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未來的顯示器將會長啥樣?

DT半導體 ? 來源:科普中國 ? 2023-04-21 10:59 ? 次閱讀

人類對聲光色的需求,催生了多種多樣的信息載體,顯示技術也得到了極大發展。等離子電視、LED電視、液晶顯示器……這些是我們比較熟知的成熟顯示方法。除此之外,還有一些極具未來感的新型顯示技術正在逐漸走入我們的生活。

Part.1

燙量子點顯示技術

量子點(Quantum Dot)是零維的點狀納米半導體材料,它具有很多新穎的電子光學性能,可以被用于很多領域,比如顯示技術領域。利用量子點的顯示技術主要有兩種,分別是基于液晶顯示技術的量子點液晶顯示器(QD-LCD),以及基于OLED的量子點發光二極管顯示器(QLED)。

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QLED電視

圖源:wikipedia/Bretwa

QD-LCD主要是利用量子點的光致發光原理。背光模組中LED光源發出的藍光經過量子點薄膜后,一部分被量子點轉化為綠光和紅光,這三種色光混合成LCD的白色背光源。

傳統LCD的光源一般為LED,但是它發出的色光并不純凈。而量子點發出的綠光和紅光相比LED發出的光更加純凈,因此量子點膜的加入,可讓LCD能顯示出更加真實的影像顏色和更自然的色彩過渡。

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QD-LCD的原理(從左至右,LED光源發出藍色光,經過量子點薄膜后在屏幕上展現出多樣的色彩來)

圖源:Lee J H. QD Display: A Game‐Changing Technology for the Display Industry[J]。 Information Display, 2020, 36(6): 9-13.

而QLED則主要利用了量子點的電致發光原理,通過電壓驅動使量子點本身發出紅綠藍三原色,并通過空間混色將這三種顏色轉化為各種顏色的像素。

QLED的這種發光原理與我們目前常見的OLED屏幕很相似,只是將OLED中的發光有機材料轉化為量子點材料而已。這也使得QLED具有OLED幾乎所有的優點,并且相比OLED有著更長的壽命與亮度。所以實際QLED才是量子點在顯示技術領域更高級的應用。

不過量子點顯示器目前在市面上很少,且價格高昂,尚處于優化階段,但是它有著許多優勢,讓其他技術望塵莫及,這也使它成為企業研究應用的大熱門。

Part.2

激光顯示技術

作為繼原子能、計算機、半導體之后的人類20世紀又一最偉大的發明,激光被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。進入二十一世紀后,激光技術應用進入輝煌階段,無論是機械制造、航天、照明、醫療和軍事等各種領域都發揮著十分重要的作用。作為高質量光源,激光當然也被應用于顯示技術中。

光電視,顧名思義,就是使用激光作為顯示光源的電視。由于激光極好的單色性,電視的色彩效果十分出色。

雖然被稱為激光電視,其實這種顯示技術更像投影儀。但是不同于投影儀要求的較長投影距離,激光電視采用超短焦投影的顯示方式,將激光光源照射到抗光屏上,以產生勝于傳統投影儀與電視的顯示效果。

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左下圖中擺放在桌子上的就是激光電視,這實際上是一種超短焦投影儀

圖源:wikipedia

但成也激光,敗也激光,激光光源造價昂貴,尤其是綠光的激光器,不僅昂貴,還壽命短,因此激光電視價格十分不親民。但是隨著越來越多的廠商將研發力量投入進激光電視領域,它可能會成為未來電視的有力競爭者。

Part.3

電子紙顯示技術

紙已經誕生兩千年,直到今天依然廣泛使用于社會生活中。閱讀紙質書籍往往帶給人寧靜的體驗。不過,現在閱讀書籍,除了傳統的紙和屏幕,又出現了兼具二者特點的產物——電子紙。

