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編譯：Alex

技術(shù)審校：趙軍

視 野 #010#

每一天，我們都在透過電視、電腦和手機(jī)等設(shè)備的屏幕觀看流媒體內(nèi)容。隨著硬件設(shè)備和流媒體技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，屏幕顯示技術(shù)也在不斷進(jìn)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(shù)發(fā)展歷程中的重要里程碑。

CRT 的問世

1869 年，德國物理學(xué)家 Julius Plücker 和 Johann Wilhelm Hittorf 首次觀察到了陰極射線。1897 年，德國物理學(xué)家 Karl Ferdinand Braun（Braun 也是 1909 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）發(fā)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(gè) 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(gè)或多個(gè)電子槍，電子槍發(fā)射出來的電子光束撞擊在熒光屏幕上，進(jìn)而顯現(xiàn)出圖像。早期的電視機(jī)、電腦、自動柜員機(jī)、攝像機(jī)、監(jiān)視器和雷達(dá)顯示器等都內(nèi)置有 CRT。

1907 年，俄國科學(xué)家 Boris Rosing （曾與電視發(fā)明者 Vladimir Zworykin 一起工作）使用 CRT 將簡略的幾何圖像傳輸?shù)搅穗娨暺聊簧稀osing 的這一創(chuàng)舉也使他成為電視領(lǐng)域的重要發(fā)明者。在此之后，CRT 技術(shù)不斷發(fā)展，并于 1922 年首次商業(yè)化。在 LED、等離子和 OLED 等技術(shù)出現(xiàn)以前，CRT 一直作為絕大部分設(shè)備的顯示器而使用。

在整個(gè) 20 世紀(jì)中后期，陰極射線管被普遍用于電視和計(jì)算機(jī)顯示器。在這段時(shí)間里，制造商不斷地提高性能和分辨率。20 世紀(jì) 70 年代的大多數(shù)計(jì)算機(jī)顯示器只能在黑屏上顯示綠色文本。到了 1990 年，IBM 的擴(kuò)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(tǒng)。1964 年，伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校的 Donald Bitzer、 H. Gene Slottow 和當(dāng)時(shí)還是研究生的 Robert Willson 開發(fā)了第一個(gè)單色等離子顯示器，用于 PLATO 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

等離子顯示器的構(gòu)成（來源：Wikipedia）

等離子的發(fā)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(chǎn)生等離子效應(yīng)，放出紫外線，激發(fā)熒光粉而產(chǎn)生可見光，利用激發(fā)時(shí)間的長短來產(chǎn)生不同的亮度。等離子顯示器中，每一個(gè)像素都是三個(gè)不同顏色（三原色）的等離子發(fā)光體所產(chǎn)生的。由于它是每個(gè)獨(dú)立的發(fā)光體在同一時(shí)間一次點(diǎn)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?yàn)榈入x子顯示器容易出現(xiàn)圖像殘留，同時(shí)，由于材質(zhì)和結(jié)構(gòu)所限，它無法縮小尺寸，所以并不適用于電腦、平板和手機(jī)。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(zhì)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(chǎn)于 2014 年結(jié)束，中國市場的生產(chǎn)于 2016 年結(jié)束。

液晶顯示器（LCD）時(shí)代

1888 年，奧地利植物學(xué)家 Friedrich Reinitzer 在研究胡蘿卜中的膽甾醇苯甲酸酯（Cholesteryl Benzoate）時(shí)意外發(fā)現(xiàn)了液晶（Liquid Crystals）。

1962 年，RCA（Radio Corporation of America，美國無線電公司）實(shí)驗(yàn)室的物理化學(xué)家 Richard Williams 想要找到一種可以替代 CRT 的顯示材質(zhì)。他在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他對薄薄的液晶層施加電場時(shí)，晶體會形成條紋圖案并進(jìn)入向列狀態(tài)。Richard 后來將這一研究交給了他在 RCA 的同事 George H. Heilmeier。經(jīng)過不懈的努力，George 所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)找到了一種在室溫下操作晶體的方法，并發(fā)明了第一個(gè)液晶顯示器，于 1968 年首次向世界展示。

計(jì)算器中的 LCD 顯示器（來源：Wikipedia）

LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃基板當(dāng)中放置液晶盒，下基板玻璃上設(shè)置 TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設(shè)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(zhuǎn)動方向，從而達(dá)到控制每個(gè)像素點(diǎn)偏振光出射與否而達(dá)到顯示目的。 [2]

雖然液晶顯示器在 20 世紀(jì) 70 年代就已經(jīng)問世（當(dāng)時(shí)常見于計(jì)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(yīng)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(shù)的不斷改進(jìn)，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(nèi)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(fā)明了世界上第一個(gè)可見光 LED。1962~1968 年期間，惠普公司的 Howard C. Borden 和 Gerald P. Pighini 帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一直在進(jìn)行 LED 研發(fā)工作。1969 年 2 月，他們推出了 HP 型號 5082- 7000 計(jì)算器，它是第一臺采用集成電路技術(shù)的 LED 設(shè)備，同時(shí)擁有世界上第一個(gè)智能 LED 顯示屏?；萜諏?LED 的商用掀起了一場數(shù)字顯示技術(shù)的革命，并為后來 LED 顯示技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

