屏幕是如何工作的？

原文：How does a screen work?

Dan  Hollick｜Making  Software｜2025.07.17

我明知在一本讲软件的书里开篇就聊硬件，这多少有些反讽，但要说现代计算领域最被低估的技术，非数字显示器莫属。事实上，没有它，现代计算根本不可能存在。假如我们在发明晶体管之前没搞定显像管（CRT），你现在手里的这本书恐怕也不会诞生。

它之所以如此被低估，是因为大多数人根本不知道一块屏幕是怎么工作的。每当你看到一个像素亮起时，你其实是在亲眼目睹一场魔法——电流穿过微小的晶体，只为了让你能躺在床上刷刷推特。

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数字显示器简史

要理解我们现在身处何处，先得知道我们从哪儿来。

第一台实用的电子显示设备，是阴极射线管（CRT），早在1897年就已现雏形，到了20世纪30年代才成为家用电器。当时的电视机是黑白的、圆形的、亮度很低，直到50年代才出现了我们熟悉的大号矩形彩色屏幕。

虽然它的原理其实很简单，但能被缩小到家用规模，依然令人惊叹。说白了，它就是一个巨大的玻璃真空管，里面有一把电子枪，会向前方屏幕发射电子束。

显示屏内层涂着极细小的磷光点，被电子束击中时会分别发出红、绿、蓝三种颜色的光。调节电子束的强度，就能控制每个子像素的亮度，进而组合出不同颜色。

当你激发一个磷光点时，它会发出特定波长的光。

听起来像科幻小说，但我们半个世纪都在盯着“电子枪口”看电视、用电脑。

真空管脖子上还套着一圈磁线圈，用于偏转电子束，让它打到屏幕上的不同区域。改变线圈中的电流大小和方向，就能精准控制电子束的轨迹。

因为电子带电，所以会被磁场偏转。

屏幕通常会略微弯曲，以减少电子束斜射磷光层时带来的几何畸变。电子束会以光栅扫描的方式逐像素绘制图像，通常从左到右、从上到下，每秒刷新60次。

CRT的缺点其实很明显。首先，超级重——为了维持真空，玻璃得厚实到夸张，这不仅限制了屏幕能做多大，同时也限制了它能做多小。更别提它非常耗电——毕竟要发射电子、用电磁铁偏转，注定效率不高。

可以说，早期计算机离不开CRT，但便携计算绝对离不开它的“消失”。于是，整个行业开始研发更薄、更轻的平板显示器——经历过等离子小插曲后，最终我们迎来了LCD和更后的OLED。

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为什么是像素？

回头看，用像素来显示图像也许理所当然，但在早期，这种选择并不显然。像素不是完美方案——把图像切割成格子，一旦东西不能完美对齐网格，就会有问题。你需要把矢量图（比如字体）栅格化，这就带来锯齿感，特别是在分辨率低的时候，曲线和斜线会非常别扭。

栅格化，就是把矢量图转成位图的过程。

之所以选择像素和栅格方式，很大程度上是因为CRT本身就是这样工作的。模拟电视信号是顺序传输的——图像被拆解成从左到右、从上到下的扫描线，CRT再依次重构画面。

之所以能这么玩，是因为磷光点在被电子束击中后会短暂发光，虽然持续时间不够撑到下一帧，但已经足够骗过我们的眼睛，让我们觉得屏幕上始终有稳定的画面。这种方案的最大好处，是所需带宽极低，而且CRT内部只需要解码当前这一点的图像数据就行。

早期计算机也是这么做的，把画面分成像素格，每个像素的值依次发给CRT。但这对CPU来说压力不小，所以逐渐出现了专门的显卡，来分担这部分工作。等内存价格降下来后，每个像素的颜色值都会被存进一个叫“帧缓冲区”的地方。

所谓帧缓冲区，就是一块专用内存，以二维数组的形式存储着每个像素的红绿蓝值。界面变化时，系统只需要更新那部分发生改变的像素即可。显示控制器则会以屏幕刷新率不断读取帧缓冲区，所以系统要保证数据能及时写入。

但在帧缓冲方案变得可行之前，还曾有另一类显示器：矢量显示器。它采用的是完全不同的逻辑——不再按行按列扫描像素，而是让电子束在屏幕上直接“画”出矢量坐标之间的连线。可以想象成在屏幕上画SVG，数据其实就是一套“走哪儿、画多长”的指令。

优点是极其省内存，只需存当前显示的那些矢量信息。有些机型甚至连内存都不用，因为屏幕涂的磷光能发光数分钟。不过你也可以说它其实还是像素点，只不过排列更密集、不容易出现锯齿。而且绝大多数都是单色的。

但它也有明显短板：只能画线，不能画实心图形，所以文本显示风格很有限。此外，电子束要在屏幕上“跳跃”画线，刷新速度慢，技术实现也麻烦。因此，它们主要用于战斗机抬头显示、雷达、示波器，以及游戏机上著名的《Asteroid》。

等到内存和图形处理能力够强，光栅显示（也就是像素化显示）就成了主流。哪怕现代显示器已经不再逐行扫描，我们依然采用帧缓冲方案。像素密度的不断提升，则让锯齿和失真问题大为缓解。

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现代显示器

当下的“显示大战”其实是OLED和LCD之争，但更深层的是两种显示思路的对决：透射式 vs 自发光。大家都在竞逐显示界的圣杯——既能显示纯黑，又能极亮，还要刷新足够快，色彩精准，最好又便宜还省电。

