Besteht die Möglichkeit, eine hohe Bildqualität zu erreichen, darin, Pixel zu stapeln?

Ob bei der Arbeit oder beim Faulenzen: Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass die „Arbeiter“ von heute nicht mehr auf den leuchtenden Bildschirm vor ihnen verzichten können. Waren Sie jedoch bei der Verwendung schon einmal neugierig auf die „kleinen Punkte“ auf dem Bildschirm?

Diese „kleinen Punkte“ sind tatsächlich Pixel und die Bildschirmdarstellung hängt vollständig von ihnen ab!

Die Pixelzellengröße beträgt 10 Mikrometer (0,01 mm). Bildquelle: Referenz [1]

Kürzlich hat ein Team von Doktoranden des MIT eine neue Pixeleinheit hergestellt, wie oben gezeigt. Diese Pixeleinheit ist an sich bunt und es ist nicht erforderlich, mehrere monochrome Subpixel zu verwenden, um ein Farbpixel zu bilden . Darüber hinaus kann durch vertikales Stapeln auch die Größe der Pixel reduziert werden. Diese Errungenschaft bietet eine Lösung für die Entwicklung von Displays mit kleineren und klareren einzelnen Pixeln.

Kleiner Bildschirm

Wie viele Arten von Licht können ausgestrahlt werden?

Mithilfe einer Lupe oder eines Mikroskops können Sie die Details des Computer- und Handydisplays wie folgt beobachten:

Karte: Gesalzener Fisch im Meer

Wie im Bild oben gezeigt, bestehen Mobiltelefone, Computer und Fernsehbildschirme aus einer großen Anzahl „kleiner Lichtperlen“ in Rot, Grün und Blau. Die Frage ist also: Wenn das vom Handybildschirm vor uns ausgestrahlte Licht nur drei Farben hat, warum kann der Bildschirm, den wir sehen, so viel mehr Farben anzeigen? Wie das Bild unten zeigt, scheint es uns, dass es weit mehr als drei Farben enthält.

Karte: Gesalzener Fisch im Meer

Die Antwort auf die Frage lautet: Das menschliche Sehen ist ein subjektives Gefühl. Farbe ist ein subjektives Gefühl, das vom menschlichen Gehirn als Reaktion auf die Lichtreize erzeugt wird, die die Augen empfangen.

Von Rot, Grün und Blau bis hin zu Bunt

Was ist in der Zwischenzeit passiert?

Lassen Sie uns zunächst über sichtbares Licht sprechen. Sichtbares Licht ist elektromagnetische Strahlung, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Man hat detaillierte Klassifizierungen elektromagnetischer Strahlung auf Grundlage ihrer Wellenlängeneigenschaften vorgenommen. Als sichtbares Licht bezeichnet man elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 400 bis 700 Nanometern. Dieser Bereich ist eine gängige Definition. Wenn Menschen jung sind, können ihre Augen ein breiteres Spektrum elektromagnetischer Strahlung wahrnehmen.

Ein Diagramm des sichtbaren Spektrums mit den entsprechenden Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung unter den Farben. Bildquelle: Wikipedia

Das menschliche Auge kann Farben unterscheiden, weil es in der Netzhaut drei Arten von Zapfenzellen gibt: L-Zellen, M-Zellen und S-Zellen. Sie reagieren unterschiedlich empfindlich auf unterschiedliche Wellenlängen des Lichts. S-Zellen reagieren am empfindlichsten auf Licht mit einer Wellenlänge von etwa 450 Nanometern; M-Zellen reagieren am empfindlichsten auf Licht mit einer Wellenlänge von 540 Nanometern; und L-Zellen reagieren am empfindlichsten auf Licht mit einer Wellenlänge von 570 Nanometern.

Unabhängig davon, wie komplex die Komponenten des von den Augen empfangenen Lichts sind, geben die Augen letztendlich elektrische Signale an das Gehirn weiter, die je nach Stimulationsgrad von drei Arten von Zapfenzellen erzeugt werden . Diese elektrischen Signale werden „Tristimuluswerte“ genannt. Aus der Größe der drei Reizwerte bildet das Gehirn eine Farbempfindung. Die Kombination aller drei Reizwerte bestimmt die Anzahl der Farben, die der Mensch unterscheiden kann. Der Mensch kann etwa 10 Millionen verschiedene Farben unterscheiden. Im Gegensatz dazu haben Hunde nur zwei Arten von Zapfen und können nur Blau und Gelb wahrnehmen. In der Welt eines Hundes gibt es nur Gelb, Grau und Blau.

Sie hätten nie gedacht, dass unsere Augen so mächtig sein könnten!

Wenn wir verstehen, wie Menschen Farben wahrnehmen, können wir sie nutzen. Die Farbwahrnehmung basiert auf den drei Reizwerten, die von Zapfenzellen erzeugt werden. Bei Licht unterschiedlicher Komponenten sind die Farben für das menschliche Auge gleich, solange die drei Reizwerte gleich sind .

