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[灌水趣游] 手机屏幕的前世今生 可能比你想的还精彩

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    2018-12-15 10:24
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    [LV.7]骨灰居民

    发表于 2018-3-12 11:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
    手机屏幕的前世今生 可能比你想的还精彩

    来源:中关村在线

    当你发现一些不同寻常的事情时,请不要嗤之以鼻,也许,你眼前的,可以改变世界。1888 年,31 岁的莱尼茨尔(F.Reinitzer)刚刚当上了布拉格查理大学的教授,他风华正茂,意气风发,或许是为了在学生们面前博得更多的尊敬,他天天泡在实验室里研究它的化学课题,有一天他合成了一个奇怪的有机化合物——香酸胆固醇脂 ( Cholesteryl benzoate ) ,发现当把这个固态结晶物加热到 145 ℃时,眼前的固体便融解为呈混浊状的液体,而继续加热后,在 179 ℃时竟变为透明的液体。他当时并不知道,眼前刚刚出现的混浊状液体,竟是人类对于液晶(Liquid Crystal)的首次制备,它既不是气体,也不是液体和固体,而是一种独特的物理状态。就好比既不像驴也不像马的骡子,所以液晶被称为有机界的骡子。



    右侧的肖像便是莱尼茨尔(F.Reinitzer)

    尽管人们很早就发现了液晶的存在,但当时人们并不知道如何利用液晶具备的光电效应特性。直到 20 世纪 60 年代,随着半导体集成电路的发展,美国人成功研发出了第一块液晶显示屏(Liquid Crystal Display 简称 LCD),并尝试应用于数码石英表上。但是,他们似乎对这一技术并不感冒,所以没有大规模量产。



    夏普 EL-805 计算器(图片来自网络)

    而此时,正值战后重建经济腾飞中的日本,对于新技术的嗅觉则更为灵敏,没过几年,日本的几家企业便通过购买专利的方式获得了液晶屏的技术。随后的 1972 年,世界上第一款搭载 TN-LCD 作为显示面板的计算器诞生——夏普 EL-805。也因此,夏普成了液晶屏之父。但我相信,当时日本人应该做梦也没有想到,这个看似只能显示几个数字、应用在计算器以及手表上的黑白屏幕,将会成为未来一段时期显示技术的主宰。

    为了能够让大家对于每一次屏幕进化的意义有个了解,我先给大家简单普及一下液晶屏的工作原理。此前我们讲过,液晶屏具备光电效应特性,具体来说就是液晶能够对穿过它的光线产生干涉,而通过给液晶施加电场,便能够控制液晶对光线的干涉,再配合偏振片对光的阻隔特性,从而达到控制光线强弱的目的。



    最原始的反射式液晶屏结构(1:偏振片 2:玻璃基板 表面特定区域覆盖有透明电极 3:液晶层 4:表面覆盖有电极的玻璃基板 5:偏振片 6:反光层)

    而最原始的液晶屏就是将液晶材料置于两个玻璃基板之间,然后在玻璃基板的特定区域覆盖一层透明电极,接着在基板外侧分别加入一层偏振片,底部还有一层反光板。像电子表,计算器等我们所熟悉的小型电子设备的屏幕几乎都是这样的构造。它们没法自己发光,所以只能靠外部光线。当自然光照射到液晶屏时,光线经过第一层偏振片,让有特定方向的光波穿过,随后经过玻璃基板到达液晶层,并穿过另一个偏振片达到底部的反射板,随后剩下的光线又被反射回去,但由于设备处于通电状态,所以玻璃基板上的电极会收到电压信号,从而对特定区域的液晶产生影响,使他们改变光线的路径,导致的结果就是该部分受电场影响的液晶区域无法透过光线,从而在屏幕上显示成黑色,达到显示信息的目的。



    马丁 · 库帕和它发明的世界上第一款真正意义的手机

    1973 年 4 月 3 日,一位名叫马丁 · 库帕的摩托罗拉的工程师竟然在纽约街头的众目睽睽之下,将一块白色的板砖贴在了自己的耳朵上,还在自言自语着什么,原来这便是人类的第一部手机。它体型硕大,重达 2 磅,充电 10 小时,通话 20 分钟(.......)表面还有多颗数字按键,唯独有个遗憾,就是拨号的时候不能显示号码,非常容易按错而察觉不到。所以在后续产品中,用于显示号码的液晶屏便出现了。



    上世纪 90 年代的手机主要发展方向是便携性,屏幕并未有革命性改进

    到了上世纪 90 年代,手机产品的商业化已经较为成熟,那时的市场被两大移动通信巨头,摩托罗拉与诺基亚占领。它们当时竞争的主要核心就是如何让手机变得更小巧,并且功耗更低,所以那个时候手机的屏幕技术并没有太大改进。依然是单色屏幕。

