E-Paper, 3D-Anzeige mit bloßem Auge ... wie wird die Anzeige der Zukunft aussehen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Zhihao

Hersteller: China Science Expo

Das Bedürfnis des Menschen nach Ton, Licht und Farbe hat zu einer Vielfalt an Informationsträgern geführt und auch die Anzeigetechnologie hat sich stark weiterentwickelt. Plasmafernseher, LED-Fernseher, LCD-Monitore … das sind die ausgereifteren Anzeigemethoden, mit denen wir vertrauter sind. Darüber hinaus halten einige futuristische neue Anzeigetechnologien allmählich Einzug in unser Leben.

1. Quantenpunkt-Displaytechnologie

Quantenpunkte sind nulldimensionale punktförmige Nano-Halbleitermaterialien, die über zahlreiche neuartige elektronische und optische Eigenschaften verfügen und in vielen Bereichen, beispielsweise der Displaytechnologie, eingesetzt werden können. Es gibt zwei Hauptanzeigetechnologien, die Quantenpunkte verwenden: Quantenpunkt-Flüssigkristallanzeigen (QD-LCD) basierend auf Flüssigkristallanzeigetechnologie und Quantenpunkt-Leuchtdiodenanzeigen (QLED) basierend auf OLED.

QLED-Fernseher

(Bildquelle: Wikipedia/Bretwa)

QD-LCD nutzt hauptsächlich das Photolumineszenzprinzip von Quantenpunkten. Nachdem das von der LED-Lichtquelle im Hintergrundbeleuchtungsmodul emittierte blaue Licht den Quantenpunktfilm passiert hat, wird ein Teil davon von den Quantenpunkten in grünes und rotes Licht umgewandelt. Diese drei Lichtfarben werden in die weiße Hintergrundbeleuchtungsquelle des LCD gemischt.

Die Lichtquelle herkömmlicher LCDs ist im Allgemeinen eine LED, das von ihr ausgestrahlte Farblicht ist jedoch nicht rein. Das von Quantenpunkten ausgestrahlte grüne und rote Licht ist reiner als das von LEDs ausgestrahlte. Daher ermöglicht die Hinzufügung eines Quantenpunktfilms, dass LCDs realistischere Bildfarben und natürlichere Farbübergänge anzeigen können.

Das Prinzip des QD-LCD (von links nach rechts: Die LED-Lichtquelle strahlt blaues Licht aus, das durch den Quantenpunktfilm dringt und verschiedene Farben auf dem Bildschirm anzeigt)

(Bildquelle: Lee J H. QD Display: Eine bahnbrechende Technologie für die Displayindustrie[J]. Information Display, 2020, 36(6): 9-13.)

QLED nutzt hauptsächlich das Elektrolumineszenzprinzip von Quantenpunkten. Es steuert die Quantenpunkte selbst durch Spannung zur Emission der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau und wandelt diese drei Farben durch räumliche Farbmischung in Pixel unterschiedlicher Farbe um.

Das Leuchtprinzip von QLED ähnelt stark dem der heute üblichen OLED-Bildschirme, mit der Ausnahme, dass das leuchtende organische Material in OLED in Quantenpunktmaterial umgewandelt wird. Dadurch verfügt QLED auch über fast alle Vorteile von OLED und hat eine längere Lebensdauer und Helligkeit als OLED. Tatsächlich handelt es sich bei QLED also um eine fortgeschrittenere Anwendung von Quantenpunkten im Bereich der Displaytechnologie.

Allerdings sind Quantenpunktdisplays derzeit noch selten auf dem Markt, teuer und befinden sich noch in der Optimierungsphase. Allerdings bietet sie zahlreiche Vorteile, die andere Technologien nicht bieten können, und ist daher auch ein Hotspot für die Unternehmensforschung und -anwendung.

2. Laser-Display-Technologie

Als eine weitere großartige Erfindung der Menschheit im 20. Jahrhundert nach der Atomenergie, dem Computer und dem Halbleiter gilt der Laser als „das schnellste Messer“, „das genaueste Lineal“ und „das hellste Licht“. Mit dem Beginn des 21. Jahrhunderts hat die Anwendung der Lasertechnologie eine glanzvolle Phase erreicht und spielt in so vielen Bereichen wie der mechanischen Fertigung, der Luft- und Raumfahrt, der Beleuchtung, der medizinischen Behandlung und dem Militär eine sehr wichtige Rolle. Als hochwertige Lichtquelle kommen Laser natürlich auch in der Displaytechnik zum Einsatz.

