電子ペーパー、裸眼3Dディスプレイ…未来のディスプレイはどんな姿になるのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: 王志豪

プロデューサー: 中国科学博覧会

音、光、色に対する人類の要求により、さまざまな情報媒体が生まれ、表示技術も大きく発展しました。プラズマテレビ、LEDテレビ、液晶モニター...これらは私たちがよく知っている成熟した表示方法です。さらに、いくつかの未来的な新しいディスプレイ技術が徐々に私たちの生活に入り込んできています。

1. 量子ドットディスプレイ技術

量子ドットは、多くの新しい電子的および光学的特性を持ち、ディスプレイ技術などの多くの分野で使用できるゼロ次元の点状ナノ半導体材料です。量子ドットを使用する主なディスプレイ技術には、液晶ディスプレイ技術をベースにした量子ドット液晶ディスプレイ (QD-LCD) と、OLED をベースにした量子ドット発光ダイオードディスプレイ (QLED) の 2 つがあります。

QLEDテレビ

(画像出典: wikipedia/Bretwa)

QD-LCDは主に量子ドットの光発光原理を利用しています。バックライトモジュール内の LED 光源から発せられた青色光が量子ドットフィルムを通過すると、その一部が量子ドットによって緑色光と赤色光に変換されます。これら 3 色の光が LCD の白色バックライト光源に混合されます。

従来の LCD の光源は一般的に LED ですが、発する色の光は純粋ではありません。量子ドットから放出される緑色と赤色の光は、LED から放出される光よりも純粋です。したがって、量子ドットフィルムを追加することで、LCD はよりリアルな画像の色とより自然な色の変化を表示できるようになります。

QD-LCDの原理（左から右へ、LED光源が青色光を発し、それが量子ドットフィルムを通過して画面上にさまざまな色を表示します）

（画像出典：Lee J H. QDディスプレイ：ディスプレイ業界にとって画期的な技術[J]。Information Display、2020、36（6）：9-13。）

QLED は主に量子ドットの電界発光原理を利用しています。電圧によって量子ドット自体を駆動し、赤、緑、青の3原色を発光させ、空間色混合によってこの3色をさまざまな色のピクセルに変換します。

QLED の発光原理は、OLED の発光有機材料が量子ドット材料に変換されることを除けば、現在一般的な OLED スクリーンと非常によく似ています。これにより、QLED は OLED のほぼすべての利点を備え、OLED よりも寿命が長くなり、明るさも向上します。つまり、QLED は実際には、ディスプレイ技術の分野における量子ドットのより高度な応用なのです。

しかし、量子ドットディスプレイは現在市場では珍しく、高価であり、まだ最適化の段階にあります。しかし、他の技術にはない多くの利点があり、企業の研究や応用のホットスポットにもなっています。

2. レーザーディスプレイ技術

レーザーは、原子力、コンピューター、半導体に続く20世紀の人類のもう一つの偉大な発明であり、「最も速いナイフ」、「最も正確な物差し」、「最も明るい光」と呼ばれています。 21 世紀に入ってから、レーザー技術の応用は輝かしい時代を迎え、機械製造、航空宇宙、照明、医療、軍事などさまざまな分野で非常に重要な役割を果たしています。レーザーは高品質の光源として、もちろんディスプレイ技術にも使用されています。

レーザーテレビは、その名の通り、表示光源としてレーザーを使用するテレビです。レーザーの優れた単色性により、テレビの色彩効果は優れています。

レーザーテレビと呼ばれていますが、この表示技術は実際にはプロジェクターに似ています。しかし、プロジェクターに必要な長い投影距離とは異なり、レーザーテレビは超短焦点投影表示方式を採用しており、レーザー光源をアンチグレアスクリーンに照射することで、従来のプロジェクターやテレビよりも優れた表示効果を生み出します。

左下の写真のテーブルの上にあるレーザーテレビは、実は超短焦点プロジェクターです。

(画像出典: Wikipedia)

