显示器简史——还记得当年的等离子电视吗？

zht1984219

古人将文字与图画篆刻在石壁、甲骨、竹子等材料上，把它们作为信息传递工具。当人们翻阅着沉重的竹简，临摹着厚重的碑文时，心里一定在想，太沉了啊！如果此时有更轻的材料用来替代它们就好了。


. u* f$ d* _+ ^: W
5 _" M2 r1 e* }' d6 d" M

! D, c$ X9 R. J; U3 }
- v4 q! `* @( I+ @
2 ~" e! t9 {. V; ]' M# W$ n

" O* |5 P. H: O7 d7 U' c- M石壁，甲骨文，竹简（图片来源：Veer图库）
“懒惰”推动技术的进步。自从汉朝时蔡伦完善了造纸流程之后，人们不断提高造纸技术，直到今天，纸依然是我们工作生活中不可或缺的信息载体之一。


9 P" E  l% h1 q. N
9 D! B, T' M4 g报纸（图片来源：Veer图库）
& _' i0 n+ p1 z( X' D5 S一张纸很轻，但一摞书依然是生命无法承受之重。当你搬着半人高的书时，心里的想法一定同古人一样，太重了！与此同时，随着经济与科技的发展，人类日益增长的物质文化需求，也体现在对显示色彩和动画的追求上，而这些追求，纸就爱莫能助了。在这样的需求下，显示技术应运而生。
开天辟地——CRT
你还记得那些拖着大屁股，又宽又重的电视或电脑显示器吗？这些显示器主要流行在2000年之前，被称为阴极射线管显示技术（CRT）。
CRT是电子显示技术最早的形式之一，它最初作为示波器放在实验室中，后来逐渐普及，以电视机的形式出现在千家万户。第一台商用的阴极射线管电视机是由德国的德律风根（Telefunken）公司在1934年发明，售价非常昂贵。

) h- x6 L6 N( q4 ?. I

5 U  k$ r$ d8 F) PCRT电视机（图片来源：Veer图库）
" ?% U$ Z& A8 v' ]& R9 n从命名我们就可以了解CRT电视的原理是基于这样的装置——阴极射线管。CRT内的电子枪发射出高速电子，电子受到垂直和水平的偏转线圈的电场作用，实现角度偏转。电子会沿着水平方向一排一排打在屏幕的磷光物质上令其发光。磷光物质的发光亮度主要由电子束功率调节，在屏幕上形成不同明暗的光点，组成了各种图案和文字。只要电子击打屏幕的速度够快，还可以形成每秒24帧的影像。



CRT电视原理图，在电流（13）作用下阴极（8）被灯丝（5）加热，释放出电子束（2），电子束在聚焦线圈（3）作用下成束，然后在偏转线圈（1）作用下偏转，打在屏幕（10）的荧光层（4）上发光（图片来源：维基百科）
5 I- W& O! I4 H1 p3 S
: _- x) b3 z' t% P
: M3 p1 g% x5 L1 N" Y) k
CRT电视的拆解，可以看到其中最大的部件就是阴极射线管（图片来源：维基百科）
虽然基于这种原理，我们能让画面动起来，但是CRT有一个缺点，它的画面是黑白的，这显然不满足人们对色彩的需求。随着技术的发展，之后也诞生了彩色CRT电视机。
5 B. S% b. s7 Q9 x在1954年，第一台彩色CRT显示器进入市场。由于优秀的色彩，它很快就淘汰了单色CRT，成为了市场主流的显示屏幕。
彩色CRT的原理和单色CRT基本相同，不同点是彩色CRT荧光屏的每个像素分别由产生红、绿、蓝的三种荧光体组成，而电子枪也可以同时发射三束电子束，轰击对应的荧光体。
, I! X; j% Y) G& e如何能正好让电子束轰击对应的荧光体呢？这就要依靠一个巧妙的装置——荫罩。荫罩好像一层类似筛子的网罩，电子束通过网眼打在呈三角形排列的荧光点上，由于电子束的直线传播，它只能轰击某种颜色的荧光点，而不会轰击到另外两个颜色的荧光体。

