每日速递：显示器简史——还记得当年的等离子电视吗？

2023-03-21 09:10:30 来源：科普中国

出品：科普中国作者：王智豪监制：中国科普博览古人将文字与图画篆刻在石壁、甲骨、竹子等材料上，把它们作为信息传递工具。当人们翻阅着沉重的竹简，临摹着厚重的碑文时，心里一定在想，太沉了啊！如果此时有更轻的材料用来替代它们就好了。石壁，甲骨文，竹简（图片来源：Veer图库）“懒惰”推动技术的进步。自从汉朝时蔡伦完善了造纸流程之后，人们不断提高造纸技术，直到今天，纸依然是我们工作生活中不可或缺的信息载体之一。

报纸（图片来源：Veer图库）一张纸很轻，但一摞书依然是生命无法承受之重。当你搬着半人高的书时，心里的想法一定同古人一样，太重了！与此同时，随着经济与科技的发展，人类日益增长的物质文化需求，也体现在对显示色彩和动画的追求上，而这些追求，纸就爱莫能助了。在这样的需求下，显示技术应运而生。

(资料图片仅供参考)

开天辟地——CRT你还记得那些拖着大屁股，又宽又重的电视或电脑显示器吗？这些显示器主要流行在2000年之前，被称为阴极射线管显示技术（CRT）。CRT是电子显示技术最早的形式之一，它最初作为示波器放在实验室中，后来逐渐普及，以电视机的形式出现在千家万户。第一台商用的阴极射线管电视机是由德国的德律风根（Telefunken）公司在1934年发明，售价非常昂贵。

CRT电视机（图片来源：Veer图库）

从命名我们就可以了解CRT电视的原理是基于这样的装置——阴极射线管。CRT内的电子枪发射出高速电子，电子受到垂直和水平的偏转线圈的电场作用，实现角度偏转。电子会沿着水平方向一排一排打在屏幕的磷光物质上令其发光。磷光物质的发光亮度主要由电子束功率调节，在屏幕上形成不同明暗的光点，组成了各种图案和文字。只要电子击打屏幕的速度够快，还可以形成每秒24帧的影像。

CRT电视原理图，在电流（13）作用下阴极（8）被灯丝（5）加热，释放出电子束（2），电子束在聚焦线圈（3）作用下成束，然后在偏转线圈（1）作用下偏转，打在屏幕（10）的荧光层（4）上发光（图片来源：维基百科）

CRT电视的拆解，可以看到其中最大的部件就是阴极射线管（图片来源：维基百科）

虽然基于这种原理，我们能让画面动起来，但是CRT有一个缺点，它的画面是黑白的，这显然不满足人们对色彩的需求。随着技术的发展，之后也诞生了彩色CRT电视机。在1954年，第一台彩色CRT显示器进入市场。由于优秀的色彩，它很快就淘汰了单色CRT，成为了市场主流的显示屏幕。彩色CRT的原理和单色CRT基本相同，不同点是彩色CRT荧光屏的每个像素分别由产生红、绿、蓝的三种荧光体组成，而电子枪也可以同时发射三束电子束，轰击对应的荧光体。如何能正好让电子束轰击对应的荧光体呢？这就要依靠一个巧妙的装置——荫罩。荫罩好像一层类似筛子的网罩，电子束通过网眼打在呈三角形排列的荧光点上，由于电子束的直线传播，它只能轰击某种颜色的荧光点，而不会轰击到另外两个颜色的荧光体。

荫罩原理（图片来源：维基百科）

CRT像素（图片来源：维基百科）

和单色CRT类似，不同强度的电子束可以调节三种色光的明暗。根据空间混色法，不同明暗的红绿蓝三种光照射在同一表面相邻很近的三个点上，混合色光就可以产生丰富的色彩。这种方法主要利用了人眼在超过一定距离后分辨力不高的特性，从而产生与直接混色相同的效果。空间混色法的出现为之后的彩色显示成像奠定了基础。

CRT显示彩色动画的原理，实际上就是阴极射线管上的电子束逐行扫描，击打在屏幕不同部位的荧光层上，只要扫描速度够快，人眼就无法分辨（图片来源：维基百科）

在2000年，CRT 显示器的出货量达到巅峰。但CRT的缺点也十分明显：它耗电量大、体积和重量大、显示屏尺寸无法造得更大，这些缺点都阻碍了CRT的发展。随着更优秀显示技术的成熟，笨重的 CRT 技术就像胶片相机、CD 唱片一样迅速被时代所抛弃，成为了数字化时代又一个还没来得及告别就咽气的“历史技术”，被人们埋葬在了仓库、二手家电店和回收站里。