Ein Laser-TV ist, wie der Name schon sagt, ein Fernseher, der einen Laser als Anzeigelichtquelle verwendet. Aufgrund der hervorragenden Monochromatizität des Lasers ist der Farbeffekt des Fernsehers hervorragend.

Obwohl diese Anzeigetechnologie Laser-TV heißt, ähnelt sie eigentlich eher einem Projektor. Im Gegensatz zu Projektoren, die eine größere Projektionsdistanz benötigen, verwenden Laser-TVs jedoch eine Ultrakurzdistanz-Projektionsanzeigemethode, bei der die Laserlichtquelle auf einen blendfreien Bildschirm gestrahlt wird, um einen Anzeigeeffekt zu erzielen, der besser ist als bei herkömmlichen Projektoren und Fernsehern.

Der Laser-TV auf dem Tisch im unteren linken Bild ist eigentlich ein Ultrakurzdistanzprojektor.

(Bildquelle: Wikipedia)

Doch Laser sind sowohl Ursache für Erfolg als auch für Misserfolg. Laserlichtquellen sind teuer, insbesondere Grünlichtlaser, die nicht nur teuer sind, sondern auch eine kurze Lebensdauer haben. Daher sind Laser-TVs sehr teuer. Doch da immer mehr Hersteller ihre Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen in den Bereich Laser-TV investieren, könnte dieser in der Zukunft des Fernsehens zu einem starken Konkurrenten werden.

3. Elektronische Papieranzeigetechnologie

Papier gibt es seit zweitausend Jahren und es wird auch heute noch häufig im gesellschaftlichen Leben verwendet. Das Lesen eines gedruckten Buches ist für die Menschen oft ein friedvolles Erlebnis. Allerdings gibt es mittlerweile neben herkömmlichem Papier und Bildschirmen ein Produkt, das die Eigenschaften beider zum Lesen von Büchern vereint: elektronisches Papier.

Elektronisches Papier ist kein Papier. Es wird auch als elektronischer Tintenbildschirm bezeichnet. Es handelt sich um einen speziellen Anzeigebildschirm. Die auf elektronischem Papier angezeigten Bilder sind wie auf Papier gedruckte Bilder. Dieser einzigartige Displayeffekt macht es zudem zu einer vielversprechenden Alternative zu Papier.

Die Anzeige des elektronischen Papiers beruht hauptsächlich auf den unzähligen Tintenpartikeln in der mittleren Schicht des Bildschirms. Die Partikel sind mit einer transparenten Basisflüssigkeit gefüllt, in der positiv geladene weiße Tinte und negativ geladene schwarze Tinte suspendiert sind. Die Tinte hat etwa die gleiche Größe wie der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Wenn ein negatives elektrisches Feld auf die Tintenpartikel angewendet wird, bewegt sich die weiße Tinte unter der Wirkung des elektrischen Felds zum negativen Pol des elektrischen Felds, während sich die schwarze Tinte zum positiven Pol des elektrischen Felds bewegt. Die positive Elektrode liegt im Inneren des Bildschirms und ist daher verborgen, sodass das Pixel weiß erscheint. Wenn ein positives elektrisches Feld angelegt wird, wird das Pixel schwarz angezeigt und unzählige Pixelkombinationen bilden ein Bild.

Schwarzweiß-Schema für elektronisches Papier

(Bildquelle: Eink-Werbebild)

Elektronisches Papier hat noch eine weitere Besonderheit: Auch wenn der Strom abgeschaltet wird, verschwindet die Tintenverteilung auf dem Bildschirm nicht. Dies ist eine Funktion, die kein anderer Bildschirmtyp hat.

Aus dem Prinzip lässt sich schließen, dass elektronisches Papier keine Hintergrundbeleuchtung benötigt. Elektronisches Papier ist ein reflektierendes Anzeigegerät, d. h. es zeigt Bilder durch Reflexion des Umgebungslichts an und die Helligkeit des Bildes ändert sich entsprechend der Intensität des Umgebungslichts. Daher bietet E-Paper Vorteile, die herkömmliche Bildschirme nicht bieten können, wie etwa Augenschutz, extrem niedriger Stromverbrauch, angenehmes Lesen und gute Sichtbarkeit in der Sonne. Es ist nicht wie bei einem Handy-Bildschirm, der in der Sonne schwer zu erkennen ist.

