望眼欲“穿”透明显示技术解析

《钢铁侠》、《阿凡达》、《少数派报告》……欣赏这些科幻大片无疑是一种视觉享受。如果你热爱科技，就会发现那些狂拽酷炫的特效场景貌似都有一个共同的东西：透明显示。比如潘多拉星球上的飞船里，综合了透明显示、体感和触摸的操控方式；比如史塔克的钢铁面罩上熠熠生辉的数据显示方式。当然我们知道，科幻作品中的这一切都是假的，那毕竟只是电影。但罗马不是一天建成的，事物都有一个发展的过程。至少现在，那些酷炫的透明显示并非只是梦想。

科幻大片喜欢用透明显示，而且这种显示无处不在。主要是因为透明显示效果绚丽，能表现该片的科幻元素，能在第一时间抓住观众眼球，并产生“特效这么炫这一定是好片”的感觉。虽然当今世界还没有普及这样的显示技术，但这并不妨碍人们去憧憬。曾经有一张图片在网上很火爆：透过一台MacBook的屏幕，清清楚楚地看见了屏幕背后的环境。当时引起了果粉的膜拜：“苹果成功了？！”虽然后证实，那只是作者用照片做桌面开的一个玩笑，但是透明显示似乎已经引起了大家的关注。

但厂商们并不想开玩笑，他们早就各自为阵研发透明显示屏了。近两年来在一些显示设备展会中，已经可以看到用于橱窗展示、自动贩卖机甚至是汽车车窗透明显示的应用。目前来说，透明显示可分为非自发光的液晶透明显示和自发光的OLED、PDP透明显示几种技术。液晶由于不能自发光，需要利用外界光或背光进行重排。OLED、PDP则需要不断寻找透光率高的材料代替原屏幕中不透明的部分，以提高器件的整体透明度。

“透明”的MacBook屏幕，其实是预先拍下一张环境照片作为电脑壁纸形成的错觉。

液晶透明技术

我们现在使用的多数晶显示屏，基本原理是通过两块I TO导电玻璃对液晶分子施加电压，控制液晶分子的排列形成图像。屏幕表面有一层不透明的薄片叫做偏光片，具有滤光的作用。它们两两配合分别过滤掉X和Y方向上的光。然后人们就能看到液晶分子组成的图像了。如果去掉偏光片，液晶屏其实也还能工作，也还在显示图像，但看起来就只是一块透明的玻璃。要想让液晶屏透明需要解决两个问题：如何让背光源和偏光片变透明。

要让背光模组透明，可采用侧入式光源，但这种方法仅适用于小尺寸的液晶面板上。要让偏光片变得透明则暂时无解，因为偏光片的作用本来就是阻挡部分光线，连它都变透明了它能挡谁去？有一种办法容易做到，那就是投影，直接把影像投影在可反光却又透明的玻璃上。2010年，夏普公司的一个研究小组发布了一个利用网状聚合物液晶制作的60英寸显示面板。该面板有两个工作模式：黑白模式和彩色模式。其中黑白模式又有两个状态：透明态和散射态。当面板处于透明态时，它就是一块玻璃；当面板处于散射态时，面板后面的物体光到达面板后会发生散射，此时面板上的图像会变模糊，就像毛玻璃那样无法分辨。显示黑白图像时，图像部分工作在散射态，其余部分工作在透明态，便形成了图像。

液晶屏的构造

只能显示黑白图像还不算，还得能显示彩色图像，才能有更广泛的适用性。传统的液晶显示技术主要采用3种方法实现彩色显示：一是使用红、绿、蓝三色滤色片；二是向宾主液晶加入二色性染料；三是采用背光源颜色高速变化的场色序模式（Field-Sequential-Color），这是利用侧入的RGB光源高速循环闪烁，并配合液晶快速显示相应的像素位置，利用人眼的视觉暂留特性形成图案。这三种方法都不适合于夏普的这个案例。比如滤色片会吸收光线，造成面板的透明度降低；宾主液晶即使二色性染料分子排列方向与面板相同，但在倾斜方向的透光率也依然很低；场色序模式虽然能够取代偏光片，但需要液晶有极快的响应速度，但网状聚合物液晶的响应时间是74ms完全是“反应迟钝”。夏普研究小组的解决方案是以投影方式将彩色图案投影到面板上，有图案投影的部分同时也工作在散射态，这样便能够看到彩色图案。

这种做法用于一些橱窗、展板中是可行的，但应用范围毕竟不如显示面板广泛。

OLED透明显示技术

OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）显示技术具有自发光的特性，它采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。与LCD相比，OLED具有全固态、主动发光、高亮度、高对比度、超薄、低功耗、无视角限制、工作温度范围宽等诸多优点。其元件的结构也很适合作为透明显示面板，因此OLED在显示领域目前是一大热门。我们现在能够接触的OLED显示屏绝大多数都是AMOLED即主动驱动式OLED，它能够被人们所熟知很大程度上要归功于三星的宣传策略。AMOLED要实现透明显示，同样有两个关键问题要解决：面板的透明度和稳定性。目前有两个办法来增加面板的透明度：一是改变电极结构实现透明显示，二是改变电极排布，增加透射窗口面积以提高透明度。

