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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。+ M7 x% S9 U: q8 V9 l. @2 t
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石壁,甲骨文,竹简(图片来源:Veer图库)
1 j9 Y5 N A, p“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。7 F7 v. m, G l% P
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报纸(图片来源:Veer图库)
# X5 W8 j# Z$ k) \8 z; \9 i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。* a z v! f; T# k' Y6 O6 t; X
开天辟地——CRT
2 ^ f6 L, Y! Q3 D# {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)。! F: D' z* i+ J1 q5 _
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。* Y* T9 H% ?, M! N% I& G* t1 K7 \
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- K! e, a/ Y8 r' \# Z) d) l8 \, oCRT电视机(图片来源:Veer图库)
0 Z3 P/ s: y b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。
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. T" f: k" X, |# c ~6 F$ cCRT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)
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, x8 K4 S$ z$ G% ^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)
* ~& `0 [4 t4 e7 P7 v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。. l6 G0 w4 z+ z
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。3 g9 r4 g! k0 l4 m) n
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。+ ]% m3 C+ |* e1 P# B {6 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。6 g0 m. e' z. E9 S
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荫罩原理(图片来源:维基百科)! X! O+ t) ~; s5 w2 Z- M
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CRT像素(图片来源:维基百科)
; d; z8 F5 O( t% u1 H/ `* N( n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。
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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)! J) r: w0 l7 _( T7 \
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。( d7 f4 h6 P R+ V7 ]( G
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。2 |' X* P: Y8 {
昙花一现——背投' L) p( @* ^8 E; n* L1 y# j7 s
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。6 ]5 [- H8 y- O9 C9 \# d$ r
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。( ?5 I0 i) F9 s, D8 |
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+ K9 ?. O. h2 N& r/ C6 V: i正投、背投示意图(图片来源:作者自制)
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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)
! U2 l+ _) _) G: e- T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。# s6 j. }6 K- `( v% b, U7 t
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背投彩电成像原理(图片来源:作者自制)
& v) z# g0 o0 z! G; \* [, J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。
+ m0 `; ?) O/ z2 m! \3 O/ u: n; ~DLP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。
, R' a+ L3 F* O3 t2 B* d4 ~$ \! bDLP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。; ?- ^1 ?# R8 P
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。) k n4 Z* Z- j* m
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- ~0 |1 N c1 l1 b& w( V2007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)2 H1 R9 c2 z4 O# \
画质巅峰——等离子* H& z. W# @4 x; M8 ]
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。$ \" s/ H R6 @* }% b( @8 G; X
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?0 O& K8 C4 f1 `% t0 E3 n. \
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。2 }: j5 L! e: W5 m8 P
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4 r* \1 }) {' L, E/ h5 m9 S2006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)# v5 P) [1 u+ O( }
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。! a( `3 {; j! d5 O; q* Q# k
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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); `( w9 _2 l6 a3 D( D) a
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。
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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)
) i: u) P C W: {$ `* b. M& r( O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。
; R9 ~ N0 |* H7 G$ I" P8 ^- x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?
3 B+ ]( n# Z3 n2 I$ [5 p/ R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。
5 ~: y# z/ ?0 j: u8 b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。- m9 j; V S. b0 F' Z5 H
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。% @/ Y& }$ a5 p+ J
天选之子——LCD3 e+ G+ w* s* |; d; C
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。
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5 ]% x" @- n* d6 A+ V. y3 @' z$ ?LCD显示器(图片来源:Veer图库)5 q; d8 B: g$ s" }. U
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。
! }+ A0 {$ j. C7 o, D1 h5 q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。
- m: n9 q# `: G( k8 I6 ]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。/ u4 r2 q6 E& N+ d7 V/ A7 u1 X
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7 P5 k9 n1 p8 g3 B9 I" Y(图片来源:Veer图库)7 H( I' }7 a# b
后起之秀——OLED6 W/ e' R3 m; V% z( X
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。0 a5 D4 H& p+ H0 o$ X Y5 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。
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典型的LED屏幕,由一颗颗LED灯珠组成(图片来源:维基百科)7 C) f" u8 T0 \, K6 b
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?
' I$ T) T* y5 E2 o, c. ^9 c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。; j* v( m: T( w: {7 \4 C+ G
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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" R8 K+ ]5 l4 d# y
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)。; ~; B2 J4 x% K5 m+ v
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……
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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)
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6 k* z0 O$ C2 v+ |+ y, EOLED可弯折屏幕制作的折叠手机(图片来源:维基百科)5 b4 |' o: \; s
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。3 U8 a. ^* i' D, f B( a
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。
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在推特上,用户抱怨OLED屏幕烧屏(图片来源:twitter/Austin Evans)
o0 c& M T7 Y0 i2 r- |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。
7 `4 J' E- c1 W. F结语
0 h# k3 p9 |* X# ?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。& c* c" H: R; N' V8 o( I* o3 E3 N
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。
0 D8 ^: L$ t( q8 J8 S4 I出品:科普中国
- |& w# r% b3 G作者:王智豪
2 G8 f6 r; n0 y监制:中国科普博览* D1 J; j' e: F2 T: u9 j$ _
编辑:郭雅欣/ l2 \) y: a/ X3 W
参考文献:
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[2] S.Brugioni, R.Meucci. Self-phase modulation in a nematic liquid crystal film induced by lowpower CO2 laser. Opt.Commu. 2002,206,4453 i% N3 L. d& B: P( l
[3] https://www.zhihu.com/question/22465979
' z) m4 m( K( A+ ?[4] https://baike.baidu.com/item/LCD/361823
* H l7 G/ Z0 \: M4 C; r! A[5] https://baike.baidu.com/item/OLED?fromModule=lemma_search-box
/ |9 t- J. ^* T' e8 q8 n[6]https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%B2%E6%99%B6/189429?fromModule=lemma-qiyi_sense-lemma
) t! |% T8 h) g3 B7 m- X5 m# T9 j[7] https://www.eizo.com.cn/
/ T I# ^9 P5 N7 s[8] https://www.bilibili.com/read/cv20841119?spm_id_from=333.999.0.0
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