Der elektronische Papierbildschirm ist unter der Sonne nicht reflektierend und deutlich sichtbar

(Bildquelle: Wikipedia)

Das derzeit am häufigsten auf dem Markt erhältliche elektronische Papier ist schwarzweiß. Natürlich kam farbiges elektronisches Papier erst später auf. Sie haben entweder eine Schicht Farbfilter über die Tintenpartikel gelegt oder die Tintenpartikel durch farbige ersetzt und mithilfe des elektrischen Felds die Positionen der unterschiedlichen Tintenfarben in den Partikeln verändert. Nach dem Mischen können sie verschiedene Farben aufweisen. Aufgrund technischer Einschränkungen kann es natürlich nur als Farbe bezeichnet werden. Ein Vergleich der Farbbrillanz mit herkömmlichen Monitoren ist dennoch etwas zu viel verlangt.

Farbiges elektronisches Papierschema

(Bildquelle: Eink-Werbebild)

Derzeit können die Funktionen von E-Paper LCD-Displays nicht ersetzen. Es ist in der Lage, Papier und Druckmaterialien zu ersetzen. Doch in Zukunft wird sich E-Paper definitiv in verschiedene Richtungen weiterentwickeln, beispielsweise in Richtung Vollfarbe, verbesserte Reaktionsfähigkeit und geringere Kosten.

Die Zukunft von LCD – Mini/Micro-LED

Die derzeit beliebteren LCD-LED-Displays und OLED-Displays haben beide ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Farbgleichmäßigkeit von LCD-LED-Anzeigen ist relativ schlecht, und obwohl OLED-Anzeigen die Probleme von Kontrast und Gleichmäßigkeit gelöst haben, ist ihre Lebensdauer relativ kurz. Derzeit kann die zwischen beiden angesiedelte Anzeigetechnologie – Mini/Micro-LED – ihre Mängel perfekt ausgleichen und gleichzeitig ihre Vorteile nutzen.

Der Unterschied zwischen Mini-LED-Hintergrundbeleuchtung und herkömmlichen LED-Hintergrundbeleuchtungsperlen

(Bildquelle: Geek Research Monk)

Wenn Sie Probleme wie unzureichenden Kontrast von LED-Bildern und starken Lichthöfen in schwarzen Teilen lösen möchten, besteht die praktikabelste Methode darin, die Größe der LED-Lichtquelle zu reduzieren. Mit anderen Worten: Erhöhen Sie die Anzahl der LED-Lampenperlen bei gleicher Displaygröße. Solange die Größe der LED-Lampenperlen kontinuierlich reduziert wird und schließlich sogar so klein wie Pixel ist, wird LCD eine mit OLED vergleichbare Bildqualität haben und gleichzeitig über die lange Lebensdauer verfügen, die OLED fehlt. Daher stammt auch der Name der Mini-/Micro-LED-Displays. Der Durchmesser von Mini-LED-Perlen beträgt etwa 50–200 μm, und der Durchmesser von Micro-LED-Perlen ist kleiner, normalerweise weniger als 50 μm.

Edge-Type-LED-Hintergrundbeleuchtung und Halo-Anzeige mit unterschiedlich unterteilter Mini-LED-Hintergrundbeleuchtung

(Bildquelle: Geek Research Monk)

Obwohl bereits Mini-LED-Displays mit Zonen-Hintergrundbeleuchtung und Zehntausenden von LED-Perlen auf den Markt gekommen sind, ist dies erst der Anfang. Das MiniLED-Display verfügt nicht über genügend Lampenperlen und Trennwände, was in Szenen mit starken dunklen Bereichen zu starken Lichthöfen und geringem Kontrast führt. Wie in der Abbildung oben gezeigt, ist der Lichthof des MiniLED-Displays mit weniger Partitionen immer noch deutlich sichtbar. Theoretisch können Micro-LEDs die oben genannten Probleme von Mini-LEDs perfekt lösen, aber die Herstellung so kleiner LED-Pixelpartikel ist eine äußerst heikle Aufgabe und die Anzahl der für so viele Lampenperlen erforderlichen Steuerchips ist unvorstellbar. Daher kann es derzeit nur zur Präsentation auf Ausstellungen verwendet werden, bei denen die Kosten keine Rolle spielen. Um diese Technologie wirklich populär zu machen und anzuwenden, bedarf es einer langen Phase technologischer Durchbrüche.

