顯示器簡介
文/ 王宇航
作為人類最倚賴的光偵測器，眼睛自古以來在器官中有著舉足輕重的地位。在特定宗教情境下，眼睛甚至可以跟靈魂、上帝或惡魔產生掛勾。而在生活當中，視覺是讓我們了解與建構這個宇宙最重要的感官之一。我們在大腦裡出現概念，利用聲音傳達形成語言，進而將概念視覺化成為圖像與文字，並經由圖像與文字的具象化，使概念在單一時間軸上被儲存與讀取。我們能夠經由視覺讀取古遺跡的壁畫與圖騰了解遠古時期的資訊，也能藉由畫作來儲存當下的情境。而將這些概念讀取出來的裝置，便可以廣義地被稱作「顯示器」。時代演繹至今，資訊量指數成長，當過往的技術無法承載資訊量的爆炸，便會驅使顯示器的技術隨之發展。
從最早期靜止的畫作與圖像，到加上機械式的操作便能成為動畫，接著影片與電視帶來衝擊。人類追求更高度視覺饗宴的渴望，造就了如今各種顯示器技術的高度發展。
1. 陰極射線管Cathode Ray Tube (CRT)
陰極射線管是顯示器最核心的概念與雛形。其運作方式是經由電子槍發射高速電子，接著利用垂直與水平的偏轉線圈控制高速電子的偏轉角度，通過電壓來調節電子束速率，經過調節高速電子撞擊屏幕上的磷光物質，在屏幕形成不同的圖像。
這種顯示器的屏幕上若皆是相同磷光物質，便只能顯示出亮暗差異與黑白畫面。要做到顯示彩色畫面，屏幕上的每個像素點(Pixel)需要分別被紅、綠、藍三種不同塗料組成，利用三束電子束分別激活這三種顏色的磷光塗料，即可利用調節電子束強弱控制紅藍綠色光的明暗強度來混和出所需要的顏色，進而達成彩色顯像的效果。與此同時，為了避免電子束的撞擊不精準產生的誤差，屏幕前裝有鑿有小孔的金屬薄板，用以攔下其他方向的電子束，使得只有正確瞄準的電子束才能順利激發磷光塗料。
2. 電漿顯示器Plasma Display Panel (PDP)
電漿顯示器與CRT的運作機制大致類似，主要差異在於激發方式。CRT是直接另用電子撞擊磷光物質激發可見光，而電漿顯示器則是通過施加電壓給單元內的氣體，使氣體產生電漿效應放出紫外線。紫外線再去刺激磷光物質激發可見光。每個像素包含了三個單元，可以分別利用電壓控制紅、綠、藍三種顏色的強度，進而呈現影像。
3. 液晶顯示器 Liquid Crystal Display (LCD)
液晶顯示器的運作機制大致上可以區分成：
a. 背光模組
有別於前兩種顯示器是直接發出特定顏色的光，LCD是統一由背板打出大面積的白光，再利用其他方式調整光強以及將光「染色」。而此光源主要是用白光LED配合其他光學元件，使周圍的點光源能均勻地擴張至整個平面(Edge backlight)。為了達成更好的顯像，另一種背光模組便是將每個像素點皆分配一顆LED(Direct backlight)，使其在亮度以及鮮豔度上有更優秀的表現。與此同時，隨著LED技術愈發進步，體積更小的Mini LED與Micro LED在此種背光模組上也提供了更多可能性。
b. 光強調控
由背光模組出光之後，便會需要調控每個像素點的出光強，這也是液晶顯示器的重點。光強的調控方式是利用第一片偏振過濾片單一化光線偏振方向，接著施加電場使液晶分子的旋轉排列產生變化，穿透光線的偏振旋轉幅度隨之改變，最後再利用第二片偏振過濾片篩掉其他偏振方向的光，藉此決定每個像素點的光強。為了方便理解我來類比一下：
「單一像素點出光的過程可以想像成貨物出口，一開始得先把所有貨物用相同的箱子打包(第一片偏振過濾片)，接著每個貨物會遇到各自的海關(液晶分子)，有些海關壓力比較大(施加電場)，所以在安檢時很暴力，不同幅度地改變了箱子形狀(偏振方向)，最後如果箱子形狀(偏振方向)不符合登機口大小(第二片偏振過濾片)，則會把無法通過的地方削掉。有些貨物會完全通過(光線完全通過)，而有些則會被完全削掉(光線被擋住)。」
c. 顏色轉化
最後，不同強度的光線會分別打在紅、綠、藍的濾色片上，藉此以組合出所有顏色，(每一個像素同時包含著紅綠藍三個光點，也就是說一個像素的顏色是由三道光決定的。)
相較於前兩種顯示器都是屬於自體發光，液晶顯示器的運作原理是基於被動發光，所以在發光亮度、顏色鮮豔度以及螢幕反應速度上皆有各自優劣之處。
4. 有機發光二極體 Organic light emitting diode (OLED)
在LCD佔據顯示器市場多年之後，OLED顯示器異軍突起，為顯示器技術開啟了新的一章。簡單來說，OLED的發光機制類似於一般的二極體，將電壓施予電極後，經過設計過的不同材料層，使電子電洞在中間結合並藉此發出紅、綠、藍等光線。OLED具有自體發光的特性，在對比度，節能以及反應速率上比起傳統LCD較具優勢，且因不需要背光模組，OLED也能做的比較輕薄。但由於技術程度尚未熟成，因此LCD仍適合利用在大面積以及高解析度的使用上。
前面所提到的LCD以及OLED，皆會需要對單一像素施加電壓來控制出光強度，而通常會使用兩種矩陣來實現，分別是「被動矩陣」與「主動矩陣」。
被動矩陣：如下左圖所示。電極排列是以陰陽極縱橫交錯的方式，也就是說所施加到目標像素的電壓訊號會一次傳送至整列。雖然這種方式在製作上價格較低廉也適合在小面積使用上，但也因電壓施予的不精準性所以其顯示器的解析度與對比度都會相對較差，故目前應用在行動裝置或較小型的電子顯示設備。
主動矩陣：如下右圖所示。是利用薄膜電晶體(Thin-Film Transistor)的結構來主動控制每個像素的施加電壓。內部元件具有電容功能，因此其電壓的施予會更加連續且精準，顯示解析度與對比度上也會更加優秀，在大面積顯示上也具備相對的優勢
參考資料
1. CRT顯示器. MBA智库百科. Retrieved from https://wiki.mbalib.com/zh-tw/CRT显示器
2. Plasma TV Buying Guide: Plasma TV Reviews, HDTV Ratings, Pricing. Retrieved from http://www.plasmatvbuyingguide.com
3. 一文看懂關於LED的那些事兒. 每日頭條. Retrieved from https://kknews.cc/zh-tw/news/8p9yal.html
4. 最完整分析 OLED 產業與相關公司. StockFeel 股感. Retrieved from https://www.stockfeel.com.tw/oled-led-amoled-pmoled/
5. pmoled:PMOLED即被動矩陣有機電激發光二極體. 百科知識中文網. Retrieved from https://www.jendow.com.tw/wiki/pmoled
