Xin giới thiệu một bài viết công phu của anh ThangMMM, thành viên của diễn đàn http://www.fotech.org. Mong rằng những kiến thức trong bài viết có ích cho anh em HDvietnam.
Nhiệm vụ của màn hình là tái tạo lại hình ảnh. Để tái tạo lại hình ảnh, phương pháp phổ biến nhất hiện nay là hiển thị hình ảnh dựa vào bản đồ ma trận điểm ảnh. Theo phương pháp này, một khung hình sẽ được chia ra làm vô số các điểm ảnh nhỏ. Các điểm ảnh có dạng hình vuông, có kích thước rất nhỏ. Kích thước “thực” của một điểm ảnh là: 0.01x0.01 (cm). Tuy nhiên kích thước thực này phần lớn chỉ có ý nghĩa lý thuyết, vì hầu như chúng ta ít khi quan sát được các điểm ảnh tại kích thước thực của chúng, một phần do chúng quá bé, một phần do kích thước quan sát của điểm ảnh phụ thuộc vào độ phân giải: với cùng một diện tích hiển thị, độ phân giải (số lượng điểm ảnh) càng lớn thì kích thước quan sát được của chúng càng bé. Kích thước của một khung hình được cho bởi số lượng điểm ảnh theo chiều ngang và số lượng điểm ảnh theo chiều dọc. Ví dụ kích thước khung hình 1600x1200 (pixel) có nghĩa khung hình đó sẽ được hiển bị bởi 1600 điểm ảnh theo chiều ngang và 1200 điểm ảnh theo chiều dọc. Nhiều người lầm tưởng giá trị 1600x1200 trên chính là độ phân giải của hình ảnh. Thực chất, giá trị về số lượng pixel chỉ mang ý nghĩa kích thước (image dimension), còn độ phân giải (resolution) được cho bởi số lượng điểm ảnh hiển thị trên diện tích một inch vuông. Độ phân giải càng cao, hình ảnh được hiển thị sẽ càng nét. Độ phân giải đạt đến giá trị độ phân giải thực khi mà một pixel được hiển thị với đúng kích thước thực của nó (kích thước thực của pixel đựơc lấy sao cho ở một khoảng cách nhất định, pixel đó đựơc nhìn dưới một góc xấp xỉ bằng năng suất phân li của mắt người). Nếu độ phân giải bé hơn giá trị độ phân giải thực, mắt người sẽ có cảm giác hình ảnh bị sạn, không nét. Nếu độ phân giải cao hơn độ phân giải thực, trên lý thuyết, độ nét và độ chi tiết của hình ảnh sẽ tăng lên, tuy nhiên thực sự mắt người không cảm nhận được hoàn toàn sự khác biệt này.
Mắt người cảm nhận hình ảnh dựa vào hai yếu tố, màu sắc và độ sáng (chói) của hình ảnh. Màn hình muốn hiển thị được hình ảnh thì cũng phải tái tạo lại được hai yếu tố thị giác này của hình ảnh. Về màu sắc, mắt người có khả năng cảm nhận hơn 4 tỉ sắc độ màu khác nhau, trong đó có một phổ màu khoảng hơn 30 triệu màu được cảm nhận rõ rệt nhất. Muốn tái tạo lại hình ảnh chân thực, màn hình hiển thị cần phải có khả năng hiển thị ít nhất là khoảng 16 triệu màu. Bình thường, khi muốn tạo ra một màu sắc, người ta sử dụng kĩ thuật lọc màu từ ánh sáng trắng, mỗi bộ lọc màu sẽ cho ra một màu. Tuy nhiên, với kích thước vô cùng bé của điểm ảnh, việc đặt 16 triệu bộ lọc màu trước một điểm ảnh là gần như vô vọng. Chính vì thế, để hiển thị màu sắc một cách đơn giản nhưng vẫn cung cấp khá đầy đủ dải màu, người ta sử dụng phương pháp phối hợp màu từ các màu cơ bản. Hệ các màu cơ bản phải thoả mãn điều kiện tái tạo được một phổ màu rộng từ các màu thành phần, và các màu thành phần, khi được tổng hợp với cùng tỉ lệ phải tạo ra một trong hai màu sơ cấp là màu đen (loại trừ của tất cả màu sắc) hoặc màu trắng (tổng hoà của tất cả màu sắc).
Về các màu cơ bản, trong các tài liệu mỹ thuật cổ điển thường đề cập đến ba màu cơ bản vàng, đỏ, xanh lam. Màu đỏ hợp với màu vàng sẽ tạo ra màu da cam, màu xanh với đỏ tạo ra màu tím, màu vàng với xanh tạo ra xanh lá. Tiếp tục từ các màu trên, phối hợp với nhau sẽ ra được tất cả các màu khác. Tuy nhiên, hệ 3 màu cơ bản của mỹ thuật cổ điển ngày nay đã tỏ ra có nhiều nhược điểm trong các ứng dụng kĩ thuật. Thứ nhất, với mỗi lần phối hợp màu, màu thu được thường bị xỉn đi, gây khó khăn trong việc tái tạo lại những màu sắc “tươi” như xanh lá mạ, vàng chanh..., và nhược điểm quan trọng nhất, khi chồng ba màu cơ bản vàng, đỏ, xanh lam với cường độ giống nhau lên nhau thì không thu được màu đen hoàn toàn. Yếu điểm này đã khiến cho hệ màu đỏ, vàng, xanh lam bây giờ chỉ còn tồn tại trong sách vở, và hầu như không có một ứng dụng kĩ thuật thực tế nào. Thay vào đó, ngày nay có hai hệ màu được sử dụng rất phổ biến là hệ màu RGB và hệ màu CMYK. Cơ sở để xây dựng nên hai hệ màu cơ bản này dựa trên nguyên lý phối màu phát xạ và phối màu hấp thụ của ánh sáng.
Về hai nguyên lý phối màu trên, cần nói qua về cơ chế mắt cảm nhận màu. Màu sắc mà mắt cảm nhận đựơc phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới mắt. Bước sóng của ánh sáng chiếu tới mắt lại phụ thuộc vào bản chất nguồn sáng. Có hai loại nguồn sáng, đó là nguồn sáng sơ cấp và nguồn sáng thứ cấp. Nguồn sáng sơ cấp là các nguồn sáng có khả năng tự phát ra sóng ánh sáng, còn nguồn sáng thứ cấp là nguồn sáng phát ra ánh sáng bằng cách phản xạ lại ánh sáng từ nguồn sáng sơ cấp. Khi quan sát một nguồn sáng sơ cấp, màu sắc mà mắt người quan sát được chính là màu của ánh sáng mà nguồn sáng phát ra, còn khi quan sát nguồn sáng thứ cấp, màu sắc quan sát được là màu mà nguồn sáng thứ cấp không có khả năng hấp thụ từ nguồn sáng sơ cấp. Ví dụ: khi quan sát ánh sáng đỏ phát ra từ đèn led, chúng ta có cảm nhận màu đỏ thì ánh sáng từ đèn led phát ra có bước sóng nằm trong vùng ánh sáng đó. Còn khi quan sát một tấm bảng màu đỏ, ta có cảm nhận màu đỏ bởi tấm bảng đã hấp thụ hầu hết các bước sóng khác (xanh, tím, vàng...) từ nguồn sáng sơ cấp, chỉ có màu đỏ là không hấp thụ được và truyền đến mắt chúng ta. Màu sắc của nguồn sáng sơ cấp luôn không đổi, còn màu sắc của nguồn sáng thứ cấp lại thay đổi phụ thuộc vào màu sắc của nguồn sáng sơ cấp. Chiếu sáng nguồn sáng thứ cấp bằng các nguồn sáng sơ cấp có màu khác nhau sẽ thu được ánh sáng thứ cấp khác nhau.
Phối màu phát xạ là hình thức phối màu sử dụng cho các nguồn sáng sơ cấp, còn phối màu hấp thụ là hình thức phối màu sử dụng cho các nguồn sáng thứ cấp. Chúng khác nhau cơ bản: cơ chế của phối màu phát xạ là cộng màu, còn cơ chế của phối màu hấp thụ là trừ màu. Có thể kiểm chứng điều này một cách đơn giản: theo định nghĩa, ánh sáng trắng là tổng hoà của vô số ánh sáng đơn sắc có màu sắc khác nhau, có bước sóng từ 0.4 đến 0.7um. Tuy nhiên, chúng ta chỉ có thể thu được ánh sáng trắng nếu chiếu các chùm sáng chồng lên nhau (các chùm sáng được phát ra từ các nguồn sáng sơ cấp), còn nếu chồng các màu sắc lên nhau bằng cách tô chúng lên một tờ giấy, tất nhiên sẽ chẳng bao giờ nhận được màu trắng, mà ngược lại, còn ra màu đen. Lý do là quá trình tô màu sắc lên tờ giấy không phải quá trình “tổng hợp” các màu, mà ngược lại, là quá trình “loại trừ” các màu. Khi oại trừ hết tất cả các màu thì rõ ràng chỉ còn màu đen.
Minh hoạ nguyên tắc phối màu phát xạ
Phối màu phát xạ được sử dụng trong các thiết bị phát ra ánh sáng như các loại đèn, các loại màn hình. Các ánh sáng có màu khác nhau, khi chiếu chồng lên nhau sẽ tạo ra ánh sáng có màu sắc khác. Ba màu cơ bản của cơ chế phối màu phát xạ trong các màn hình là màu đỏ, xanh lam và xanh lá (RGB). Theo hình trên, sự kết hợp màu sắc có vẻ hơi lạ: màu đỏ cộng màu xanh lá lại ra màu vàng ? Cần chú ý, nguyên lý phối màu phát xạ chỉ đúng khi được quan sát trực tiếp từ các nguồn sáng sơ cấp như màn hình, đèn, còn khi quan sát quá trình phối màu trên giấy hoặc trên màn chiếu, thực chất chúng ta đang quan sát một nguồn sáng thứ cấp nên hiển nhiên nguyên lý phối màu phát xạ trông khá vô lý. Tổng hoà của ba màu cơ bản trong phối màu phát xạ là màu trắng.