" ^8 U- @- Q) V" L; y
, c+ }, A9 H' W) J( ?, b8 S; f
" O8 D! n/ u0 J( s# f: ]9 y荫罩原理（图片来源：维基百科）

8 X" ~, ~. o- p% h

6 d. _0 j+ _- z7 M  fCRT像素（图片来源：维基百科）
和单色CRT类似，不同强度的电子束可以调节三种色光的明暗。根据空间混色法，不同明暗的红绿蓝三种光照射在同一表面相邻很近的三个点上，混合色光就可以产生丰富的色彩。这种方法主要利用了人眼在超过一定距离后分辨力不高的特性，从而产生与直接混色相同的效果。空间混色法的出现为之后的彩色显示成像奠定了基础。


  Y! F! f1 G' S+ w4 E
CRT显示彩色动画的原理，实际上就是阴极射线管上的电子束逐行扫描，击打在屏幕不同部位的荧光层上，只要扫描速度够快，人眼就无法分辨（图片来源：维基百科）
+ R" @, n# j' j% ~4 J6 O1 R在2000年，CRT 显示器的出货量达到巅峰。但CRT的缺点也十分明显：它耗电量大、体积和重量大、显示屏尺寸无法造得更大，这些缺点都阻碍了CRT的发展。
; F! X6 o3 A% X" w7 m$ f8 E随着更优秀显示技术的成熟，笨重的 CRT 技术就像胶片相机、CD 唱片一样迅速被时代所抛弃，成为了数字化时代又一个还没来得及告别就咽气的“历史技术”，被人们埋葬在了仓库、二手家电店和回收站里。
昙花一现——背投
在80年代，几个厂家为了优化CRT的各种弊端，开发出一种反射成像的显示技术——背投。这种技术在世界上引起了很大反响，一度兴起了“背投将代替显像管”的舆论。
% ^, C/ _  c" Z/ h* G) N7 S: @" V背投，其实是投影技术的一种，它是相对于正投诞生的概念。正投技术中观察者和投影机位于反射屏幕的同一侧，观察者看到的是屏幕反射回来的光；背投则是观察者和投影机分别位于背投屏幕的两侧，观察者看到的是透射出来的光。

/ p0 c4 @' r4 N) C# ]' q
3 O# |8 y4 u$ ^2 d$ k4 u
正投、背投示意图（图片来源：作者自制）


1 ^$ K0 m3 t; {8 H
2000年左右的背投电视，可以见到它相对于CRT电视已经薄很多了，且尺寸上也有增加（图片来源：维基百科）
最初的背投电视就是在CRT的基础上诞生的，不过二者还是有不同点。CRT收到视频信号后，通过显像管直接显示到屏幕上。而背投电视接收到信号后，将其传输给并排放置的3只单色投影管。投影管分别产生红、绿、蓝光束，经反射镜反射到投影屏上合成为一幅完整的彩色图像。也正是这个不同点，使得背投电视可以解决CRT电视在尺寸上的局限。
8 i4 W- k3 r; m1 M