昙花一现——背投在80年代，几个厂家为了优化CRT的各种弊端，开发出一种反射成像的显示技术——背投。这种技术在世界上引起了很大反响，一度兴起了“背投将代替显像管”的舆论。背投，其实是投影技术的一种，它是相对于正投诞生的概念。正投技术中观察者和投影机位于反射屏幕的同一侧，观察者看到的是屏幕反射回来的光；背投则是观察者和投影机分别位于背投屏幕的两侧，观察者看到的是透射出来的光。

正投、背投示意图（图片来源：作者自制）

2000年左右的背投电视，可以见到它相对于CRT电视已经薄很多了，且尺寸上也有增加（图片来源：维基百科）

最初的背投电视就是在CRT的基础上诞生的，不过二者还是有不同点。CRT收到视频信号后，通过显像管直接显示到屏幕上。而背投电视接收到信号后，将其传输给并排放置的3只单色投影管。投影管分别产生红、绿、蓝光束，经反射镜反射到投影屏上合成为一幅完整的彩色图像。也正是这个不同点，使得背投电视可以解决CRT电视在尺寸上的局限。

背投彩电成像原理（图片来源：作者自制）

除了基于CRT的背投，之后又出现了利用数字光处理器成像（DLP）的背投电视以及结合液晶技术（LCD）的液晶背投。DLP以数字微镜装置作为成像器件，反射光投射图像到屏幕。其关键器件是一种半导体元件，每个元件包含数目巨大的正方形反射镜片。每个微小的镜片代表一个像素，并可由相应的存储器控制镜片的开关转动，从而控制光的反射。DLP背投比CRT背投的清晰度要高，寿命也更长，是目前最成熟的背投技术。背投电视的出现满足了人们对电视“更大、更清晰、更省空间”的要求。不过这种显示技术的缺点也很明显——价格高昂，使用寿命却相对短暂。随着平板电视的兴起，背投终于迎来了它的终章。它的繁荣是在显示器发展历史中的昙花一现。

2007年的一台基于DLP技术的56英寸背投电视，这在当时是电视中的高级产品（图片来源：维基百科）

画质巅峰——等离子时间进入21世纪，在技术的加持下，电视终于摆脱了“大屁股”，平板电视从CRT和背投电视中接过“影像”的旗帜，真正成为时代的宠儿。最近热映的电视剧《狂飙》令等离子电视这个有些时代感的产物重新火了一把。那么等离子电视是如何成为当时“身份的象征”的呢？等离子显示（PDP）的技术在20世纪70年代被提出，最早的等离子产品主要用于户外显示文字和简单的图像。1997年，日本推出第一台家用等离子电视，让等离子电视第一次进入人们生活。

2006年（右）与2011年（左）等离子电视平均厚度比较（图片来源：维基百科）等离子显示屏主要利用气体放电原理，核心器件是内部充斥着离子和电子组成的气体的等离子管。在没有外加电压时，气体呈中性，即电子和质子的总数保持平衡。如果给这些气体施加电压，则会改变气体内部的电子和质子数量，整个气体会带电并产生离子（带电荷的粒子）。这些离子在电场的作用下，相向而行，并不断进行碰撞。撞击过程会激发等离子管中的氖、氙原子，促使它们发出了紫外线光。紫外线光激发不同种类荧光粉以产生可见的红绿蓝三色光。

这是一个大的含有电离气体的等离子球，我们在许多地方都能看到它们，并可以与它们互动，等离子显示屏中的等离子管的原理与此相同，只不过极小而已（图片来源：维基百科）等离子显示屏幕由大量等离子管组成，每个等离子管就是一个像素，通过调节等离子管内的电压，就可以改变三基色的强度分布，从而产生缤纷的色彩。

等离子显示器结构：两层电介质层中夹着显示电极层和等离子层的荧光涂层，显示电极激发等离子体，使得荧光涂层产生光源。（图片来源：维基百科）这种原理让等离子电视在色彩表现上十分出色。具有灰度丰富，色彩还原性好，亮度高等特点。等离子电视完美解决了CRT电视的不足，在当时可以称作“黑科技”的存在。但你可能好奇，一枝独秀的等离子电视，为什么现在却几乎销声匿迹呢？这就要说到等离子电视的最大的缺点——价格高。动辄上万元的价格，令它注定只能是“有钱人的玩具”。当时广为流传的“外行买液晶，内行等离子”不仅是赞赏，也是一种无奈。此外等离子电视还被人们称为“电老虎”，它的耗电量远远高于同期的液晶屏幕。如果只是费电好像也能接受，但不要忘记，同时期还出现了革命性的产品——手机。小屏幕开始迅速占据市场，电视的销量也在这时出现了下滑。而等离子屏幕的原理令它根本无法制造小尺寸的屏幕。无法应用到新兴的手机市场上的等离子屏幕，注定被市场无情淘汰。正是此时，一种屏幕依靠自身可以小型化的优势，沐浴手机发展的春风，迅速崛起。它就是——液晶屏幕。