    然而,随着手机体积逐渐达到一个较为合理的尺寸之后,产品的差异化就成了手机厂商们必须要解决的问题。



    西门子 S10,第一款彩屏手机,尽管只能显示四种颜色

    而屏幕作为手机的重要组成部分自然不会被忽视,在 1998 年,德国西门子推出了一款彩屏手机 S10,它仅能显示红绿蓝白四种颜色,但这并不影响它成为历史上第一款彩屏手机。

    随着手机厂商对于屏幕的日益重视,它们逐渐意识到想要继续改善屏幕的体验就需要让屏幕能够显示真实的色彩,并且进一步提高液晶屏的显示精细度,也就是分辨率。但如果按照传统的液晶屏技术,显然无法满足这一要求。就是在这样的时代背景下,TFT-LCD 屏幕诞生,TFT 指的是薄膜晶体管,它是制作玻璃基板上电极的先进材料。由于它的体积非常小,所以在单位屏幕面积上,可以放置更多的电极,这样显示屏的画面便会更精细。



    彩色屏幕的显色原理,每个母像素都有三个子像素,通过三基色的明暗配比从而显示出想要的颜色。

    但是解决了精细度问题还不够,如何能够让显示屏显示色彩呢?我们知道红绿蓝三原色作为基色,经过配比可以显示任意一种颜色,那么假如,把屏幕上的一个像素拆分成三个子像素,并且将这三个表面分别罩上红绿蓝三种颜色,然后通过调节每个子像素的光线强弱来进行三基色的配比,不就可以让母像素显示我们想要的颜色了吗?!就是在这样的思路下,手机的彩屏时代到来了。



    透射屏相比反射屏,底部材料从反光板变成了主动发光材料

    不得不提的是,液晶屏本身其实并不会发光,所以为了让用户能够看见信息,屏幕被设计成反射型与透射型。本文开头最先介绍的最原始的 LCD 屏幕结构,就是反射型的,它必须通过外界的光线照射才能看清内容,但到了光线昏暗的地方,这类屏幕就无法发挥作用,例如计算器和数码手表。这显然不符合手机随时都能使用的特性。而投射型屏幕不会发生这样的问题,因为它在屏幕底层加入了背光模块,并通过导光板将光线均匀的分布在屏幕上,从而便摆脱了屏幕对外界光源的要求。



    21 世纪初,诺基亚率先推出的 TFT-LCD 彩屏手机

    在 21 世纪初,有非常多的手机厂商加入到了彩屏手机市场的争夺中来。大量的彩色液晶面板需求推动了面板厂商的竞争,从而出现了各种尺寸的液晶面板以满足厂商的需求。像诺基亚 9210,就采用了一块 110mm*30mm 的定制大屏。



    摩托罗拉 V3 是那个时代手机的典范,双彩屏设计在那时很酷炫

    然而在那个年代,大屏却并没有什么实际意义,因为大家拿起手机的主要目的还是打电话发短信,所以屏幕整体尺寸都不大。

    直到智能机的出现,让屏幕的尺寸不断突破,同时面板厂商也推出了更先进的显示技术,让屏幕体验达到了新的高度。

    早期的手机屏幕用的都是 TN 屏(扭曲向列型液晶 twisted nematic liquid crystal),这种屏幕因为已经规模化生产,所以成本很低,占领了绝大部分手机市场。但它的内部构造便决定了存在显示色彩单调,可视角度低,按压容易出现水纹(对触摸操作体验影响较大)的缺点,所以在大屏触摸时代的浪潮下,这种技术已经很难在手机上看到。



    IPS 屏与 TN 屏的本质区别在于电极的位置进行了优化,从而解决了 TN 屏的几个缺点

    而作为替换传统液晶技术的主力选手,IPS(横向电场效应显示技术 In-Plane-Switching Liquid Crystal)技术,很多厂商青睐它的原因在于,它对传统的液晶屏结构进行了一些调整,传统 TN 屏的电极是在液晶分子的上下分置的,而 IPS 技术让电极能够分置在液晶的左右两侧产生电场,这样电极就不会对光路造成干扰。从而实现更高可视角度,色彩艳丽,以及按压不容易出现波纹现象的优点,很好的弥补了传统 TN 屏的不足。

    iPhone 可以算是 IPS 技术的拥趸,在过去几年里,它的屏幕一直采用了 IPS 技术。



    IPS 技术与 LED 背光技术都应用在了 iPhone 上,而作为技术引领者,这些技术也很快普及

    随着屏幕的增大,手机行业又面临一个十分头痛的问题就是功耗控制,而大屏正式手机所有零部件中,平均功耗最高的。所以,解决大屏的功耗问题迫在眉睫。而想要解决这一问题,我们首先要知道在液晶屏内部,究竟谁在耗电!其实真正耗电的就两个元件,一个是电极,还有一个是背光灯。前者工作的电流极小,而后者则是耗电大户,因为它要产生足够强的光线,然后将光线从机身一侧均匀散布在导光板上,还要经过两个偏振片以及一片液晶层的过滤,才能进入人们的眼睛。

