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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。* H5 c0 Q; |$ t8 v
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* ~5 b( F9 l9 T石壁,甲骨文,竹简(图片来源:Veer图库)
4 B* x; E( Q9 @5 d7 j) j* M“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。
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报纸(图片来源:Veer图库). y- Q1 L: S0 a/ l& L3 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。
4 E( W W& ^. E& i* J开天辟地——CRT& F" s; ]+ p) ?! f3 v
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)。: G( \, j( P2 U2 b- t
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。8 C' P Q( G, A/ Y+ Q8 |4 ^' W" w6 l( o
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CRT电视机(图片来源:Veer图库)
, ~% A0 d% |1 e" o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。* a7 x2 S( P0 I Q5 E! m4 r
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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)/ D( l. A* `! n$ E
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% P& J% h6 Y% v: a! M- zCRT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)
& y9 w2 J. t' u# z U8 B# P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。
- ~* e0 \& W* Y$ j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& a3 Q9 v* {; O$ S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 c( Y( i' K4 g9 Y! H
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。1 b$ t7 o/ ?6 `7 G/ }( _
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荫罩原理(图片来源:维基百科)) K5 H4 \1 T: W) H2 j1 t- m7 e
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CRT像素(图片来源:维基百科)
* _+ R$ ^9 v, Q! v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。' H& B; J1 b8 w& J6 o* P. ~
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6 P B4 y* A: U( s+ S) ?+ e. YCRT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)
3 u _4 d( G$ R4 }! D. T8 F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。
4 y6 W4 Z# u7 Q! F4 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。6 N( Z8 i; }: }
昙花一现——背投
6 P3 F- z+ \# o0 T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。
% U; i, \% A7 Z& W8 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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, S* a z4 |' J( B正投、背投示意图(图片来源:作者自制): c9 E' B1 i* s w3 g
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4 B' M) i) v4 ^7 |6 _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)/ A" Y1 I. Y3 n5 R
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。
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, L; h$ H$ M; s$ F背投彩电成像原理(图片来源:作者自制)# {! W! D' U0 N7 w/ Z9 G% O! b
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。/ c$ N$ E, D7 B7 ?1 K0 q
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。( r4 ^4 a( [0 W2 V
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。
6 F/ Z1 ?* E4 C+ ~! Q* F7 g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。
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2007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)" F# k5 P0 x8 n2 `% e; ?% T
画质巅峰——等离子
4 a6 }& y2 Z J; s9 q3 u+ ~; y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。
6 ^' w1 y2 g- O) L6 V/ Q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?
3 b0 ~! X! u/ M1 }7 o$ h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。
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4 p% k% J2 l, ]; 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): K& O$ ^" x( w$ a; i |$ }# C7 z9 M
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。8 @+ L+ ~! n: ?& c" L5 J- `% N6 f: ]! 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) o& c. \0 ^ ?; @
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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$ b- X+ \% a8 Y$ |- t1 M- S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)
7 y$ ]/ _8 K5 G/ w% A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。 I8 ~3 E! g5 [: S9 l# w) F9 o
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?
% B0 o7 B l! o) s5 j3 q* }/ u, g7 g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。
3 J) Y: Y# l% _% T' H7 D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。
4 T* f4 ^( ?8 s# u9 f' ~" I' Y U. Z1 |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。3 X' z! P5 F- L; N4 d/ ?" j
天选之子——LCD! t; {4 [, Z8 g: p" Y
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)
1 e: l5 |+ L Y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。+ \9 i8 w! i6 P) ?2 i8 X6 v
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。; G! Z( g& X* X0 ^" N0 }
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。& \5 t1 T( k. E) U
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(图片来源:Veer图库)! Q, r- I I" P0 S' o, w+ n [
后起之秀——OLED
2 x/ a1 Y0 W3 w6 q0 ]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。+ ]- r2 j1 h3 x! E6 r) \+ y
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)
; S5 L) N! t) \: {3 w2 ]2 [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?2 U3 \! ]2 q1 G
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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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), z# y, U" R' o1 \/ U0 h
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)。
/ L! q# h7 c* C( e2 P, 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……
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6 G8 J, W. j( X3 U" ^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)1 z* T& p1 W/ Z k- Q
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OLED可弯折屏幕制作的折叠手机(图片来源:维基百科)1 [7 l; m2 R1 F6 K( ~) M
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。
8 e8 O4 b" ~( L" U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。: P' ~1 x9 `3 g) z+ {0 T
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4 |. D+ H3 u$ z& B( l( A' z* a在推特上,用户抱怨OLED屏幕烧屏(图片来源:twitter/Austin Evans)- N9 i5 H7 n7 E0 r/ o' L
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。2 B* Q( c5 U# q# K5 e
结语- x* Q6 `1 q$ E
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。) v' F* S: D9 F- [, I& M7 Y
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。
' w+ x( {. Y, ^4 i* P: j0 Q出品:科普中国
) j! U7 w4 R* G. n作者:王智豪( x0 m0 V f; O0 {* _5 c: F: p; h
监制:中国科普博览* @5 q0 V. W U g( `
编辑:郭雅欣
# t2 b: s( [- [# u8 Y( R; {6 W参考文献:9 A8 W, _* K) ~* A# Y$ U& W
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[3] https://www.zhihu.com/question/22465979
$ @9 D. y2 _8 Y0 Q7 V$ Y# W- K- w[4] https://baike.baidu.com/item/LCD/3618232 ^1 ?6 J* @6 d1 Z0 q& v
[5] https://baike.baidu.com/item/OLED?fromModule=lemma_search-box
7 k, v) _; Y/ [& \[6]https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%B2%E6%99%B6/189429?fromModule=lemma-qiyi_sense-lemma3 R8 I- H7 r6 ^; U$ y
[7] https://www.eizo.com.cn/6 Q# M9 B3 F1 M
[8] https://www.bilibili.com/read/cv20841119?spm_id_from=333.999.0.0
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