天选之子——LCD我们对液晶显示器（LCD）并不陌生。目前，小到计算器的屏幕，大到电脑显示器几乎都是液晶显示器的天下。

LCD显示器（图片来源：Veer图库）

尽管在生活中很常见，但你对其原理可能并不熟悉。在了解液晶显示器之前，我们需要先了解“液晶”是什么。我们都知道水有三种状态：固态（冰）、液态（水）和气态（蒸汽）。液态从分子分布上来看是各向同性的，意味着它的物理性质在所有方向上都是一致的，这是水分子不断随机运动的结果。固态是晶体，从分子分布来看是各向异性的，不同方向排列不同。这也导致冰在不同方向上光的折射率、偏振性质、导热性和导电性等物理性质也不同。而液晶则兼具了液态和固态物质的部分性质。液晶目前最广为人知的用途就是制造各类电器的显示屏。比起先前提到的等离子电视机，LCD屏幕在色彩等表现上并不优秀，但是它最大的优势是调制电压低。这种优势让LCD显示屏幕非常适用于手机等便携设备，因此LCD从80年代诞生至今一直活跃于人类社会中。

（图片来源：Veer图库）

后起之秀——OLED曾经，霓虹灯是每个城市最亮眼的光源，每到夜晚，霓虹灯会组成各种标语或者广告，甚至会组成大屏幕播放影像。霓虹灯远远的看去很清晰，但当我们走近时，就会发现它其实是一颗一颗小灯泡，这就是矩阵LED显示。矩阵显示中每个LED都是自发光的像素，这些像素共同组合成图像。如果直接把霓虹灯标语上的LED灯组合搬到电脑屏幕上，这么近的距离下，看什么都像是马赛克。

典型的LED屏幕，由一颗颗LED灯珠组成（图片来源：维基百科）

所以，有没有一种可能，我们能把“LED”做的足够小，小到人眼无法分辨呢？这样我们是不是就能把LED技术应用到桌面显示上了呢？答案当然是肯定的，科学家发现一些有机物小分子可以实现类似发光二极管的发光效果。不同有机物可以发出红、绿和蓝色的三种色光，这些有机物分别组成三种亚像素，而这三个亚像素受三个晶体管开关掌管，分别被微小电压控制以显示出不同的亮度。根据空间混色法，由三个亚像素组成的像素就可以发出任何颜色的光。

OLED（右）与LCD（左）结构对比：LCD除了液晶分子层还需要偏光片，滤光片，玻璃基板等结构，使LCD屏幕相对较厚，且无法弯折，而OLED屏幕包括有机发光层和ITO基板，可以做的非常薄并且容易弯折。（图片来源：维基百科）当你把数百万个像素放在一起形成图像，你可以得到一块全新种类的屏幕——OLED或者叫AMOLED（Active Matrix Organic Light Emitting Diode）。它几乎具有我们之前讨论过屏幕的所有优点：极高的对比度，明艳的色彩表现，低功耗，低响应时间以及难以想象的薄。此外OLED还可以任意弯折，这能让我们充分发挥想象，卷帘电视，可以折叠的手机……

OLED屏幕（左）显示效果和LCD屏幕显示效果（右）对比，OLED在黑色背景的照片样张上优势明显，体现出对比度极高的优势。（图片来源：Geek研究僧）

OLED可弯折屏幕制作的折叠手机（图片来源：维基百科）具有多种优势的OLED逐渐挤占LCD在手机屏幕上的主导权，成为高端手机的卖点之一。但可惜的是OLED技术目前并不成熟。首先有机物相比于无机物来说稳定性差，因此OLED屏幕的寿命都很短。此外，蓝色发光材料寿命由于技术问题，相对红绿色材料更不稳定，让OLED本就不富裕的寿命雪上加霜。因此你的手机屏幕可能会出现一个现象，长期展示的图标好像被烙印在屏幕上，无论怎么滑动都会有一个印，这就是所谓“烧屏”现象。

在推特上，用户抱怨OLED屏幕烧屏（图片来源：twitter/Austin Evans）烧屏现象也有解决的对策，就是多蒸镀一些蓝色发光材料。然而蓝色发光材料占比过多，画面又会出现色彩歪曲现象，显得过分艳丽，总之这是一个两难的选择。但相信随着材料科学的发展，OLED的这些缺点会被克服，使其真正成为完美的屏幕技术。

结语作为一种信息表达工具，显示器不仅能实现信息的传递，更是人机交互的重要窗口，促使许多娱乐活动的诞生，也造就了多彩且便捷的现代生活。与此同时，人类对更真实画面场景的向往和对旧技术缺陷的不满，也在不断推动着显示技术的进步与革新。我们期待，未来会有更多新技术应用在显示器上，为我们的生活带来更生动多彩的体验。编辑：郭雅欣

参考文献：[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] https://www.bilibili.com/read/cv20841119?spm_id_from=333.999.0.0

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