和CRT最大不同，现代显示器能让每一个像素同时亮起，整屏一起刷新，因为每个像素都能单独控制，不再像以前那样靠一个光源。

透射式显示，比如LCD，采用背光，像素只是调节通过自己的光的颜色和亮度。这类面板普遍容易出现漏光，导致对比度差、可视角窄，但胜在亮度高、寿命长、成本低。

自发光显示，比如OLED，每个像素就是一个小灯泡，不需要背光，直接发光。优点是能彻底熄灭像素显示纯黑，响应速度极快，能耗低，但亮度和寿命相对短板，长时间高亮会烧屏。

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LCD是怎么工作的？

液晶显示器（LCD）绝对是最普及的平板显示技术，你每天都离不开。它从实验室到千家万户，简直是科技奇迹。

LCD的独特之处在于它是透射式显示，和CRT、等离子、OLED这些自发光原理都不同。每个像素是多层叠加，最底下是背光层，上面一层层“加工”光线，最后呈现在你眼前。我们一层一层看过去：

背光层
 早些年，大多数LCD的背光是在屏幕边缘安放一圈LED，光通过扩散板均匀导向整个屏幕。这也是老LCD为什么边框厚的原因——要给灯腾地方。

现在，大多用面阵LED背光，直接在屏幕后面铺一层LED，更均匀。

第一道偏振片
 光既是粒子又是波，波可以向各个方向振荡。偏振片就像格栅，只允许特定方向的波通过。

液晶层
 液晶，本身就是魔法。它们是透明晶体，受电场影响会改变排列结构。默认是螺旋形，让从第一道偏振片来的光旋转90°通过。两侧加电后，螺旋结构“解旋”，晶体垂直排列，把光挡住。

通过调整电压，控制液晶旋转角度，从而调节通过的光量。每个子像素都是独立液晶单元，可以单独控制红绿蓝强度。

RGB滤光片层
 每个子像素有红、绿或蓝滤光片，白光通过后，只剩所需颜色，再混合出各种色彩。新型显示（比如三星的）用量子点替代滤光片——微型半导体纳米晶体能吸收光线并以特定颜色再发射，发什么色看颗粒大小。现在多用蓝光背光，红绿用量子点转换。

第二道偏振片
 最后，光通过第二道偏振片（与第一道垂直），只有被正确旋转的光能通过，剩下全挡住。

TFT与液晶技术差异
 液晶层要用到TFT（薄膜晶体管），每个子像素都得有个独立开关，一块屏里有上千万个。液晶主要分三种：TN（扭曲向列）、IPS（平面转换）、VA（垂直配向），核心差别是液晶排列方式，各有优缺点。

LCD的固有缺点，是液晶和偏振片不可能完全挡住背光，关掉时还是会漏出一些光，导致黑色不够纯，容易出现光晕。高端LCD为此引入了背光分区控光——哪块屏幕显示黑色，哪区背光就关掉。不过还是有边缘漏光。Mini LED进一步升级，用更小的LED实现更多控光分区。

此外，液晶切换角度有限，响应速度也比不上OLED，侧看时容易有色差和亮度损失。但总体来说，LCD依旧亮度高、可靠且便宜。

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OLED是怎么工作的？

有机发光二极管（OLED）跟LCD完全不是一类东西，甚至更像“微型CRT”。每个像素自发光，省掉了繁琐的层层光路。

OLED的每个子像素，是有机材料夹在阳极和阴极之间。加电后，电流流过有机层，材料发光。不同材料发红、绿、蓝三色光。

准确说，光是由“电子-空穴复合”时释放的。当一个电子（带负电）填补一个“空穴”（其实就是电子离开后留下的空位），会释放出特定波长的光——具体什么颜色，取决于有机材料的能级差。

这些有机分子以极高精度喷涂到基底上。所谓有机，只是说它是碳基的。

每个子像素可独立熄灭，所以能实现完美黑场，耗电也低。而且响应速度极快，非常适合高刷新率显示。没有偏振片带来的方向性问题，侧视画质也不会劣化，色彩极其精准。结构简单，屏幕可以做得极薄甚至可折叠。

但有机材料也有缺点。寿命有限，使用越多、亮度越高衰减越快，长时间显示静止画面容易烧屏，尤其蓝色老化最快。亮度受限，高亮下效率低，还影响寿命。近年的OLED进步，主要就是提升亮度和寿命，也就是提升“光提取效率”（LEE）——让发出来的光更大比例能穿出面板，而不是在内部被反射、散射。为此厂家会用微透镜阵列或散射层，把光聚出来。

还有一种做法，是只用单一色OLED发光，再用量子点滤光片“染色”，和部分LCD类似。现在多用蓝光加红绿量子点。

这些进步让OLED在大多数场景下都足够优秀，但它依然不是万能的。

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下一代显示技术

两大阵营各自不断突破，渐渐在功能和形态上趋同。LCD基本走到极限——只能不断缩小分区控光的面积。下一个时代，最值得关注的是Tandem OLED和MicroLED。

Tandem OLED，字面意思就是“双层OLED”。把两层有机发光层叠加，整体亮度大增，同时每层可用更低电压驱动，提升效率和寿命。但多一层会加剧光的反射损失，需要用微透镜阵列优化LEE。这种屏幕工艺极其复杂昂贵，目前只在苹果最新iPad等高端设备上出现。

MicroLED，就是“理想中”的显示——每个像素都是独立的微型LED（无机材料），没有烧屏和寿命问题，亮度更高。难点在于每一个子像素都要“手工”放到基底上，造价高昂、良率极低，目前只能用于舞台/体育馆那种大屏（因为像素间距还不够小，小屏上会“漏格子”）。

所以，现代显示器远未“终结”。未来十年，注定还有更奇特的黑科技登场。