しかし、レーザーは成功と失敗の両方の原因となります。レーザー光源は高価であり、特に緑色光レーザーは高価なだけでなく寿命も短いです。そのため、レーザーテレビは非常に高価です。しかし、レーザーテレビの分野に研究開発に投資するメーカーが増えるにつれ、レーザーテレビは将来テレビの強力な競争相手になるかもしれない。

3. 電子ペーパーディスプレイ技術

紙は2000年前から存在しており、今日でも社会生活で広く使用されています。紙の本を読むことは、人々に平穏な体験をもたらすことが多いです。しかし、従来の紙とスクリーンに加えて、本を読むために両方の特性を組み合わせた製品、電子ペーパーが登場しました。

電子ペーパーは紙ではありません。電子インクスクリーンとも呼ばれます。特殊な表示画面です。電子ペーパーに表示される画像は紙に印刷された写真のようなものです。このユニークな表示効果により、紙に代わる有望な代替品にもなります。

電子ペーパーの表示は主に、画面の中間層にある無数のインク粒子によって行われます。粒子には透明なベース液が充填されており、その中に正に帯電した白インクと負に帯電した黒インクが浮遊しています。インクの大きさは人間の髪の毛の直径とほぼ同じです。

インク粒子に負の電界が加えられると、電界の作用により白インクは電界の負極に移動し、黒インクは電界の正極に移動します。正極は画面の内側にあるため隠れており、ピクセルは白く表示されます。同様に、正の電界が印加されると、ピクセルは黒色で表示され、無数のピクセルの組み合わせによって画像が形成されます。

白黒電子ペーパーの概略図

(画像出典: Eink プロモーション画像)

電子ペーパーにはもう一つの特徴があります。それは、電源を切っても画面上のインクの分布が消えないことです。これは他のタイプのスクリーンにはない機能です。

原理から、電子ペーパーにはバックライトが必要ないことがわかります。電子ペーパーは反射型表示装置であり、周囲の光を反射して画像を表示し、周囲の光の強さに応じて画像の明るさが変化します。そのため、電子ペーパーには、目の保護、超低消費電力、快適な読書、太陽光の下での良好な視認性など、通常のスクリーンにはない利点があります。太陽の下では見にくい携帯電話の画面とは異なります。

電子ペーパーの画面は太陽の下でも反射せず、はっきりと見えます

(画像出典: Wikipedia)

現在市場で最も一般的な電子ペーパーは白黒です。もちろん、カラー電子ペーパーは後に登場しました。彼らは、インク粒子の上にカラーフィルターの層を置くか、インク粒子を色付きのものに置き換え、電界を使用して粒子内の異なる色のインクの位置を変えました。混ぜると様々な色が現れます。もちろん、技術的な制限により、カラーとしか呼べません。色の鮮やかさを従来のモニターと比較するのは、まだ少しやりすぎです。

カラー電子ペーパーの概略図

(画像出典: Eink プロモーション画像)

現在、電子ペーパーの機能は LCD ディスプレイに取って代わることはできません。紙や印刷物の代替として位置付けられています。しかし、今後、電子ペーパーは、フルカラー化、応答性の向上、コスト削減など、さまざまな方向に発展していくことは間違いありません。

LCDの未来——ミニ/マイクロLED

現在人気の高い LCD LED ディスプレイと OLED ディスプレイには、それぞれ長所と短所があります。 LCD LED ディスプレイの色の均一性は比較的悪く、OLED ディスプレイはコントラストと均一性の問題を解決しましたが、その耐用年数は比較的短いです。現時点では、両者の中間に位置するディスプレイ技術であるミニ/マイクロ LED は、それぞれの欠点を完璧に補い、それぞれの利点を備えています。

ミニLEDバックライトと従来のバックライトLEDビーズの違い

(画像出典: Geek Research Monk)