Minh hoạ nguyên tắc phối màu hấp thụ
Phối màu hấp thụ được sử dụng trong các ứng dụng mà con người phải quan sát các nguồn sáng thứ cấp, như in báo, vẽ tranh... Nguyên lý của phối màu hấp thụ là trừ màu. Lớp vật liệu đỏ sẽ hấp thụ tất cả các màu sắc, ngoại trừ màu đỏ, nên chúng ta nhìn được màu đỏ. Phối màu hấp thụ dựa trên 4 màu cơ bản: CMYK: vàng, xanh lơ, hồng, đen. Về lý thuyết, chỉ cần ba màu vàng, xanh lơ, hồng là có thể tạo ra dải màu khá trung thực. Sau này, trong kĩ thuật in ấn, màu đen được thêm vào để có thể điều chỉnh một cách chi tiết hơn độ sáng tối của màu. Có thể thấy ứng dụng của hệ màu CMYK trong các máy in màu: chúng chỉ có 4 hộp mực, tương ứng với 4 màu này để có thể in ra tất cả các màu sắc của bức tranh.
Như vậy, cơ chế phối màu trong các màn hình là cơ chế phối màu phát xạ, dựa trên ba màu cơ bản là màu đỏ, xanh lam, xanh lá. Dựa trên ba màu này, màn hình có thể tái tạo lại gần như toàn bộ dải màu sắc mà mắt người cảm nhận được. Đó là về màu sắc, còn yếu tố thứ hai của hình ảnh là độ sáng, sẽ đựơc điều chỉnh bởi một đèn nền.
Do hình ảnh được mã hoá và hiển thị dưới dạng bản đồ ma trận điểm ảnh, nên màn hình LCD cũng phải được cấu tạo từ các điểm ảnh. Mỗi điểm ảnh trên màn hình LCD sẽ hiển thị một điểm ảnh của khung hình. Trong mỗi điểm ảnh trên màn hình LCD, có ba điểm ảnh con (subpixel), mỗi điểm ảnh hiển thị một trong ba màu: đỏ, xanh lá, xanh lam. Để nắm được nguyên lý hoạt động của màn hình LCD, ta xét một số khái niệm sau:
• Ánh sáng phân cực: theo lý thuyết sóng ánh sáng của Huyghen, Fresnel và Maxwell, ánh sáng là một loại sóng điện từ truyền trong không gian theo thời gian. Phương dao động của sóng ánh sáng là phương dao động của từ trường và điện trường (vuông góc với nhau). Dọc theo phương truyền sóng, phương dao động của ánh sáng có thể lệch nhau một góc tuỳ ý. Xét tổng quát, ánh sáng bình thường có vô số phương dao động khác nhau. Ánh sáng phân cực là ánh sáng chỉ có một phương dao động duy nhất, gọi là phương phân cực.
• Kính lọc phân cực: là loại vật liệu chỉ cho ánh sáng phân cực đi qua. Lớp vật liệu phân cực có một phương đặc biệt gọi là quang trục phân cực. Ánh sáng có phương dao động trùng với quang trục phân cực sẽ truyền toàn bộ qua kính lọc phân cực. Ánh sáng có phương dao động vuông góc với quang trục phân cực sẽ bị chặn lại. Ánh sáng có phương dao động hợp với quang trục phân cực một góc 0<φ<90 sẽ truyền một phần qua kính lọc phân cực. Cường độ ánh sáng truyền qua kính lọc phân cực phụ thuộc vào góc hợp bởi phương phân cực của ánh sáng và quang trục phân cực của kính lọc phân cực.
• Tinh thể lòng: được phát hiện bởi một nhà thực vật người áo năm 1888. Khi nói đến khái niệm tinh thể, ta thường liên tưởng tới vật chất ở thể rắn và có một cấu trúc hình học trong không gian nhất định. Tuy nhiên với tinh thể lỏng thì khác. Tinh thể lỏng không có cấu trúc mạng tinh thể cố định như các vật rắn, mà các phân tử có thể chuyển động tự do trong một phạm vi hẹp như một chất lỏng. Các phân tử trong tinh thể lỏng liên kết với nhau theo từng nhóm và giữa các nhóm có sự liên kết và định hướng nhất định, làm cho cấu trúc của chúng có phần giống cấu trúc tinh thể. Vật liệu tinh thể lỏng có một tính chất đặc biệt là có thể làm thay đổi phương phân cực của ánh sáng truyền qua nó, tuỳ thuộc vào độ xoắn của các chùm phân tử. Độ xoắn này có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt vào hai đầu tinh thể lỏng.
Các lớp cấu tạo màn hình LCD
Quay trở lại cấu tạo màn hình tinh thể lỏng. Màn hình tinh thể lỏng được cấu tạo bởi các lớp xếp chồng lên nhau. Lớp dưới cùng là đèn nền, có tác dụng cung cấp ánh sáng nền (ánh sáng trắng). Đèn nền dùng trong các màn hình thông thường, có độ sáng dưới 1000cd/m2 thường là đèn huỳnh quang. Đối với các màn hình công cộng, đặt ngoài trời, cần độ sáng cao thì có thể sử dụng đèn nền xenon. Đèn nền xenon về mặt cấu tạo khá giống với đèn pha bi-xenon sử dụng trên các xe hơi cao cấp. Đèn xenon không sử dụng dây tóc nóng sáng như đèn Vonfram hay đèn halogen, mà sử dụng sự phát sáng bởi nguyên tử bị kích thích, theo định luật quang điện và mẫu nguyên tử Bo. Bên trong đèn xenon là hai bản điện cực, đặt trong khí trơ xenon trong một bình thuỷ tinh thạch anh. Khi đóng nguồn, cấp cho hai điện cực một điện áp rất lớn, cỡ 25 000V. Điện áp này vượt ngưỡng điện áp đánh thủng của xenon và gây ra hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực. Tia lửa điện sẽ kích thích các nguyên tử xenon lên mức năng lượng cao, sau đó chúng sẽ tự động nhảy xuống mức năng lượng thấp và phát ra ánh sáng theo định luật bức xạ điện từ. Điện áp cung cấp cho đèn xenon phải rất lớn, thứ nhất để vượt qua ngưỡng điện áp đánh thủng để sinh ra tia lửa điện, thứ hai để kích thích các nguyên tử khí trơ lên mức năng lượng đủ cao để ánh sáng do chúng phát ra khi quay trở lại mức năng lượng thấp có bước sóng ngắn.
Lớp thứ hai là lớp kính lọc phân cực có quang trục phân cực dọc, kế đến là một lớp tinh thể lỏng được kẹp chặt giữa hai tấm thuỷ tinh mỏng, tiếp theo là lớp kính lọc phân cực có quang trục phân cực ngang. Mặt trong của hai tấm thuỷ tinh kẹp tinh thể lỏng có phủ một lớp các điện cực trong suốt. Ta xét nguyên lý hoạt động của màn hình LCD với một điểm ảnh con: ánh sáng đi ra từ đèn nền là ánh sáng trắng, có vô số phương phân cực. Sau khi truyền qua kính lọc phân cực thứ nhất, chỉ còn lại ánh sáng có phương phân cực dọc. Ánh sáng phân cực này tiếp tục truyền qua lớp tinh thể lỏng. Nếu giữa hai đầu lớp tinh thể lỏng không đựơc đặt một điện áp, các phân tử tinh thể lỏng sẽ ở trạng thái tự do, ánh sáng truyền qua sẽ không bị thay đổi phương phân cực. Ánh sáng có phương phân cực dọc truyền tới lớp kính lọc thứ hai có quang trục phân cực ngang sẽ bị chặn lại hoàn toàn. Lúc này, điểm ảnh ở trạng thái tắt.
Cấu tạo một điểm ảnh con
Nếu đặt một điện áp giữa hai đầu lớp tinh thể lỏng, các phân tử sẽ liên kết và xoắn lại với nhau. Ánh sáng truyền qua lớp tinh thể lỏng đựơc đặt điện áp sẽ bị thay đổi phương phân cực. Ánh sáng sau khi bị thay đổi phương phân cực bởi lớp tinh thể lỏng truyền đến kính lọc phân cực thứ hai và truyền qua được một phần. Lúc này, điểm ảnh được bật sáng. Cường độ sáng của điểm ảnh phụ thuộc vào lượng ánh sáng truyền qua kính lọc phân cực thứ hai. Lượng ánh sáng này lại phụ thuộc vào góc giữa phương phân cực và quang trục phân cực. Góc này lại phụ thuộc vào độ xoắn của các phân tử tinh thể lỏng. Độ xoắn của các phân tử tinh thể lỏng phụ thuộc vào điện áp đặt vào hai đầu tinh thể lỏng. Như vậy, có thể điều chỉnh cường độ sáng tại một điểm ảnh bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào hai đầu lớp tinh thể lỏng. Trước mỗi điểm ảnh con có một kính lọc màu, cho ánh sáng ra màu đỏ, xanh lá và xanh lam.Với một điểm ảnh, tuỳ thuộc vào cường độ ánh sáng tương đối của ba điểm ảnh con, dựa vào nguyên tắc phối màu phát xạ, điểm ảnh sẽ có một màu nhất định. Khi muốn thay đổi màu sắc của một điểm ảnh, ta thay đổi cường độ sáng tỉ đối của ba điểm ảnh con so với nhau. Muốn thay đổi độ sáng tỉ đối này, phải thay đổi độ sáng của từng điểm ảnh con, bằng cách thay đổi điện áp đặt lên hai đầu lớp tinh thể lỏng. Một nhược điểm của màn hình tinh thể lỏng, đó chính là tồn tại một khoảng thời gian để một điểm ảnh chuyển từ màu này sang màu khác (thời gian đáp ứng – response time). Nếu thời gian đáp ứng quá cao có thể gây nên hiện tượng bóng ma với một số cảnh có tốc độ thay đổi khung hình lớn. Khoảng thời gian này sinh ra do sau khi điện áp đặt lên hai đầu lớp tinh thể lỏng đựoc thay đổi, tinh thể lỏng phải mất một khoảng thời gian mới có thể chuyển từ trạng thái xoắn ứng với điện áp cũ sang trạng thái xoắn ứng với điện áp mới. Thông qua việc tái tạo lại màu sắc của từng điểm ảnh , chúng ta có thể tái tạo lại toàn bộ hình ảnh.
Plasma: Plasma là một trong các pha (trạng thái) của vật chất. Ở trạng thái plasma, vật chất bị ion hoá rất mạnh, phần lớn các phân tử hoặc nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân, các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. Ứng dụng đặc tính này của plasma, người ta đã chế tạo ra màn hình plasma.