4 y9 O) O( {, i" e1 n) R7 m; ~
背投彩电成像原理（图片来源：作者自制）
9 G  ]( P: O0 o# y# C' R' u; q/ r除了基于CRT的背投，之后又出现了利用数字光处理器成像（DLP）的背投电视以及结合液晶技术（LCD）的液晶背投。
. f& b+ o; n: a6 J2 JDLP以数字微镜装置作为成像器件，反射光投射图像到屏幕。其关键器件是一种半导体元件，每个元件包含数目巨大的正方形反射镜片。每个微小的镜片代表一个像素，并可由相应的存储器控制镜片的开关转动，从而控制光的反射。
DLP背投比CRT背投的清晰度要高，寿命也更长，是目前最成熟的背投技术。
背投电视的出现满足了人们对电视“更大、更清晰、更省空间”的要求。不过这种显示技术的缺点也很明显——价格高昂，使用寿命却相对短暂。随着平板电视的兴起，背投终于迎来了它的终章。它的繁荣是在显示器发展历史中的昙花一现。
6 U; [- C  ?7 D
: X9 Z+ _$ D! h+ T7 l1 o- v, V
2 @0 q+ n! V( I2 A
, G6 I6 H! F0 q+ D( k2007年的一台基于DLP技术的56英寸背投电视，这在当时是电视中的高级产品（图片来源：维基百科）
画质巅峰——等离子
时间进入21世纪，在技术的加持下，电视终于摆脱了“大屁股”，平板电视从CRT和背投电视中接过“影像”的旗帜，真正成为时代的宠儿。
! X  J9 u! l" M, _  f最近热映的电视剧《狂飙》令等离子电视这个有些时代感的产物重新火了一把。那么等离子电视是如何成为当时“身份的象征”的呢？
等离子显示（PDP）的技术在20世纪70年代被提出，最早的等离子产品主要用于户外显示文字和简单的图像。1997年，日本推出第一台家用等离子电视，让等离子电视第一次进入人们生活。

- D# ]! W7 d- s: y# g5 P- f

% M6 s! y3 X- `: P7 [1 Q2006年（右）与2011年（左）等离子电视平均厚度比较（图片来源：维基百科）
等离子显示屏主要利用气体放电原理，核心器件是内部充斥着离子和电子组成的气体的等离子管。在没有外加电压时，气体呈中性，即电子和质子的总数保持平衡。如果给这些气体施加电压，则会改变气体内部的电子和质子数量，整个气体会带电并产生离子（带电荷的粒子）。这些离子在电场的作用下，相向而行，并不断进行碰撞。撞击过程会激发等离子管中的氖、氙原子，促使它们发出了紫外线光。紫外线光激发不同种类荧光粉以产生可见的红绿蓝三色光。
3 y4 B, T2 e" {! v

9 b2 b% t. R3 ?; U, z  s# V- d
) ^4 K- A) q: o这是一个大的含有电离气体的等离子球，我们在许多地方都能看到它们，并可以与它们互动，等离子显示屏中的等离子管的原理与此相同，只不过极小而已（图片来源：维基百科）
等离子显示屏幕由大量等离子管组成，每个等离子管就是一个像素，通过调节等离子管内的电压，就可以改变三基色的强度分布，从而产生缤纷的色彩。
+ d' y9 s6 L9 q0 ]5 [


