未來(lái)的顯示器將會(huì)長(zhǎng)啥樣?

人類對(duì)聲光色的需求，催生了多種多樣的信息載體，顯示技術(shù)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(lái)感的新型顯示技術(shù)正在逐漸走入我們的生活。

Part.1

燙量子點(diǎn)顯示技術(shù)

量子點(diǎn)（Quantum Dot）是零維的點(diǎn)狀納米半導(dǎo)體材料，它具有很多新穎的電子和光學(xué)性能，可以被用于很多領(lǐng)域，比如顯示技術(shù)領(lǐng)域。利用量子點(diǎn)的顯示技術(shù)主要有兩種，分別是基于液晶顯示技術(shù)的量子點(diǎn)液晶顯示器（QD-LCD），以及基于OLED的量子點(diǎn)發(fā)光二極管顯示器（QLED）。

QLED電視

圖源：wikipedia/Bretwa

QD-LCD主要是利用量子點(diǎn)的光致發(fā)光原理。背光模組中LED光源發(fā)出的藍(lán)光經(jīng)過(guò)量子點(diǎn)薄膜后，一部分被量子點(diǎn)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L(zhǎng)ED，但是它發(fā)出的色光并不純凈。而量子點(diǎn)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(diǎn)膜的加入，可讓LCD能顯示出更加真實(shí)的影像顏色和更自然的色彩過(guò)渡。

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

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(diǎn)的電致發(fā)光原理，通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)使量子點(diǎn)本身發(fā)出紅綠藍(lán)三原色，并通過(guò)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(jiàn)的OLED屏幕很相似，只是將OLED中的發(fā)光有機(jī)材料轉(zhuǎn)化為量子點(diǎn)材料而已。這也使得QLED具有OLED幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)，并且相比OLED有著更長(zhǎng)的壽命與亮度。所以實(shí)際QLED才是量子點(diǎn)在顯示技術(shù)領(lǐng)域更高級(jí)的應(yīng)用。

不過(guò)量子點(diǎn)顯示器目前在市面上很少，且價(jià)格高昂，尚處于優(yōu)化階段，但是它有著許多優(yōu)勢(shì)，讓其他技術(shù)望塵莫及，這也使它成為企業(yè)研究應(yīng)用的大熱門(mén)。

Part.2

激光顯示技術(shù)

作為繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后的人類20世紀(jì)又一最偉大的發(fā)明，激光被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，激光技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入輝煌階段，無(wú)論是機(jī)械制造、航天、照明、醫(yī)療和軍事等各種領(lǐng)域都發(fā)揮著十分重要的作用。作為高質(zhì)量光源，激光當(dāng)然也被應(yīng)用于顯示技術(shù)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(shí)這種顯示技術(shù)更像投影儀。但是不同于投影儀要求的較長(zhǎng)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(shí)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(jià)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(jià)格十分不親民。但是隨著越來(lái)越多的廠商將研發(fā)力量投入進(jìn)激光電視領(lǐng)域，它可能會(huì)成為未來(lái)電視的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

Part.3

電子紙顯示技術(shù)

紙已經(jīng)誕生兩千年，直到今天依然廣泛使用于社會(huì)生活中。閱讀紙質(zhì)書(shū)籍往往帶給人寧?kù)o的體驗(yàn)。不過(guò)，現(xiàn)在閱讀書(shū)籍，除了傳統(tǒng)的紙和屏幕，又出現(xiàn)了兼具二者特點(diǎn)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(lái)的影像，就好像紙上印刷的圖片。這種獨(dú)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(wú)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(fù)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(dāng)給油墨粒子施加負(fù)電場(chǎng)時(shí)，白色墨水就會(huì)在電場(chǎng)作用下移動(dòng)到電場(chǎng)負(fù)極，同時(shí)黑色墨水則會(huì)移動(dòng)到電場(chǎng)正極。正極在屏幕內(nèi)部，于是被隱藏了起來(lái)，這個(gè)像素就會(huì)顯示白色。同理，施加正電場(chǎng)，像素就會(huì)顯示黑色，無(wú)數(shù)像素組合就會(huì)形成圖像。

黑白電子紙?jiān)韴D

圖源：Eink 元太科技宣傳圖

電子紙還有一個(gè)特殊之處：即使關(guān)閉電源，油墨在屏幕上的分布也不會(huì)消失。這是其他類型屏幕均沒(méi)有的特性。

通過(guò)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(shè)備，即通過(guò)反射環(huán)境光顯示圖像，而且圖像的亮度會(huì)根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)度改變。所以電子紙有著普通屏幕無(wú)法匹敵的優(yōu)勢(shì)，例如護(hù)眼、超低耗電、閱讀舒適，而且在陽(yáng)光下可視效果好，不會(huì)像手機(jī)屏幕那樣，在太陽(yáng)下難以看清。

在陽(yáng)光下的電子紙屏幕，并無(wú)反光且清晰可見(jiàn)

圖源：wikipedia

現(xiàn)在市面上比較常見(jiàn)的是黑白的電子紙。當(dāng)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(chǎng)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(dāng)然，受技術(shù)限制，也僅僅是勉強(qiáng)稱為彩色，將它與常規(guī)顯示器比較色彩鮮艷度，還是有點(diǎn)“強(qiáng)人所難”了。

彩色電子紙?jiān)韴D

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(lái)一定會(huì)朝著全彩色化、提升響應(yīng)程度和降低成本等各個(gè)方向發(fā)展。

Part.4

LCD的未來(lái)——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(diǎn)。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(duì)比度和均勻性的問(wèn)題，但是使用壽命比較短。這個(gè)時(shí)候，夾在二者中間的顯示技術(shù)——Mini/Micro-LED可以完美補(bǔ)足它們的缺陷，并具有它們的優(yōu)勢(shì)。

