一文「看穿」透明顯示器

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

我們嘗試透過這篇文章來簡單談談透明顯示器的基本原理,以及它距離走進我們的日常生活還有多遠。

最近在中國深圳、北京地鐵有幾條路線的列車玻璃窗上,出現了採用透明顯示器的「智慧列車乘客服務系統」,這些與車窗融為一體的透明顯示器不僅能夠顯示天氣、網站資訊,還能上網、看視訊、逛線上商店。再加上小米於前不久的10週年發佈會上推出了售價5萬元人民幣的透明電視,讓「透明顯示」技術討論熱度升溫。

從部份中國本地媒體報導以及供應鏈消息來看,基本可以確定這些透明顯示面板來自LG Display。供應透明顯示面板的廠商現如今並不算多,據說三星(Samsung)就已經在2016年決定不再繼續生產此類面板,到如今這類產品都遠算不上普及。但實際上,透明顯示技術的發展少說也有10年以上,似乎每隔一段時間,或多或少我們總能在展會上看到透明電視或顯示器的身影;它們形態各異,可以是透明電視,也可以是透明櫃門,還可以是透明手機。

2009年Sony Ericsson還存在時,就有一款名為Xperia Pureness X5的透明螢幕手機格外引人注目,在那個時代實在太炫了——即便這款手機並未大規模量產,而且還只是一款功能手機。

Xperia Pureness手機 (來源:Pocket-lint)

Xperia Pureness手機 (來源:Pocket-lint)

而透明顯示器最近一次引人矚目是在2016年的國際消費性電子展(CES),松下(Panasonic)展示了一款以櫃門形式出現的透明顯示器,號稱「隱形電視」;在日常不開啟時,看起來就只是個普通的透明玻璃櫃門,在打開之後是台能顯示動態畫面的電視。2019年松下再次展示了其透明OLED電視,不過當時也仍然是概念產品狀態。

這類產品如此具有話題性,大概源於其十分強烈的未來科技感——畢竟科幻電影中,總能看到各種高階的透明顯示器;這在漫威這些年的超級英雄電影中十分常見。我們嘗試透過這篇文章來簡單談談透明顯示器的基本原理,以及它距離走進我們的日常生活還有多遠。

透明顯示器?自己就能DIY

 

透明顯示技術的方向比較多樣,比如LCD、OLED就都能做到透明化。這裡我們拋開一些非常規的透明顯示技術不談,比如說Google Glass、微軟HoloLens那樣的透明顯示技術:這類擴增實境(AR)眼鏡類產品,有時還提供3D顯示功能。

 

(來源:Geng, Jason. “Three-dimensional display technologies.” Advances in optics and photonics 5.4 (2013): 456-535)

 

比如上圖這種AR眼鏡,透過鏡片的部分反射特性,特別針對左右眼來達成3D畫面觀感,與此同時還確保看到眼鏡外的現實世界。這本身就是透明顯示(see-through display)的一類方案,但不是我們要在本文探討的重點。

另外,美國麻省理工學院(MIT)一直致力於開發一種被動透明顯示系統,用的是奈米粒子技術——這種方案採用一個投射器作為外部光源,來投射畫面到透明介質之上(這種透明介質嵌入了一種奈米粒子,可以部分顯示投射的畫面)。當前還有一些透明顯示技術也會採用類似的投射方案。這些方案成本更低,但也並非透明顯示器的主流,至少現在還不是。

這兩年我們看到比較多的透明顯示器,通常都是LCD或OLED透明顯示器;感覺又回到了我們前不久探討柔性螢幕時,也是分成OLED與LCD兩個方向探討。那麼,這兩種面板是如何做到透明的呢?

