电子纸，裸眼三维显示……未来的显示器将会长啥样?

出品：科普中国

作者：王智豪

监制：中国科普博览

人类对声光色的需求，催生了多种多样的信息载体，显示技术也得到了极大发展。等离子电视、LED电视、液晶显示器……这些是我们比较熟知的成熟显示方法。除此之外，还有一些极具未来感的新型显示技术正在逐渐走入我们的生活。

一、量子点显示技术

量子点（Quantum Dot）是零维的点状纳米半导体材料，它具有很多新颖的电子和光学性能，可以被用于很多领域，比如显示技术领域。利用量子点的显示技术主要有两种，分别是基于液晶显示技术的量子点液晶显示器（QD-LCD），以及基于OLED的量子点发光二极管显示（QLED）。

QLED电视

（图片来源：wikipedia/Bretwa）

QD-LCD主要是利用量子点的光致发光原理。背光模组中LED光源发出的蓝光经过量子点薄膜后，一部分被量子点转化为绿光和红光，这三种色光混合成LCD的白色背光源。

传统LCD的光源一般为LED，但是它发出的色光并不纯净。而量子点发出的绿光和红光相比LED发出的光更加纯净，因此量子点膜的加入，可让LCD能显示出更加真实的影像颜色和更自然的色彩过渡。

QD-LCD的原理（从左至右，LED光源发出蓝色光，经过量子点薄膜后在屏幕上展现出多样的色彩来）

（图片来源：Lee J H. QD Display: A Game‐Changing Technology for the Display Industry[J]. Information Display, 2020, 36(6): 9-13.）

而QLED则主要利用了量子点的电致发光原理，通过电压驱动使量子点本身发出红绿蓝三原色，并通过空间混色将这三种颜色转化为各种颜色的像素。

QLED的这种发光原理与我们目前常见的OLED屏幕很相似，只是将OLED中的发光有机材料转化为量子点材料而已。这也使得QLED具有OLED几乎所有的优点，并且相比OLED有着更长的寿命与亮度。所以实际QLED才是量子点在显示技术领域更高级的应用。

不过量子点显示器目前在市面上很少，且价格高昂，尚处于优化阶段，但是它有着许多优势，让其他技术望尘莫及，这也使它成为企业研究应用的大热门。

二、激光显示技术

作为继原子能、计算机、半导体之后的人类20世纪又一最伟大的发明，激光被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。进入二十一世纪后，激光技术应用进入辉煌阶段，无论是机械制造、航天、照明、医疗和军事等各种领域都发挥着十分重要的作用。作为高质量光源，激光当然也被应用于显示技术中。

激光电视，顾名思义，就是使用激光作为显示光源的电视。由于激光极好的单色性，电视的色彩效果十分出色。

虽然被称为激光电视，其实这种显示技术更像投影仪。但是不同于投影仪要求的较长投影距离，激光电视采用超短焦投影的显示方式，将激光光源照射到抗光屏上，以产生胜于传统投影仪与电视的显示效果。

左下图中摆放在桌子上的就是激光电视，这实际上是一种超短焦投影仪

（图片来源：wikipedia）

但成也激光，败也激光，激光光源造价昂贵，尤其是绿光的激光器，不仅昂贵，还寿命短，因此激光电视价格十分不亲民。但是随着越来越多的厂商将研发力量投入进激光电视领域，它可能会成为未来电视的有力竞争者。

三、电子纸显示技术

纸已经诞生两千年，直到今天依然广泛使用于社会生活中。阅读纸质书籍往往带给人宁静的体验。不过，现在阅读书籍，除了传统的纸和屏幕，又出现了兼具二者特点的产物——电子纸。

电子纸非纸，它也叫电子墨水屏，是一种特殊的显示屏幕，电子纸显示出来的影像，就好像纸上印刷的图片。这种独特的显示效果也让它有望成为纸的替代品

电子纸的显示主要源于屏幕中间层的无数油墨粒子，粒子内充斥着透明的基液，基液里还悬浮着带正电荷的白色墨水和带负电荷的黑色墨水，墨水差不多和人类头发丝直径一样大。

当给油墨粒子施加负电场时，白色墨水就会在电场作用下移动到电场负极，同时黑色墨水则会移动到电场正极。正极在屏幕内部，于是被隐藏了起来，这个像素就会显示白色。同理，施加正电场，像素就会显示黑色，无数像素组合就会形成图像。

