互动科普

炫丽显示屏

撰文  M·米切尔·沃尔德罗普（M. Mitchell Waldrop）

翻译  郭凯声

下一次购买手机时，要记得好好看看显示屏——如果事情如高通公司（Qualcomm）所期望的那样，这个五颜六色的矩形小窗口将会赋予“蝴蝶效应”全新的含义。（蝴蝶效应的原意来自混沌理论中的名言“南美热带雨林中的一只蝴蝶偶尔扇动几下翅膀，可能在两周后引发北美的一场龙卷风”，指初始条件的极小变化可能导致结果完全改变。）事实上，这家位于美国圣迭戈市的公司不久前推出的干涉仪调节器（interferometric modulator，缩写为IM0D）显示技术，与蝴蝶拍拍翅膀就能影响气候的理论毫无关系。这种IMOD技术运用了一系列人造微结构来再现热带蝴蝶翅膀上彩虹般绚丽的色彩。高通公司对这项新技术押了重注，认为IMOD技术与目前流行的液晶显示技术（LCD）相比具有多方面的优势。

最重要的优势是，IMOD显示屏的耗电量极低，可以大大减轻手机电池的负担。随着人们越来越习惯用手机浏览网页、发短信、玩游戏、看视频、听音乐，人们也越来越注重手机的耗电量。高强度的使用频率，让液晶显示器的电源管理面临严峻挑战。大多数液晶显示器都需要背光源才能让人看清楚显示的内容，而IMOD显示器则像纸(或蝴蝶翅膀)一样，仅通过反射环境光来实现显示功能。

“液晶显示器耗用的电量占手机电池功率的50%，而IMOD显示器的这一比例仅为6%，”高通公司主管业务发展的副总裁詹姆斯·凯赛（James Cathey）宣称。这就意味着安装了IMOD显示屏的手机，每次充电后的使用时间比液晶显示屏长得多(在光线十分微弱的场合，IMOD显示器需要辅助照明才能看清楚，但即使把辅助照明的耗电量考虑进去，它的使用时间仍然更长)。凯赛指出：“我们估计，使用手机观看视频时，配有IMOD显示屏的手机可以播放140多分钟，而液晶显示器手机则只能播放50多分钟。”

由于IMOD显示屏是反射型显示器，在明亮的白昼光线下要看清它显示的东西，要容易得多。大多数液晶显示器在这种情况下看起来是黑乎乎的，而IMOD显示屏看起来却会更加清晰。凯赛说：“如果你用手机观看视频、阅读文字、欣赏照片，那么你肯定希望在各种环境下都保持相同的观看质量。”

IMOD显示屏可以在10微秒内激活像素，这一时间仅相当于液晶显示器的千分之一左右。因此，用它来显示视频要比液晶显示器更加合适。IMOD显示屏的耐用性能也不亚于液晶显示器：高通公司对IMOD显示屏的像素进行了至少120亿次的无故障开关测试，也就是说IMOD显示屏能连续使用7年以上。

当然，跃跃欲试想要取代液晶显示屏的还大有人在，如OLED(organic light－emitting display，有机发光二极管)显示屏和电泳电子纸（E-Paper）显示屏。每种新型显示器都具有一种或几种优点，比如耗电量低、白昼光线下可读性好、响应速度快等，但没有一种可以同时具备所有优点——这也是高通公司对IMOD显示屏的前景充满信心的原因。

锲而不舍数十载

“我偶然读到一篇关于用亚微观天线阵列将阳光直接转换为电的文章，”迈尔斯回忆道，“我被这个设想迷住了。”他对雷达、电视和无线电广播所用的大型天线非常熟悉，并且他从物理课本中得知，无线电波与可见光波基本上是一回事：它们都是由互相交织的电场和磁场构成的波，以每秒30万千米的速度在空间传播。唯一的区别在于，无线电波的波长(即相邻波峰之间的距离)是以厘米、米甚至千米为单位的，而光波的波长则要短得多，只有前者的一百万分之一左右。可见光的波长范围大概为400纳米（红色）～700纳米（紫色），其他颜色的波长介于两者之间。

