資訊科技

新一代顯示器 IMOD陽光越強,螢幕越亮

模仿蝴蝶翅膀的呈色原理,這種新科技能使螢幕在烈日下依然清晰可見。

撰文/沃德羅普(M. Mitchell Waldrop)
翻譯/王怡文

資訊科技

新一代顯示器 IMOD陽光越強,螢幕越亮

模仿蝴蝶翅膀的呈色原理,這種新科技能使螢幕在烈日下依然清晰可見。

撰文/沃德羅普(M. Mitchell Waldrop)
翻譯/王怡文

下一次購買手機時,請仔細看一下螢幕。如果科技發展如同高通公司(Qualcomm)所預期,那個色彩繽紛的小方塊可能會為「蝴蝶效應」一詞帶來全新的意義。其實,這家位於美國聖地牙哥的公司近期發表的干涉調變(interferometric modulator, IMOD)顯示器,與蝴蝶拍動翅膀時可能意外對氣候造成強烈影響的理論無關;不過,這種裝置使用陣列狀人工微結構產生斑斕色彩的原理,確實與熱帶蝴蝶的翅膀相同。高通公司打賭,這個原理將會讓IMOD擁有許多優勢,勝過今日主宰市場的液晶顯示器(LCD)技術。

最重要的是,IMOD顯示器可大幅降低手持式裝置電池的負擔,這項特性的重要性將與日俱增,因為人們越來越常用手機瀏覽網頁、傳簡訊、玩遊戲以及播放影片、聽音樂。螢幕使用度的增加,對LCD的電源管理是項大挑戰,大部份LCD都必須有背光輔助,否則根本無法觀看;相對來說,IMOD顯示器就像紙張(或蝴蝶翅膀)一樣,只要反射周遭的光線即可。

高通光電科技事業發展部門副總裁凱西(James Cathey)說:「LCD螢幕消耗的電量佔手機的50%,但IMOD螢幕只佔6%。」也就是說,裝配IMOD的手機每次充電之後可以用得更久,即使算上在暗處所使用的輔助光源亦然。凱西表示:「在一般的使用情境下,我們估計配備IMOD的手機可播放140分鐘以上的影片,而LCD螢幕只能播放50幾分鐘。」

由於IMOD顯示器是反射式,在明亮的日光下遠較LCD螢幕容易觀看,它不會像大部份LCD螢幕那樣變暗,反而會更清晰、更鮮豔。凱西說:「如果你會用手機看影片、文字或照片,你就會想要在各種環境中擁有一致的視覺品質。」

IMOD顯示器單元(unit cell)的開關時間約在10微秒內,比LCD顯示器快約1000倍,這個特性使它遠比LCD更適合用來播放影片。此外,IMOD面板至少和LCD同樣耐用,根據高通公司的測試,IMOD單元至少經得起120億次的開、關,相當於連續使用超過七年都不會損壞。

當然,LCD還有許多替代品,例如有機發光二極體(OLED)顯示器,乃至於運用電泳原理做的「電子紙」,每一種都具有某些和IMOD顯示器表現一樣好的特性,諸如低耗電、可在陽光下觀看、反應快速等,但是無一能囊括全部好處,這就是為何高通對IMOD寄予厚望。

從概念醞釀到實作

IMOD的概念最早是在1984年暑假出現在邁爾斯(Mark Miles)心中,他那時還是美國麻省理工學院(MIT)電機系的學生,正在洛杉磯的休斯飛機公司打工。

邁爾斯回憶說:「我偶然間讀到一篇文章,討論使用超微(submicroscopic)天線的陣列將陽光直接轉換成電流的可能方法,讓我深受吸引。」他熟悉雷達、電視及廣播使用的大型天線,也學過無線電波和一般可見光波本質上是一樣的:都是交纏的電場和磁場所組成,以波動的方式在空間中前進,速度每秒30萬公里。唯一的不同點是,無線電波的波峰和波峰之間距離單位是公分、公尺,甚至公里,而光波的波長還不到公尺的百萬分之一。可見光的波峰與波峰距離,大約在700奈米(紅光)到400奈米(紫光)之間,彩虹其他所有顏色的波長都介於此範圍內。

儘管知道這些,邁爾斯從來沒有想過要將這兩個觀念放在一起,做出能處理光波的微小裝置。他回憶說:「後來我突然想到,如果可以想辦法控制這些微結構的特性,視需要改變它們的吸收與反射,就可以做出絕妙的顯示器。」那會是一片簡單的面板,遠比當時電視機所採用的笨重映像管(CRT)要輕巧得多。

其實,對於如何打造這樣的顯示器,邁爾斯一點概念也沒有,但是沒關係。完成學業之後,他在電腦印表機產業擔任程式設計師,然後利用空閒時間研究這個問題,並且和MIT的教授討論。

後來他從其中一位教授那裡得知,有種光學儀器正符合他的需要,那就是法布立–培若干涉儀(Fabry-Perot interferometer),或稱標準具(etalon)。它的基本構造是兩個平行的反射面中夾著一個空隙,光線穿過半透明的上表面射入空隙之後,會從下表面反射上來,然後在兩個表面之間無止盡地來回反射,每一次都有些許光線從上方透出。由於光具有所謂的干涉現象,這些反射使得其中大部份波長的光彼此抵消,不過當反射光波長與兩表面間距正好符合特定關係時,則會產生加強效果(見80頁〈IMOD運作原理〉)。因此,標準具的整體功能相當於只會反射一種顏色的鏡子,只要改變兩個表面的間距,就能選擇反射光的顏色。

這項技術十分切合邁爾斯的目的,不過還有一個問題。誠然,標準具是實驗室中用來測量並控制光線的珍貴工具,若要用在高解析度的顯示器中,則必須將它們縮小到微米級,然後將數百萬個微型標準具在螢幕表面排成陣列,並且分成小組,每組代表一個像素。結果,大自然早已將這項技藝呈現在藍默蝶(blue morpho)等熱帶蝴蝶的翅膀上,牠們的斑斕色彩就是由翅膀上的奈米構造所造成,其作用非常類似微小的標準具。但是邁爾斯要如何做出那樣微小的構造?緊接的問題是,要如何開關像素?…

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第71期1月號】