生较自然的画质。

作者：徐丽香

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