Die Zusammensetzung des Lichts ist unterschiedlich, für das menschliche Auge erscheinen sie jedoch als gleichfarbig. Karte: Gesalzener Fisch im Meer

Zwei Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen können die von ihnen induzierten Tristimuluswerte ändern, indem sie ihre jeweiligen Lichtintensitäten anpassen. Dadurch ist das menschliche Gehirn in der Lage, viele Farben wahrzunehmen. Obwohl zwei Wellenlängen von Lichtquellen unterschiedliche Farbempfindungen hervorrufen können, sind diese nicht kräftig genug. Durch die Kombination dreier Wellenlängen von Lichtquellen kann ein Farbeindruck erzeugt werden, der ausreicht, um alle Farben abzudecken, die das menschliche Auge wahrnehmen kann.

Die Farben der Lichtquellenkombination selbst nennen wir die drei Primärfarben . Die drei Grundfarben des Bildschirms sind Rot, Grün und Blau. Dies wird durch die Reaktionseigenschaften der menschlichen Sehzellen bestimmt. Die Zapfenzellen des menschlichen Auges reagieren empfindlicher auf diese drei Farben. Durch die Verwendung dieser drei Farben kann eine Anzeige mit hoher Helligkeit bei geringerem Stromverbrauch erreicht werden (es können auch andere drei Farbkombinationen verwendet werden, und die Kombination aus Rot, Grün und Blau wird im Bildschirmbereich häufig verwendet).

Die Größe der Lichtquelle ist wichtig

Quantitativer Wandel führt zu qualitativem Wandel

Tatsächlich reicht es nicht aus, drei Wellenlängen von Lichtquellen zu kombinieren. Damit die Farben für das menschliche Auge ständig wechselnd erscheinen, gibt es einen weiteren sehr wichtigen Parameter: die Größe .

Nehmen wir das Fernsehen als Beispiel. Beim Fernsehen ist das menschliche Auge etwa 3 Meter vom Fernsehbildschirm entfernt und das Bild ist sehr klar. Aber wenn wir den Fernsehbildschirm aus der Nähe betrachten, können wir die bunten Pixel erkennen, aus denen der Bildschirm besteht.

Ähnlich verhält es sich mit den Großbildschirmen in Einkaufszentren. Wenn Sie genau hinsehen, werden Sie feststellen, dass der Bildschirm aus sojabohnengroßen bunten (roten, grünen und blauen) LED-Lampenperlen besteht. Wenn Sie diesen Bildschirmtyp aus der Entfernung betrachten, sehen Sie den normalen Anzeigeinhalt. Wenn Sie aus der Nähe auf einen Teil des Bildschirms schauen, sehen Sie eine bunte Punktmatrix, die aus vielen kleinen Lichtperlen besteht .

Warum passiert das? Dies hängt mit der eingeschränkten Fähigkeit des menschlichen Auges zusammen, Objekte zu unterscheiden.

Der Winkel, den die Lichtquelle zum menschlichen Auge bildet, ist kleiner als der minimale Auflösungswinkel des menschlichen Auges. Der minimale Auflösungswinkel eines Menschen beträgt etwa 0,0167 Grad. Die minimale laterale Auflösungsdistanz des menschlichen Auges bei unterschiedlichen Beobachtungsabständen ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Wenn der Bildschirm weit vom menschlichen Auge entfernt ist, kann das menschliche Auge einzelne Lampenperlen unterschiedlicher Farbe nicht unterscheiden. Die drei Farben der Lampenperlen erscheinen dem menschlichen Auge als ein einziger bunter heller Punkt, und die Farbe des hellen Punkts wird durch die Helligkeit der drei Farben der Lampenperlen bestimmt.

Karte: Gesalzener Fisch im Meer

Wenn beispielsweise die auf einem Mobiltelefon angegebene Auflösung 2400 × 1080 beträgt, bedeutet dies, dass die lange Seite des Telefons 2400 Pixel aufweist (jedes Pixel besteht aus drei leuchtenden Subpixeln: Rot, Grün und Blau) und die kurze Seite 1080 Pixel aufweist. Die Pixelgröße selbst muss kleiner sein als die minimale horizontale Auflösungsdistanz des menschlichen Auges, um einen besseren Anzeigeeffekt zu erzielen.

Karte: Gesalzener Fisch im Meer

In der oben gezeigten Bildschirmmikroskopie besteht ein Pixel aus vier Subpixeln. Die Lichtintensität jedes Subpixels kann einzeln gesteuert werden. Die Größe der Pixel bestimmt den Detailgrad der auf dem Bildschirm angezeigten Inhalte.

Kleinere Pixel

Eine detailliertere virtuelle Welt

Je kleiner die Pixel des Bildschirms sind, desto klarer können die Bilddetails angezeigt werden . Auf Bildschirmen mit unterschiedlichen Pixelgrößen wird die gleiche Form angezeigt. Auf einem Bildschirm mit kleiner Pixelgröße erscheint das Muster feiner und das Seherlebnis ist besser.