LED 画像のコントラストが不十分であったり、黒い部分にひどいハロー現象が発生したりするなどの問題を解決したい場合、最も実現可能な方法は LED 光源のサイズを縮小することです。つまり、同じサイズのディスプレイの下で LED ランプビーズの数を増やすということです。 LED ランプビーズのサイズが継続的に縮小され、最終的にはピクセルと同じサイズにまで小さくなると、LCD は OLED に匹敵する画質を持ち、同時に OLED にはない長寿命も実現します。これは、ミニ/マイクロ LED ディスプレイの名前の由来でもあります。ミニ LED LED ビーズの直径は約 50 ～ 200 μm で、マイクロ LED ビーズの直径はより小さく、通常は 50 μm 未満です。

エッジ型LEDバックライトと異なる区画のハローディスプレイミニLEDバックライト

(画像出典: Geek Research Monk)

数万個の LED ビーズを搭載したゾーンバックライト付きミニ LED ディスプレイが市場に登場していますが、これはまだ始まりに過ぎません。 MiniLED ディスプレイにはランプビーズとパーティションが不十分なため、暗い領域が多いシーンでは深刻なハローと低いコントラストが発生します。上の図に示すように、パーティションが少ない MiniLED ディスプレイでもハローがはっきりと見えます。理論上、マイクロ LED はミニ LED の上記の問題を完全に解決できますが、LED ピクセル粒子を非常に小さくすることは非常に繊細な作業であり、非常に多くのランプビーズに必要な制御チップの数は想像を絶するものです。そのため、現状ではコストを考慮しない展示会などでの披露にしか使用できません。それが本当に普及し応用されるには、長い期間にわたる技術革新が必要となるでしょう。

マイクロLED構造

（出典：深セン国家ハイテク産業イノベーションセンター、天鋒証券研究所）
克服すべき技術的障壁はまだ多くありますが、ミニ/マイクロ LED は LCD と OLED の利点を兼ね備えており、今後の発展は計り知れません。

メタバースの基盤 - VR、AR、MR、XR、ER

かつてVRやARは人気の宣伝ギミックで、SF映画の未来のシーンが手の届くところにあるかのように、さまざまなヘッドマウントデバイスが次々と登場しました。現在、VR と AR をめぐる誇大宣伝は沈静化しています。しかし、メタバースの台頭により、VR は復活したようです。

MR、XR、ER に加えて、VR や AR もよく言及されます。これらを区別するのは難しいですが、以下の説明を読めば、それぞれの概念をより明確に理解できるでしょう。

VR は仮想現実 (Virtual Reality) の略で、現実世界を完全にコンピューターで生成された世界に置き換えます。代表的な用途としては、各種 VR グラスや VR ゲームなどが挙げられます。

ARは拡張現実と呼ばれます。現実世界を直接置き換える VR とは異なり、AR は現実世界に仮想オブジェクトを追加して現実世界を豊かにします。

複合現実（MR）とは、現実世界と仮想世界の融合によって生み出される、現実のエンティティとデータ エンティティが共存し、リアルタイムで相互作用できる新しい視覚環境を指します。つまり、生成された「仮想画像」は、ある程度まで実際の物体と相互作用することができます。

拡張現実 (XR) には、拡張現実、仮想現実、複合現実などの形式が含まれ、センサー入力が制限された仮想世界から完全に没入型の仮想世界まで多岐にわたります。

シミュレーテッドリアリティ（ER）とは、既存のVR、AR、3Dモデリング、高解像度ディスプレイ、完全なインタラクションなどの技術を総合的に応用して、同一の現実世界を作り出すことを意味します。シミュレートされた世界の典型的な例は、有名な映画「マトリックス」の未来世界です。

VRテクノロジー

（写真提供：Veer Gallery）

現在、私たちが最もよく目にしているのは VR です。これは、人間の目の視覚誤差の原理を利用したもので、両目の位置が異なるため、両目で見る画像に違いが生じ、それによって人間は 3 次元の空間感覚を知覚できます。 VR 技術は両眼立体視を利用して、左目と右目に異なる画像が見える視覚エラーを作り出し、フラットパネル ディスプレイでは得られない 3 次元効果を生み出します。

しかし、現在の技術では、仮想環境の複雑さに対する要求が非常に高いだけでなく、画質とリフレッシュ レートも非常に重要であるため、真のシミュレーションを実現することができません。そのため、この段階では、VR メガネをかけて仮想現実を体験すると、私たちが感じるのは「現実」というよりも「仮想」ということになります。

