器物小理：电视（旧文）
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。
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。
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。
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。
「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。
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。
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
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。
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？
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？
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。
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。
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。
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圆盘上孔越多，线数就越多，图像就越清晰。
机械式电视显示的图像，来源：The Origins of Television - Discover Magazine
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：
扫描图像，转换成电信号，来源：见文末
传输电信号，来源：见文末
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
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。
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」。
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。
电子枪透视图，来源：《知识大图解》第七期
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。
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。
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。
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。
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）
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。
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
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。
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。
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。
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」。
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。
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。
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。
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」。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
「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。
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
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。
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
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：
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。
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」。
「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。
「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。
「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
「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。
「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
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。
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CRT 电视的「子像素」依靠「电子束」撞击荧光粉发出红绿蓝光。
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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
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
题图来源：PEXELS