黑白电子纸原理图

（图片来源：Eink 元太科技宣传图）

电子纸还有一个特殊之处：即使关闭电源，油墨在屏幕上的分布也不会消失。这是其他类型屏幕均没有的特性。

通过原理我们可以了解，电子纸是不需要背光源的。电子纸属于反射型显示设备，即通过反射环境光显示图像，而且图像的亮度会根据环境光线的强度改变。所以电子纸有着普通屏幕无法匹敌的优势，例如护眼、超低耗电、阅读舒适，而且在阳光下可视效果好，不会像手机屏幕那样，在太阳下难以看清。

在阳光下的电子纸屏幕，并无反光且清晰可见

（图片来源：wikipedia）

现在市面上比较常见的是黑白的电子纸。当然之后还出现了彩色电子纸，它们或是在油墨粒子上方放置一层彩色滤光片，或是换成彩色的墨水粒子，利用电场改变不同颜色油墨在粒子中的不同位置，混合后就能呈现出各种颜色。当然，受技术限制，也仅仅是勉强称为彩色，将它与常规显示器比较色彩鲜艳度，还是有点“强人所难”了。

彩色电子纸原理图

（图片来源：Eink 元太科技宣传图）

目前电子纸的能力并不能取代LCD显示器，它的定位是为了替代纸和印刷品。但电子纸未来一定会朝着全彩色化、提升响应程度和降低成本等各个方向发展。

LCD的未来——Mini /Micro-LED

现在比较普及的液晶LED显示器和OLED显示器，都具有各自的优缺点。液晶LED显示器色彩均匀性比较差，而OLED显示器虽然解决了对比度和均匀性的问题，但是使用寿命比较短。这个时候，夹在二者中间的显示技术——Mini/Micro-LED可以完美补足它们的缺陷，并具有它们的优势。

Mini LED背光与传统背光的LED灯珠区别

（图片来源：Geek研究僧）

如果要解决LED画面对比度不足，显示黑色部分光晕严重等问题，最可行的方法就是减小LED光源的大小，换句话说是在同等尺寸显示器下增加LED灯珠的数量。只要不断减小LED灯珠的大小，最后甚至小到像素那么大，LCD就会具有比拟OLED的画质，同时还具有OLED所缺乏的长寿命。这也是Mini/Micro-LED显示器命名的由来，Mini LED的LED灯珠直径约为50-200μm，Micro LED的灯珠更小，直径通常小于50μm。

侧入式LED背光与不同分区Mini LED背光的光晕显示

（图片来源：Geek研究僧）

虽然现在含有上万颗LED灯珠的分区背光Mini-LED显示器已经进入市场，但这只是开始。MiniLED显示器的灯珠和分区都不够多，这会导致在暗部丰富的场景下，它依然会出现光晕严重，对比度较小等问题，就像上图展示的那样，分区较少的Mini LED显示器的光晕依然清晰可见。 Micro LED理论上可以完美解决Mini LED的上述问题，但将LED像素颗粒做到这么小是一个极其精细的工作，而且如此多的灯珠需要的控制芯片数量也是难以想象的。因此目前它更多只能出现于不计成本的展览上用来炫技，真要普及应用，还需要很长的技术突破。

Micro LED 结构

(资料来源：深圳国家高技术产业创新中心，天风证券研究所)
虽然现在仍有重重的技术壁垒有待突破，但是Mini/Micro LED综合了LCD和OLED的优点，它的未来发展不可估量。

元宇宙的基础——VR，AR，MR、XR和ER

曾几何时，VR与AR是爆火的宣传噱头，各种头戴式设备层出不穷，仿佛科幻电影中的未来场景触手可得。现在围绕VR和AR的炒作已经渐渐平息。但随着元宇宙的兴起，VR仿佛又再次焕发了生机。

