出品：科普中國

作者：王智豪

監(jiān)制：中國科普博覽

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(fā)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。

一、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和光學性能，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(fā)光二極管顯示（QLED）。

QLED電視

（圖片來源：wikipedia/Bretwa）

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

傳統(tǒng)LCD的光源一般為LED，但是它發(fā)出的色光并不純凈。而量子點發(fā)出的綠光和紅光相比LED發(fā)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。

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

（圖片來源：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(fā)光原理，通過電壓驅(qū)動使量子點本身發(fā)出紅綠藍三原色，并通過空間混色將這三種顏色轉(zhuǎn)化為各種顏色的像素。

QLED的這種發(fā)光原理與我們目前常見的OLED屏幕很相似，只是將OLED中的發(fā)光有機材料轉(zhuǎn)化為量子點材料而已。這也使得QLED具有OLED幾乎所有的優(yōu)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(yōu)化階段，但是它有著許多優(yōu)勢，讓其他技術望塵莫及，這也使它成為企業(yè)研究應用的大熱門。

二、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(fā)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(yī)療和軍事等各種領域都發(fā)揮著十分重要的作用。作為高質(zhì)量光源，激光當然也被應用于顯示技術中。

激光電視，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(chǎn)生勝于傳統(tǒng)投影儀與電視的顯示效果。

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

（圖片來源：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(fā)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。

三、電子紙顯示技術

紙已經(jīng)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(zhì)書籍往往帶給人寧靜的體驗。不過，現(xiàn)在閱讀書籍，除了傳統(tǒng)的紙和屏幕，又出現(xiàn)了兼具二者特點的產(chǎn)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(shù)油墨粒子，粒子內(nèi)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(fā)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(nèi)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(shù)像素組合就會形成圖像。

黑白電子紙原理圖

（圖片來源：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(huán)境光顯示圖像，而且圖像的亮度會根據(jù)環(huán)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(yōu)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。

在陽光下的電子紙屏幕，并無反光且清晰可見

（圖片來源：wikipedia）

現(xiàn)在市面上比較常見的是黑白的電子紙。當然之后還出現(xiàn)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(xiàn)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(guī)顯示器比較色彩鮮艷度，還是有點“強人所難”了。

彩色電子紙原理圖

（圖片來源：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(fā)展。

LCD的未來——Mini /Micro-LED

現(xiàn)在比較普及的液晶LED顯示器和OLED顯示器，都具有各自的優(yōu)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(yōu)勢。

Mini LED背光與傳統(tǒng)背光的LED燈珠區(qū)別

（圖片來源：Geek研究僧）

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(shù)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(zhì)，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。

側(cè)入式LED背光與不同分區(qū)Mini LED背光的光暈顯示

（圖片來源：Geek研究僧）

雖然現(xiàn)在含有上萬顆LED燈珠的分區(qū)背光Mini-LED顯示器已經(jīng)進入市場，但這只是開始。MiniLED顯示器的燈珠和分區(qū)都不夠多，這會導致在暗部豐富的場景下，它依然會出現(xiàn)光暈嚴重，對比度較小等問題，就像上圖展示的那樣，分區(qū)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(shù)量也是難以想象的。因此目前它更多只能出現(xiàn)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。

Micro LED 結(jié)構(gòu)

(資料來源：深圳國家高技術產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，天風證券研究所)
雖然現(xiàn)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(yōu)點，它的未來發(fā)展不可估量。

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?，F(xiàn)在圍繞VR和AR的炒作已經(jīng)漸漸平息。但隨著元宇宙的興起，VR仿佛又再次煥發(fā)了生機。

經(jīng)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(xiàn)實，它用完全由計算機生成的世界代替現(xiàn)實世界。典型應用就是各種VR眼鏡及VR游戲。

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

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

擴展現(xiàn)實（XR）則包括增強現(xiàn)實，虛擬現(xiàn)實，混合現(xiàn)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(xiàn)實（ER）也就是把現(xiàn)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(xiàn)實世界。擬真世界的一個經(jīng)典代表，就是著名電影《黑客帝國》中的未來世界。

VR技術

（圖片來源：Veer圖庫）

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(chǎn)生平面顯示器所無法帶給我們的立體感。

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

不過虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展仍具有很大的可能性，它在工業(yè)和研究領域有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛻谩Ｅc它相關的設備更是元宇宙誕生的基礎。

未來科技——裸眼三維顯示

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

人眼視覺系統(tǒng)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(shù)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(jīng)過人眼視覺系統(tǒng)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?nèi)搜劬蜁a(chǎn)生三維感知效果，否則光學圖像錯覺就會產(chǎn)生。

因此3D 顯示系統(tǒng)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(diào)節(jié)沖突等等。根據(jù)這一原理人們獲得幾種實現(xiàn)3D顯示的技術方向，VR就是以雙目視差為技術方向，實現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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。

（圖片來源：Veer圖庫）

三維顯示方式的發(fā)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(xiàn)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(fā)階段，市場化尚需很長時間。

結(jié)語

顯示技術的發(fā)展史其實是人類技術發(fā)展史的縮影，認識了這么多新型的顯示技術，我們看到了技術的發(fā)展，也感受到了人類超越現(xiàn)實的追求與對完美的向往。相信人類對未來美好的憧憬會成為技術源源不斷的驅(qū)動力，促使著顯示技術的進一步發(fā)展。

編輯：郭雅欣

參考文獻：

[1] Iam-choon Khoo. Liquid Crystals. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1995

[2] S.Brugioni, R.Meucci. Self-phase modulation in a nematic liquid crystal film induced by lowpower CO2 laser. Opt.Commu. 2002,206,445

[3] https://www.zhihu.com/question/22465979

[4] https://baike.baidu.com/item/LCD/361823

[5] https://baike.baidu.com/item/OLED?fromModule=lemma_search-box

[6]https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%B2%E6%99%B6/189429?fromModule=lemma-qiyi_sense-lemma

[7] https://www.eizo.com.cn/

[8] 手把手教你 Apple HDR 視頻工作流，兼評 HKC PG27P5U MiniLED 顯示器https://www.bilibili.com/read/cv14394063

[9] MacBook Pro 2021 屏幕測試:側(cè)入式 LED 背光 vs 直下式 MiniLED 分區(qū)控光差異https://www.bilibili.com/video/BV1KR4y1x7CV/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=3635f107ec6e3c3778a21a10d98fee04

來源: 中國科普博覽

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