しかし、仮想現実技術の発展には依然として大きな可能性があり、産業や研究における大きな発展の可能性と応用を秘めています。それに関連する機器は、メタバース誕生の基盤となります。

未来の技術 - 裸眼3Dディスプレイ

2次元画像から3次元効果を表示できるデバイスはすでに数多く存在します。それらはすべて、実際に人間の視覚システムの知覚を利用しています。

人間の視覚システムは、奥行き知覚を行うために外部から多くの情報を取得しますが、奥行き知覚の重要な要素のほとんどは、影、遠近方向、相対的な大きさ、遮蔽、ぼかしなどの 2 次元情報です。 2次元の奥行き知覚要素が人間の視覚系を通過すると、3次元空間に存在するボールとして考えます。

絵画、写真、画像など、2次元の奥行き知覚要素が埋め込まれている限り、私たちの目は3次元知覚効果を生み出しますが、そうでない場合は光学的な画像錯覚が発生します。

したがって、3D ディスプレイ システムは、まず上記の 2 次元の奥行き知覚要素を確保し、次に立体視差、運動視差、視覚調節矛盾などの他のいくつかの 3 次元知覚要素を追加して解決する必要があります。この原則に基づいて、3D ディスプレイを実現するためのいくつかの技術的な方向性が得られています。 VRとは、技術的な方向性として両眼視差を利用して3D表示を実現する装置です。しかし、私たちの目を遮るあらゆる種類の機器を避けたいのであれば

裸眼3Dを実現したい場合、これは新たな問題となるでしょう。しかし、ホログラフィック 3 次元ディスプレイは、そのような体験をもたらすことができるかもしれません。

めまいなどの不快感を引き起こす可能性のある両眼視差と比較して、ホログラフィック3次元ディスプレイは、物体の光波のすべての情報を記録および復元することができ、再現された画像は元の物体とまったく同じ3次元特性を持つため、人間の目が引き起こす不快感は非常に弱くなります。

（写真提供：Veer Gallery）

3D ディスプレイの開発動向は、人間の目で見る現実に近い、あるいはそれを超える、大きな被写界深度、広い視野、高解像度、真の色彩を備えたリアルタイム 3D ディスプレイです。しかし、ホログラフィック 3 次元ディスプレイは、空間帯域幅領域が小さいことや、計算および伝送量が大きいことなど、依然として重要な技術的制約に直面しているため、まだ技術研究開発段階にあり、商品化には長い時間がかかると思われます。

結論

ディスプレイ技術の発展の歴史は、実は人類の技術発展の歴史の縮図とも言えます。私たちは、数多くの新しいディスプレイ技術を学び、技術の発展を目の当たりにし、現実を超越し完璧を求める人類の追求を感じました。人類の美しい未来へのビジョンがテクノロジーの継続的な原動力となり、ディスプレイ技術のさらなる発展を促すと信じています。

編集者：郭 雅新

参考文献:

[1] イアム・チュン・ク液晶。ニューヨーク：ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、1995年

[2] S.ブルジョーニ、R.メウチ。低出力 CO2 レーザーによって誘起されるネマティック液晶フィルムの自己位相変調。オプトコミュ2002,206,445

[3] https://www.zhihu.com/question/22465979

[4] https://baike.baidu.com/item/LCD/361823

[5] https://baike.baidu.com/item/OLED?fromModule=lemma_search-box

[6]https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%B2%E6%99%B6/189429?fromModule=lemma-qiyi_sense-lemma

[7] https://www.eizo.com.cn/

[8] Apple HDRビデオワークフローのステップバイステップガイドとHKC PG27P5U MiniLEDディスプレイのレビュー https://www.bilibili.com/read/cv14394063

[9] MacBook Pro 2021 スクリーンテスト：エッジ型LEDバックライトvs直下型MiniLEDゾーンライトコントロールの違い https://www.bilibili.com/video/BV1KR4y1x7CV/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=3635f107ec6e3c3778a21a10d98fee04