Ở trạng thái bình thường, các ion dương và electron chuyển động hỗn loạn. Vận tốc tương đối của chúng so với nhau không lớn. Khi đặt khí plasma vào giữa hai điện cực, điện trường tác dụng lên các hạt mang điện sẽ làm cho chúng chuyển động có hướng: các electron bị hút về phía cực dương, các ion dương bị hút về phía cực âm. Trong quá trình chuyển động ngựoc chiều nhau như vậy, các hạt mang điện va chạm vào nhau với vận tốc tương đối rất lớn. Va chạm sẽ truyền năng lượng cho các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử khí, làm cho các electron này nhẩy lên mức năng lượng cao hơn, sau một khoảng thời gian rất ngắn, các electron sẽ tự động chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và sinh ra một photon ánh sáng theo định luật bức xạ điện từ. Trong màn hình plasma, người ta sử dụng khí xenon hoặc khí neon. Các chất khí này khi bị kích thích sẽ phát ra tia cực tím, không nhìn được trực tiếp bằng mắt thường, nhưng có thể gián tiếp tạo ra ánh sáng khả kiến.
Cũng giống như màn hình LCD, màn hình Plasma cũng có cấu tạo từ các điểm ảnh, trong mỗi điểm ảnh cũng có ba điểm ảnh con thể hiện ba màu đỏ, xanh lá, xanh lam. Mỗi điểm ảnh là một buồng kín, trong đó có chứa chất khí xenon hoặc neon. Tại mặt trước của buồng có phủ lớp phôt pho. Tại hai đầu buồng khí cũng có hai điện cực. Khi có điện áp được đặt vào hai điện cực, chất khí bên trong buồng kín sẽ bị ion hoá, các nguyên tử bị kích thích và phát ra tia cực tím. Tia cực tím này đập vào lớp phôt pho phủ trên mặt trước của buồng kín sẽ kích thích chất phôt pho, làm cho chúng phát sáng. Ánh sáng phát ra sẽ đi qua lớp kính lọc màu đặt trước mỗi buồng kín và cho ra một trong ba màu cơ bản: đỏ, xanh lá, xanh lam. Phối hợp của ba ánh sáng này từ ba điểm ảnh con trong mỗi điểm anh sẽ cho ra màu sắc của điểm ảnh. Nhược điểm chủ yếu của màn hình Plasma so với màn hình LCD là chúng không hiển thị được một độ phân giải cao như màn hình LCD có cùng kích thước. Điều này do trong màn hình LCD, mỗi điểm ảnh con chỉ cần một lớp tinh thể lỏng khá bé cũng có thể thay đổi phương phân cực của ánh sáng một cách dễ dàng, từ đó tạo điều kiện để chế tạo các điểm ảnh với kích thước bé, tạo nên một số lượng lớn điểm ảnh trên một đơn vị diện tích (độ phân giải cao). Còn với màn hình Plasma, mỗi điểm ảnh con thực chất là một buồng kín chứa khí. Thể tích của lượng khí chứa trong một buồng kín này phải đạt một giá trị nhất định để có thể phát ra bức xạ tử ngoại đủ mạnh khi bị kích thích lên trạng thái plasma. Chính vì thế, kích thước một điểm ảnh của màn hình Plasma khá lớn so với một điểm ảnh của màn hình LCD, dẫn đến việc với cùng một diện tích hiển thị, số lượng điểm ảnh của màn hình Plasma ít hơn LCD, đồng nghĩa với độ phân giải thấp hơn.
Nếu như khoảng vài năm trước đây, màn hình tinh thể lỏng và màn hình Plasma được coi là hai định dạng màn hình thế hệ mới, thay thế cho màn hình CRT đã quá cũ kĩ. So với màn hình CRT, màn hình tinh thể lỏng và plasma có những ưu điểm vượt trội: kích thước nhỏ gọn, kiểu dáng ấn tượng, thiết kế tấm phẳng, và có thể chế tạo được những màn hình với kích thước khổng lồ. Màn hình tinh thể lỏng, plasma, kết hợp với công nghệ truyền hình độ nét cao HDTV đang mở ra một kỉ nguyên mới trong lĩnh vực nghe nhìn, giải trí. Nhưng, không dừng lại ở đó, trong khi màn hình tinh thể lỏng và plasma đang từng bước chiếm lĩnh thị trường, thì tin tức về những thế hệ màn hình mới, với ưu điểm vượt trội hơn đã xuất hiện. Màn hình LED và Laser đang được coi là hai định dạng màn hình thế hệ mới, sau kỉ nguyên LCD và Plasma.
Chiếm ưu thế so với màn hình CRT truyền thống bởi nhiều ưu điểm, nhưng màn hình LCD và Plasma cũng có những nhược điểm không thể chối cãi. Thời gian đáp ứng, góc nhìn và độ tương phản luôn là điểm yếu chết người của màn hình LCD trong bất cứ cuộc cạnh tranh nào với những loại màn hình khác. Mặc dù công nghệ sản xuất tấm panel màn hình ngày càng phát triển, nhưng do đặc tính kĩ thuật của màn hình LCD, sẽ không có một cải tiến nào có thể xoá bỏ hoàn toàn những nhược điểm của loại màn hình này. Với màn hình plasma, độ phân giải, khó khăn khi sản xuất những màn hình kích thước bé, giá thành cao là những nhược điểm lớn. Một cách tổng quát, tại mảng đồ hoạ cao cấp, màn hình tinh thể lỏng và plasma vẫn chưa thể cung cấp một chất lượng hình ảnh, độ chân thực màu sắc như những màn hình CRT truyền thống.
Đánh vào những điểm yếu đó của, màn hình LED và Laser ra đời, kết hợp được ưu điểm của màn hình tinh thể lỏng, plasma là kích thước nhỏ gọn, kiểu dáng đẹp, và của màn hình CRT là chất lượng hình ảnh tuyệt hảo.
Nhược điểm của màn hình LCD và Plasma, bắt nguồn từ chính cấu tạo của hai loại màn hình này. Để tạo ra được màu sắc tại mỗi điểm ảnh, cần phải tổng hợp màu sắc từ ba điểm ảnh con. Màu sắc của ba điểm ảnh con này có được nhờ lọc màu từ ánh sáng trắng phát ra từ đèn nền. Việc lọc được chính xác ba màu xanh lá, xanh lam, đỏ là không hề dễ dàng. Rất khó để chế tạo được những kính lọc màu hoàn hảo, có thể lọc được toàn bộ ánh sáng, chỉ cho một ánh sáng đơn sắc đi qua. Bao giờ cũng có một lượng nhỏ những ánh sáng đơn sắc có màu khác lọt qua được kính lọc màu. Chính những ánh sáng lọt qua ngoài mong muốn này khiến cho màu sắc của mỗi điểm ảnh con không đạt độ chính xác tuyệt đối, dẫn đến việc hiển thị màu sắc tại điểm ảnh cũng không chính xác. Hơn nữa, nhược điểm này còn khiến phổ màu mà màn hình LCD cùng với Plasma có khả năng tái tạo là không lớn. Một màn hình LCD với panel TN chỉ có khả năng hiển thị thực 262 000 màu sắc, ngay cả với panel PVA cao cấp, cũng chỉ hiển thị được 16.7 triệu màu. So với phổ màu mà mắt người cảm nhận được, khả năng hiển thị màu sắc của màn hình LCD và Plasma chỉ đạt 35-40%.
Hai loại màn hình thế hệ mới, LED và Laser, về cấu tạo chung cũng tương tự như màn hình LCD và Plasma, bao gồm các điểm ảnh, mỗi điểm ảnh cũng có ba điểm ảnh con, mỗi điểm ảnh con hiển thị một màu cơ bản trong hệ màu RGB. Tuy nhiên, khác với màn hình tinh thể lỏng và plasma, màn hình LED và Laser không sử dụng phương pháp lọc ánh sáng từ ánh sáng đèn nền để cho ra ánh sáng đơn sắc, mà sử dụng phương phát phát trực tiếp ra ánh sáng có bước sóng mong muốn. Nhờ việc phát ra trực tiếp ánh sáng đơn sắc, mỗi điểm ảnh con sẽ cho ra một màu sắc chính xác, và màu sắc tổng hợp hiển thị tại mỗi điểm ảnh cũng chính xác. Màn hình LED và Laser đang trong giai đoạn nghiên cứu nên hầu như rất ít nhà sản xuất công bố các đặc tính kĩ thuật, nguyên lý chi tiết, nhưng về cơ bản có thể phân tích hoạt động của hai loại màn hình trên như sau:
Màn hình LED
Màn hình LED, hiện đang được hỗ trợ phát triển bởi tập đoàn Samsung. LED – Light emitting Diode, điôt phát quang, là một loại điốt bán dẫn có khả năng phát ra ánh sáng khả kiến, cũng như các loại bức xạ hồng ngoại và tử ngoại. Cấu tạo của LED gồm hai khối bán dẫn, một khối loại p, và một khối loại n ghép với nhau. Khi đặt một điện áp thuận vào hai đầu LED, lỗ trỗng trong khối bán dẫn p và electron trong khối bán dẫn n chuyển động về phía nhau. Tại mặt tiếp xúc xảy ra một số tương tác giữa lỗ trống và electron. Trong quá trình tương tác này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng khả kiến hoặc các bức xạ điện từ khác như tia hồng ngoại, tử ngoại. Bước sóng của ánh sáng khả kiến phát ra phụ thuộc vào mức năng lượng được giải phóng. Mức năng lượng được giải phóng phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử của chất làm bán dẫn. Ngày nay, nhờ nghiên cứu về vật liệu bán dẫn, con người có thể chế tạo được những LED có khả năng phát ra màu sắc như mong muốn, trong đó có ba màu cơ bản của hệ màu RGB là xanh, xanh lá, đỏ.
Ứng dụng LED trong việc sản xuất màn hình, mỗi điểm ảnh sẽ được cấu tạo từ ba LED: xanh, xanh lá, đỏ. Nhờ điều chỉnh cường độ sáng của từng LED, có thể thay đổi cường độ sáng tỉ đối của ba LED so với nhau, nhờ đó tạo ra màu sắc tổng hợp tại mỗi điểm ảnh. Khi muốn điểm ảnh tắt, chỉ cần tắt toàn bộ 3 LED là có thể thu được màu đen tuyệt đối, không gặp phải hiện tượng màu đen không chân thực do lộ sáng từ đèn nền như với màn hình LCD.