改变AMOLED的电极结构，以往有两种方法：采用顶部发射结构并以镁- 银材料制作阴极电极，以及用银材料制作阴极电极和n型掺杂材料制作电子传输层。前者的问题在于镁-银材料阴极电极的薄层电阻很高，造成面板亮度不均匀；后者的问题则是n型掺杂材料电子传输层具有热不稳定性。此外，由于OLED层发出的光会从阴阳两极面射出，以至于让面板正背面都能看到显示内容，这对于手机用户而言是十分不利的。对此，国内外的研究小组都在不断改进电极制造工艺，提高面板透光率。TDK曾经发布了一款透明OLED面板，阴极直接采用了金属电极。在此基础上，为了能“透明”，没有用阴极将像素全部覆盖，而是将阴极的线宽变细，只覆盖了像素的一部分。利用未被阴极覆盖的部分则实现了透明。TDK把这种面板结构命名为“细线电极构造”。另外，OLED层的像素中只有被阴极覆盖的部分发光。但是，因为阴极是不透明的金属电极，所以OLED层发出的光线只从阳极面射出。因此，很难从显示屏背面看到显示内容。

TDK发布的这种OLED面板的亮度为150c d/m2，透射率为40%，已实现了量产。2011年，在智能机已经大举入侵人们生活的时候，联想推出了一款功能机S800大受关注。它虽然只搭载了一块65536色、分辨率仅为320×240的2.4英寸屏幕，但引起无数人关注的原因是这块屏幕正使用了TDK的OLED透明屏幕，档次瞬间提升了无数个段位。S800的屏幕画面效果中规中矩，光线较强时显示效果也不怎么样，但它良好解决了背面也能看到屏幕内容的问题，保护了个人隐私。S800整体厚度和重量都偏大，但对于追求时尚的女性而言，这款手机带来的眼球效应明显比那些千人一面的大屏智能手机高得多。

网状聚合物液晶在透明态和散射态的透光情况示意图

海尔在IFA2012展出的22英寸透明显示电视机，基于OLED屏幕。

联想S800，透明屏无疑是它引以为傲的资本。

PDP透明显示技术

PDP制造工艺和结构相对简单，不需要类似TFT的驱动电路，因此PDP透明显示技术被认为适合制造大尺寸透明显示板。当然，同样需要把传统PDP面板中不透明的部分替换。这些不透明的部分主要是障壁层、荧光粉层和电极。2011年，韩国大田科技院研究出一种PDP透明显示屏，采用二氧化硅溶胶凝胶层作为绝缘层。这种绝缘层成本低，并且能够增加基板的透明度，原因是去除了会降低透明度的微孔，另外其介电常数处于空气和玻璃基板之间。

该PDP透明显示屏使用SU-8光刻胶制作障壁。这种障壁是透明的，而且可以在低温下通过光刻工艺制作。研究者还增加了一个二氧化硅层来保护光刻胶障壁不会被等离子损坏。障壁透明度接近88%，而整个显示面板的透明度接近63%，足以让人看到面板后面的物体，而且该面板可由传统驱动电路进行驱动。2012年，研究人员对这种PDP透明显示屏作了进一步改进，采用柔韧度更好的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）来制作前后基板。不过PET比玻璃更容易渗入水蒸气造成放电腔的气体污染，因此研究人员在PET膜上覆盖了多层有机及无机保护层。整个面板在可见光范围内的透明度达到57.5%，并且面板在弯曲一定的角度时仍可以工作，这又为柔性显示提供了新的思路和方向。

电致变色效果

肥皂泡透明显示屏

Jinha Lee展示的基于Kinect的透明显示交互系统非常令人期待。

其他透明显示技术

以上介绍的透明显示技术，主要都是在室内、橱窗或随身设备等小尺度的应用方面取得的进展。那么室外的显示能不能实现透明？答案是有可能的。2011年，研究人员开发出一种利用电致变色材料制作的透明显示面板。该面板中的电致变色层首先由单分散的聚苯乙烯微球颗粒通过乳化剂的共聚作用合成。随后这些胶状粒子堆积形成胶态晶体，后将电致变色材料普鲁士蓝填充到胶态晶体层的间隙中。这种电致变色层施加不同的电压会显示不同的颜色，例如3.5V时为绿色，1V时为蓝色，-3V时为红色。当电压施加到-4V时，面板变成了透明。同时，这种面板能够有效阻挡太阳光中80%～95%的热辐射波段即长波段光线和远红外光线。因此这种面板在巨幅广告牌上有着不错的应用前景。

此外，还有一种很非主流的透明显示技术。2012年，日本东京大学、筑波大学和美国卡内基-梅隆大学的研究人员用两种胶状液体的混合液制作出了一种超薄且柔软的就像肥皂泡的显示屏。这种肥皂泡膜的平均厚度仅为0.7微米。通过超声波撞击薄膜，可以改变肥皂泡显示屏上投影影像的纹理，让不同的图像表现出不同的质感。同时，还可以改变超声波频率来改变投射到它上面影像的透明度。超声波与超薄膜的组合，可以形成更真实、鲜明、生动的画面。如果把几个肥皂泡屏幕组合在一起，还能有立体甚至全息投影的效果。

