实现高画质的方法：竟然是把像素叠在一起？

像素单元大小为 10 微米（0.01毫米）。图片来源：参考文献[1]

近日，麻省理工学院的博士团队制作出了一种全新的像素单元，如上图所示。这种像素单元本身就是彩色的，不必再由多个单色子像素构成一个彩色像素，不仅如此，还能够通过垂直堆叠的方法减小像素的尺寸。

这项成果为开发单个像素更小、更清晰的显示屏提供了方案。

小小的屏幕到底能发出多少种光？

借助放大镜或是显微镜，能够观察到电脑以及手机显示屏的细节是这样的：

制图：海里的咸鱼

就像上边的图所显示的，手机、电脑、电视显示屏，是由大量红、绿、蓝三种颜色的“小灯珠”排列组成。

那么问题来了，既然眼前的手机屏幕发出的光只有三种颜色，为什么我们所看见的屏幕，所能显示的颜色却多得多？就像下边这幅图，在我们看来，它所包含的颜色可远远不止三种。

制图：海里的咸鱼

问题的答案是：人眼的视觉是一种主观感受。颜色是人类的大脑对眼睛所接收到的光刺激产生的一种主观感受。

从红绿蓝到色彩缤纷中间发生了什么？

先说说可见光，可见光是能够被人眼感知到的电磁辐射，人们根据电磁辐射的波长特性对其进行了细致的分类，可见光指的是波长在 400~700 纳米的电磁辐射。

这一范围是个通俗的定义，人在年轻的时候，眼睛能够探测到更大范围的电磁辐射。

可见光谱图，颜色下方为对应的电磁辐射波长。图片来源：wikipedia

人眼之所以能够辨别颜色，是因为视网膜中有三种视锥细胞，分别是：L 细胞、M 细胞和 S 细胞。它们对不同波长光的敏感度不同。

S 细胞对波长约为 450 纳米的光最敏感；M 细胞对波长为 540 纳米的光最敏感；L 细胞对波长为 570 纳米的光最敏感。

不论眼睛接收到的光成分多么复杂，最终眼睛向大脑输出的是三种视锥细胞根据刺激程度产生的电信号，这些电信号称为“三刺激值”。

大脑根据三刺激值的大小形成颜色感觉，所有三刺激值的集合决定了人类能够分辨的色彩数量，人类可以分辨大约 1000 万种不同的颜色。相比之下，狗只有两种视锥细胞，只能感受到蓝色和黄色。狗的世界里只有黄色、灰色和蓝色。

没想到吧，我们的眼睛居然这么厉害！

探究出人类产生色彩感觉的原理，就能对其加以利用。颜色感觉基于视锥细胞产生的三刺激值，对于不同成分的光，只要引起的三刺激值相同，那么在人眼看来，它们的颜色就是相同的。

光的成分不同，但在人眼看来它们颜色相同。制图：海里的咸鱼

两个不同波长的光源，通过调节各自的发光强度，能够改变其引发的三刺激值。这样就能让人脑感觉看到了许多颜色。两个波长的光源虽然能够产生的不同的颜色感觉，但还不够丰富。

三个波长的光源组合在一起，所能产生的颜色感觉足以覆盖人类眼睛能感觉到的所有颜色种类。

我们将光源组合本身具备的颜色称为三基色，屏幕的三基色是红、绿、蓝。这是根据人类视觉细胞的响应特性决定的，人眼的视锥细胞对这三种颜色的敏感度较高，采用这三种颜色能够在较低的功耗下实现高亮度的显示（也可以是别的三种颜色组合，红绿蓝的组合常用于屏幕领域）。

光源尺寸很重要量变产生质变

三个波长的光源组合在一起，这其实还不够，要想让人眼看起来颜色千变万化，还有一个很重要的参数：尺寸。

以电视机为例，看电视的时候人眼距离电视屏幕大约 3 米远，图像是很清晰的，但当我们近距离观察电视屏幕时，就能观察到组成屏幕的一个个彩色像素点。

类似的还有商场里摆放的大屏幕，近距离观察会发现，屏幕是由一个个黄豆大小的彩色（红、绿、蓝三种）LED 灯珠组合而成的。远距离观察这类屏幕，看到的是正常显示的内容，近距离观看屏幕的局部，看见的就是许多小灯珠组成的彩色点阵。