如果要解決LED畫(huà)面對(duì)比度不足，顯示黑色部分光暈嚴(yán)重等問(wèn)題，最可行的方法就是減小LED光源的大小，換句話說(shuō)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(huì)具有比擬OLED的畫(huà)質(zhì)，同時(shí)還具有OLED所缺乏的長(zhǎng)壽命。這也是Mini/Micro-LED顯示器命名的由來(lái)，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

圖源：Geek研究僧

雖然現(xiàn)在含有上萬(wàn)顆LED燈珠的分區(qū)背光Mini-LED顯示器已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，但這只是開(kāi)始。MiniLED顯示器的燈珠和分區(qū)都不夠多，這會(huì)導(dǎo)致在暗部豐富的場(chǎng)景下，它依然會(huì)出現(xiàn)光暈嚴(yán)重，對(duì)比度較小等問(wèn)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(jiàn)。Micro LED理論上可以完美解決Mini LED的上述問(wèn)題，但將LED像素顆粒做到這么小是一個(gè)極其精細(xì)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(jì)成本的展覽上用來(lái)炫技，真要普及應(yīng)用，還需要很長(zhǎng)的技術(shù)突破。

Micro LED 結(jié)構(gòu)

圖源：深圳國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，天風(fēng)證券研究所

雖然現(xiàn)在仍有重重的技術(shù)壁壘有待突破，但是Mini/Micro LED綜合了LCD和OLED的優(yōu)點(diǎn)，它的未來(lái)發(fā)展不可估量。

Part.5

元宇宙的基礎(chǔ)——VR，AR，MR、XR和ER

曾幾何時(shí)，VR與AR是爆火的宣傳噱頭，各種頭戴式設(shè)備層出不窮，仿佛科幻電影中的未來(lái)場(chǎng)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(jī)。

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(guò)看完下面的描述，想必你對(duì)它們的概念會(huì)有更清晰的了解。

VR叫做虛擬現(xiàn)實(shí)，它用完全由計(jì)算機(jī)生成的世界代替現(xiàn)實(shí)世界。典型應(yīng)用就是各種VR眼鏡及VR游戲。

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

混合現(xiàn)實(shí)（MR），是指真實(shí)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(shí)實(shí)體和數(shù)據(jù)實(shí)體共存，同時(shí)能實(shí)時(shí)交互。也就是說(shuō)產(chǎn)生的“虛擬圖像”能一定程度上與實(shí)物交互。

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）則包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)，混合現(xiàn)實(shí)等多種形式，從通過(guò)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(shí)（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(shù)的綜合性應(yīng)用到極致，去制作一個(gè)完全相同的現(xiàn)實(shí)世界。擬真世界的一個(gè)經(jīng)典代表，就是著名電影《黑客帝國(guó)》中的未來(lái)世界。

我們目前接觸最多的是VR，它利用的是人眼的視覺(jué)誤差原理：人由于雙眼位置不同導(dǎo)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(shù)就是通過(guò)雙目立體視覺(jué)，令左右眼看到不同圖像的視覺(jué)誤差，以產(chǎn)生平面顯示器所無(wú)法帶給我們的立體感。

但現(xiàn)階段的技術(shù)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)真實(shí)的模擬，因?yàn)檫@不僅對(duì)虛擬環(huán)境的復(fù)雜程度提出極高要求，圖像質(zhì)量和刷新率也相當(dāng)重要。所以現(xiàn)階段我們帶上VR眼鏡感受虛擬現(xiàn)實(shí)，更多的感受是“虛擬”，并不是“現(xiàn)實(shí)”。

不過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展仍具有很大的可能性，它在工業(yè)和研究領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用。與它相關(guān)的設(shè)備更是元宇宙誕生的基礎(chǔ)。

Part.6

未來(lái)科技——裸眼三維顯示

目前已經(jīng)有很多設(shè)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(shí)都利用到了人眼視覺(jué)系統(tǒng)的感知。

人眼視覺(jué)系統(tǒng)從外部獲取的眾多信息中來(lái)進(jìn)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(duì)大小，遮擋和模糊度。二維深度感知要素經(jīng)過(guò)人眼視覺(jué)系統(tǒng)后，我們會(huì)認(rèn)為它是存在于三維空間中的球。

無(wú)論是繪畫(huà)、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?huì)產(chǎn)生三維感知效果，否則光學(xué)圖像錯(cuò)覺(jué)就會(huì)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(yùn)動(dòng)視差和視覺(jué)調(diào)節(jié)沖突等等。根據(jù)這一原理人們獲得幾種實(shí)現(xiàn)3D顯示的技術(shù)方向，VR就是以雙目視差為技術(shù)方向，實(shí)現(xiàn)3D顯示的一種設(shè)備。

但如果我們想要不帶上各種各樣擋在眼睛前的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)裸眼3D的話，這就是一個(gè)新問(wèn)題了。不過(guò)，全息三維展示或許能帶給我們這樣的體驗(yàn)。

相比較于雙目視差會(huì)產(chǎn)生眩暈等不舒適感，全息三維顯示能夠記錄并恢復(fù)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。

三維顯示方式的發(fā)展趨勢(shì)是大景深、大視場(chǎng)、高分辨率和真彩色的實(shí)時(shí)三維顯示，也就是接近甚至超越人眼看到的現(xiàn)實(shí)。但由于全息三維顯示仍面臨空間帶寬積小、計(jì)算和傳輸量大等關(guān)鍵技術(shù)制約，還處于技術(shù)研發(fā)階段，市場(chǎng)化尚需很長(zhǎng)時(shí)間。

審核編輯 ：李倩