Mikro-LED-Struktur

(Quelle: Shenzhen National High-Tech Industry Innovation Center, Tianfeng Securities Research Institute)
Obwohl noch viele technische Hürden zu überwinden sind, vereint Mini/Micro LED die Vorteile von LCD und OLED und seine zukünftige Entwicklung ist unermesslich.

Die Grundlage des Metaverse – VR, AR, MR, XR und ER

Es war einmal so, dass VR und AR heiße Werbegags waren und nach und nach verschiedene am Kopf getragene Geräte auf den Markt kamen, als ob die Zukunftsszenen aus Science-Fiction-Filmen zum Greifen nah wären. Mittlerweile ist der Hype um VR und AR abgeflaut. Doch mit dem Aufstieg des Metaversums scheint VR wieder zum Leben erwacht zu sein.

Neben MR, XR und ER werden häufig auch VR und AR genannt. Es ist schwer, sie auseinanderzuhalten, aber nachdem Sie die folgende Beschreibung gelesen haben, werden Sie ihre Konzepte wahrscheinlich besser verstehen.

VR steht für Virtual Reality und ersetzt die reale Welt durch eine vollständig computergenerierte Welt. Typische Anwendungsgebiete sind diverse VR-Brillen und VR-Spiele.

AR wird erweiterte Realität genannt. Im Gegensatz zu VR, das die reale Welt direkt ersetzt, fügt AR der realen Welt virtuelle Objekte hinzu, um die reale Welt zu bereichern.

Mixed Reality (MR) bezeichnet eine neue visuelle Umgebung, die durch die Verschmelzung der realen und virtuellen Welt entsteht, in der reale Entitäten und Datenentitäten koexistieren und in Echtzeit interagieren können. Mit anderen Worten: Das generierte „virtuelle Bild“ kann bis zu einem gewissen Grad mit dem realen Objekt interagieren.

Extended Reality (XR) umfasst Augmented Reality, Virtual Reality, Mixed Reality und andere Formen, von virtuellen Welten mit begrenztem Sensor-Input bis hin zu vollständig immersiven virtuellen Welten.

Simulierte Realität (ER) bedeutet, die umfassende Anwendung vorhandener VR-, AR-, 3D-Modellierungs-, hochauflösender Anzeige-, Vollinteraktions- und anderer Technologien zu maximieren, um eine identische reale Welt zu schaffen. Ein klassisches Beispiel für eine simulierte Welt ist die Zukunftswelt im berühmten Film „Matrix“.

VR-Technologie

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Die derzeit am häufigsten genutzte Technologie ist die virtuelle Realität. Dabei wird das Prinzip der Sehfehler des menschlichen Auges ausgenutzt: Aufgrund der unterschiedlichen Positionen der beiden Augen gibt es Unterschiede in den von beiden Augen gesehenen Bildern, sodass die Menschen ein dreidimensionales Raumgefühl wahrnehmen können. Die VR-Technologie nutzt binokulares Stereosehen, um einen Sehfehler zu erzeugen, bei dem das linke und das rechte Auge unterschiedliche Bilder sehen. Dadurch entsteht ein dreidimensionaler Effekt, den uns ein Flachbildschirm nicht bieten kann.

Eine echte Simulation ist mit der aktuellen Technologie jedoch schlicht nicht möglich, da diese nicht nur extrem hohe Anforderungen an die Komplexität der virtuellen Umgebung stellt, sondern auch Bildqualität und Bildwiederholrate eine große Rolle spielen. Wenn wir also in diesem Stadium eine VR-Brille aufsetzen, um die virtuelle Realität zu erleben, haben wir eher das Gefühl, „virtuell“ und nicht „real“ zu sein.

Die Entwicklung der Virtual-Reality-Technologie bietet jedoch noch große Möglichkeiten und verfügt über ein enormes Entwicklungspotenzial und Anwendungsgebiete in Industrie und Forschung. Die damit verbundene Ausrüstung ist die Grundlage für die Geburt des Metaversums.

Zukunftstechnologie – 3D-Darstellung mit bloßem Auge

Es gibt bereits viele Geräte, die uns dabei helfen können, dreidimensionale Effekte aus zweidimensionalen Bildern darzustellen. Tatsächlich nutzen sie alle die Wahrnehmung des menschlichen Sehsystems.

