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屏幕显示技术进化史

屏幕屏显

LiveVideoStack 2022年6月30日

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