透明顯示器

文/ 陳昶元

前言

在上個月中旬，充滿科幻及未來感的電影―阿凡達：水之道上映了。在 2009 年的電影阿凡達及上個月的阿凡達：水之道當中，我們可以發現許多高科技，例如移居外星球、意識移轉等，其中也包含了操作透明螢幕的片段，這項技術只有可能出現在科幻電影中嗎?在現實世界中有辦法做出透明螢幕嗎?在回 答這些問題之前，首先，我們得先了解顯示器的原理，再進一步分析透明顯示器。

顯示器的原理

我們無論在電視、電腦、手機螢幕或投影幕能夠看見各種不同的色彩，其 實在顯示器中，僅需要控制光的三原色(紅、綠、藍)的比例即可呈現彩色的效 果。以下簡單介紹三種不同顯示器的構造與運作原理。

1. 液晶顯示螢幕(LCD)

由於其他結構並無發光的功能，所以在圖片的最左方需要背光模組來提供 光源。我們可以透過改變液晶的傾斜角度來控制光線從左到右穿透的強度，經 由彩色濾光片後即可顯示出彩色的影像。若要在螢幕上顯示白色，則將液晶排 列方向與光線平行，即可讓所有光線通過，混合出白色；而若要顯示黑色，則 將液晶排列方向與光線垂直，使光線不通過液晶，即可呈現黑色。

2. 有機發光二極管(OLED)

OLED 主要由正負極電極和有機發光半導體層組成。當電流經過有機發光半 導體層時會產生光，而發光強度取決於電流的強度。若要在螢幕上顯示白色， 則將紅、綠、藍三區塊的電流都加到最大即可混合出白色；而若要顯示黑色， 則三區塊都不通電，使得三區塊都不發光，即可呈現黑色。

3. 投影機

投影機有不同的成像技術，在此以 3LCD 投影機來做介紹。首先將光源透過 分色鏡分成紅、綠、藍三束光，利用 LCD 面板調節光線的強弱，再將三色匯聚 合併成影像色彩，最後透過投影鏡頭投射到屏幕上形成彩色影像。若要在屏幕 上顯示白色，則將控制紅、綠、藍的 LCD 面板都讓光線通過即可混合出白色； 而若要顯示黑色，則三區塊都不讓光線通過，使得沒有光線投射在屏幕上。

透明顯示器的原理及實作方式

透明顯示器如同一般常見的顯示器擁有不同的類型，在此介紹三種與前述三種 一般顯示器相關的透明顯示器。

1. 透明 LCD

為了解決這個問題，Japan Display Inc. (JDI) 開發了 Rælclear 這項產 品，他們將背光源做在顯示器的外框上，如此一來除了無須額外施加光源，亦 同時解決逆光的情形。圖中為兩人分別以中、英文對話呈現即時翻譯的樣子， 與使用智慧手機的翻譯軟體相比，這個產品能使人面對面的溝通，更能感受對 方的情緒。

2. 透明 OLED

與 LCD 不同的是，OLED 的有機發光半導體層能夠自行發光，所以不需要背 光模組，因此我們僅要將每一層都做成透明的，就能夠實現透明 OLED 顯示 器。不過一般的 OLED 顯示黑色影像時是不發光的，所以透明 OLED 顯示器在顯 示黑色影像時會變成透明無色，若是背景顏色不是深色，可能影響觀賞體驗。

國立中山大學的論文中提到了在透明 OLED 後加裝液晶板的方法來解決此 問題。[1]當液晶板被施加電壓時，液晶排列的方向會與光線平行，使光線穿 透；而液晶板沒有施加電壓時，液晶則會變為不規則排列，使得光線受到遮擋 而呈現黑色。利用這個方法，我們能夠描繪出女子在圖中所呈現出的輪廓，並 在輪廓外的液晶板施加電壓，如此一來能夠呈現出女子黑色的頭髮，同時保持 周圍透明無色的效果。

3. 散射式投影透明顯示器

一般的投影幕為白色，要變成透明顯示器便需要把布幕變成透明的，但是 如果單純將投影幕換成一般的玻璃的話，光線會直接穿透玻璃而無法成像，所 以我們必須選擇性地將投影機所發射出的光留在玻璃上，其他光線則能夠穿透 玻璃。在不久前我們曾經提到過，顯示器的成像可以僅用光的三原色便能混合 出彩色的影像，同樣的概念能夠運用在此，我們可以在玻璃上塗一層奈米塗 層，其中包含三種不同的微粒，分別能對紅、綠、藍三種不同波長的光散射， 其餘波長的光波便能夠穿透，如此一來便能實現散射式投影透明顯示器。[2]