LED 是 Light Emitting Diodes 的簡稱，即 “發(fā)光二極管”，嚴(yán)格說來它也是 LCD（液晶顯示器）的一種。傳統(tǒng)的 CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷陰極熒光燈管等）作為 LCD 設(shè)備的背光源，只能均勻地照亮整個(gè)屏幕，無法改變照明強(qiáng)度。而相較于 CCFL， LED 背光的 LCD 設(shè)備可以使用局部調(diào)光，從而產(chǎn)生更好的對比度和更生動的顯示，同時(shí)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(shù) LCD 智能手機(jī)和平板電腦顯示器都使用 LED。

1987 年，在前人研究的基礎(chǔ)上，Eastman Kodak 公司的兩位化學(xué)家鄧青云和 Steven Van Slyke 共同開發(fā)了第一臺實(shí)用的 OLED 設(shè)備。

OLED（Organic Light-emitting Diode），也被稱為 “有機(jī)電致發(fā)光顯示”。OLED 是一種利用多層有機(jī)薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電致發(fā)光的器件，當(dāng)向它施加電流時(shí)，會發(fā)出明亮的光。與 LCD 不同，OLED 不需要背光，同時(shí)可以使用材質(zhì)較輕的發(fā)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(yīng)速度。

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

OLED 的出現(xiàn)對于電致發(fā)光技術(shù)來說，是一個(gè)很大的進(jìn)步。與 LED 相比，OLED 更輕薄小巧，也更柔韌，它常用在電視屏幕、計(jì)算機(jī)顯示器和智能手機(jī)、手持游戲機(jī)等設(shè)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(jìn)了顯示技術(shù)的發(fā)展。

電子紙的發(fā)明

上世紀(jì) 70 年代， Xerox Parc 公司的 Nick Sheridon 開發(fā)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(tài)材料，其中懸浮著成百上千個(gè)與人類發(fā)絲直徑差不多大小的微囊體，每個(gè)微囊體由正電荷粒子和負(fù)電荷粒子組成。 [3] 當(dāng)對單個(gè)電極施加正或負(fù)電場時(shí)，帶有相應(yīng)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(xiàn)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(fā)出可見光，同時(shí)保持作為 “紙張” 的光澤。

雖然電子紙?jiān)谏鲜兰o(jì) 70 年代就已經(jīng)開發(fā)出來，但直到 21 世紀(jì)初才流行起來。它最廣泛的應(yīng)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(jià)標(biāo)簽、數(shù)字標(biāo)牌和一些智能手機(jī)顯示屏。

DLP 技術(shù)

DLP（Digital Light Processing）是數(shù)字光處理的簡稱，其工作原理是將影像信號通過數(shù)字處理，再通過光的方式投射出來。這一技術(shù)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(tǒng)。 [4]

DLP 投影儀 InFocus IN34（來源：Wikipedia）

DLP 技術(shù)的核心是一種被稱為數(shù)字微鏡器件 (DMD，Digital micromirror device) 的光學(xué)半導(dǎo)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(gè)芯片可以包含超過 200 萬面微鏡，尺寸不到人類頭發(fā)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(gè)微鏡代表一個(gè)像素。

這些微鏡的數(shù)量對應(yīng)于屏幕的分辨率。DLP 1080p 技術(shù)可提供超過 200 萬像素，實(shí)現(xiàn)真正的 1920x1080p 分辨率。目前市面上已經(jīng)有 8K 的 DLP 投影儀（使用 3xDLP）。

DLP 最初由德州儀器公司的物理學(xué)家 Larry Hornbeck 于 1987 年開發(fā)。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?yàn)?DLP 技術(shù)而獲得了當(dāng)年的艾美獎(jiǎng)。

與等離子和 LCD 設(shè)備相比，DLP 設(shè)備價(jià)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(shù)其實(shí)經(jīng)常出現(xiàn)在你的生活中，它常見于各類投影儀（用于培訓(xùn)、授課）、家庭影院、視頻墻、音樂會和發(fā)布會等大型投影系統(tǒng)等。

以上就是屏幕顯示技術(shù)發(fā)展之路上的重要里程碑。顯示技術(shù)的發(fā)展歷程涉及微結(jié)構(gòu)光學(xué)材料、先進(jìn)制造、圖像處理等技術(shù)的融合，這些技術(shù)不僅提高了設(shè)備屏幕分辨率，還生動地呈現(xiàn)了人類的想象力。我們相信，隨著硬件設(shè)備的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，顯示技術(shù)還將再一次獲得創(chuàng)新突破。

Sources：

[1] 等離子顯示屏_百度百科 (baidu.com)

[2] LCD（電子產(chǎn)品）_百度百科 (baidu.com)

[3] 電子紙_百度百科 (baidu.com)

[4] DLP 技術(shù)的工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域 - 電子發(fā)燒友網(wǎng) (elecfans.com)

References:

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

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

https://interestingengineering.com/the-world-at-your-fingertips-a-brief-history-of-mobile-display-technology

https://www.sears.com/articles/tvs-electronics/televisions/the-evolution-of-display-technology.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_display#History

https://en.wikipedia.org/wiki/LED_display

https://baike.baidu.com/item/ 電子紙 / 7548072?fr=aladdin

https://www.visionect.com/blog/electronic-paper-explained-what-is-it-and-how-does-it-work/

https://www.elecfans.com/d/1808554.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Light_Processing

https://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_paper