那么，它的强度如何？由于采用了特殊胶质，即使有硬物从中间穿过，薄膜也不会破。这种屏幕一旦成熟，肯定能受到艺术家们的青睐。当然，用于博物馆展示也很有前途。

透明显示技术应用场景

关于透明显示技术，目前是显示领域的一个研究热点。我们说得这么热闹，好像透明显示很快就能大举进入我们的生活并将传统显示取而代之了。其实不然，透明显示基本上不会对我们日常应用的传统显示设备构成威胁。原因很简单，透明显示屏既然要透明，那么亮度、对比度、色彩饱和度等参数就必然受到影响，电影迷们首先就不会接受。当然不排除未来会有显示效果和专业显示器一样的透明显示屏，但那毕竟是未来。所以，透明显示屏的应用主要集中在两点：交互和展示。

交互是具有科幻色彩的了。看过《阿凡达》等大片之后多半都会对上面那种几乎不受任何空间限制的人机对话方式印象深刻。生活在现实中的MIT实验室设计师Jinha Lee也对外展示过一种全新的人机交互体验，那就是借助透明屏幕，我们的手可以穿过屏幕，“抓住”屏幕里面的东西。整套系统，相当于是加载于传统PC上面的一个增强现实的控制系统，目前基于微软的Kinect体感系统来实现，但是未来应该可以进一步小型化、迷你化。它能让我们直接用手去操作屏幕中显示的东西。例如，屏幕中是文档，那么我们可以用手去检索它们，进行文档的打开、关闭、排序等操作；或者屏幕中是一款格斗游戏，那么我们直接用手与游戏中的角色斗殴；又或者说，你打算网购一块手表，但不知道适不适合自己，那么你可以直接通过屏幕“戴”在手上试试……

三星提交的透明显示触控专利中，关于正反面操作的演示。

手机上的交互同样也是一个重点应用领域。前不久三星提交了一份专利申请，专利对透明手机屏幕提供了一份全新的解决方案：正反两面均可触摸的全透明屏幕。根据三星的介绍，这种全透明手机可以在正反两面实现各自不同的操作，比如触摸背部可打开一个文件夹，并实现内容预览功能；还允许更多信息弹出，比如照片、笔记等。而对屏幕前方的操作则如同现在的智能手机能实现的功能，比如打电话、发信息、看视频等功能。这就不可避免地遇到一个问题：要实现手机的整体透明，其他零部件如何隐藏？对于功能机而言，电池等零部件倒是可以藏在键盘后面，智能机则不行。三星的解决方案是采用一种可替换玻璃，这种玻璃内含液晶分子。通过电流刺激液晶分子能够显示内容，而当手机断电后，分子位置会随机分布，并呈现出乳白色的外观，看上去给人透明的感觉。

透明显示屏如果用于橱窗进行展示，同样激动人心。用于办公橱窗时他们能够显示新闻、时间、天气甚至微博；在商店他们也能显示特别制作的f lash广告，同时还能使顾客看到橱窗内部的商品；而在居家环境里，可以用来显示菜谱、亲子互动、视频连线等等。

丰田正在研究如何把未来汽车的车窗做成透明触摸屏。对于车主而言，前车窗的屏幕应该可以实时显示车速、车距、油耗、导航等信息。对于孩子来说，侧面车窗采用这种技术后更像是一个有趣的画板，你可以放大车窗外看到的事物，查询信息，还能在上面画画，就跟现在的平板电脑一样。丰田称这一理念为“Window to the World（通向世界的窗口）”。当然，让汽车玻璃显示一些基本信息，这种技术现在已经实现，但并非应用的是透明显示技术，而只是将车载HUD的各类信息实时投影到汽车的前挡风玻璃上。这种融合了透明显示和增强现实的，并带有科幻色彩的HUD成为了一些豪车的卖点及亮点。例如沃尔沃S80配套车道偏离系统、宝马X5配套车道偏离预警和HUD抬头显示系统、宝马745配套被动式夜视系统、奔驰E350车道偏离预警和主动夜视系统、雷克萨斯S460和E350视觉和雷达结合防撞系统以及英菲尼迪车道偏离警报系统等等。但丰田的这种概念车窗，无疑更加具有互动性。

写在后

透明显示技术和传统显示绝非是不共戴天的冤家，而应该是齐心协力让生活更加便利。虽然透明显示在技术上还有很多难题需要解决，在应用环境上也有很多困难要克服。但是，透明显示技术未来的发展前景非常乐观。它突破常规，增添了产品的趣味性，带给人们前所未有的便利和视觉冲击，在一些创意设计、展示和互动领域开展了新的发展方向。此外，由于透明显示屏可利用普通的环境光满足背光需求，极大降低了能耗，充分体现了“低碳环保、绿色节能”的理念。