電子紙非紙,它也叫電子墨水屏,是一種特殊的顯示屏幕,電子紙顯示出來的影像,就好像紙上印刷的圖片。這種獨特的顯示效果也讓它有望成為紙的替代品

電子紙的顯示主要源于屏幕中間層的無數油墨粒子,粒子內充斥著透明的基液,基液里還懸浮著帶正電荷的白色墨水和帶負電荷的黑色墨水,墨水差不多和人類頭發絲直徑一樣大。

當給油墨粒子施加負電場時,白色墨水就會在電場作用下移動到電場負極,同時黑色墨水則會移動到電場正極。正極在屏幕內部,于是被隱藏了起來,這個像素就會顯示白色。同理,施加正電場,像素就會顯示黑色,無數像素組合就會形成圖像。

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黑白電子紙原理圖

圖源:Eink 元太科技宣傳圖

電子紙還有一個特殊之處:即使關閉電源,油墨在屏幕上的分布也不會消失。這是其他類型屏幕均沒有的特性。

通過原理我們可以了解,電子紙是不需要背光源的。電子紙屬于反射型顯示設備,即通過反射環境光顯示圖像,而且圖像的亮度會根據環境光線的強度改變。所以電子紙有著普通屏幕無法匹敵的優勢,例如護眼、超低耗電、閱讀舒適,而且在陽光下可視效果好,不會像手機屏幕那樣,在太陽下難以看清。

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在陽光下的電子紙屏幕,并無反光且清晰可見

圖源:wikipedia

現在市面上比較常見的是黑白的電子紙。當然之后還出現了彩色電子紙,它們或是在油墨粒子上方放置一層彩色濾光片,或是換成彩色的墨水粒子,利用電場改變不同顏色油墨在粒子中的不同位置,混合后就能呈現出各種顏色。當然,受技術限制,也僅僅是勉強稱為彩色,將它與常規顯示器比較色彩鮮艷度,還是有點“強人所難”了。

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彩色電子紙原理圖

圖源:Eink 元太科技宣傳圖

目前電子紙的能力并不能取代LCD顯示器,它的定位是為了替代紙和印刷品。但電子紙未來一定會朝著全彩色化、提升響應程度和降低成本等各個方向發展。

Part.4

LCD的未來——Mini /Micro-LED

現在比較普及的液晶LED顯示器和OLED顯示器,都具有各自的優缺點。液晶LED顯示器色彩均勻性比較差,而OLED顯示器雖然解決了對比度和均勻性的問題,但是使用壽命比較短。這個時候,夾在二者中間的顯示技術——Mini/Micro-LED可以完美補足它們的缺陷,并具有它們的優勢。

如果要解決LED畫面對比度不足,顯示黑色部分光暈嚴重等問題,最可行的方法就是減小LED光源的大小,換句話說是在同等尺寸顯示器下增加LED燈珠的數量。只要不斷減小LED燈珠的大小,最后甚至小到像素那么大,LCD就會具有比擬OLED的畫質,同時還具有OLED所缺乏的長壽命。這也是Mini/Micro-LED顯示器命名的由來,Mini LED的LED燈珠直徑約為50-200μm,Micro LED的燈珠更小,直徑通常小于50μm。

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側入式LED背光與不同分區Mini LED背光的光暈顯示

圖源:Geek研究僧

雖然現在含有上萬顆LED燈珠的分區背光Mini-LED顯示器已經進入市場,但這只是開始。MiniLED顯示器的燈珠和分區都不夠多,這會導致在暗部豐富的場景下,它依然會出現光暈嚴重,對比度較小等問題,就像上圖展示的那樣,分區較少的Mini LED顯示器的光暈依然清晰可見。Micro LED理論上可以完美解決Mini LED的上述問題,但將LED像素顆粒做到這么小是一個極其精細的工作,而且如此多的燈珠需要的控制芯片數量也是難以想象的。因此目前它更多只能出現于不計成本的展覽上用來炫技,真要普及應用,還需要很長的技術突破。