尽管迈尔斯早就掌握了这些知识，但以前他没有把这两种概念联系起来，设计一种能左右光波的微型装置。“后来我突发奇想：如果能找到一种方法来操纵这些微结构的特性，比如在需要时改变它们的吸收和反射特性，我们就可以制造出一种神奇的显示器。”这种显示器可能就是一块平板，它比当时电视机中笨重的CRT(阴极射线管)显像管要紧凑轻巧得多。

其实，当时的迈尔斯根本不知道如何制造这样一种显示器，但他没有放弃。在完成学业之后，他在电脑打印机行业当了一名程序员，利用业余时间继续钻研这个问题，并同麻省理工学院的教授们讨论。

从一位教授那里，迈尔斯听说了一种特殊的光学装置，可能刚好具备了他所需要的那些功能。这种装置名叫法布里－珀罗干涉仪（Fabry-Pérot interferometer），由两个互相平行的反射表面构成，两个表面之间形成一个空腔。上表面是透明的，光线穿过上表面进入空腔，再由下表面反射，此后就在这两个表面之间无休止地来回反射，而且每一轮反射都会有一点儿光从上表面泄漏出去。由于所谓干涉效应的作用，光线的不断反射使得大多数波长的光抵消掉了，但某些光的波长正好同两个反射表面之间的间隙相同，来回反射就起到了使这种光线增强的作用(见第40页图)。因此，法布里—珀罗干涉仪相当于一种只反射某一特定颜色的镜面，只要调整两个反射面之间的距离，就可以选择反射不同颜色的光线。

这一技术正好可以用来实现迈尔斯的设想，但还有个问题需要解决：作为一种可以测量和操纵光线的实验仪器，法布里—珀罗干涉仪价格不菲，要将它开发为高分辨率显示器，迈尔斯需要把它的尺寸缩小到微观，并把数以百万计的微型元件排列在显示屏上，每一组元件构成一个像素。其实，大自然的鬼斧神工早就为我们展现了它的神奇：热带蝴蝶（如蓝蝴蝶）翅膀上那些缤纷斑斓的色彩，都是由原理与法布里—珀罗干涉仪极其相似的纳米结构所产生的。但迈尔斯该怎样构造出这样微小的结构呢？另一个至关重要的问题是，他该如何开启和关闭每个像素呢？

面对这些问题，迈尔斯束手无策。直到他听说了“微电子机械系统”（MEMS）后，事情才有了转机。MEMS是用硅制作的微型机械，它的基本构想可以追溯到20世纪70年代，核心思路是借助微处理器制造行业中的工艺，将微观机械结构刻在硅晶片的表面上。MEMS的研究人员已经学会了如何制作各种微型的机械部件，如齿轮、弹簧、杠杆、管道等，其中部分产品在当时已经投放市场。

迈尔斯说：“MEMS为我的新型显示器开辟了一条道路。”由于对制作MEMS器件毫无经验，他开始艰苦的学习历程：白天他靠编写软件谋生，晚上则在麻省理工学院学习MEMS的课程。学成后，他设法让麻省理工学院同意他使用学校里用来制造MEMS的设备。经过反复尝试，最终形成了一个可行的构想，完成了第一个版本的IMOD——实际上，它就是一个微型的法布里—珀罗干涉仪，两个平行的反射面是用MEMS工艺制作而成的薄膜层。在制作过程中，可以调整薄膜层的间距以反射某一特定波长的光，比如说反射三原色（红、绿、蓝）中的一种颜色。

由于底部薄膜层是柔性的，因此可以轻易地把像素切换到关闭的状态：在两个反射面之间施加一个极为短促的电压即可。施加电压所产生的静电吸力使得底层向上隆起，间隙收缩变窄，导致反射光的波长变短，成为人眼无法看见的紫外线，因而呈暗黑状态。并且，只要不切换回激活状态，失活的像素将一直保持暗黑，不会再消耗一丁点儿电力。要使像素切换到开启的状态也很简单：在两个反射面之间施加另一个电压脉冲即可。