Màn hình Laser
Màn hình Laser đang được coi là công nghệ màn hình thế hệ mới nhiều triển vọng nhất, được hỗ trợ phát triển bởi Mitsubishi. Laser là viết tắt của cụm: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, khuếch đại ánh sáng bằng các phát xạ kích thích. Ánh sáng laser phát ra cũng dựa trên nguyên lý bức xạ điện từ, tuy nhiên có nhiều tính chất đặc biệt so với ánh sáng thông thường. Ánh sáng laser có cường độ mạnh là laser được tạo thành từ chất rắn. Một chất rắn thích hợp, khi nhận được kích thích từ bên ngoài, các electron bên trong sẽ nhảy lên mức năng lượng cao hơn, sau đó lại nhanh chóng chuyển về mức năng lượng thấp hơn và giải phóng một photon ánh sáng. Photon này bay ra, chuyển động trong lòng khối chất rắn, lại va chạm với những nguyên tử khác, kích thích electron của nguyên tử này lên trạng thái cao hơn, sau khi nhảy xuống trạng thái thấp lại tiếp tục phát ra một photon khác. Cứ như vậy tạo ra một phản ứng dây chuyền, càng ngày càng giải phóng ra nhiều photon. Tại một đầu của khối chất rắn có gắn một gương bán mạ. Photon gặp gương này sẽ đi ra ngoài, tạo thành tia Laser. Các photon của tia laser, do có cùng tần số, cùng pha, lại chuyển động song song với nhau nên tia laser có năng lượng rất lớn, lại được tập trung trong một diện tích nhỏ. Một đặc điểm quan trọng của tia laser, là các photon của nó sinh ra từ phản ứng dây chuyền, nên năng lượng của các photon giống nhau tuyệt đối, dẫn đến bước sóng của tia laser là đồng nhất tuyệt đối.
Laser heli-neon
Một màn hình laser, yêu cầu phải có ba tia laser với ba màu sắc xanh, xanh lá, đỏ. Hiện nay, mới chỉ có tia laser đỏ (còn gọi là laser hồng ngọc) là phổ biến và có khả năng ứng dụng trong sản xuất màn hình, còn laser xanh và xanh lá, do có năng lượng cao hơn nên gần như không thể tạo được trong điều kiện hoạt động của một màn hình. Thay vào đó, phải sử dụng một quá trình biến đổi tần số để thu được laser có tần số cao hơn tần số của tia laser gốc. Quá trình này gọi là Second Harmonic Generation, lợi dụng sự tương tác của các photon với vật liệu phi tuyến đặc biệt để kết hợp năng lượng vào một photon mới, có năng lượng gấp đôi photon ban đầu, hay có bước sóng nhỏ bằng một nửa. Second Harmonic Generationi được tìm ra vào năm 1961, một thời gian sau khi các nhà khoa học tìm được phương pháp tạo ra tia laser đỏ bằng hồng ngọc. Nhờ phương pháp này, có thể tạo ra được tia laser xanh và xanh lá.
Màn hình laser, với nguyên lý hoạt động dựa vào việc phát ra các tia laser thay cho việc dùng đèn cường độ cao (HID: high intensity discharge) trong các màn hình projector, có nhiều ưu điểm so với các loại màn hình hiện nay như có khả năng tái tạo lại một phổ màu rất rộng với độ chính xác màu sắc cao (có thể đạt đến hơn 90% phổ màu mà mắt người có thể cảm nhận), tiêu thụ ít năng lượng hơn màn hình LCD hay Plasma, kích thước gọn nhẹ, tuổi thọ lâu (có thể lên đến hơn 50000 giờ). Màn hình Laser đang được nhanh chóng hoàn thiện trong việc nghiên cứu, có khả năng sẽ ra mắt vào cuối năm 2007, và dần phổ biến vào nửa sau năm 2008 và đầu 2009. Theo dự đoán, một khi đưa vào sản xuất ở quy mô lớn, giá thành của màn hình Laser sẽ rẻ hơn rất nhiều so với giá màn hình LCD và Plasma hiện tại, có thể chỉ bằng một nửa
Màn hình SED
Mẫu trưng bày thử nghiệm màn hình SED năm 2004
Màn hình SED, một thời gian đã từng được coi là công nghệ màn hình thế hệ mới triển vọng nhất, so với các công nghệ khác như màn hình Laser, màn hình OLED... Tuy nhiên, từ sau năm 2004, với vụ rắc rối giữa nano-proprietary (hãng phát minh ra công nghệ SED) và Canon (hãng mua bản nguyền sản xuất màn hình SED) do Canon đã tự ý chia sẻ công nghệ với Toshiba, các hoạt động nghiên cứu và đưa vào sản xuất màn hình SED chậm hẳn lại. Ban đầu, Canon dự định tung ra mẫu trưng bày chính thức màn hình SED vào triển lãm CES 2006 và sản xuất đại trà vào cuối năm 2006, đầu năm 2007. Sau đó kế hoạch này đã bị huỷ bỏ. Việc công bố màn hình SED được dời sang triển lãm CES 2007. Tuy nhiên, một năm sau, thêm một lần nữa, kế hoạch công bố màn hình SED bị trì hoãn, rất đáng tiếc khi mà công nghệ màn hình và truyền hình độ nét cao chính là tiêu điểm nóng nhất của hội chợ CES 2007. Màn hình SED đánh mất vị thế là công nghệ màn hình thế hệ mới triển vọng nhất vào màn hình Laser. Nguyên nhân chủ yếu là giá của màn hình SED khi sản xuất hàng loạt sẽ không thể cạnh tranh được trên thị trường, sau cơn sốt giảm giá chóng mặt hai loại màn hình LCD và Plasma.
Màn hình SED: Surface-conduction electron-emitter display: màn hình phát xạ điện tử dẫn bề mặt. Công nghệ SED thực chất đã được nghiên cứu từ rất lâu, vào năm 1986. Ngay sau khi màn hình CRT trở nên phổ biến, giới khoa học đã nhận ra một số điểm yếu của loại màn hình này, trong đó rõ rệt nhất là tần số quét quá thấp với một số sản phẩm có kích thước khung hình lớn. Một ý tưởng ban đầu được đưa ra, đó là sử dụng nhiều súng phóng điện tử thay cho một súng phóng điện tử để cải thiện tần số quét. Đó chính là ý tưởng bắt nguồn cho việc nghiên cứu công nghệ màn hình SED, một cải tiến lớn từ màn hình CRT.
Cấu tạo cơ bản của màn hình CRT bao gồm một súng phóng điện tử, một hệ thống tạo từ trường để biến đổi quỹ đạo electron, và một màn huỳnh quang. Ống phóng điện tử dựa theo hiệu ứng phát xạ nhiệt electron. Khi cung cấp năng lượng cho mẫu kim loại dưới dạng nhiệt, các electron sẽ được truyền năng lượng để bứt ra khỏi liên kết mạng tinh thể kim loại. Các electron này sau khi bứt ra được tăng tốc bởi một điện trường. Sau khi được tăng tốc bởi điện trường, electron có quỹ đạo thẳng hướng về phía màn huỳnh quang. Trước khi đập vào màn huỳnh quang, electron sẽ phải bay qua một vùng từ trường được tạo bởi hai cuộn dây, một cuộn tạo từ trường ngang và một cuộn tạo từ trường dọc. Tuỳ theo cường độ của hai từ trường này, quỹ đạo của electron trong từ trường sẽ bị lệch đi và đập vào màn huỳnh quang tại một điểm được định trước. Toạ độ của điểm này trên màn hình có thể được điều khiển bởi việc điều chỉnh cường độ dòng điện trong hai ống dây, qua đó điều chỉnh cường độ từ trường tác dụng lên electron. Electron đập vào màn huỳnh quang (thường là ZnS) sẽ khiến điểm đó phát sáng. Để tạo ra ba màu cơ bản trong hệ màu RGB, người ta sử dụng ba súng phóng điện tử riêng, mỗi súng tương ứng với một màu.
Công nghệ màn hình SED, về cơ bản khá giống với màn hình CRT, cũng dựa vào sự phát sáng của chất huỳnh quang khi bị electron đập vào. Tuy nhiên, màn hình SED có một cải tiến vượt bậc so với màn hình CRT, đó là thay vì sử dụng một súng phóng điện tử để điều khiển sự phát sáng của toàn bộ điểm ảnh, màn hình SED sử dụng riêng một súng phóng điện tử cho từng điểm ảnh. Với màn hình CRT, để có thể điều khiển một chùm tia electron quét khắp chiều ngang và chiều dọc màn hình, yêu cầu đầu tiên là quỹ đạo của chùm tia electron trong từ trường phải đủ dài, tương ứng với độ lớn của màn hình. Điều này gây ra nhược điểm của màn hình CRT là chiều dày quá lớn. Nhược điểm thứ hai của màn hình CRT, đó là tần số quét. Do chỉ với một chùm tia electron, lại phải quét suốt toàn bộ các điểm ảnh trên màn hình để hiển thị một khung hình, nên thời gian hiển thị một khung hình sẽ càng lớn khi số điểm ảnh càng lớn. Điều này gây trở ngại cho việc sản xuất các màn hình có kích thước lớn. Một nhược điểm nữa của màn CRT là do chùm tia electron phải quét xung quanh một tâm, nên bề mặt màn hình là bề mặt cong (đó là hồi trước, còn giờ đây thì đã có màn CRT phẳng). Bằng việc sử dụng một súng phóng điện tử cho một điểm ảnh riêng biệt, màn hình SED đã khắc phục hoàn toàn ba nhược điểm nói trên của màn hình CRT. Do mỗi điểm ảnh có một súng phóng điện tử riêng, nên chùm electron sau khi được tăng tốc bởi điện trường sẽ tới đập thẳng vào màn huỳnh quang mà không cần bay qua vùng từ trường, nên bề dày của màn hình SED rất bé, chỉ ngang ngửa với màn hình LCD và Plasma. Mỗi điểm ảnh được điều khiển độc lập bởi một súng phóng nên toàn bộ điểm ảnh trên khung hình sẽ hiển thị cùng một lúc, tần số hiển thị sẽ lớn hơn nhiều so với tần số quét của màn hình CRT. Và cuối cùng, không hề có bất cứ một quá trình "quét" nào với màn hình SED, nên hiển nhiên bề mặt màn hình sẽ là bề mặt phẳng. Như vậy, nhờ dựa trên công nghệ truyền thống của màn hình CRT nên màn hình SED sẽ có chất lượng hình ảnh ngang ngửa màn hình CRT, tuy nhiên có kích thước màn hình lớn hơn, độ phân giải cao hơn, và nhỏ gọn hơn.
