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屏幕显示技术进化史

2022-06-30 14:04

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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编译：Alex

技术审校：赵军

视野 #010#

每一天，我们都在透过电视、电脑和手机等设备的屏幕观看流媒体内容。随着硬件设备和流媒体技术的不断发展和更新，屏幕显示技术也在不断进化。今天，就让我们跟随历史的脚步，一起来回顾一下屏幕显示技术发展历程中的重要里程碑。

CRT 的问世

1869 年，德国物理学家 Julius Plücker 和 Johann Wilhelm Hittorf 首次观察到了阴极射线。1897 年，德国物理学家 Karl Ferdinand Braun（Braun 也是 1909 年诺贝尔物理学奖获得者）发明了 CRT（cathode-ray tube，阴极射线管），它最初也被称为布劳恩管（ Braun tube），是世界上最早的电子显示器之一。

一个 14 英寸的彩色 CRT（来源：Blue tooth7/Wikimedia Commons）

CRT 是一种特制的真空管，其中包含一个或多个电子枪，电子枪发射出来的电子光束撞击在荧光屏幕上，进而显现出图像。早期的电视机、电脑、自动柜员机、摄像机、监视器和雷达显示器等都内置有 CRT。

1907 年，俄国科学家 Boris Rosing （曾与电视发明者 Vladimir Zworykin 一起工作）使用 CRT 将简略的几何图像传输到了电视屏幕上。Rosing 的这一创举也使他成为电视领域的重要发明者。在此之后，CRT 技术不断发展，并于 1922 年首次商业化。在 LED、等离子和 OLED 等技术出现以前，CRT 一直作为绝大部分设备的显示器而使用。

在整个 20 世纪中后期，阴极射线管被普遍用于电视和计算机显示器。在这段时间里，制造商不断地提高性能和分辨率。20 世纪 70 年代的大多数计算机显示器只能在黑屏上显示绿色文本。到了 1990 年，IBM 的扩展图形阵列（XGA）显示器能以 800 x 600 像素的分辨率显示 1680 万种颜色。

等离子显示器（Plasma Display）

1936 年，匈牙利工程师 Kálmán Tihanyi 在他的论文中描述了这种平板等离子显示系统。1964 年，伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的 Donald Bitzer、 H. Gene Slottow 和当时还是研究生的 Robert Willson 开发了第一个单色等离子显示器，用于 PLATO 计算机系统。

等离子显示器的构成（来源：Wikipedia）

等离子的发光原理是在真空玻璃管中注入惰性气体或水银蒸气，加电压之后，使气体产生等离子效应，放出紫外线，激发荧光粉而产生可见光，利用激发时间的长短来产生不同的亮度。等离子显示器中，每一个像素都是三个不同颜色（三原色）的等离子发光体所产生的。由于它是每个独立的发光体在同一时间一次点亮的，所以特别清晰鲜明。 [1]

直到 2000 年初，等离子显示器都是大型平板高清电视最受欢迎的选择。不过需要注意的是，因为等离子显示器容易出现图像残留，同时，由于材质和结构所限，它无法缩小尺寸，所以并不适用于电脑、平板和手机。这也是等离子显示器在市场竞争中失利的主要原因。

到 2013 年，它被低成本的 LCD 超越，显示质量上则面临昂贵但对比度更高的 OLED 平板显示器的竞争。等离子显示器几乎失去了所有的市场份额。美国零售市场的等离子显示器生产于 2014 年结束，中国市场的生产于 2016 年结束。

液晶显示器（LCD）时代

1888 年，奥地利植物学家 Friedrich Reinitzer 在研究胡萝卜中的胆甾醇苯甲酸酯（Cholesteryl Benzoate）时意外发现了液晶（Liquid Crystals）。

1962 年，RCA（Radio Corporation of America，美国无线电公司）实验室的物理化学家 Richard Williams 想要找到一种可以替代 CRT 的显示材质。他在研究的过程中发现，当他对薄薄的液晶层施加电场时，晶体会形成条纹图案并进入向列状态。Richard 后来将这一研究交给了他在 RCA 的同事 George H. Heilmeier。经过不懈的努力，George 所带领的团队找到了一种在室温下操作晶体的方法，并发明了第一个液晶显示器，于 1968 年首次向世界展示。

计算器中的 LCD 显示器（来源：Wikipedia）

LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置 TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过 TFT 上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。 [2]

虽然液晶显示器在 20 世纪 70 年代就已经问世（当时常见于计算器、手表、钟表和各种家用电器中），但直到 90 年代才获得广泛的应用。由于它功耗低、尺寸小、重量轻，所以被大量用于笔记本电脑中。随着 LCD 技术的不断改进，LCD 屏幕在电脑和电视中的使用越来越流行。2007 年，液晶电视在全球范围内首次超过了 CRT 电视的销量。

从 LED 到 OLED

1962 年，通用电器的工程师 Nick Holonyack 发明了世界上第一个可见光 LED。1962~1968 年期间，惠普公司的 Howard C. Borden 和 Gerald P. Pighini 带领团队一直在进行 LED 研发工作。1969 年 2 月，他们推出了 HP 型号 5082- 7000 计算器，它是第一台采用集成电路技术的 LED 设备，同时拥有世界上第一个智能 LED 显示屏。惠普对 LED 的商用掀起了一场数字显示技术的革命，并为后来 LED 显示技术的发展奠定了基础。

