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透明电视是如何实现的?

2020-08-26 黄烨锋 阅读:
最近深圳地铁6号、10号线,北京地铁6号线的列车玻璃窗上,出现透明显示屏的新闻挺抓人眼球,这些与车窗融为一体的透明显示屏不仅能够显示天气、站点信息,还能上网、看视频、逛网店。加上小米在前不久的10周年发布会上推出了售价5万元的透明电视,又让“透明显示”技术的热度升了温,实际上,透明显示技术的发展少说也有10年往上了……

最近深圳、北京地铁的列车玻璃窗上,出现透明显示屏的新闻挺抓人眼球:深圳地铁6号、10号线,北京地铁6号线车窗都出现了这种“智能列车乘客服务系统”[1][2]。这些与车窗融为一体的透明显示屏不仅能够显示天气、站点信息,还能上网、看视频、逛网店。FyCednc

加上小米在前不久的10周年发布会上推出了售价5万元的透明电视,又让“透明显示”技术的热度升了温。从国内媒体的部分报道,以及供应链上的消息来看,基本可以明确这些透明显示面板来自LG Display。供应透明显示面板的厂商现如今并不算多,据说三星就已经在2016年决定不再继续生产此类面板[3]。到如今这类产品都远算不上普及。FyCednc

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实际上,透明显示技术的发展少说也有10年往上了。似乎每隔一段时间,或多或少我们总能在展会上看到透明电视或显示屏的身影。它们形态各异,可以是透明电视,也可以是透明柜门,还可以是透明手机。FyCednc

2009年索爱还存在于世时,就有一款名为Xperia Pureness X5的透明屏手机格外引人注目,因为其透明屏幕在那个时代实在太炫酷了——即便这款手机并未大规模量产,而且还只是个功能机。FyCednc

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Xperia Pureness手机,来源:Pocket-lintFyCednc

而透明显示屏上次如此抓人眼球还是在2016年的CES展会上,松下展示了一款以柜门形式出现的透明显示屏,号称“隐形的电视”;在日常不开启时,看起来就只是个普通的透明玻璃柜门。而在打开之后就是台能显示动态画面的电视。[4]去年松下再次展示了其透明OLED电视,不过当时也仍然是概念产品状态。FyCednc

这类产品如此具有话题性,大概源于其十分饱满的未来科技感——毕竟科幻电影中,总能看到各种高端的透明显示屏。这在漫威这些年的超级英雄电影中就十分常见。我们尝试通过这篇文章来简单谈谈,透明显示屏的基本原理,以及它离走进我们的日常生活还有多远。FyCednc

透明显示屏?自己就能DIY

透明显示技术的方向比较多样,比如LCD、OLED就都能做到透明化。这里我们抛开一些非常规的透明显示技术不谈,比如说谷歌眼镜、微软HoloLens那样的透明显示技术:这类现实增强型AR眼镜类产品,有时还带有3D显示属性。FyCednc

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来源:Geng, Jason. "Three-dimensional display technologies." Advances in optics and photonics 5.4 (2013): 456-535FyCednc

比如上图这种AR现实增强眼镜,它通过镜片的部分反射特性,特别针对左右眼来达成3D画面观感,与此同时还确保看到眼镜外的现实世界。这本身就是透明显示(see-through display)的一类方案,但不是我们要在本文探讨的重点。FyCednc

另外,MIT一直在致力于开发一种被动透明显示系统,用的是纳米粒子技术——这种方案采用一个投射器作为外部光源,来投射画面到透明介质之上(这种透明介质嵌入了一种纳米粒子,可以部分显示投射的画面)。当前还有一些透明显示技术也会采用类似的投射方案。这些方案成本更低,但也并非透明显示屏的主流,至少现在还不是。FyCednc

这两年我们看到比较多的透明显示屏,通常都是LCD或OLED透明显示屏。感觉又回到了我们前不久探讨柔性屏时,分成OLED柔性屏LCD柔性屏两个方向做探讨的时候。那么这两种面板是如何做到透明的呢?FyCednc

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这里不花过多笔墨去谈LCD与OLED两类屏幕的结构,需要有个基本的概念是:无论是哪种面板,它们都是多层堆叠结构。显示屏分成很多不同的层,每层发挥不同的作用——将这许多层叠在一起就构成了面板和显示屏。LCD与OLED的区别就在构成两类面板的层级结构是大不相同的。FyCednc

如我们在柔性屏介绍文章中提到的,要实现显示屏柔性化,实质上也就是要求每一层都可弯曲;那么透明屏也是一样,要实现显示屏透明化,也就是每一层都必须是透明的(或者具有一定的透光率)。FyCednc

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来源:The Backoffice, YouTube[6]FyCednc