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Micro LED 結構

圖源:深圳國家高技術產業創新中心,天風證券研究所

雖然現在仍有重重的技術壁壘有待突破,但是Mini/Micro LED綜合了LCD和OLED的優點,它的未來發展不可估量。

Part.5

元宇宙的基礎——VR,AR,MR、XR和ER

曾幾何時,VR與AR是爆火的宣傳噱頭,各種頭戴式設備層出不窮,仿佛科幻電影中的未來場景觸手可得。現在圍繞VR和AR的炒作已經漸漸平息。但隨著元宇宙的興起,VR仿佛又再次煥發了生機。

經常被提起的有VR和AR,除此之外,還有MR、XR和ER。這些讓人傻傻分不清楚,不過看完下面的描述,想必你對它們的概念會有更清晰的了解。

VR叫做虛擬現實,它用完全由計算機生成的世界代替現實世界。典型應用就是各種VR眼鏡及VR游戲。

AR叫做增強現實,不同于VR直接替代現實世界,AR更多的在現實世界中加入虛擬物體,以豐富現實世界。

混合現實(MR),是指真實和虛擬世界融合后產生的新的可視化環境,在該環境下真實實體和數據實體共存,同時能實時交互。也就是說產生的“虛擬圖像”能一定程度上與實物交互。

擴展現實(XR)則包括增強現實,虛擬現實,混合現實等多種形式,從通過有限傳感器輸入的虛擬世界到完全沉浸式的虛擬世界。

擬真現實(ER)也就是把現有的VR、AR、三維建模、高清顯示、完全交互等技術的綜合性應用到極致,去制作一個完全相同的現實世界。擬真世界的一個經典代表,就是著名電影《黑客帝國》中的未來世界。

我們目前接觸最多的是VR,它利用的是人眼的視覺誤差原理:人由于雙眼位置不同導致兩只眼睛看到的圖像有差距,這樣能夠感知空間的立體感。VR技術就是通過雙目立體視覺,令左右眼看到不同圖像的視覺誤差,以產生平面顯示器所無法帶給我們的立體感。

但現階段的技術根本無法實現真實的模擬,因為這不僅對虛擬環境的復雜程度提出極高要求,圖像質量和刷新率也相當重要。所以現階段我們帶上VR眼鏡感受虛擬現實,更多的感受是“虛擬”,并不是“現實”。

不過虛擬現實技術的發展仍具有很大的可能性,它在工業和研究領域有著巨大的發展潛力和應用。與它相關的設備更是元宇宙誕生的基礎。

Part.6

未來科技——裸眼三維顯示

目前已經有很多設備可以幫助我們將二維的圖像展現出三維效果。它們其實都利用到了人眼視覺系統的感知。

人眼視覺系統從外部獲取的眾多信息中來進行深度感知,而其中絕大多數重要的深度感知要素是二維信息,其中包括陰影,透視方向,相對大小,遮擋和模糊度。二維深度感知要素經過人眼視覺系統后,我們會認為它是存在于三維空間中的球。

無論是繪畫、照片、影像,只要上面的二維深度感知要素被植入,我們人眼就會產生三維感知效果,否則光學圖像錯覺就會產生。

因此3D顯示系統首先需要保證以上二維深度感知要素,其次再加入和解決其他一些三維感知要素,如立體視差,運動視差和視覺調節沖突等等。根據這一原理人們獲得幾種實現3D顯示的技術方向,VR就是以雙目視差為技術方向,實現3D顯示的一種設備。

但如果我們想要不帶上各種各樣擋在眼睛前的設備,實現裸眼3D的話,這就是一個新問題了。不過,全息三維展示或許能帶給我們這樣的體驗。

相比較于雙目視差會產生眩暈等不舒適感,全息三維顯示能夠記錄并恢復物光波的全部信息,而且再現的圖像與原物體有著完全相同的三維特征,人眼觀看的不適感非常弱。

三維顯示方式的發展趨勢是大景深、大視場、高分辨率和真彩色的實時三維顯示,也就是接近甚至超越人眼看到的現實。但由于全息三維顯示仍面臨空間帶寬積小、計算和傳輸量大等關鍵技術制約,還處于技術研發階段,市場化尚需很長時間。

審核編輯 :李倩

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