迈尔斯认为，虽然最早的IMOD粗糙简陋，但它们性能出色，让他看到了将这项技术商业化的可能。20世纪90年代中期，迈尔斯辞职创业。他和麻省理工学院读书时的同班同学埃里克·J·拉森（Eric J. Larson）一起，在剑桥市创建了Iridigm公司。虽然资金来源一直困扰着这家公司，但他们仍然在艰难中缓慢前进，不断改进技术。2004年，高通公司收购了Iridigm公司，将它变成了高通公司的MEMS技术部。

竞争激烈的市场

IMOD显示屏需要更多的帮助才能获得商业成功。从事显示器行业分析的Insight Media调查公司总裁克里斯·钦诺克（Chris Chinnock）指出，显示器行业的竞争相当激烈，“液晶显示器占据了显示器行业的大壁江山”。 从便携设备到电脑显示器到壁挂电视机，液晶显示器的身影无处不在，“同液晶显示器进行面对面较量，无异于自寻死路”。而且，除了液晶显示器及其同类技术革新产品之外，其他品种的显示器，比如OLED和电子纸等，都虎视眈眈地盯着显示器市场这块大蛋糕。

不过，显示器市场需求量十分巨大。钦诺克说：“手机业巨头诺基亚公司每年生产3.5亿部手机，每天将近生产100万部。”每年，全球手机产量达到数十亿部之多，其中还不包括数字音乐播放器、掌上电脑、全球定位系统(GPS)接收器以及其他便携式电子设备。因此，钦诺克认为在显示器市场上，无需很大的市场占有率就能获得可观的销售额。

如何将IMOD显示器打入市场，是高通公司面临的挑战。高通公司的凯赛认为，在实验室中制造显示器与商业化生产是两回事。第一个要回答的问题是，IMOD显示器能不能大规模生产？答案是肯定的：IMOD显示器的显像单元比液晶显示器简单，现有的平板显示器制造设备也可以生产出IMOD显示器——这是一个巨大的优势，因为修建一套全新的制造设备需要耗资数十亿美元。成品率的问题也需要考虑：从组装线上下来的显示器成品中，合格的产品占多大比例？同样地，质量控制不容忽视：显示器就摆在眼前，人们一眼就能看出失效的像素或者显示不均匀的区域。成本控制更是头等大事，正如凯赛所说：“在市场上，我们显示器的价格必须具有竞争力。”

最后需要解决的是颜色问题。同其他显示器（包括液晶显示器）一样，IMOD显示器的每个像素由三个子像素组成，每个子像素显示红、绿、蓝三原色中的一种。而每个子像素由若干能够独立开关的“子子像素”构成，才能产生一系列不同的色彩及亮度各异的色调。这些“子子像素”就相当于单个的干涉仪调节器装置。为了显示高品质的画面，它们的尺寸必须小于100微米。

凯赛表示，工人学习生产IMOD显示屏的技术比较难，因此高通公司计划从小规模生产开始，以便累积经验，学习解决生产中所遇到的问题。高通公司初期的IMOD产品只显示两种颜色，如在金色的背景上显示黑色的字符。但据凯赛透露，全彩色IMOD显示屏的研制进展顺利，“我们还没有发布高分辨率产品，但是我们的技术完全有能力同其他技术竞争，甚至有可能超越它们。”

 2007年5月，高通公司首次公开宣布了与韩国Ubixon公司签署的授权协议，Ubixon公司将在市场上销售一系列装有IMOD显示屏的蓝牙耳机。

显然，高通公司希望IMOD显示器技术很快火起来。虽然凯赛不能透露研发的具体情况，但他透露高通公司正在考虑将这种技术用于显示器以外的其他场合。迈尔斯指出：“IMOD是一种功能强大的光子器件，它可以被整合到其他各类与光有关的设备之中。”但他指出，显示器才是IMOD技术大放异彩的舞台——从手机、摄录机、电子书，再到电脑显示器、壁挂电视机乃至更高级的IT产品，都是IMOD显示器大显身手的地方。凯赛认为：“我们能够发展到那样的水平，但我们需要时间。”