    那么该如何改进背光的功耗呢?答案是更换新的发光模块。新的 LED 光源众所周知,它非常省电,所以用来做背光再合适不过了。

    改进画质的另一方法是研究新型的液晶材料,与电极材料,而在这点上,来自日本的 JDI 公司可以算的上是佼佼者,液晶材料方面,它研发出了负向液晶材料,能够为显示屏带来更出色的对比度,而 LTPS(低温多晶硅)技术则可以让电极做的更小,从而提升单位面积的像素数量,让手机屏幕得以达到更高分辨率。如今有越来越多的手机拜这种技术所赐,拥有了 4K 超高清分辨率屏幕。

    就在最近几年,手机屏幕有了突飞猛进的发展,电极技术,背光技术,液晶材料,甚至玻璃基板的材料都有了重大的革新,为显示体验带来了极大的提升,但近两年,手机企业对显示屏又有了新的要求,那就是边框要窄点,再窄点!窄到没有最好!哪怕是视觉上的。



    努比亚 Z9 是超窄边框设计的典范,达到了视觉无边框

    不过就本人而言,窄边框技术有很大挑战。它挑战的是屏幕到手机边框的最短距离,但是越短越容易受到手机边框的挤压,而造成屏幕模组的损坏,还有就是超短的边框距离让屏幕边框与机身的固定成为难题,如果设计不可靠,翘屏问题便会随之而来。在超窄边框设计方面,令笔者印象最深刻的就是努比亚 Z9,通过屏幕与 2.5D 玻璃盖板的配合达到了视觉上的无边框。

    当手机两侧的边框被手机厂商们压榨到了极点之后,厂商们就又开始动起了机身额头与下巴的主意,力求让他们也能像边框那样收窄。配合面板厂商为它们提供的更长比例屏幕,从而让手机在尺寸不变的前提下拥有了更多的显示面积。厂商们还给它起了好听的名字——全面屏。



    夏普 AQUOS S2

    但是正面总有一些东西不能割舍,例如前置摄像头以及传感器。有些财大气粗的厂商干脆自己定制屏幕,通过面板厂商的异形切割工艺,让屏幕形态打破传统的长方形形状,甚至将摄像头和传感器替换掉部分显示屏的显示区域。夏普 AQUOS S2 是第一个这么做的手机。

    相信把 OLED 显示屏放到最后来说,有些人可能会觉得委屈它了,毕竟它很久以前就已经应用在手机上了,而且如今配备这种屏幕的手机也不在少数。但因为它与传统的 LCD 显示屏差别实在太大了,所以我很难边讲液晶边讲 OLED。而我想让你知道的,也是 OLED 究竟与液晶屏幕相比差别在哪。



    三星 S9 采用了最新的曲面 OLED 技术,很多屏幕素质令 LCD 显示屏无法企及

    首先,从名称来看 OLED(有机发光二极管 Organic Light-Emitting Diode)它是一块可以自发光而不需要背光的屏幕。因为这一特色,使它拥有了相比液晶屏更广视角、高对比、可弯曲,低耗电、高反应速率、模块轻薄的优点。正是因为存在如此多而且重要的优点,所以它被业界认为是最有可能取代液晶显示器的下一代显示技术。

    目前,OLED 显示屏全球 90% 以上产量掌握在韩国的三星和 LG 两家手里,这与它们提前布局,持续研发有关,但这种垄断局面导致了 OLED 手机屏幕的价格十分昂贵。当然对于这种高投资高风险的产品,一般的厂商也是不敢贸然进入,好在国产面板厂商已经开始布局这一产线,包括国内比较知名的京东方,天马与华星光电,相信未来随着产能的迅速提升,OLED 显示面板的垄断局面将荡然无存!

    到这里,手机屏幕的前世今生就为您简单的絮叨完了。希望您能从文字中有所收获。并且这只是《手机前世今生》系列栏目的第一期,接下来的一期,笔者将带大家了解手机电池的前世今生,期待您的持续关注 ~

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