为什么会这样呢？这跟人眼分辨物体的极限能力有关。

光源对人眼形成的角度要小于人眼的最小分辨角。人的最小分辨角度大约为 0.0167 度，在不同的观察距离下，人眼的最小横向分辨距离如下图。

当屏幕距离人眼比较远时，人眼无法分辨不同颜色的单个灯珠。三种颜色的灯珠在人眼看来只是一个彩色的亮点，亮点颜色由三种颜色灯珠各自的亮度共同决定。

制图：海里的咸鱼

举个例子，如果手机标注的分辨率是 2400 x 1080，意味着手机的长边有 2400 个像素（每个像素由红、绿、蓝三种可以发光的子像素组成），短边有 1080 个像素。像素本身大小需要小于人眼最小横向分辨距离，才能有比较好的显示效果。

制图：海里的咸鱼

上图显示的屏幕显微照片中，一个像素由 4 个子像素组成，每个子像素的发光强弱都可以单独控制，像素的大小决定了屏幕显示内容的细腻程度。

更小的像素更细腻的虚拟世界

屏幕的像素越小，所能够显示的图像细节也就越清晰，同样的形状，使用像素大小不一致的屏幕进行显示，在像素点尺寸小的屏幕上，图案会显得更加细腻，观感会更好。

在显示图像时，像素点越小（左图），图像的边缘越锐利。制图：海里的咸鱼

VR 眼镜的出现，使人能够身临其境沉浸于虚拟的世界当中，VR 能够显示立体的内容，观感十分接近真实的世界。

1968 年，第一台 VR 显示器诞生于实验室中，不过受制于当时的技术条件，VR 显示设备体积非常大，成本高昂，无法大规模应用。

直到 2014 年，谷歌的工程师推出了 Cardboard——一个把手机放进去即可体验 VR 显示的简单设备，许多人经由这个小盒子感受到了 VR 显示技术的巨大优势。

现在，得益于屏幕制造技术的飞速进步，三千元就能买到显示效果很不错的 VR 显示器，放在三年前，性能相当的 VR 显示器要花费上万元呢。

图片来源：wikipedia

VR 显示器的屏幕结构就是两块贴近眼睛的小型显示器以及一些光学镜片。显示器越接近人眼，就越加面临考验，正如前文所说，离眼睛近了，人就能够观察到更细微的结构。

Cardboard 让人们沉浸式地体验到了虚拟世界，但也暴露出了一个缺陷：手机的像素太大了，所观察到的景物虽然立体，但是不细腻，有颗粒感，好像是在看计算器屏幕。

屏幕显示技术历经数十年的发展，像素尺寸越来越小，但在 VR 显示设备的风潮中，现有技术还是显得捉襟见肘，在可预见的未来将难以满足人们的要求。

好在科学家们已经给出了一种新思路——如果让子像素变得能够全彩显示，每个子像素都能是一个独立的像素单元，这将使像素尺寸立即缩小一半以上。

竖直堆叠在一起的显示屏截面显微图像。图片来源：参考文献[1]

单一像素就能够实现全彩显示的关键在于——叠罗汉。将红绿蓝三种像素点重叠在一块，大大减小了横向尺寸。通过这一方法，团队制作出了创纪录的高像素密度显示屏，性能参数能够满足 ARVR 设备的严苛要求。

知易行难，显示技术的每一次迭代都涉及大量资金投入以及众多技术攻关。人类依靠眼睛接收多达百分之八十的外界信息，显示器的出现让我们能够足不出户就能观看世界范围内的事与景。

现代人在醒着的时候，大部分的时间都是盯着各种各样的屏幕，盯着大片闪烁着的红绿蓝。

看完这篇文章，想必屏幕前的你一定知道，这块小小的屏幕之中，暗藏着大学问呢！

参考资料

[1] Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer[J]. Nature.

[2] Davson Hugh. 1972. The Physiology of the Eye. Burlington: Elsevier Science.

[3] 郁道银, 谈恒英. 工程光学基础教程[M]. 机械工业出版社, 2007.

[4] Gross H . Handbook of Optical Systems. Wiley-VCH, 2008.

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_reality#

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Google_Cardboard

策划制作

出品丨科普中国

制作丨海里的咸鱼 中国科学院长春光机所光学硕士

监制丨中国科普博览