這裡不花過多筆墨去談LCD與OLED兩類螢幕的結構,需要有個基本的概念是:無論是哪種面板,它們都是多層堆疊結構。顯示器分成很多不同的層,每層發揮不同的作用——將這許多層疊在一起就構成了面板和顯示器。LCD與OLED的區別就在構成兩類面板的層級結構是大不相同的。

如我們在柔性螢幕文章中提到的,要實現顯示器柔性化,實質上也就是要求每一層都可彎曲;那麼透明螢幕也是一樣,要實現顯示器透明化,也就是每一層都必須是透明的(或者具有一定的透光率)。

(來源:The Backoffice, YouTube)

(來源:The Backoffice, YouTube)

這一點對顯示面板來說原本也可算得上是半個天然屬性了。比如LCD螢幕的底部有背光層,背光層發光照亮位於上層的各個疊層——這至少就表明了傳統LCD螢幕的大部分層原本就是透光的。YouTube上就有不少DIY視訊,用於展示如何讓你早就不用的螢幕變身透明顯示器——利用的都是傳統的LCD螢幕,將包括導光板在內的背光層拆除,然後利用自然光或其他光源作為背光來照亮螢幕,螢幕就自然成為半透明形態了,如上圖所示。

可見LCD螢幕原本就有做成透明螢幕的基礎。至於OLED螢幕,佐證其透明的最簡單實例,即在於現在的許多智慧型手機都支持螢幕下指紋識別(甚至有些還有螢幕下攝影機),這些指紋識別方案通常為光學指紋識別,也就是要求螢幕本身是透明的,才能達成在螢幕下依然可識別指紋的目的。這些螢幕一般都是OLED螢幕,足見OLED螢幕天然也具備了這種「透明」特性(比如透明電極ITO銦錫氧化物材料;某些層是因為厚度足夠薄所以表現為半透明)。

OLED透明螢幕大概會成為未來

顯然,既然自己在家都能DIY透明顯示器,螢幕透明化就算不上什麼「黑科技」。只不過這些年透明螢幕的研究也始終在持續,其核心問題應該是如何增加透明度或者螢幕的透光率。畢竟DIY的透明顯示器,和如今的小米透明電視比起來,在透明度上還是差得遠了。

這理論上也是影響LCD與OLED兩個透明化路線的重要問題。前文就提到LCD螢幕是需要背光的,這就為完整形態的LCD螢幕實現透明化造成了障礙。早年有一些LCD透明螢幕因此就去掉了背光系統,借助外部光源:無論是自然光,而是人造外部背光,來實現螢幕的視覺化。與此同時,LCD還帶兩片偏振片(起偏器),這也是影響光透過率的組成部分。

JDI的透明LCD螢幕

JDI的透明LCD螢幕

2017年,JDI (Japan Display Inc.)曾在SID 2017大會上介紹過自家的一款透明顯示器。這種透明螢幕在大方向上仍屬LCD,不過JDI為規避前面提到的問題,對面板發光結構和技術做了改進。首先背光安放在顯示器側邊(隱藏在邊框內),導光的具體方案未知;根據國外媒體資料介紹,提及採用「液晶單元前壁與後壁的內部反射,實現LED光擴散」,應該算是某種側入式背光方案。另外由於背光、材料(能夠支援在透明狀態與散射狀態間高速切換的「快速回應液晶材料」)及工作特性改善,這種LCD透明面板還去掉了偏振片和彩色濾光片(color filter,CF),以進一步提升透光率。

早些年包括三星、LG、MMT等在內的供應商都推過透明LCD顯示器,多少都有對LCD自身的結構改進以增加螢幕的透明度。而OLED的結構在實現透明化時,天然不具有前面提到的這些阻礙——就連同時在推透明LCD與透明OLED產品的ProDisplay都特別提到,「一般的透明LCD螢幕需要背光來實現可視畫面,而透明OLED螢幕是由數百萬自發光的像素構成的。這創造了全新的創新領域…」而且因為OLED層級結構簡單,做薄也更容易。

 

OLED的螢幕結構此前我們不止一次撰文探討過,一般的AMOLED顯示器,拋開TFT backplane不說,主要層級結構包括了基板(substrate),陰極層(cathode)、有機分子層(包括發射層、導電層)、陽極層(anode),如上圖所示。這是一個通電就自發光的結構,並不需要額外的背光。