经常被提起的有VR和AR，除此之外，还有MR、XR和ER。这些让人傻傻分不清楚，不过看完下面的描述，想必你对它们的概念会有更清晰的了解。

VR叫做虚拟现实，它用完全由计算机生成的世界代替现实世界。典型应用就是各种VR眼镜及VR游戏。

AR叫做增强现实，不同于VR直接替代现实世界，AR更多的在现实世界中加入虚拟物体，以丰富现实世界。

混合现实（MR），是指真实和虚拟世界融合后产生的新的可视化环境，在该环境下真实实体和数据实体共存，同时能实时交互。也就是说产生的“虚拟图像”能一定程度上与实物交互。

扩展现实（XR）则包括增强现实，虚拟现实，混合现实等多种形式，从通过有限传感器输入的虚拟世界到完全沉浸式的虚拟世界。

拟真现实（ER）也就是把现有的VR、AR、三维建模、高清显示、完全交互等技术的综合性应用到极致，去制作一个完全相同的现实世界。拟真世界的一个经典代表，就是著名电影《黑客帝国》中的未来世界。

VR技术

（图片来源：Veer图库）

我们目前接触最多的是VR，它利用的是人眼的视觉误差原理：人由于双眼位置不同导致两只眼睛看到的图像有差距，这样能够感知空间的立体感。VR技术就是通过双目立体视觉，令左右眼看到不同图像的视觉误差，以产生平面显示器所无法带给我们的立体感。

但现阶段的技术根本无法实现真实的模拟，因为这不仅对虚拟环境的复杂程度提出极高要求，图像质量和刷新率也相当重要。所以现阶段我们带上VR眼镜感受虚拟现实，更多的感受是“虚拟”，并不是“现实”。

不过虚拟现实技术的发展仍具有很大的可能性，它在工业和研究领域有着巨大的发展潜力和应用。与它相关的设备更是元宇宙诞生的基础。

未来科技——裸眼三维显示

目前已经有很多设备可以帮助我们将二维的图像展现出三维效果。它们其实都利用到了人眼视觉系统的感知。

人眼视觉系统从外部获取的众多信息中来进行深度感知，而其中绝大多数重要的深度感知要素是二维信息，其中包括阴影，透视方向，相对大小，遮挡和模糊度。二维深度感知要素经过人眼视觉系统后，我们会认为它是存在于三维空间中的球。

无论是绘画、照片、影像，只要上面的二维深度感知要素被植入，我们人眼就会产生三维感知效果，否则光学图像错觉就会产生。

因此3D 显示系统首先需要保证以上二维深度感知要素，其次再加入和解决其他一些三维感知要素，如立体视差，运动视差和视觉调节冲突等等。根据这一原理人们获得几种实现3D显示的技术方向，VR就是以双目视差为技术方向，实现3D显示的一种设备。但如果我们想要不带上各种各样挡在眼睛前的设

备，实现裸眼3D的话，这就是一个新问题了。不过，全息三维展示或许能带给我们这样的体验。

相比较于双目视差会产生眩晕等不舒适感，全息三维显示能够记录并恢复物光波的全部信息，而且再现的图像与原物体有着完全相同的三维特征，人眼观看的不适感非常弱。

（图片来源：Veer图库）

三维显示方式的发展趋势是大景深、大视场、高分辨率和真彩色的实时三维显示，也就是接近甚至超越人眼看到的现实。但由于全息三维显示仍面临空间带宽积小、计算和传输量大等关键技术制约，还处于技术研发阶段，市场化尚需很长时间。

结语

显示技术的发展史其实是人类技术发展史的缩影，认识了这么多新型的显示技术，我们看到了技术的发展，也感受到了人类超越现实的追求与对完美的向往。相信人类对未来美好的憧憬会成为技术源源不断的驱动力，促使着显示技术的进一步发展。

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] 手把手教你 Apple HDR 视频工作流，兼评 HKC PG27P5U MiniLED 显示器https://www.bilibili.com/read/cv14394063

[9] MacBook Pro 2021 屏幕测试:侧入式 LED 背光 vs 直下式 MiniLED 分区控光差异https://www.bilibili.com/video/BV1KR4y1x7CV/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=3635f107ec6e3c3778a21a10d98fee04