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屏幕顯示技術進化史

2022-06-30 14:04

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

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編譯：Alex

技術審校：趙軍

視野 #010#

每一天，我們都在透過電視、電腦和手機等設備的屏幕觀看流媒體內容。隨著硬件設備和流媒體技術的不斷發展和更新，屏幕顯示技術也在不斷進化。今天，就讓我們跟隨歷史的腳步，一起來回顧一下屏幕顯示技術發展歷程中的重要里程碑。

CRT 的問世

1869 年，德國物理學家 Julius Plücker 和 Johann Wilhelm Hittorf 首次觀察到了陰極射線。1897 年，德國物理學家 Karl Ferdinand Braun（Braun 也是 1909 年諾貝爾物理學獎獲得者）發明了 CRT（cathode-ray tube，陰極射線管），它最初也被稱為布勞恩管（ Braun tube），是世界上最早的電子顯示器之一。

一個 14 英寸的彩色 CRT（來源：Blue tooth7/Wikimedia Commons）

CRT 是一種特制的真空管，其中包含一個或多個電子槍，電子槍發射出來的電子光束撞擊在熒光屏幕上，進而顯現出圖像。早期的電視機、電腦、自動柜員機、攝像機、監視器和雷達顯示器等都內置有 CRT。

1907 年，俄國科學家 Boris Rosing （曾與電視發明者 Vladimir Zworykin 一起工作）使用 CRT 將簡略的幾何圖像傳輸到了電視屏幕上。Rosing 的這一創舉也使他成為電視領域的重要發明者。在此之后，CRT 技術不斷發展，并于 1922 年首次商業化。在 LED、等離子和 OLED 等技術出現以前，CRT 一直作為絕大部分設備的顯示器而使用。

在整個 20 世紀中后期，陰極射線管被普遍用于電視和計算機顯示器。在這段時間里，制造商不斷地提高性能和分辨率。20 世紀 70 年代的大多數計算機顯示器只能在黑屏上顯示綠色文本。到了 1990 年，IBM 的擴展圖形陣列（XGA）顯示器能以 800 x 600 像素的分辨率顯示 1680 萬種顏色。

等離子顯示器（Plasma Display）

1936 年，匈牙利工程師 Kálmán Tihanyi 在他的論文中描述了這種平板等離子顯示系統。1964 年，伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校的 Donald Bitzer、 H. Gene Slottow 和當時還是研究生的 Robert Willson 開發了第一個單色等離子顯示器，用于 PLATO 計算機系統。

等離子顯示器的構成（來源：Wikipedia）

等離子的發光原理是在真空玻璃管中注入惰性氣體或水銀蒸氣，加電壓之后，使氣體產生等離子效應，放出紫外線，激發熒光粉而產生可見光，利用激發時間的長短來產生不同的亮度。等離子顯示器中，每一個像素都是三個不同顏色（三原色）的等離子發光體所產生的。由于它是每個獨立的發光體在同一時間一次點亮的，所以特別清晰鮮明。 [1]

直到 2000 年初，等離子顯示器都是大型平板高清電視最受歡迎的選擇。不過需要注意的是，因為等離子顯示器容易出現圖像殘留，同時，由于材質和結構所限，它無法縮小尺寸，所以并不適用于電腦、平板和手機。這也是等離子顯示器在市場競爭中失利的主要原因。

到 2013 年，它被低成本的 LCD 超越，顯示質量上則面臨昂貴但對比度更高的 OLED 平板顯示器的競爭。等離子顯示器幾乎失去了所有的市場份額。美國零售市場的等離子顯示器生產于 2014 年結束，中國市場的生產于 2016 年結束。

液晶顯示器（LCD）時代

1888 年，奧地利植物學家 Friedrich Reinitzer 在研究胡蘿卜中的膽甾醇苯甲酸酯（Cholesteryl Benzoate）時意外發現了液晶（Liquid Crystals）。

1962 年，RCA（Radio Corporation of America，美國無線電公司）實驗室的物理化學家 Richard Williams 想要找到一種可以替代 CRT 的顯示材質。他在研究的過程中發現，當他對薄薄的液晶層施加電場時，晶體會形成條紋圖案并進入向列狀態。Richard 后來將這一研究交給了他在 RCA 的同事 George H. Heilmeier。經過不懈的努力，George 所帶領的團隊找到了一種在室溫下操作晶體的方法，并發明了第一個液晶顯示器，于 1968 年首次向世界展示。

計算器中的 LCD 顯示器（來源：Wikipedia）

LCD 的構造是在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒，下基板玻璃上設置 TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設置彩色濾光片，通過 TFT 上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉動方向，從而達到控制每個像素點偏振光出射與否而達到顯示目的。 [2]

雖然液晶顯示器在 20 世紀 70 年代就已經問世（當時常見于計算器、手表、鐘表和各種家用電器中），但直到 90 年代才獲得廣泛的應用。由于它功耗低、尺寸小、重量輕，所以被大量用于筆記本電腦中。隨著 LCD 技術的不斷改進，LCD 屏幕在電腦和電視中的使用越來越流行。2007 年，液晶電視在全球范圍內首次超過了 CRT 電視的銷量。

從 LED 到 OLED

1962 年，通用電器的工程師 Nick Holonyack 發明了世界上第一個可見光 LED。1962~1968 年期間，惠普公司的 Howard C. Borden 和 Gerald P. Pighini 帶領團隊一直在進行 LED 研發工作。1969 年 2 月，他們推出了 HP 型號 5082- 7000 計算器，它是第一臺采用集成電路技術的 LED 設備，同時擁有世界上第一個智能 LED 顯示屏。惠普對 LED 的商用掀起了一場數字顯示技術的革命，并為后來 LED 顯示技術的發展奠定了基礎。