Das menschliche Sehsystem erhält für die Tiefenwahrnehmung zahlreiche Informationen von außen, und die meisten wichtigen Elemente der Tiefenwahrnehmung sind zweidimensionale Informationen, darunter Schatten, perspektivische Richtung, relative Größe, Okklusion und Unschärfe. Nachdem das zweidimensionale Element der Tiefenwahrnehmung das menschliche Sehsystem durchlaufen hat, stellen wir es uns als eine Kugel vor, die im dreidimensionalen Raum existiert.

Egal ob Gemälde, Foto oder Bild: Solange die zweidimensionalen Tiefenwahrnehmungselemente implantiert sind, erzeugen unsere Augen einen dreidimensionalen Wahrnehmungseffekt, andernfalls entsteht eine optische Bildtäuschung.

Daher muss das 3D-Anzeigesystem zunächst die oben genannten zweidimensionalen Elemente der Tiefenwahrnehmung sicherstellen und dann einige andere Elemente der dreidimensionalen Wahrnehmung hinzufügen und lösen, wie etwa stereoskopische Parallaxe, Bewegungsparallaxe und visuelle Akkommodationskonflikte usw. Basierend auf diesem Prinzip haben die Menschen mehrere technische Richtungen zur Realisierung der 3D-Anzeige entwickelt. VR ist ein Gerät, das eine 3D-Anzeige realisiert, indem es die binokulare Parallaxe als technische Steuerung nutzt. Aber wenn wir vermeiden wollen, dass alle Arten von Geräten unsere Augen blockieren

Wenn wir 3D mit bloßem Auge realisieren wollen, wird dies ein neues Problem sein. Eine holografische dreidimensionale Anzeige könnte uns jedoch möglicherweise ein solches Erlebnis bieten.

Im Vergleich zur binokularen Parallaxe, die Schwindel und andere Beschwerden verursachen kann, kann die holografische dreidimensionale Anzeige alle Informationen der Lichtwellen des Objekts aufzeichnen und wiederherstellen. Das wiedergegebene Bild weist genau dieselben dreidimensionalen Eigenschaften wie das Originalobjekt auf, sodass die Beschwerden, die das menschliche Auge verursacht, sehr gering sind.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Der Entwicklungstrend der dreidimensionalen Anzeige geht in Richtung dreidimensionale Anzeige in Echtzeit mit großer Tiefenschärfe, großem Sichtfeld, hoher Auflösung und Echtfarben, die der vom menschlichen Auge wahrgenommenen Realität nahe kommt oder sie sogar übertrifft. Da die holografische dreidimensionale Anzeige jedoch noch immer mit wesentlichen technischen Einschränkungen wie einer geringen räumlichen Bandbreite und einem großen Rechen- und Übertragungsvolumen konfrontiert ist, befindet sie sich noch in der technischen Forschungs- und Entwicklungsphase und es wird noch lange dauern, bis sie kommerziell verfügbar ist.

Abschluss

Die Geschichte der Entwicklung der Displaytechnologie ist eigentlich ein Mikrokosmos der Geschichte der technologischen Entwicklung der Menschheit. Wir haben so viele neue Anzeigetechnologien kennengelernt, die Entwicklung der Technologie miterlebt und auch das Streben der Menschheit nach Überwindung der Realität und nach Perfektion gespürt. Ich bin davon überzeugt, dass die Vision der Menschheit von einer schönen Zukunft eine kontinuierliche Triebkraft für die Technologie sein wird und die Weiterentwicklung der Displaytechnologie vorantreiben wird.

Herausgeber: Guo Yaxin

Quellen:

[1] Iam-choon Khoo. Flüssigkristalle. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1995

[2] S. Brugioni, R. Meucci. Selbstphasenmodulation in einem nematischen Flüssigkristallfilm, induziert durch einen CO2-Laser mit geringer Leistung. 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] Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Apple HDR-Video-Workflow und ein Test des HKC PG27P5U MiniLED-Displays https://www.bilibili.com/read/cv14394063

[9] MacBook Pro 2021 Bildschirmtest: Edge-Type-LED-Hintergrundbeleuchtung vs. Direct-Type-MiniLED-Zonenlichtsteuerung – Unterschied https://www.bilibili.com/video/BV1KR4y1x7CV/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=3635f107ec6e3c3778a21a10d98fee04