Source: http://www.fotech.org
Nhiệm vụ của màn hình là tái tạo lại hình ảnh. Để tái tạo lại hình ảnh, phương pháp phổ biến nhất hiện nay là hiển thị hình ảnh dựa vào bản đồ ma trận điểm ảnh. Theo phương pháp này, một khung hình sẽ được chia ra làm vô số các điểm ảnh nhỏ. Các điểm ảnh có dạng hình vuông, có kích thước rất nhỏ. Kích thước “thực” của một điểm ảnh là: 0.01x0.01 (cm). Tuy nhiên kích thước thực này phần lớn chỉ có ý nghĩa lý thuyết, vì hầu như chúng ta ít khi quan sát được các điểm ảnh tại kích thước thực của chúng, một phần do chúng quá bé, một phần do kích thước quan sát của điểm ảnh phụ thuộc vào độ phân giải: với cùng một diện tích hiển thị, độ phân giải (số lượng điểm ảnh) càng lớn thì kích thước quan sát được của chúng càng bé. Kích thước của một khung hình được cho bởi số lượng điểm ảnh theo chiều ngang và số lượng điểm ảnh theo chiều dọc. Ví dụ kích thước khung hình 1600x1200 (pixel) có nghĩa khung hình đó sẽ được hiển bị bởi 1600 điểm ảnh theo chiều ngang và 1200 điểm ảnh theo chiều dọc. Nhiều người lầm tưởng giá trị 1600x1200 trên chính là độ phân giải của hình ảnh. Thực chất, giá trị về số lượng pixel chỉ mang ý nghĩa kích thước (image dimension), còn độ phân giải (resolution) được cho bởi số lượng điểm ảnh hiển thị trên diện tích một inch vuông. Độ phân giải càng cao, hình ảnh được hiển thị sẽ càng nét. Độ phân giải đạt đến giá trị độ phân giải thực khi mà một pixel được hiển thị với đúng kích thước thực của nó (kích thước thực của pixel đựơc lấy sao cho ở một khoảng cách nhất định, pixel đó đựơc nhìn dưới một góc xấp xỉ bằng năng suất phân li của mắt người). Nếu độ phân giải bé hơn giá trị độ phân giải thực, mắt người sẽ có cảm giác hình ảnh bị sạn, không nét. Nếu độ phân giải cao hơn độ phân giải thực, trên lý thuyết, độ nét và độ chi tiết của hình ảnh sẽ tăng lên, tuy nhiên thực sự mắt người không cảm nhận được hoàn toàn sự khác biệt này.
Mắt người cảm nhận hình ảnh dựa vào hai yếu tố, màu sắc và độ sáng (chói) của hình ảnh. Màn hình muốn hiển thị được hình ảnh thì cũng phải tái tạo lại được hai yếu tố thị giác này của hình ảnh. Về màu sắc, mắt người có khả năng cảm nhận hơn 4 tỉ sắc độ màu khác nhau, trong đó có một phổ màu khoảng hơn 30 triệu màu được cảm nhận rõ rệt nhất. Muốn tái tạo lại hình ảnh chân thực, màn hình hiển thị cần phải có khả năng hiển thị ít nhất là khoảng 16 triệu màu. Bình thường, khi muốn tạo ra một màu sắc, người ta sử dụng kĩ thuật lọc màu từ ánh sáng trắng, mỗi bộ lọc màu sẽ cho ra một màu. Tuy nhiên, với kích thước vô cùng bé của điểm ảnh, việc đặt 16 triệu bộ lọc màu trước một điểm ảnh là gần như vô vọng. Chính vì thế, để hiển thị màu sắc một cách đơn giản nhưng vẫn cung cấp khá đầy đủ dải màu, người ta sử dụng phương pháp phối hợp màu từ các màu cơ bản. Hệ các màu cơ bản phải thoả mãn điều kiện tái tạo được một phổ màu rộng từ các màu thành phần, và các màu thành phần, khi được tổng hợp với cùng tỉ lệ phải tạo ra một trong hai màu sơ cấp là màu đen (loại trừ của tất cả màu sắc) hoặc màu trắng (tổng hoà của tất cả màu sắc).
Về các màu cơ bản, trong các tài liệu mỹ thuật cổ điển thường đề cập đến ba màu cơ bản vàng, đỏ, xanh lam. Màu đỏ hợp với màu vàng sẽ tạo ra màu da cam, màu xanh với đỏ tạo ra màu tím, màu vàng với xanh tạo ra xanh lá. Tiếp tục từ các màu trên, phối hợp với nhau sẽ ra được tất cả các màu khác. Tuy nhiên, hệ 3 màu cơ bản của mỹ thuật cổ điển ngày nay đã tỏ ra có nhiều nhược điểm trong các ứng dụng kĩ thuật. Thứ nhất, với mỗi lần phối hợp màu, màu thu được thường bị xỉn đi, gây khó khăn trong việc tái tạo lại những màu sắc “tươi” như xanh lá mạ, vàng chanh..., và nhược điểm quan trọng nhất, khi chồng ba màu cơ bản vàng, đỏ, xanh lam với cường độ giống nhau lên nhau thì không thu được màu đen hoàn toàn. Yếu điểm này đã khiến cho hệ màu đỏ, vàng, xanh lam bây giờ chỉ còn tồn tại trong sách vở, và hầu như không có một ứng dụng kĩ thuật thực tế nào. Thay vào đó, ngày nay có hai hệ màu được sử dụng rất phổ biến là hệ màu RGB và hệ màu CMYK. Cơ sở để xây dựng nên hai hệ màu cơ bản này dựa trên nguyên lý phối màu phát xạ và phối màu hấp thụ của ánh sáng.
Về hai nguyên lý phối màu trên, cần nói qua về cơ chế mắt cảm nhận màu. Màu sắc mà mắt cảm nhận đựơc phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu tới mắt. Bước sóng của ánh sáng chiếu tới mắt lại phụ thuộc vào bản chất nguồn sáng. Có hai loại nguồn sáng, đó là nguồn sáng sơ cấp và nguồn sáng thứ cấp. Nguồn sáng sơ cấp là các nguồn sáng có khả năng tự phát ra sóng ánh sáng, còn nguồn sáng thứ cấp là nguồn sáng phát ra ánh sáng bằng cách phản xạ lại ánh sáng từ nguồn sáng sơ cấp. Khi quan sát một nguồn sáng sơ cấp, màu sắc mà mắt người quan sát được chính là màu của ánh sáng mà nguồn sáng phát ra, còn khi quan sát nguồn sáng thứ cấp, màu sắc quan sát được là màu mà nguồn sáng thứ cấp không có khả năng hấp thụ từ nguồn sáng sơ cấp. Ví dụ: khi quan sát ánh sáng đỏ phát ra từ đèn led, chúng ta có cảm nhận màu đỏ thì ánh sáng từ đèn led phát ra có bước sóng nằm trong vùng ánh sáng đó. Còn khi quan sát một tấm bảng màu đỏ, ta có cảm nhận màu đỏ bởi tấm bảng đã hấp thụ hầu hết các bước sóng khác (xanh, tím, vàng...) từ nguồn sáng sơ cấp, chỉ có màu đỏ là không hấp thụ được và truyền đến mắt chúng ta. Màu sắc của nguồn sáng sơ cấp luôn không đổi, còn màu sắc của nguồn sáng thứ cấp lại thay đổi phụ thuộc vào màu sắc của nguồn sáng sơ cấp. Chiếu sáng nguồn sáng thứ cấp bằng các nguồn sáng sơ cấp có màu khác nhau sẽ thu được ánh sáng thứ cấp khác nhau.
Phối màu phát xạ là hình thức phối màu sử dụng cho các nguồn sáng sơ cấp, còn phối màu hấp thụ là hình thức phối màu sử dụng cho các nguồn sáng thứ cấp. Chúng khác nhau cơ bản: cơ chế của phối màu phát xạ là cộng màu, còn cơ chế của phối màu hấp thụ là trừ màu. Có thể kiểm chứng điều này một cách đơn giản: theo định nghĩa, ánh sáng trắng là tổng hoà của vô số ánh sáng đơn sắc có màu sắc khác nhau, có bước sóng từ 0.4 đến 0.7um. Tuy nhiên, chúng ta chỉ có thể thu được ánh sáng trắng nếu chiếu các chùm sáng chồng lên nhau (các chùm sáng được phát ra từ các nguồn sáng sơ cấp), còn nếu chồng các màu sắc lên nhau bằng cách tô chúng lên một tờ giấy, tất nhiên sẽ chẳng bao giờ nhận được màu trắng, mà ngược lại, còn ra màu đen. Lý do là quá trình tô màu sắc lên tờ giấy không phải quá trình “tổng hợp” các màu, mà ngược lại, là quá trình “loại trừ” các màu. Khi oại trừ hết tất cả các màu thì rõ ràng chỉ còn màu đen.
Minh hoạ nguyên tắc phối màu phát xạ
Phối màu phát xạ được sử dụng trong các thiết bị phát ra ánh sáng như các loại đèn, các loại màn hình. Các ánh sáng có màu khác nhau, khi chiếu chồng lên nhau sẽ tạo ra ánh sáng có màu sắc khác. Ba màu cơ bản của cơ chế phối màu phát xạ trong các màn hình là màu đỏ, xanh lam và xanh lá (RGB). Theo hình trên, sự kết hợp màu sắc có vẻ hơi lạ: màu đỏ cộng màu xanh lá lại ra màu vàng ? Cần chú ý, nguyên lý phối màu phát xạ chỉ đúng khi được quan sát trực tiếp từ các nguồn sáng sơ cấp như màn hình, đèn, còn khi quan sát quá trình phối màu trên giấy hoặc trên màn chiếu, thực chất chúng ta đang quan sát một nguồn sáng thứ cấp nên hiển nhiên nguyên lý phối màu phát xạ trông khá vô lý. Tổng hoà của ba màu cơ bản trong phối màu phát xạ là màu trắng.