这一点对显示面板来说原本也可算得上是半个天然属性了。比如LCD屏的底部有背光层,背光层发光照亮位于上层的各个叠层——这至少就表明了传统LCD屏的大部分层原本就是透光的。YouTube上就有不少DIY视频,用于展示如何让你早就不用的屏幕变身透明显示屏[7]——利用的都是传统的LCD屏,将包括导光板在内的背光层拆除,然后利用自然光或其他光源作为背光来照亮屏幕,屏幕就自然成为半透明形态了,如上图所示。FyCednc

可见LCD屏原本就有做成透明屏的基础。至于OLED屏,佐证其透明的最简单实例,即在于现在的许多智能手机都支持屏下指纹识别(甚至有些还有屏下摄像头),这些指纹识别方案通常为光学指纹识别,也就是要求屏幕本身是透明的,才能达成在屏下依然可识别指纹的目的。这些屏幕一般都是OLED屏,足见OLED屏天然也具备了这种“透明”特性。(比如透明电极ITO铟锡氧化物材料;某些层是因为厚度足够薄所以表现为半透明)FyCednc

OLED透明屏大概会成为未来

显然,既然自己在家都能DIY透明显示屏,屏幕透明化就算不上什么黑科技。只不过这些年透明屏的研究也始终在持续,其核心问题应该是如何增加透明度或者屏幕的透光率。毕竟DIY的透明显示器,和如今的小米透明电视比起来,在透明度上还是差得远了。FyCednc

这理论上也是影响LCD与OLED两个透明化路线的重要问题。前文就提到LCD屏是需要背光的,这就为完整形态的LCD屏实现透明化造成了障碍。早年有一些LCD透明屏因此就去掉了背光系统,借助外部光源:无论是自然光,而是人造外部背光,来实现屏幕的可视化。与此同时,LCD还带两片偏振片(起偏器),这也是影响光透过率的组成部分。FyCednc

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JDI的透明LCD屏FyCednc

2017年,JDI(Japan Display Inc.)曾在SID 2017大会上介绍过自家的一款透明显示屏[8]。这种透明屏在大方向上仍属LCD,不过JDI为规避前面提到的问题,对面板发光结构和技术做了改进。首先背光安放在显示屏侧边(隐藏在边框内),导光的具体方案未知。国外媒体资料介绍提到采用“液晶单元前壁与后壁的内部反射,实现LED光扩散”,应该算是某种侧入式背光方案。另外由于背光、材料(能够支持在透明状态与散射状态间高速切换的“快速响应液晶材料”)及工作特性改进,这种LCD透明面板还去掉了偏振片和CF(color filter),以进一步提升透光率。FyCednc

早些年包括三星、LG、MMT等在内的供应商都推过透明LCD显示屏,多少都有对LCD自身的结构改进以增加屏幕的透明度。而OLED的结构在实现透明化时,天然不具有前面提到的这些阻碍——就连同时在推透明LCD与透明OLED产品的ProDisplay都特别提到,“一般的透明LCD屏需要背光来实现可视画面,而透明OLED屏是由数百万自发光的像素构成的。这创造了全新的创新领域…[9]”而且因为OLED层级结构简单,做薄也更容易。FyCednc

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OLED的屏幕结构此前我们不止一次撰文探讨过,一般的AMOLED显示屏,抛开TFT backplane不说,主要层级结构包括了基板(substrate),阴极层(cathode)、有机分子层(包括发射层、导电层)、阳极层(anode),如上图所示。这是一个通电就自发光的结构,并不需要额外的背光。FyCednc

如前文所述,这些不同层原本就有透明属性。大约当代面板制造商,都有将不同层进一步做透明的技术。这部分具体的技术细节我们就不得而知了。但前文提到的小米透明电视、地铁车窗透明屏幕都是OLED面板,就不难想见如今实现透明显示屏的主流在往哪个方向走了。FyCednc

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上图左侧示意的是在透明OLED屏显示葱白到黑的渐变图案时的样子,图片来源:Planar SystemsFyCednc

在LCD与OLED透明屏路线的选择问题上,还有一个细节问题,即对黑色与白色的显示。由于两者发光机制上的差异,透明OLED屏在显示纯黑色时,呈现为透明状态——因为OLED的发光原理是在显示黑色时停止工作,所以自然就变透明(或不发光)了。FyCednc

某些透明LCD屏可呈现黑色,对白色表现为透明——类似于早年的幻灯机,这也是由其工作机制决定的(LCD呈现白色时,液晶分子让所有背光通过,像素为关闭状态);当然通过更多技术辅助也可以规避这个问题。FyCednc

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ProDisplay的LCD透明屏演示FyCednc

针对黑色的透明显示,通常在画面表现力上会更有价值,不仅是因为黑色背景更易于融入环境(比如在暗光环境下观赏),而且在金色、银色这类亮色的呈现上,也会明显更有利,显著优于将白色透明显示的透明屏。另外,黑色部分透明化也是对视觉体验的加强。去年松下在展示OLED透明电视时,还在后方多加了一块黑色面板,用以加强黑色呈现[11]。FyCednc