如前文所述,這些不同層原本就有透明屬性。大約當代面板製造商,都有將不同層進一步做透明的技術。這部分具體的技術細節我們就不得而知了。但前文提到的小米透明電視、地鐵車窗透明螢幕都是OLED面板,就不難想見如今實現透明顯示器的主流在往哪個方向走了。

 

上圖左側示意的是在透明OLED螢幕顯示從白到黑的漸變圖案時的樣子。

(圖片來源:Planar Systems)

在LCD與OLED透明螢幕路線的選擇問題上,還有一個細節問題,即對黑色與白色的顯示。由於兩者發光機制上的差異,透明OLED螢幕在顯示純黑色時,呈現為透明狀態——因為OLED的發光原理是在顯示黑色時停止工作,所以自然就變透明(或不發光)了。

某些透明LCD螢幕可呈現黑色,對白色表現為透明——類似於早年的幻燈機,這也是由其工作機制決定的(LCD呈現白色時,液晶分子讓所有背光通過,像素為關閉狀態);當然透過更多技術輔助也可以規避這個問題。

ProDisplay的LCD透明螢幕展示

ProDisplay的LCD透明螢幕展示

針對黑色的透明顯示,通常在畫面表現力上會更有價值,不僅是因為黑色背景更易於融入環境(比如在暗光環境下觀賞),而且在金色、銀色這類亮色的呈現上,也會明顯更有利,顯著優於將白色透明顯示的透明螢幕。另外,黑色部分透明化也是對視覺體驗的加強。2019年松下在展示OLED透明電視時,還在後方多加了一塊黑色面板,用以加強黑色呈現。

這一點對於透明顯示器的固有使用場景,比如商店櫥窗物品展示輔助,以及各種零售體驗加強,都是黑色顯示透明化,以及加強亮色顯示顯得更有價值。這也是OLED透明螢幕更有發展前途的一部分原因。

增加透明度的各種努力

雖然我們並不十分清楚,不同透明顯示面板製造商在針對面板各層級透明度優化上的具體方案,但過去的一些資料與論文,還是有透露業界在面板某些層級上實現更高透光率時的努力。比如說前文提到松下透明電視,就有應用透過電流控制透明度的層結構:通電時透明,不通電透明度降低(如下圖);再比如顯示器backplane部分的TFT層。

 

(來源:松下 via 日經)

 

在探討柔性螢幕技術時,TFT層也是我們探討的一個重點,畢竟這裡是半導體彙聚的地方。AMOLED主動陣列像素電路至少包含了薄膜電晶體、儲存電容。根據所需的顯示亮度、OLED效率和各種參數,驅動電路會佔據像素一個比較可觀的尺寸。TFT也因此成為限制透明度的一個重要因素。

十多年前就已經有針對透明顯示面板TFT backplane的替代材料或改良技術研究了。當年材料研究領域的學者曾提到採用氧化鋅和氧化銦(IZO)奈米線的透明電晶體,用以替代非晶矽和多晶矽電晶體,因為IZO是透明的(首先將IZO閘電極沉積到玻璃上,在表面應用一種奈米線解決方案,再在奈米線兩側沉積ITO源極和漏極)[12]。不過當時就有諸多工程實施上的問題,所以未知如今業界在這方面的進展。

起碼當年的松下透明電視,以及如今小米透明電視,湊近了仔細看仍然是可以看到細密的網格嵌入在玻璃之中的。

 

(來源:小米電視)

 

不過小米透明電視的網格,與其像素改進又有著很大的關係。這就是近代OLED透明螢幕增加透明度的努力了。小米在官方部落格已經專門撰文闡述了增加透明度的方案:「透明OLED的像素中除了常規OLED螢幕中的WRGB 4個子像素外,還增加了近50%區域的『透明子像素』、『透明子像素+WRGB子像素』組成了透明OLED螢幕的單個像素,這樣結構的像素在這塊55英吋的透明螢幕上擁有1920X1080=2073600個。」

換句話說,每個像素都有一部分是透明的,不參與顯像。如此一來就能進一步增大螢幕的透明度了。這個說法與LG的官方解釋完全一致;LG提到「關鍵在獨立的玻璃基板增加到了color filter之上,」這麼做可使至多40%的光通過。(The key component is the separate glass substrate which is added to the color filter to allow up to 40 percent of light to pass through.)