Minh hoạ nguyên tắc phối màu hấp thụ
Phối màu hấp thụ được sử dụng trong các ứng dụng mà con người phải quan sát các nguồn sáng thứ cấp, như in báo, vẽ tranh... Nguyên lý của phối màu hấp thụ là trừ màu. Lớp vật liệu đỏ sẽ hấp thụ tất cả các màu sắc, ngoại trừ màu đỏ, nên chúng ta nhìn được màu đỏ. Phối màu hấp thụ dựa trên 4 màu cơ bản: CMYK: vàng, xanh lơ, hồng, đen. Về lý thuyết, chỉ cần ba màu vàng, xanh lơ, hồng là có thể tạo ra dải màu khá trung thực. Sau này, trong kĩ thuật in ấn, màu đen được thêm vào để có thể điều chỉnh một cách chi tiết hơn độ sáng tối của màu. Có thể thấy ứng dụng của hệ màu CMYK trong các máy in màu: chúng chỉ có 4 hộp mực, tương ứng với 4 màu này để có thể in ra tất cả các màu sắc của bức tranh.
Như vậy, cơ chế phối màu trong các màn hình là cơ chế phối màu phát xạ, dựa trên ba màu cơ bản là màu đỏ, xanh lam, xanh lá. Dựa trên ba màu này, màn hình có thể tái tạo lại gần như toàn bộ dải màu sắc mà mắt người cảm nhận được. Đó là về màu sắc, còn yếu tố thứ hai của hình ảnh là độ sáng, sẽ đựơc điều chỉnh bởi một đèn nền.
Màn hình LCD
Do hình ảnh được mã hoá và hiển thị dưới dạng bản đồ ma trận điểm ảnh, nên màn hình LCD cũng phải được cấu tạo từ các điểm ảnh. Mỗi điểm ảnh trên màn hình LCD sẽ hiển thị một điểm ảnh của khung hình. Trong mỗi điểm ảnh trên màn hình LCD, có ba điểm ảnh con (subpixel), mỗi điểm ảnh hiển thị một trong ba màu: đỏ, xanh lá, xanh lam. Để nắm được nguyên lý hoạt động của màn hình LCD, ta xét một số khái niệm sau:
• Ánh sáng phân cực: theo lý thuyết sóng ánh sáng của Huyghen, Fresnel và Maxwell, ánh sáng là một loại sóng điện từ truyền trong không gian theo thời gian. Phương dao động của sóng ánh sáng là phương dao động của từ trường và điện trường (vuông góc với nhau). Dọc theo phương truyền sóng, phương dao động của ánh sáng có thể lệch nhau một góc tuỳ ý. Xét tổng quát, ánh sáng bình thường có vô số phương dao động khác nhau. Ánh sáng phân cực là ánh sáng chỉ có một phương dao động duy nhất, gọi là phương phân cực.
• Kính lọc phân cực: là loại vật liệu chỉ cho ánh sáng phân cực đi qua. Lớp vật liệu phân cực có một phương đặc biệt gọi là quang trục phân cực. Ánh sáng có phương dao động trùng với quang trục phân cực sẽ truyền toàn bộ qua kính lọc phân cực. Ánh sáng có phương dao động vuông góc với quang trục phân cực sẽ bị chặn lại. Ánh sáng có phương dao động hợp với quang trục phân cực một góc 0<φ<90 sẽ truyền một phần qua kính lọc phân cực. Cường độ ánh sáng truyền qua kính lọc phân cực phụ thuộc vào góc hợp bởi phương phân cực của ánh sáng và quang trục phân cực của kính lọc phân cực.
• Tinh thể lòng: được phát hiện bởi một nhà thực vật người áo năm 1888. Khi nói đến khái niệm tinh thể, ta thường liên tưởng tới vật chất ở thể rắn và có một cấu trúc hình học trong không gian nhất định. Tuy nhiên với tinh thể lỏng thì khác. Tinh thể lỏng không có cấu trúc mạng tinh thể cố định như các vật rắn, mà các phân tử có thể chuyển động tự do trong một phạm vi hẹp như một chất lỏng. Các phân tử trong tinh thể lỏng liên kết với nhau theo từng nhóm và giữa các nhóm có sự liên kết và định hướng nhất định, làm cho cấu trúc của chúng có phần giống cấu trúc tinh thể. Vật liệu tinh thể lỏng có một tính chất đặc biệt là có thể làm thay đổi phương phân cực của ánh sáng truyền qua nó, tuỳ thuộc vào độ xoắn của các chùm phân tử. Độ xoắn này có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt vào hai đầu tinh thể lỏng.
Các lớp cấu tạo màn hình LCD
Quay trở lại cấu tạo màn hình tinh thể lỏng. Màn hình tinh thể lỏng được cấu tạo bởi các lớp xếp chồng lên nhau. Lớp dưới cùng là đèn nền, có tác dụng cung cấp ánh sáng nền (ánh sáng trắng). Đèn nền dùng trong các màn hình thông thường, có độ sáng dưới 1000cd/m2 thường là đèn huỳnh quang. Đối với các màn hình công cộng, đặt ngoài trời, cần độ sáng cao thì có thể sử dụng đèn nền xenon. Đèn nền xenon về mặt cấu tạo khá giống với đèn pha bi-xenon sử dụng trên các xe hơi cao cấp. Đèn xenon không sử dụng dây tóc nóng sáng như đèn Vonfram hay đèn halogen, mà sử dụng sự phát sáng bởi nguyên tử bị kích thích, theo định luật quang điện và mẫu nguyên tử Bo. Bên trong đèn xenon là hai bản điện cực, đặt trong khí trơ xenon trong một bình thuỷ tinh thạch anh. Khi đóng nguồn, cấp cho hai điện cực một điện áp rất lớn, cỡ 25 000V. Điện áp này vượt ngưỡng điện áp đánh thủng của xenon và gây ra hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực. Tia lửa điện sẽ kích thích các nguyên tử xenon lên mức năng lượng cao, sau đó chúng sẽ tự động nhảy xuống mức năng lượng thấp và phát ra ánh sáng theo định luật bức xạ điện từ. Điện áp cung cấp cho đèn xenon phải rất lớn, thứ nhất để vượt qua ngưỡng điện áp đánh thủng để sinh ra tia lửa điện, thứ hai để kích thích các nguyên tử khí trơ lên mức năng lượng đủ cao để ánh sáng do chúng phát ra khi quay trở lại mức năng lượng thấp có bước sóng ngắn.
Lớp thứ hai là lớp kính lọc phân cực có quang trục phân cực dọc, kế đến là một lớp tinh thể lỏng được kẹp chặt giữa hai tấm thuỷ tinh mỏng, tiếp theo là lớp kính lọc phân cực có quang trục phân cực ngang. Mặt trong của hai tấm thuỷ tinh kẹp tinh thể lỏng có phủ một lớp các điện cực trong suốt. Ta xét nguyên lý hoạt động của màn hình LCD với một điểm ảnh con: ánh sáng đi ra từ đèn nền là ánh sáng trắng, có vô số phương phân cực. Sau khi truyền qua kính lọc phân cực thứ nhất, chỉ còn lại ánh sáng có phương phân cực dọc. Ánh sáng phân cực này tiếp tục truyền qua lớp tinh thể lỏng. Nếu giữa hai đầu lớp tinh thể lỏng không đựơc đặt một điện áp, các phân tử tinh thể lỏng sẽ ở trạng thái tự do, ánh sáng truyền qua sẽ không bị thay đổi phương phân cực. Ánh sáng có phương phân cực dọc truyền tới lớp kính lọc thứ hai có quang trục phân cực ngang sẽ bị chặn lại hoàn toàn. Lúc này, điểm ảnh ở trạng thái tắt.
Cấu tạo một điểm ảnh con
Nếu đặt một điện áp giữa hai đầu lớp tinh thể lỏng, các phân tử sẽ liên kết và xoắn lại với nhau. Ánh sáng truyền qua lớp tinh thể lỏng đựơc đặt điện áp sẽ bị thay đổi phương phân cực. Ánh sáng sau khi bị thay đổi phương phân cực bởi lớp tinh thể lỏng truyền đến kính lọc phân cực thứ hai và truyền qua được một phần. Lúc này, điểm ảnh được bật sáng. Cường độ sáng của điểm ảnh phụ thuộc vào lượng ánh sáng truyền qua kính lọc phân cực thứ hai. Lượng ánh sáng này lại phụ thuộc vào góc giữa phương phân cực và quang trục phân cực. Góc này lại phụ thuộc vào độ xoắn của các phân tử tinh thể lỏng. Độ xoắn của các phân tử tinh thể lỏng phụ thuộc vào điện áp đặt vào hai đầu tinh thể lỏng. Như vậy, có thể điều chỉnh cường độ sáng tại một điểm ảnh bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào hai đầu lớp tinh thể lỏng. Trước mỗi điểm ảnh con có một kính lọc màu, cho ánh sáng ra màu đỏ, xanh lá và xanh lam.Với một điểm ảnh, tuỳ thuộc vào cường độ ánh sáng tương đối của ba điểm ảnh con, dựa vào nguyên tắc phối màu phát xạ, điểm ảnh sẽ có một màu nhất định. Khi muốn thay đổi màu sắc của một điểm ảnh, ta thay đổi cường độ sáng tỉ đối của ba điểm ảnh con so với nhau. Muốn thay đổi độ sáng tỉ đối này, phải thay đổi độ sáng của từng điểm ảnh con, bằng cách thay đổi điện áp đặt lên hai đầu lớp tinh thể lỏng. Một nhược điểm của màn hình tinh thể lỏng, đó chính là tồn tại một khoảng thời gian để một điểm ảnh chuyển từ màu này sang màu khác (thời gian đáp ứng – response time). Nếu thời gian đáp ứng quá cao có thể gây nên hiện tượng bóng ma với một số cảnh có tốc độ thay đổi khung hình lớn. Khoảng thời gian này sinh ra do sau khi điện áp đặt lên hai đầu lớp tinh thể lỏng đựoc thay đổi, tinh thể lỏng phải mất một khoảng thời gian mới có thể chuyển từ trạng thái xoắn ứng với điện áp cũ sang trạng thái xoắn ứng với điện áp mới. Thông qua việc tái tạo lại màu sắc của từng điểm ảnh , chúng ta có thể tái tạo lại toàn bộ hình ảnh.
Màn hình Plasma
Plasma: Plasma là một trong các pha (trạng thái) của vật chất. Ở trạng thái plasma, vật chất bị ion hoá rất mạnh, phần lớn các phân tử hoặc nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân, các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. Ứng dụng đặc tính này của plasma, người ta đã chế tạo ra màn hình plasma.