LED 是 Light Emitting Diodes 的簡稱，即 “發光二極管”，嚴格說來它也是 LCD（液晶顯示器）的一種。傳統的 CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷陰極熒光燈管等）作為 LCD 設備的背光源，只能均勻地照亮整個屏幕，無法改變照明強度。而相較于 CCFL， LED 背光的 LCD 設備可以使用局部調光，從而產生更好的對比度和更生動的顯示，同時消耗更少的能量。

LED 信號燈（來源：Wikipedia）

由于 LED 的多功能性和更輕的重量，大多數 LCD 智能手機和平板電腦顯示器都使用 LED。

1987 年，在前人研究的基礎上，Eastman Kodak 公司的兩位化學家鄧青云和 Steven Van Slyke 共同開發了第一臺實用的 OLED 設備。

OLED（Organic Light-emitting Diode），也被稱為 “有機電致發光顯示”。OLED 是一種利用多層有機薄膜結構產生電致發光的器件，當向它施加電流時，會發出明亮的光。與 LCD 不同，OLED 不需要背光，同時可以使用材質較輕的發光基層（而非 LCD 和 LED 使用的玻璃基層），并且擁有更寬的視角和更快的響應速度。

世界上第一臺 OLED 電視 Sony XEL-1（來源：Wikipedia）

OLED 的出現對于電致發光技術來說，是一個很大的進步。與 LED 相比，OLED 更輕薄小巧，也更柔韌，它常用在電視屏幕、計算機顯示器和智能手機、手持游戲機等設備中。

自從 iPhone X 開始采用 OLED 顯示屏開始，OLED 迅速席卷全球終端市場，全面屏、折疊屏、柔性屏等層出不窮，在很大程度上促進了顯示技術的發展。

電子紙的發明

上世紀 70 年代， Xerox Parc 公司的 Nick Sheridon 開發了世界上第一款電子紙 ——Gyricon。

電子紙是一張薄薄的膠片，涂在上面的是一層電子墨 —— 這是一種液態材料，其中懸浮著成百上千個與人類發絲直徑差不多大小的微囊體，每個微囊體由正電荷粒子和負電荷粒子組成。 [3] 當對單個電極施加正或負電場時，帶有相應電荷的彩色粒子將移動到囊體的頂部或底部，使電子紙顯示器的表面呈現出某種顏色。

電子閱讀器（來源：Wikipedia）

同 OLED 一樣，電子紙自身也能發出可見光，同時保持作為 “紙張” 的光澤。

雖然電子紙在上世紀 70 年代就已經開發出來，但直到 21 世紀初才流行起來。它最廣泛的應用就是電子閱讀器，比如我們常見的 Kindle、BOOX 等。除此之外，它還用于電子定價標簽、數字標牌和一些智能手機顯示屏。

DLP 技術

DLP（Digital Light Processing）是數字光處理的簡稱，其工作原理是將影像信號通過數字處理，再通過光的方式投射出來。這一技術具有極高的圖像保真度，能夠投射出清晰、明亮、色彩逼真的畫面，多用于投影儀系統。 [4]

DLP 投影儀 InFocus IN34（來源：Wikipedia）

DLP 技術的核心是一種被稱為數字微鏡器件 (DMD，Digital micromirror device) 的光學半導體，它使用鋁制成的微鏡反射光線來生成圖像。DMD 通常被稱為 DLP 芯片，每個芯片可以包含超過 200 萬面微鏡，尺寸不到人類頭發寬度的五分之一。微鏡以矩陣形式排列（很像照片馬賽克），每個微鏡代表一個像素。

這些微鏡的數量對應于屏幕的分辨率。DLP 1080p 技術可提供超過 200 萬像素，實現真正的 1920x1080p 分辨率。目前市面上已經有 8K 的 DLP 投影儀（使用 3xDLP）。

DLP 最初由德州儀器公司的物理學家 Larry Hornbeck 于 1987 年開發。1997 年，Digital Projection 公司推出了第一臺 DLP 投影儀。1998 年，德州儀器和 Digital Projection 都因為 DLP 技術而獲得了當年的艾美獎。

與等離子和 LCD 設備相比，DLP 設備價格更低，并且它擁有更大的屏幕，也更輕薄。也許你并沒有意識到，DLP 技術其實經常出現在你的生活中，它常見于各類投影儀（用于培訓、授課）、家庭影院、視頻墻、音樂會和發布會等大型投影系統等。

以上就是屏幕顯示技術發展之路上的重要里程碑。顯示技術的發展歷程涉及微結構光學材料、先進制造、圖像處理等技術的融合，這些技術不僅提高了設備屏幕分辨率，還生動地呈現了人類的想象力。我們相信，隨著硬件設備的發展和科技的不斷進步，顯示技術還將再一次獲得創新突破。

Sources：

[1] 等離子顯示屏_百度百科 (baidu.com)

[2] LCD（電子產品）_百度百科 (baidu.com)

[3] 電子紙_百度百科 (baidu.com)

[4] DLP 技術的工作原理及應用領域 - 電子發燒友網 (elecfans.com)

References:

https://www.thoughtco.com/television-history-cathode-ray-tube-1991459

https://theinventors.org/library/inventors/blcathoderaytube.htm