这一点对于透明显示屏的固有使用场景,比如商店橱窗物品展示辅助,以及各种零售体验加强,都是黑色显示透明化,以及加强亮色显示显得更有价值。这也是OLED透明屏更有发展前途的一部分原因。FyCednc

增加透明度的各种努力

虽然我们并不十分清楚,不同透明显示面板制造商在针对面板各层级透明度优化上的具体方案,不过过去的一些资料与paper,还是有透露业界在面板某些层级上实现更高透光率时的努力。比如说前文提到松下透明电视,就有应用通过电流控制透明度的层结构:通电时透明,不通电透明度降低(如下图)[10];再比如显示屏backplane部分的TFT层。FyCednc

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来源:松下 via 日经FyCednc

在探讨柔性屏技术时,TFT层也是我们探讨的一个重点,毕竟这里是半导体汇聚的地方。AMOLED主动阵列像素电路至少包含了薄膜晶体管、储存电容。根据所需的显示亮度、OLED效率和各种参数,驱动电路会占据像素一个比较可观的尺寸。TFT也因此成为限制透明度的一个重要因素。FyCednc

十多年前就已经有针对透明显示面板TFT backplane的替代材料或改良技术研究了。当年材料研究领域的学者曾提到采用氧化锌和氧化铟(IZO)纳米线的透明晶体管,用以替代非晶硅和多晶硅晶体管,因为IZO是透明的(首先将IZO栅电极沉积到玻璃上,在表面应用一种纳米线解决方案,再在纳米线两侧沉积ITO源极和漏极)[12]。不过当时就有诸多工程实施上的问题,所以未知如今业界在这方面的进展。FyCednc

起码当年的松下透明电视,以及如今小米透明电视,凑近了仔细看仍然是可以看到细密的网格嵌入在玻璃之中的。FyCednc

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来源:小米电视FyCednc

不过小米透明电视的网格,与其像素改进又有着很大的关系。这就是近代OLED透明屏增加透明度的努力了。小米在官方博客已经专门撰文阐述了增加透明度的方案:“透明OLED的像素中除了常规OLED屏幕中的WRGB 4个子像素外,还增加了近50%区域的‘透明子像素’,‘透明子像素+WRGB子像素’组成了透明OLED屏幕的单个像素,这样结构的像素在这块55英寸的透明屏幕上拥有1920X1080=2073600个。”[13]FyCednc

换句话说,每个像素都有一部分是透明的,不参与显像。如此一来,就能够进一步增大屏幕的透明度了。FyCednc

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来源:LGFyCednc

这个说法与LG的官方解释[14]完全一致,LG提到“关键在独立的玻璃基板增加到了color filter之上”,这么做可使至多40%的光通过。(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.)FyCednc

另外,电路部分是叠在RGBW像素后方的,这样也就让“透明子像素”有了更高的光透过率(当然也有类似的方案是RGB子像素,再加透明区域)。但似乎也是因为这个原因,致其像素密度无法做到太高。小米透明电视虽然有55寸的屏幕尺寸,但分辨率却是1080p。FyCednc

除此之外,理论上以这种结构方案来看,虽然从电视后方观看也能看到画面,但色彩表现应该会打较大程度的折扣。Planar System的内容开发者文档[15]也提到,应用类似的方案,从电视后方看画面相比前方,会有25%的对比度和亮度损失。毕竟电路部分是在后方的,即便它们足够细密。FyCednc

应用方向在哪里?

小米将这台透明电视价格控制在5万以内,似乎已经是透明屏走进百姓家的开端了。只是从实用性的角度来说,如小米这类透明电视的实际显示效果,比如今主流电视差得略有点远:尤其我们在上海小米旗舰店的展示厅看透明电视,虽的确未来感十足,但在普通家居灯火通明环境下,加上凌乱背景,电视画面的确很难看清楚。FyCednc

唯有暗光环境下,才有其一席之地。除非是有钱人,纯粹将其作为装饰品买回家(毕竟那些会买几时上百万OLED电视的主应该也不会在意区区5万块钱),否则它作为日常家庭娱乐设备,还是处处受限的。FyCednc

从LG为其透明面板的定位来看,这样一款产品原本就不是主要为家庭娱乐服务的。除了本文开头提到,它作为地铁列车信息交互工具,其更多应用在电子看板、商品/展品辅助展示等。其品名就叫“LG Transparent OLED Signage”。作为零售店内商品辅助展示,还是颇吸引眼球的,比如作为商品橱窗展示,融入到橱窗玻璃中,就创造了各种有趣的展示场景,很类似于现实增强。FyCednc