: `5 k+ O2 T# G  X# [等离子显示器结构：两层电介质层中夹着显示电极层和等离子层的荧光涂层，显示电极激发等离子体，使得荧光涂层产生光源。（图片来源：维基百科）
这种原理让等离子电视在色彩表现上十分出色。具有灰度丰富，色彩还原性好，亮度高等特点。
等离子电视完美解决了CRT电视的不足，在当时可以称作“黑科技”的存在。但你可能好奇，一枝独秀的等离子电视，为什么现在却几乎销声匿迹呢？
9 a# v& F$ y; M# n" A7 i0 y% Q这就要说到等离子电视的最大的缺点——价格高。动辄上万元的价格，令它注定只能是“有钱人的玩具”。当时广为流传的“外行买液晶，内行等离子”不仅是赞赏，也是一种无奈。此外等离子电视还被人们称为“电老虎”，它的耗电量远远高于同期的液晶屏幕。
. z& _9 `& r2 v7 X1 w  p$ ~7 F如果只是费电好像也能接受，但不要忘记，同时期还出现了革命性的产品——手机。小屏幕开始迅速占据市场，电视的销量也在这时出现了下滑。而等离子屏幕的原理令它根本无法制造小尺寸的屏幕。无法应用到新兴的手机市场上的等离子屏幕，注定被市场无情淘汰。
正是此时，一种屏幕依靠自身可以小型化的优势，沐浴手机发展的春风，迅速崛起。它就是——液晶屏幕。
% X$ I* Z' X9 ^: Z2 i" U) }天选之子——LCD
) l6 i, s4 O' i9 A我们对液晶显示器（LCD）并不陌生。目前，小到计算器的屏幕，大到电脑显示器几乎都是液晶显示器的天下。
% I6 f7 ~$ o5 j2 A
4 n' T+ f7 y$ `. q0 N
, R  s$ P7 T+ x* i, J$ \9 p+ ~
LCD显示器（图片来源：Veer图库）
% R% R: {* x2 \8 E尽管在生活中很常见，但你对其原理可能并不熟悉。在了解液晶显示器之前，我们需要先了解“液晶”是什么。
我们都知道水有三种状态：固态（冰）、液态（水）和气态（蒸汽）。液态从分子分布上来看是各向同性的，意味着它的物理性质在所有方向上都是一致的，这是水分子不断随机运动的结果。固态是晶体，从分子分布来看是各向异性的，不同方向排列不同。这也导致冰在不同方向上光的折射率、偏振性质、导热性和导电性等物理性质也不同。而液晶则兼具了液态和固态物质的部分性质。
液晶目前最广为人知的用途就是制造各类电器的显示屏。比起先前提到的等离子电视机，LCD屏幕在色彩等表现上并不优秀，但是它最大的优势是调制电压低。这种优势让LCD显示屏幕非常适用于手机等便携设备，因此LCD从80年代诞生至今一直活跃于人类社会中。
+ V& W2 D% ~9 I: @5 X
( _! \/ h3 c: K' G
. J' q+ Y6 a# r( b1 h. K
6 h/ Q0 }) \+ Y9 j- X7 d（图片来源：Veer图库）
7 {6 J9 _5 d( H$ I& n% D后起之秀——OLED
: P. Y/ J: ~9 C# @9 Z% {5 l" V曾经，霓虹灯是每个城市最亮眼的光源，每到夜晚，霓虹灯会组成各种标语或者广告，甚至会组成大屏幕播放影像。霓虹灯远远的看去很清晰，但当我们走近时，就会发现它其实是一颗一颗小灯泡，这就是矩阵LED显示。
3 l% a( p0 A3 e矩阵显示中每个LED都是自发光的像素，这些像素共同组合成图像。如果直接把霓虹灯标语上的LED灯组合搬到电脑屏幕上，这么近的距离下，看什么都像是马赛克。
  n8 Y/ V/ i) C4 `  \- P$ B

) D6 N' A# C+ l0 Q
典型的LED屏幕，由一颗颗LED灯珠组成（图片来源：维基百科）
1 B( w5 D' c! u$ }( `& C- k7 _3 W: L所以，有没有一种可能，我们能把“LED”做的足够小，小到人眼无法分辨呢？这样我们是不是就能把LED技术应用到桌面显示上了呢？
答案当然是肯定的，科学家发现一些有机物小分子可以实现类似发光二极管的发光效果。不同有机物可以发出红、绿和蓝色的三种色光，这些有机物分别组成三种亚像素，而这三个亚像素受三个晶体管开关掌管，分别被微小电压控制以显示出不同的亮度。根据空间混色法，由三个亚像素组成的像素就可以发出任何颜色的光。

; R+ k) q+ `" ^6 K) _; O) W0 ?- p
2 I# m" ]4 _% l: [5 e' f" H' l6 i
9 U0 Y- ?) N0 q' t2 `OLED（右）与LCD（左）结构对比：LCD除了液晶分子层还需要偏光片，滤光片，玻璃基板等结构，使LCD屏幕相对较厚，且无法弯折，而OLED屏幕包括有机发光层和ITO基板，可以做的非常薄并且容易弯折。（图片来源：维基百科）
: s& i% j& B/ h  Q/ v4 U, \: a3 o+ G& q当你把数百万个像素放在一起形成图像，你可以得到一块全新种类的屏幕——OLED或者叫AMOLED（Active Matrix Organic Light Emitting Diode）。
它几乎具有我们之前讨论过屏幕的所有优点：极高的对比度，明艳的色彩表现，低功耗，低响应时间以及难以想象的薄。此外OLED还可以任意弯折，这能让我们充分发挥想象，卷帘电视，可以折叠的手机……