Ở trạng thái bình thường, các ion dương và electron chuyển động hỗn loạn. Vận tốc tương đối của chúng so với nhau không lớn. Khi đặt khí plasma vào giữa hai điện cực, điện trường tác dụng lên các hạt mang điện sẽ làm cho chúng chuyển động có hướng: các electron bị hút về phía cực dương, các ion dương bị hút về phía cực âm. Trong quá trình chuyển động ngựoc chiều nhau như vậy, các hạt mang điện va chạm vào nhau với vận tốc tương đối rất lớn. Va chạm sẽ truyền năng lượng cho các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử khí, làm cho các electron này nhẩy lên mức năng lượng cao hơn, sau một khoảng thời gian rất ngắn, các electron sẽ tự động chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và sinh ra một photon ánh sáng theo định luật bức xạ điện từ. Trong màn hình plasma, người ta sử dụng khí xenon hoặc khí neon. Các chất khí này khi bị kích thích sẽ phát ra tia cực tím, không nhìn được trực tiếp bằng mắt thường, nhưng có thể gián tiếp tạo ra ánh sáng khả kiến.
Cũng giống như màn hình LCD, màn hình Plasma cũng có cấu tạo từ các điểm ảnh, trong mỗi điểm ảnh cũng có ba điểm ảnh con thể hiện ba màu đỏ, xanh lá, xanh lam. Mỗi điểm ảnh là một buồng kín, trong đó có chứa chất khí xenon hoặc neon. Tại mặt trước của buồng có phủ lớp phôt pho. Tại hai đầu buồng khí cũng có hai điện cực. Khi có điện áp được đặt vào hai điện cực, chất khí bên trong buồng kín sẽ bị ion hoá, các nguyên tử bị kích thích và phát ra tia cực tím. Tia cực tím này đập vào lớp phôt pho phủ trên mặt trước của buồng kín sẽ kích thích chất phôt pho, làm cho chúng phát sáng. Ánh sáng phát ra sẽ đi qua lớp kính lọc màu đặt trước mỗi buồng kín và cho ra một trong ba màu cơ bản: đỏ, xanh lá, xanh lam. Phối hợp của ba ánh sáng này từ ba điểm ảnh con trong mỗi điểm anh sẽ cho ra màu sắc của điểm ảnh. Nhược điểm chủ yếu của màn hình Plasma so với màn hình LCD là chúng không hiển thị được một độ phân giải cao như màn hình LCD có cùng kích thước. Điều này do trong màn hình LCD, mỗi điểm ảnh con chỉ cần một lớp tinh thể lỏng khá bé cũng có thể thay đổi phương phân cực của ánh sáng một cách dễ dàng, từ đó tạo điều kiện để chế tạo các điểm ảnh với kích thước bé, tạo nên một số lượng lớn điểm ảnh trên một đơn vị diện tích (độ phân giải cao). Còn với màn hình Plasma, mỗi điểm ảnh con thực chất là một buồng kín chứa khí. Thể tích của lượng khí chứa trong một buồng kín này phải đạt một giá trị nhất định để có thể phát ra bức xạ tử ngoại đủ mạnh khi bị kích thích lên trạng thái plasma. Chính vì thế, kích thước một điểm ảnh của màn hình Plasma khá lớn so với một điểm ảnh của màn hình LCD, dẫn đến việc với cùng một diện tích hiển thị, số lượng điểm ảnh của màn hình Plasma ít hơn LCD, đồng nghĩa với độ phân giải thấp hơn.
Màn hình thế hệ mới: LED display và Laser TV
Nếu như khoảng vài năm trước đây, màn hình tinh thể lỏng và màn hình Plasma được coi là hai định dạng màn hình thế hệ mới, thay thế cho màn hình CRT đã quá cũ kĩ. So với màn hình CRT, màn hình tinh thể lỏng và plasma có những ưu điểm vượt trội: kích thước nhỏ gọn, kiểu dáng ấn tượng, thiết kế tấm phẳng, và có thể chế tạo được những màn hình với kích thước khổng lồ. Màn hình tinh thể lỏng, plasma, kết hợp với công nghệ truyền hình độ nét cao HDTV đang mở ra một kỉ nguyên mới trong lĩnh vực nghe nhìn, giải trí. Nhưng, không dừng lại ở đó, trong khi màn hình tinh thể lỏng và plasma đang từng bước chiếm lĩnh thị trường, thì tin tức về những thế hệ màn hình mới, với ưu điểm vượt trội hơn đã xuất hiện. Màn hình LED và Laser đang được coi là hai định dạng màn hình thế hệ mới, sau kỉ nguyên LCD và Plasma.
Chiếm ưu thế so với màn hình CRT truyền thống bởi nhiều ưu điểm, nhưng màn hình LCD và Plasma cũng có những nhược điểm không thể chối cãi. Thời gian đáp ứng, góc nhìn và độ tương phản luôn là điểm yếu chết người của màn hình LCD trong bất cứ cuộc cạnh tranh nào với những loại màn hình khác. Mặc dù công nghệ sản xuất tấm panel màn hình ngày càng phát triển, nhưng do đặc tính kĩ thuật của màn hình LCD, sẽ không có một cải tiến nào có thể xoá bỏ hoàn toàn những nhược điểm của loại màn hình này. Với màn hình plasma, độ phân giải, khó khăn khi sản xuất những màn hình kích thước bé, giá thành cao là những nhược điểm lớn. Một cách tổng quát, tại mảng đồ hoạ cao cấp, màn hình tinh thể lỏng và plasma vẫn chưa thể cung cấp một chất lượng hình ảnh, độ chân thực màu sắc như những màn hình CRT truyền thống.
Đánh vào những điểm yếu đó của, màn hình LED và Laser ra đời, kết hợp được ưu điểm của màn hình tinh thể lỏng, plasma là kích thước nhỏ gọn, kiểu dáng đẹp, và của màn hình CRT là chất lượng hình ảnh tuyệt hảo.
Nhược điểm của màn hình LCD và Plasma, bắt nguồn từ chính cấu tạo của hai loại màn hình này. Để tạo ra được màu sắc tại mỗi điểm ảnh, cần phải tổng hợp màu sắc từ ba điểm ảnh con. Màu sắc của ba điểm ảnh con này có được nhờ lọc màu từ ánh sáng trắng phát ra từ đèn nền. Việc lọc được chính xác ba màu xanh lá, xanh lam, đỏ là không hề dễ dàng. Rất khó để chế tạo được những kính lọc màu hoàn hảo, có thể lọc được toàn bộ ánh sáng, chỉ cho một ánh sáng đơn sắc đi qua. Bao giờ cũng có một lượng nhỏ những ánh sáng đơn sắc có màu khác lọt qua được kính lọc màu. Chính những ánh sáng lọt qua ngoài mong muốn này khiến cho màu sắc của mỗi điểm ảnh con không đạt độ chính xác tuyệt đối, dẫn đến việc hiển thị màu sắc tại điểm ảnh cũng không chính xác. Hơn nữa, nhược điểm này còn khiến phổ màu mà màn hình LCD cùng với Plasma có khả năng tái tạo là không lớn. Một màn hình LCD với panel TN chỉ có khả năng hiển thị thực 262 000 màu sắc, ngay cả với panel PVA cao cấp, cũng chỉ hiển thị được 16.7 triệu màu. So với phổ màu mà mắt người cảm nhận được, khả năng hiển thị màu sắc của màn hình LCD và Plasma chỉ đạt 35-40%.
Hai loại màn hình thế hệ mới, LED và Laser, về cấu tạo chung cũng tương tự như màn hình LCD và Plasma, bao gồm các điểm ảnh, mỗi điểm ảnh cũng có ba điểm ảnh con, mỗi điểm ảnh con hiển thị một màu cơ bản trong hệ màu RGB. Tuy nhiên, khác với màn hình tinh thể lỏng và plasma, màn hình LED và Laser không sử dụng phương pháp lọc ánh sáng từ ánh sáng đèn nền để cho ra ánh sáng đơn sắc, mà sử dụng phương phát phát trực tiếp ra ánh sáng có bước sóng mong muốn. Nhờ việc phát ra trực tiếp ánh sáng đơn sắc, mỗi điểm ảnh con sẽ cho ra một màu sắc chính xác, và màu sắc tổng hợp hiển thị tại mỗi điểm ảnh cũng chính xác. Màn hình LED và Laser đang trong giai đoạn nghiên cứu nên hầu như rất ít nhà sản xuất công bố các đặc tính kĩ thuật, nguyên lý chi tiết, nhưng về cơ bản có thể phân tích hoạt động của hai loại màn hình trên như sau:
Màn hình LED
Màn hình LED, hiện đang được hỗ trợ phát triển bởi tập đoàn Samsung. LED – Light emitting Diode, điôt phát quang, là một loại điốt bán dẫn có khả năng phát ra ánh sáng khả kiến, cũng như các loại bức xạ hồng ngoại và tử ngoại. Cấu tạo của LED gồm hai khối bán dẫn, một khối loại p, và một khối loại n ghép với nhau. Khi đặt một điện áp thuận vào hai đầu LED, lỗ trỗng trong khối bán dẫn p và electron trong khối bán dẫn n chuyển động về phía nhau. Tại mặt tiếp xúc xảy ra một số tương tác giữa lỗ trống và electron. Trong quá trình tương tác này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng khả kiến hoặc các bức xạ điện từ khác như tia hồng ngoại, tử ngoại. Bước sóng của ánh sáng khả kiến phát ra phụ thuộc vào mức năng lượng được giải phóng. Mức năng lượng được giải phóng phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử của chất làm bán dẫn. Ngày nay, nhờ nghiên cứu về vật liệu bán dẫn, con người có thể chế tạo được những LED có khả năng phát ra màu sắc như mong muốn, trong đó có ba màu cơ bản của hệ màu RGB là xanh, xanh lá, đỏ.
Ứng dụng LED trong việc sản xuất màn hình, mỗi điểm ảnh sẽ được cấu tạo từ ba LED: xanh, xanh lá, đỏ. Nhờ điều chỉnh cường độ sáng của từng LED, có thể thay đổi cường độ sáng tỉ đối của ba LED so với nhau, nhờ đó tạo ra màu sắc tổng hợp tại mỗi điểm ảnh. Khi muốn điểm ảnh tắt, chỉ cần tắt toàn bộ 3 LED là có thể thu được màu đen tuyệt đối, không gặp phải hiện tượng màu đen không chân thực do lộ sáng từ đèn nền như với màn hình LCD.