例如橱窗中展示防水手表,则橱窗玻璃就可以显示水和气泡,用于表现商品的应用场景。再比如针对某个商品的文字介绍,甚至可以与顾客做触控互动。LG今年3月就提到,已经将其应用到了韩国国立古宫博物馆,以悬浮影像的方式来辅助展示历史文物。FyCednc

另外,LG在推广其透明显示屏时预设的一个方案,是将此显示屏与“视频墙OLED Signage”做结合。即后方还有个视频墙OLED看板,前方再放上透明显示屏:这样两者在共同显示画面时,能够营造沉浸式的3D观感。FyCednc

随着透明显示技术的愈发成熟,或许我们很快就能在很多高端零售店,以及公共基础设施中看到这些透明显示屏的存在了,就像地铁中的列车玻璃窗那样。不过它大概还不会很快进入到我们的家庭娱乐中,毕竟其实用性实在是不怎么样。FyCednc

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三星2015年推出的透明电视FyCednc

最后值得一提的是,本文仅探讨了透明显示屏自身,而未涉及到更多周边问题,比如说LG在推的这些透明屏可加入触控层,这在透明化方案里可能还会有更多的挑战;以及在系统设计上,作为“透明电视”以及透明信息交互界面,除了显示屏自身,还有电源、控制、数据处理之类的紧凑设计问题。这些也都是在构建透明显示系统时需要考虑的问题。FyCednc

参考来源:11FyCednc

[1] 北京地铁魔窗系统升级:将安装“小米透明电视” - 新浪科技FyCednc

(https://tech.sina.cn/2020-08-22/detail-iivhvpwy2448845.d.html)FyCednc

[2] 深圳地铁用上“透明电视” – 新浪科技FyCednc

(https://tech.sina.com.cn/e/2020-08-19/doc-iivhuipn9359049.shtml)FyCednc

[3] Samsung Display reportedly decided to halt transparent OLED production - OLED-infoFyCednc

(https://www.oled-info.com/samsung-display-reportedly-decided-halt-transparent-oled-production)FyCednc

[4] This Futuristic "Invisible TV" Looks Just Like A Piece Of Glass When Turned Off! - steemitFyCednc

(https://steemit.com/news/@sirwinchester/this-futuristic-invisible-tv-looks-just-like-a-piece-of-glass-when-turned-off)FyCednc

[5] Geng, Jason. "Three-dimensional display technologies." Advances in optics and photonics 5.4 (2013): 456-535FyCednc

(https://www.osapublishing.org/viewmedia.cfm?seq=0&uri=aop-5-4-456)FyCednc

[6] Transparent TFT panel from monitor – The BackofficeFyCednc

(https://www.youtube.com/watch?v=fSCK6u0tVgc)FyCednc

[7] How i made my Own Transparent tv/ Monitor – RemtechFyCednc

(https://www.youtube.com/watch?v=iJjQzRekVxw)FyCednc

[8] Japan Display reveals details on its transparent liquid-crystal display – LaserFocusWorldFyCednc

(https://www.laserfocusworld.com/detectors-imaging/article/16569450/japan-display-reveals-details-on-its-transparent-liquidcrystal-display)FyCednc

[9] Transparent OLED Screen – ProDisplayFyCednc

(https://prodisplay.com/products/transparent-oled-screen/)FyCednc

[10]  パナソニックの透明スクリーン、発端は“存在感が無いテレビ” – 日经FyCednc

(https://xtech.nikkei.com/dm/atcl/event/15/090600076/100300019/)FyCednc

[11] Panasonic’s Stunning Transparent OLED TV Looks Like a Piece of Art – tom’s guideFyCednc

(https://www.tomsguide.com/news/panasonics-stunning-transparent-oled-tv-looks-like-a-piece-of-art)FyCednc

[12] See-Through Transistors - MIT Technology ReviewFyCednc

(https://www.technologyreview.com/2007/06/04/37147/see-through-transistors/)FyCednc

[13] 如何让一台电视变得透明?- 小米电视FyCednc

(https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404539221779284220#_0)FyCednc

[14] Transparent OLED?! Micro LED?! LG’s Next Generation Digital Signage on a Whole New Level - LG Information DisplayFyCednc

(https://www.youtube.com/watch?v=2fPDOP90nwg&t=61s)FyCednc

[15] Planar LookThru Transparent OLED Display Content Developer’s Guide – Planar SystemFyCednc

(https://www.planar.com/media/438041/020-1316-00b_planar_lookthru_transparent_oled_content_developers_guide.pdf)FyCednc

责编:赵明灿FyCednc

(本文授权转载自EDN姊妹网站《电子工程专辑》,原文链接:透明电视是怎么做成透明的?其实你也可以DIY)FyCednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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