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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。- w3 e; E* o& v: P" Z! b
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石壁,甲骨文,竹简(图片来源:Veer图库)
3 T! e, R9 k4 O" r h' I& s/ _8 _“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 p) ~4 i& \# ]* {
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( ?9 V9 x% h1 x报纸(图片来源:Veer图库)* P2 Q+ Y R$ f4 a2 d) P
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。' J2 m9 C4 c+ m# m' d) Z# P1 v& D% Z& @
开天辟地——CRT) z) k- q/ ?1 }8 l2 P' O" c
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)。1 n6 @" O' R$ C, }% [8 ^- d
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。3 p6 j+ n2 K% K; b) r* o7 x
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CRT电视机(图片来源:Veer图库)
0 `8 h3 k! e7 j6 v' e/ A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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* w" |5 T% B @/ F% T4 P9 zCRT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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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)
1 B# R4 W C: {& W! N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。; m, O, `, O( e4 Q/ R4 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。0 f# E3 \1 {& o. ^
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。1 W3 \4 |% W7 [: n) [
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。
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荫罩原理(图片来源:维基百科)
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! r7 g9 |0 d7 w& ]2 p3 UCRT像素(图片来源:维基百科)
- X4 t; d# E) ~: g/ {( q, u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。* Y8 B4 F. `! H) j5 k1 Z8 v" I u
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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)
$ D. Z8 Q$ C; @ P( _- j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。
3 x, H% T+ ]; `& Q! l8 ~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。, `# @0 c9 p3 k. h
昙花一现——背投& L8 n, x7 d. B& _, [
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。
9 E$ \4 R/ Y' g% R. B5 E3 J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。
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' J+ {+ ?9 ]6 b; x1 V7 I3 L- Y正投、背投示意图(图片来源:作者自制). h0 }) Q4 O- E) ~9 g# ^6 A
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3 \1 G& W( g8 o2000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)
6 [& K$ j. G2 W# {/ 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。/ [; r; x7 _2 M& h+ w# g
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背投彩电成像原理(图片来源:作者自制)1 u& q8 e! \- ?; Q5 T( C6 k
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。- o1 g8 V. D3 M( a
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。; |& ~4 b& m4 e- e$ o# _* N
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。5 J5 @, C) v) s4 [2 l
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。; y% n" u4 Q$ j `# `4 S
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0 z; D+ \, @" j( s4 l2007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)6 P% U- y+ U) W6 Q% E! F
画质巅峰——等离子* m1 H7 h: ^6 l2 E
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。! q+ E( ~ `: E8 c- |- P( E
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?
8 z1 @$ g8 u# X* a: F% F) b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。, `6 S: j$ N7 K$ I4 q
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2 l7 W" c7 B' H5 [5 q/ o/ A8 i2006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)
' n% o6 d3 a3 c9 g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。; T# F; c( j. f- ]
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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)
' i- F1 n! K4 k8 n. V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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X& `$ Y! B4 @9 s4 _2 o; t* M P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/ h; p1 X, 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。
+ V2 z B/ G4 c# z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?
) V+ F: ]; C( X: v8 ?: ^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。
$ n) w+ p' \+ a4 o# a, O/ W7 }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。& O V# U8 M9 ?0 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。
) |5 H2 k2 m5 K* b天选之子——LCD% A5 I- T7 l# D& k8 {
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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LCD显示器(图片来源:Veer图库) R" b; w& w' P$ O) o
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。% a/ v( |+ H# z# m) O+ d; [
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。; ~9 j* _$ B- i
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。
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& S5 @0 |3 ^* ] x! q(图片来源:Veer图库)9 W7 o @; ]' r" c: S. ?5 O
后起之秀——OLED6 Y3 R" T# q- b+ B1 n
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。/ D( n4 C" X' _0 q( f/ j
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。) K" F3 o' w4 c/ W8 E4 ~; ]
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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)5 r( S( V: @) A, c7 m& Y
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?! w* s6 i9 r9 I1 N
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。
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: H% P3 Q; _5 \2 j0 y- S5 {1 FOLED(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)' o8 G) ~6 W6 n8 N+ W* B& A
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)。2 i5 Q; U5 u8 H G @# g* B
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……9 I4 i2 g! k0 u& P6 `
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7 `5 }9 F1 z7 Z' {( FOLED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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/ |/ _ A7 M# W/ _6 {; FOLED可弯折屏幕制作的折叠手机(图片来源:维基百科)
) a1 d) t) G; N" G% c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。
9 ?5 S" t7 G, _, @& Z6 f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)
9 Z! Y, e+ q) T& Z6 T4 h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。
6 X! j7 T% }8 o结语
5 K) }$ G1 s! K' J# o3 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。
* o( m5 @) ?/ Y. o4 t0 M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 w! x0 ]* r& N& z出品:科普中国/ U$ B: P V* G; C2 u/ J3 i
作者:王智豪0 B. L) J$ X$ A
监制:中国科普博览9 B5 `" }7 u7 v& v: k+ x6 N( Q: ]1 B
编辑:郭雅欣
& k3 @$ e/ R9 y1 f% M. M$ L: L参考文献:0 T" ~6 f$ z; W1 g' c3 B- `# Z) S
[1] Iam-choon Khoo. Liquid Crystals. New York: John Wiley & Sons, Inc, 19956 {: f+ z$ Q# R) n+ C: s9 B% j
[2] S.Brugioni, R.Meucci. Self-phase modulation in a nematic liquid crystal film induced by lowpower CO2 laser. Opt.Commu. 2002,206,445/ j6 y# H1 n) Z* y, L
[3] https://www.zhihu.com/question/224659799 i2 F- U8 G: {1 S
[4] https://baike.baidu.com/item/LCD/3618239 }; R& f- `: L# D2 A2 K6 P
[5] https://baike.baidu.com/item/OLED?fromModule=lemma_search-box
6 x/ f% d7 r: F7 W- `1 `[6]https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%B2%E6%99%B6/189429?fromModule=lemma-qiyi_sense-lemma
" i1 r& J6 u) V t[7] https://www.eizo.com.cn/, B- b, p8 Z% m' M
[8] https://www.bilibili.com/read/cv20841119?spm_id_from=333.999.0.0
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