Màn hình Laser
Màn hình Laser đang được coi là công nghệ màn hình thế hệ mới nhiều triển vọng nhất, được hỗ trợ phát triển bởi Mitsubishi. Laser là viết tắt của cụm: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, khuếch đại ánh sáng bằng các phát xạ kích thích. Ánh sáng laser phát ra cũng dựa trên nguyên lý bức xạ điện từ, tuy nhiên có nhiều tính chất đặc biệt so với ánh sáng thông thường. Ánh sáng laser có cường độ mạnh là laser được tạo thành từ chất rắn. Một chất rắn thích hợp, khi nhận được kích thích từ bên ngoài, các electron bên trong sẽ nhảy lên mức năng lượng cao hơn, sau đó lại nhanh chóng chuyển về mức năng lượng thấp hơn và giải phóng một photon ánh sáng. Photon này bay ra, chuyển động trong lòng khối chất rắn, lại va chạm với những nguyên tử khác, kích thích electron của nguyên tử này lên trạng thái cao hơn, sau khi nhảy xuống trạng thái thấp lại tiếp tục phát ra một photon khác. Cứ như vậy tạo ra một phản ứng dây chuyền, càng ngày càng giải phóng ra nhiều photon. Tại một đầu của khối chất rắn có gắn một gương bán mạ. Photon gặp gương này sẽ đi ra ngoài, tạo thành tia Laser. Các photon của tia laser, do có cùng tần số, cùng pha, lại chuyển động song song với nhau nên tia laser có năng lượng rất lớn, lại được tập trung trong một diện tích nhỏ. Một đặc điểm quan trọng của tia laser, là các photon của nó sinh ra từ phản ứng dây chuyền, nên năng lượng của các photon giống nhau tuyệt đối, dẫn đến bước sóng của tia laser là đồng nhất tuyệt đối.
Laser heli-neon
Một màn hình laser, yêu cầu phải có ba tia laser với ba màu sắc xanh, xanh lá, đỏ. Hiện nay, mới chỉ có tia laser đỏ (còn gọi là laser hồng ngọc) là phổ biến và có khả năng ứng dụng trong sản xuất màn hình, còn laser xanh và xanh lá, do có năng lượng cao hơn nên gần như không thể tạo được trong điều kiện hoạt động của một màn hình. Thay vào đó, phải sử dụng một quá trình biến đổi tần số để thu được laser có tần số cao hơn tần số của tia laser gốc. Quá trình này gọi là Second Harmonic Generation, lợi dụng sự tương tác của các photon với vật liệu phi tuyến đặc biệt để kết hợp năng lượng vào một photon mới, có năng lượng gấp đôi photon ban đầu, hay có bước sóng nhỏ bằng một nửa. Second Harmonic Generationi được tìm ra vào năm 1961, một thời gian sau khi các nhà khoa học tìm được phương pháp tạo ra tia laser đỏ bằng hồng ngọc. Nhờ phương pháp này, có thể tạo ra được tia laser xanh và xanh lá.
Màn hình laser, với nguyên lý hoạt động dựa vào việc phát ra các tia laser thay cho việc dùng đèn cường độ cao (HID: high intensity discharge) trong các màn hình projector, có nhiều ưu điểm so với các loại màn hình hiện nay như có khả năng tái tạo lại một phổ màu rất rộng với độ chính xác màu sắc cao (có thể đạt đến hơn 90% phổ màu mà mắt người có thể cảm nhận), tiêu thụ ít năng lượng hơn màn hình LCD hay Plasma, kích thước gọn nhẹ, tuổi thọ lâu (có thể lên đến hơn 50000 giờ). Màn hình Laser đang được nhanh chóng hoàn thiện trong việc nghiên cứu, có khả năng sẽ ra mắt vào cuối năm 2007, và dần phổ biến vào nửa sau năm 2008 và đầu 2009. Theo dự đoán, một khi đưa vào sản xuất ở quy mô lớn, giá thành của màn hình Laser sẽ rẻ hơn rất nhiều so với giá màn hình LCD và Plasma hiện tại, có thể chỉ bằng một nửa
Màn hình SED
Mẫu trưng bày thử nghiệm màn hình SED năm 2004
Màn hình SED, một thời gian đã từng được coi là công nghệ màn hình thế hệ mới triển vọng nhất, so với các công nghệ khác như màn hình Laser, màn hình OLED... Tuy nhiên, từ sau năm 2004, với vụ rắc rối giữa nano-proprietary (hãng phát minh ra công nghệ SED) và Canon (hãng mua bản nguyền sản xuất màn hình SED) do Canon đã tự ý chia sẻ công nghệ với Toshiba, các hoạt động nghiên cứu và đưa vào sản xuất màn hình SED chậm hẳn lại. Ban đầu, Canon dự định tung ra mẫu trưng bày chính thức màn hình SED vào triển lãm CES 2006 và sản xuất đại trà vào cuối năm 2006, đầu năm 2007. Sau đó kế hoạch này đã bị huỷ bỏ. Việc công bố màn hình SED được dời sang triển lãm CES 2007. Tuy nhiên, một năm sau, thêm một lần nữa, kế hoạch công bố màn hình SED bị trì hoãn, rất đáng tiếc khi mà công nghệ màn hình và truyền hình độ nét cao chính là tiêu điểm nóng nhất của hội chợ CES 2007. Màn hình SED đánh mất vị thế là công nghệ màn hình thế hệ mới triển vọng nhất vào màn hình Laser. Nguyên nhân chủ yếu là giá của màn hình SED khi sản xuất hàng loạt sẽ không thể cạnh tranh được trên thị trường, sau cơn sốt giảm giá chóng mặt hai loại màn hình LCD và Plasma.
Màn hình SED: Surface-conduction electron-emitter display: màn hình phát xạ điện tử dẫn bề mặt. Công nghệ SED thực chất đã được nghiên cứu từ rất lâu, vào năm 1986. Ngay sau khi màn hình CRT trở nên phổ biến, giới khoa học đã nhận ra một số điểm yếu của loại màn hình này, trong đó rõ rệt nhất là tần số quét quá thấp với một số sản phẩm có kích thước khung hình lớn. Một ý tưởng ban đầu được đưa ra, đó là sử dụng nhiều súng phóng điện tử thay cho một súng phóng điện tử để cải thiện tần số quét. Đó chính là ý tưởng bắt nguồn cho việc nghiên cứu công nghệ màn hình SED, một cải tiến lớn từ màn hình CRT.
Cấu tạo cơ bản của màn hình CRT bao gồm một súng phóng điện tử, một hệ thống tạo từ trường để biến đổi quỹ đạo electron, và một màn huỳnh quang. Ống phóng điện tử dựa theo hiệu ứng phát xạ nhiệt electron. Khi cung cấp năng lượng cho mẫu kim loại dưới dạng nhiệt, các electron sẽ được truyền năng lượng để bứt ra khỏi liên kết mạng tinh thể kim loại. Các electron này sau khi bứt ra được tăng tốc bởi một điện trường. Sau khi được tăng tốc bởi điện trường, electron có quỹ đạo thẳng hướng về phía màn huỳnh quang. Trước khi đập vào màn huỳnh quang, electron sẽ phải bay qua một vùng từ trường được tạo bởi hai cuộn dây, một cuộn tạo từ trường ngang và một cuộn tạo từ trường dọc. Tuỳ theo cường độ của hai từ trường này, quỹ đạo của electron trong từ trường sẽ bị lệch đi và đập vào màn huỳnh quang tại một điểm được định trước. Toạ độ của điểm này trên màn hình có thể được điều khiển bởi việc điều chỉnh cường độ dòng điện trong hai ống dây, qua đó điều chỉnh cường độ từ trường tác dụng lên electron. Electron đập vào màn huỳnh quang (thường là ZnS) sẽ khiến điểm đó phát sáng. Để tạo ra ba màu cơ bản trong hệ màu RGB, người ta sử dụng ba súng phóng điện tử riêng, mỗi súng tương ứng với một màu.
Công nghệ màn hình SED, về cơ bản khá giống với màn hình CRT, cũng dựa vào sự phát sáng của chất huỳnh quang khi bị electron đập vào. Tuy nhiên, màn hình SED có một cải tiến vượt bậc so với màn hình CRT, đó là thay vì sử dụng một súng phóng điện tử để điều khiển sự phát sáng của toàn bộ điểm ảnh, màn hình SED sử dụng riêng một súng phóng điện tử cho từng điểm ảnh. Với màn hình CRT, để có thể điều khiển một chùm tia electron quét khắp chiều ngang và chiều dọc màn hình, yêu cầu đầu tiên là quỹ đạo của chùm tia electron trong từ trường phải đủ dài, tương ứng với độ lớn của màn hình. Điều này gây ra nhược điểm của màn hình CRT là chiều dày quá lớn. Nhược điểm thứ hai của màn hình CRT, đó là tần số quét. Do chỉ với một chùm tia electron, lại phải quét suốt toàn bộ các điểm ảnh trên màn hình để hiển thị một khung hình, nên thời gian hiển thị một khung hình sẽ càng lớn khi số điểm ảnh càng lớn. Điều này gây trở ngại cho việc sản xuất các màn hình có kích thước lớn. Một nhược điểm nữa của màn CRT là do chùm tia electron phải quét xung quanh một tâm, nên bề mặt màn hình là bề mặt cong (đó là hồi trước, còn giờ đây thì đã có màn CRT phẳng). Bằng việc sử dụng một súng phóng điện tử cho một điểm ảnh riêng biệt, màn hình SED đã khắc phục hoàn toàn ba nhược điểm nói trên của màn hình CRT. Do mỗi điểm ảnh có một súng phóng điện tử riêng, nên chùm electron sau khi được tăng tốc bởi điện trường sẽ tới đập thẳng vào màn huỳnh quang mà không cần bay qua vùng từ trường, nên bề dày của màn hình SED rất bé, chỉ ngang ngửa với màn hình LCD và Plasma. Mỗi điểm ảnh được điều khiển độc lập bởi một súng phóng nên toàn bộ điểm ảnh trên khung hình sẽ hiển thị cùng một lúc, tần số hiển thị sẽ lớn hơn nhiều so với tần số quét của màn hình CRT. Và cuối cùng, không hề có bất cứ một quá trình "quét" nào với màn hình SED, nên hiển nhiên bề mặt màn hình sẽ là bề mặt phẳng. Như vậy, nhờ dựa trên công nghệ truyền thống của màn hình CRT nên màn hình SED sẽ có chất lượng hình ảnh ngang ngửa màn hình CRT, tuy nhiên có kích thước màn hình lớn hơn, độ phân giải cao hơn, và nhỏ gọn hơn.
Source: http://www.fotech.org