另外,電路部分是疊在RGBW像素後方的,這樣也就讓「透明子像素」有了更高的光透過率(當然也有類似的方案是RGB子像素,再加透明區域)。但似乎也是因為這個原因,致其像素密度無法做到太高。小米透明電視雖然有55吋的螢幕尺寸,但解析度卻是1,080p。

除此之外,理論上以這種結構方案來看,雖然從電視後方觀看也能看到畫面,但色彩表現應該會打較大程度的折扣。Planar System的內容開發者文檔也提到,應用類似的方案,從電視後方看畫面相比前方,會有25%的對比度和亮度損失。畢竟電路部分是在後方的,即便它們足夠細密。

應用方向在哪裡?

小米將透明電視價格控制在5萬人民幣以內,似乎已經是「透明螢幕走進百姓家」的開端了。只是從實用性的角度來說,如小米這類透明電視的實際顯示效果,比如今主流電視差得略有點遠:尤其我們在上海小米旗艦店的展示廳看透明電視,雖的確未來感十足,但在普通家居燈火通明環境下,加上凌亂背景,電視畫面的確很難看清楚。

唯有暗光環境下,透明電視才有其一席之地。除非是有錢人,純粹將其作為裝飾品買回家(畢竟那些會買幾時上百萬OLED電視的主,應該也不會在意區區5萬塊錢),否則它作為日常家庭娛樂設備,還是處處受限的。

三星2015年推出的透明電視

三星2015年推出的透明電視

從LG為其透明面板的定位來看,這樣一款產品原本就不是主要為家庭娛樂服務的。除了本文開頭提到,它作為地鐵列車資訊互動工具,其更多應用在電子看板、商品/展品輔助展示等,其品名就叫「LG Transparent OLED Signage」,作為零售店內商品輔助展示還是頗有吸睛效果,例如作為商品櫥窗展示,融入到櫥窗玻璃中,就創造了各種有趣的展示場景,很類似擴增實境。像是櫥窗中展示防水手錶,櫥窗玻璃就可以顯示水和氣泡,用於表現商品的應用場景;再者如針對某個商品的文字介紹,甚至可以與顧客做觸控互動。LG今年3月就提到,已經將其應用到了韓國國立古宮博物館,以懸浮影像的方式來輔助展示歷史文物。

另外,LG在推廣其透明顯示器時預設的一個方案,是將此顯示器與「視訊牆OLED Signage」做結合,即後方還有個視訊牆OLED看板,前方再放上透明顯示器:這樣兩者在共同顯示畫面時,能夠營造沉浸式的3D觀感。

隨著透明顯示技術的愈發成熟,或許我們很快就能在很多高檔零售店以及公共基礎設施中,看到這些透明顯示器的存在了,就像地鐵中的列車玻璃窗那樣。不過它大概還不會很快進入到我們的家庭娛樂中,畢竟其實用性實在是不怎麼樣。

最後值得一提的是,本文僅探討了透明顯示器自身,而未涉及到更多周邊問題,比如說LG在推的這些透明螢幕可加入觸控層,這在透明化方案裡可能還會有更多的挑戰;以及在系統設計上,作為「透明電視」以及透明資訊互動介面,除了顯示器本身,還有電源、控制、資料處理之類的緊湊設計問題,這些也都是在構建透明顯示系統時需要考慮的問題。

 

本文原刊於EE Times China網站

 

掃描或點擊QR Code立即加入 “EETimes技術論壇” Line 群組 !

 EET-Line技術論壇-QR

發表評論