; l' G+ r8 ^+ `7 L7 Q1 s; V
% {2 M. }6 S5 M
OLED屏幕（左）显示效果和LCD屏幕显示效果（右）对比，OLED在黑色背景的照片样张上优势明显，体现出对比度极高的优势。（图片来源：Geek研究僧）

( o: w$ {4 @& v
* b8 T1 S' S, q) B7 |7 p8 ]5 ?9 e; ~1 c
: p0 _- j$ d5 S, K# S/ R9 lOLED可弯折屏幕制作的折叠手机（图片来源：维基百科）
* V' {3 ^) J2 Q6 ^/ v1 Z9 k具有多种优势的OLED逐渐挤占LCD在手机屏幕上的主导权，成为高端手机的卖点之一。但可惜的是OLED技术目前并不成熟。
首先有机物相比于无机物来说稳定性差，因此OLED屏幕的寿命都很短。此外，蓝色发光材料寿命由于技术问题，相对红绿色材料更不稳定，让OLED本就不富裕的寿命雪上加霜。因此你的手机屏幕可能会出现一个现象，长期展示的图标好像被烙印在屏幕上，无论怎么滑动都会有一个印，这就是所谓“烧屏”现象。

. ]9 M& |- g9 A2 q. V0 I! |0 H& J
, u6 c+ @' J3 u' e3 p
: D$ p$ G# r/ E6 o2 Q% l/ V在推特上，用户抱怨OLED屏幕烧屏（图片来源：twitter/Austin Evans）
烧屏现象也有解决的对策，就是多蒸镀一些蓝色发光材料。然而蓝色发光材料占比过多，画面又会出现色彩歪曲现象，显得过分艳丽，总之这是一个两难的选择。但相信随着材料科学的发展，OLED的这些缺点会被克服，使其真正成为完美的屏幕技术。
结语
+ ]9 [) F/ s3 \0 Z" A+ a5 N$ L$ w作为一种信息表达工具，显示器不仅能实现信息的传递，更是人机交互的重要窗口，促使许多娱乐活动的诞生，也造就了多彩且便捷的现代生活。与此同时，人类对更真实画面场景的向往和对旧技术缺陷的不满，也在不断推动着显示技术的进步与革新。
我们期待，未来会有更多新技术应用在显示器上，为我们的生活带来更生动多彩的体验。
) l* u: z+ A- |+ t/ x9 M出品：科普中国
作者：王智豪
5 ^: d& h- A+ k2 k) q监制：中国科普博览
& \7 ^+ B6 e( w: z编辑：郭雅欣
  [9 f; g% R2 B参考文献：
[1] Iam-choon Khoo. Liquid Crystals. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1995
5 M$ D7 X) a; y1 V; S2 m5 k[2] S.Brugioni, R.Meucci. Self-phase modulation in a nematic liquid crystal film induced by lowpower CO2 laser. Opt.Commu. 2002,206,445
9 n0 M7 R' I* F# I[3] https://www.zhihu.com/question/22465979
; m4 ]4 E+ ?! u+ f[4] https://baike.baidu.com/item/LCD/361823
[5] https://baike.baidu.com/item/OLED?fromModule=lemma_search-box
% @/ p# N, @% d# L, w[6]https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%B2%E6%99%B6/189429?fromModule=lemma-qiyi_sense-lemma
[7] https://www.eizo.com.cn/
, f" D! E0 i. Z1 v* R8 r) A. j) L[8] https://www.bilibili.com/read/cv20841119?spm_id_from=333.999.0.0

% ^% _. D% H8 u3 ]

  ~0 c9 I. B, N; S% e8 [

hilalchemist

记得。十几年前，等离子在大屏幕显示器上还是有市场的。