這個方法雖然能夠成功地將影像投射在玻璃上，但是這個方法與一般的投 影幕擁有著相同的問題，那就是當外界光線太強時，影像會變得不清晰，所以 在使用投影機時，常常需要關燈或將窗簾拉上。我們可以使用前述 OLED 的方 法在玻璃後方安裝一層液晶板讓背景能夠調整變黑來提升清晰度，但是這種方 法需要加裝感測環境亮度的模組，並且會使原本不需接電的玻璃失去這項優勢 進而大幅提升成本。強的外界光線通常都是源自於陽光，所以如果可以隨著陽 光強弱而調整背景顏色深度的話便能夠使清晰度提升，有了這個想法，我立刻 聯想到變色鏡片。變色鏡片為一般鏡片加上一層氯化銀的塗層，當鏡片照射到 紫外光時，鏡片顏色會變深，而紫外光移除時，鏡片就會變回透明無色的。因 此如果我們將氯化銀塗層加在玻璃幕的後方，當陽光較強時，玻璃的顏色就能 變得較深，讓影像變得更清晰。

透明顯示器的應用

在了解顯示器及透明顯示器的原理及實作方式後，不難猜到現實生活中其 實已有透明顯示器的存在，以下舉出四個目前的應用方向。

1. 抬頭顯示器

在擋風玻璃上投射車速和導航，能夠讓駕駛不須看著儀表板或手機便能了 解行車資訊，可以增加行車的安全性。

2. 廣告櫥窗

與傳統櫥窗相比，透明顯示器能夠同時看到動態的廣告畫面及店內陳設的 商品，廣告效果十足外，也能即時更新店內優惠資訊。

3. 捷運車窗

在捷運車窗上可以顯示捷運路線圖、時間、天氣預報等資訊，除此之外， 也能夠投放廣告，除了能讓乘客獲得搭乘資訊外，還能夠為捷運公司帶來廣告 收益。

4. 博物館/展覽展示櫃

在展示櫃安裝透明顯示器，除了能讓遊客欣賞內部展示物，還能建立使用 者互動介面，提升遊客觀賞體驗。

透明顯示器的發展困境

目前，透明顯示器面臨許多挑戰。其中一個挑戰是透明顯示器的亮度不 足，即便有前述的方法使背景顏色加深，但是透明顯示器的亮度通常還是較一 般顯示器的亮度來的低，因此在強光環境中可能無法清晰地顯示圖像。這使得 它們的使用環境受到限制。

另一個挑戰是價格。目前，透明顯示器的價格通常較高，因為它們的製造 過程相對較為複雜，這使得透明顯示器目前在大眾消費市場中的普及率較低。 以 LG 的 55 吋透明 OLED 商用顯示器為例，一組要價 89 萬元，對一般人而言是 難以負擔的價格。除此之外，透明顯示器還面臨著其他技術上的挑戰。例如， 透明顯示器的解析度通常較低，並且可能存在色彩偏差和最大視角不大的問 題。這使得它們的成像品質較一般顯示器差。

透明顯示器的未來展望

1. 與擴增實境(AR)的結合

擴增實境是讓螢幕上的虛擬世界能夠與現實世界場景進行結合與互動的技 術。目前擴增實境的應用大多都是出現在手機中，如紅極一時的手機遊戲精靈 寶可夢 Go（Pokémon go），如果未來智慧眼鏡的技術更加成熟的話，我們不需 要額外在擴增實境中顯示實體畫面，可以直接將虛擬影像顯示在透明顯示器 上，對於使用者的體驗效果更佳。

2. 與物聯網(IoT)的結合

圖中為 LG 推出的透明冰箱，只要對著玻璃敲兩下，不必打開冰箱門，便能 看到冰箱內的食物，藉此能夠省去開門尋找而冷氣外漏時間長的問題。如果將 此玻璃改成透明顯示器，我們可以將食物的數量、保存期限等資訊顯示出來， 同時顯示食物擺放在冰箱內的位置，並且能將即期食物的資訊傳送到手機中提 醒消費者。

3. 與柔性顯示器的結合

近年來，各家手機廠商紛紛推出摺疊螢幕智慧型手機，能夠同時滿足大螢 幕及易於攜帶的特點，而透明柔性螢幕的模型最近也被研發出來，未來若是成 功將此商品化，將可同時結合柔性螢幕及透明螢幕的優點，舉例而言，我們能 夠打造出可彎折的智慧眼鏡，除了較不易損壞外也便於攜帶。

總結

透明顯示器看起來僅會在科幻電影中出現，但其實透明顯示器已經出現在 商用市場中，不過由於它要價高昂，所以在一般人的日常生活中鮮少看見它們 的蹤跡。在古人眼中，千里眼和順風耳是神話中才有可能達成的，如今利用手 機與遠方的人視訊通話對我們而言是輕而易舉的事情。如同通訊技術的發展， 透明顯示器隨著技術的成熟以及大量的生產，我相信在不久的將來，透明顯示 器會被認為是再尋常不過的產品。

參考論文

[1] Cheng-Chang Li, Heng-Yi Tseng, Hung-Chia Liao, Han-Ming Chen, Ting Hsieh, SinAn Lin, Hung-Chang Jau, Yu-Ching Wu, Ya-Ling Hsu, Wen-Hao Hsu, and Tsung-Hsien Lin, “Enhanced image quality of OLED transparent display by cholesteric liquid crystal back-panel,” Opt. Express 25, 29199–29206 (2017)

[2] Hsu, C., Zhen, B., Qiu, W. et al. Transparent displays enabled by resonant nanoparticle scattering. Nat Commun 5, 3152 (2014). https://doi.org/10.1038/ncomms4152