LED 是 Light Emitting Diodes 的简称，即 “发光二极管”，严格说来它也是 LCD（液晶显示器）的一种。传统的 CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷阴极荧光灯管等）作为 LCD 设备的背光源，只能均匀地照亮整个屏幕，无法改变照明强度。而相较于 CCFL， LED 背光的 LCD 设备可以使用局部调光，从而产生更好的对比度和更生动的显示，同时消耗更少的能量。

LED 信号灯（来源：Wikipedia）

由于 LED 的多功能性和更轻的重量，大多数 LCD 智能手机和平板电脑显示器都使用 LED。

1987 年，在前人研究的基础上，Eastman Kodak 公司的两位化学家邓青云和 Steven Van Slyke 共同开发了第一台实用的 OLED 设备。

OLED（Organic Light-emitting Diode），也被称为 “有机电致发光显示”。OLED 是一种利用多层有机薄膜结构产生电致发光的器件，当向它施加电流时，会发出明亮的光。与 LCD 不同，OLED 不需要背光，同时可以使用材质较轻的发光基层（而非 LCD 和 LED 使用的玻璃基层），并且拥有更宽的视角和更快的响应速度。

世界上第一台 OLED 电视 Sony XEL-1（来源：Wikipedia）

OLED 的出现对于电致发光技术来说，是一个很大的进步。与 LED 相比，OLED 更轻薄小巧，也更柔韧，它常用在电视屏幕、计算机显示器和智能手机、手持游戏机等设备中。

自从 iPhone X 开始采用 OLED 显示屏开始，OLED 迅速席卷全球终端市场，全面屏、折叠屏、柔性屏等层出不穷，在很大程度上促进了显示技术的发展。

电子纸的发明

上世纪 70 年代， Xerox Parc 公司的 Nick Sheridon 开发了世界上第一款电子纸 ——Gyricon。

电子纸是一张薄薄的胶片，涂在上面的是一层电子墨 —— 这是一种液态材料，其中悬浮着成百上千个与人类发丝直径差不多大小的微囊体，每个微囊体由正电荷粒子和负电荷粒子组成。 [3] 当对单个电极施加正或负电场时，带有相应电荷的彩色粒子将移动到囊体的顶部或底部，使电子纸显示器的表面呈现出某种颜色。

电子阅读器（来源：Wikipedia）

同 OLED 一样，电子纸自身也能发出可见光，同时保持作为 “纸张” 的光泽。

虽然电子纸在上世纪 70 年代就已经开发出来，但直到 21 世纪初才流行起来。它最广泛的应用就是电子阅读器，比如我们常见的 Kindle、BOOX 等。除此之外，它还用于电子定价标签、数字标牌和一些智能手机显示屏。

DLP 技术

DLP（Digital Light Processing）是数字光处理的简称，其工作原理是将影像信号通过数字处理，再通过光的方式投射出来。这一技术具有极高的图像保真度，能够投射出清晰、明亮、色彩逼真的画面，多用于投影仪系统。 [4]

DLP 投影仪 InFocus IN34（来源：Wikipedia）

DLP 技术的核心是一种被称为数字微镜器件 (DMD，Digital micromirror device) 的光学半导体，它使用铝制成的微镜反射光线来生成图像。DMD 通常被称为 DLP 芯片，每个芯片可以包含超过 200 万面微镜，尺寸不到人类头发宽度的五分之一。微镜以矩阵形式排列（很像照片马赛克），每个微镜代表一个像素。

这些微镜的数量对应于屏幕的分辨率。DLP 1080p 技术可提供超过 200 万像素，实现真正的 1920x1080p 分辨率。目前市面上已经有 8K 的 DLP 投影仪（使用 3xDLP）。

DLP 最初由德州仪器公司的物理学家 Larry Hornbeck 于 1987 年开发。1997 年，Digital Projection 公司推出了第一台 DLP 投影仪。1998 年，德州仪器和 Digital Projection 都因为 DLP 技术而获得了当年的艾美奖。

与等离子和 LCD 设备相比，DLP 设备价格更低，并且它拥有更大的屏幕，也更轻薄。也许你并没有意识到，DLP 技术其实经常出现在你的生活中，它常见于各类投影仪（用于培训、授课）、家庭影院、视频墙、音乐会和发布会等大型投影系统等。

以上就是屏幕显示技术发展之路上的重要里程碑。显示技术的发展历程涉及微结构光学材料、先进制造、图像处理等技术的融合，这些技术不仅提高了设备屏幕分辨率，还生动地呈现了人类的想象力。我们相信，随着硬件设备的发展和科技的不断进步，显示技术还将再一次获得创新突破。

Sources：

[1] 等离子显示屏_百度百科 (baidu.com)

[2] LCD（电子产品）_百度百科 (baidu.com)

[3] 电子纸_百度百科 (baidu.com)

[4] DLP 技术的工作原理及应用领域 - 电子发烧友网 (elecfans.com)

References:

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

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