Bei der Anzeige eines Bildes gilt: Je kleiner die Pixelgröße (linkes Bild), desto schärfer sind die Bildränder. Karte: Gesalzener Fisch im Meer

Das Aufkommen von VR-Brillen ermöglicht es Menschen, in die virtuelle Welt einzutauchen. VR kann dreidimensionale Inhalte anzeigen und das Seherlebnis kommt der realen Welt sehr nahe. 1968 wurde in einem Labor das erste VR-Display entwickelt. Aufgrund der damaligen technischen Gegebenheiten waren VR-Anzeigegeräte jedoch sehr groß und teuer und konnten nicht im großen Maßstab eingesetzt werden.

Erst 2014 brachten die Ingenieure von Google Cardboard auf den Markt, ein einfaches Gerät, mit dem Benutzer VR-Displays erleben können, indem sie ein Mobiltelefon hineinlegen. Viele Menschen haben durch diese kleine Box die enormen Vorteile der VR-Displaytechnologie erlebt. Dank der rasanten Weiterentwicklung der Bildschirmherstellungstechnologie können Sie heute einen VR-Monitor mit hervorragenden Anzeigeeffekten für nur 3.000 Yuan kaufen. Vor drei Jahren hätte ein VR-Monitor mit vergleichbarer Leistung Zehntausende Yuan gekostet.

Bildquelle: Wikipedia

Die Bildschirmstruktur eines VR-Displays besteht aus zwei kleinen Displays in der Nähe der Augen und einigen optischen Linsen. Je näher das Display am menschlichen Auge ist, desto größer ist die Herausforderung, der es ausgesetzt ist. Wie bereits erwähnt, können umso feinere Strukturen erkannt werden, je näher das Objekt an den Augen ist. Cardboard ermöglicht zwar ein immersives Erleben der virtuellen Welt, weist aber auch einen Makel auf: Die Pixel des Mobiltelefons sind zu groß. Obwohl die beobachtete Landschaft dreidimensional ist, wirkt sie nicht fein und wirkt körnig, als würde man auf den Bildschirm eines Taschenrechners schauen .

Die Bildschirmanzeigetechnologie hat eine jahrzehntelange Entwicklung durchlaufen und die Pixelgröße ist immer kleiner geworden. Allerdings scheint die vorhandene Technologie im Bereich der VR-Anzeigegeräte noch immer ausgereizt zu sein und wird in absehbarer Zukunft kaum in der Lage sein, die Anforderungen der Menschen zu erfüllen. Glücklicherweise haben Wissenschaftler eine neue Idee: Wenn es gelingt, Subpixel so zu gestalten, dass sie Vollfarbe anzeigen, kann jedes Subpixel eine unabhängige Pixeleinheit sein, wodurch die Pixelgröße sofort um mehr als die Hälfte reduziert wird .

Mikroskopische Aufnahme eines Querschnitts vertikal gestapelter Bildschirme. Bildquelle: Referenz [1]

Der Schlüssel zur Vollfarbanzeige mit einem einzelnen Pixel ist das Stapeln. Durch die Überlappung der drei Pixel Rot, Grün und Blau wird die horizontale Größe erheblich reduziert. Mit dieser Methode produzierte das Team ein Display mit rekordverdächtig hoher Pixeldichte und Leistungsparametern, die die strengen Anforderungen von AR/VR-Geräten erfüllen.

Das ist leichter gesagt als getan. Jede Iteration der Displaytechnologie erfordert enorme Kapitalinvestitionen und zahlreiche technische Herausforderungen. Der Mensch verlässt sich bei der Aufnahme von bis zu 80 Prozent externer Informationen auf seine Augen. Durch die Einführung von Displays können wir Dinge und Szenen auf der ganzen Welt betrachten, ohne das Haus verlassen zu müssen. Der moderne Mensch verbringt die meiste Zeit seiner wachen Zeit damit, auf verschiedene Bildschirme zu starren und dabei auf große Bereiche mit blinkenden roten, grünen und blauen Farben zu starren.

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, werden Sie vor dem Bildschirm meiner Meinung nach wissen, dass auf diesem kleinen Bildschirm eine Menge Wissen verborgen ist!

Verweise

[1] Vertikale vollfarbige Mikro-LEDs durch 2D-materialbasierten Schichttransfer[J]. Natur.

[2] Davson Hugh. 1972. Die Physiologie des Auges. Burlington: Elsevier Science.

[3] Yu Daoyin, Tan Hengying. Grundkurs Technische Optik[M]. Maschinenbaupresse, 2007.

[4] Gross H. Handbuch der optischen Systeme. Wiley-VCH, 2008.

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_reality#

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Google_Cardboard

Planung und Produktion

Produziert von Science Popularization China

Hergestellt von Salted Fish in the Sea, Master of Optics vom Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produzent: China Science Expo

Herausgeber: Cui Yinghao