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苹果​iPad上的MiniLED屏幕翻车了?探讨“光晕效应”背后的秘密

MicroLED.cn 技术文章 2021-05-27 22:06:28 20393 0 | 文章出自:电子工程专辑 MiniLED

今年iPad Pro 12.9寸版更新的一个亮点就是采用miniLED背光屏幕。很多体验文章将miniLED的视觉体验形容为惊艳。不过伴随夸赞声的,也有很多用户提到iPad Pro的miniLED屏幕“疑似翻车”,主要表现在画面的黑色背景下,显示对象的周围会出现光晕。显示内容周围出现光晕,是比较值得探讨的技术话题。

苹果​iPad上的MiniLED屏幕翻车了?探讨“光晕效应”背后的秘密  第1张

                                                                             来源:The Verge

上面这张图来自外媒The  Verge,是在暗色模式下,用Kindle应用或苹果阅读看书时,文字周围显现出的光晕。当然这么严重的“光晕”可能与软件优化也有很大的关系了。不过它实则属于miniLED发光原理局限性的某种夸张表现,对于理解光晕表现是有帮助的。

本文,我们借着iPad Pro 12.9寸的“光晕效应”,来谈谈miniLED背光面板本身的原理和特性,及其价值与发展前景。要知道mini  LED/microLED如今可是整个供应链牟足了劲在发展的重中之重。

iPad Pro的mini LED屏幕

今年新推的12.9寸iPad Pro所用的这种屏幕,苹果称其为Liquid Retina XDR。这个营销词汇背后,更多就是miniLED背光技术了。在谈miniLED技术之前,先来看看iPad用的这块屏幕有多逆天。

首先其整块屏幕能够达到的亮度是1000nit,播放HDR内容时,区域亮度可以达到最高1600nit,基本上和售价4、5万的苹果Pro Display  XDR显示器差不多,比市面上绝大部分宣称为4K HDR的电视更亮。要知道其他iPad  Pro屏幕亮度就600nit,一般高端平板和笔记本的屏幕亮度到500nit就不错了。

另外就是这块屏幕的对比度达到了1000000:1,还是和4、5万块钱的Pro Display  XDR一样。不少用户都表示,用这块屏幕看HDR内容,画面中的暗部明显更暗,但却能呈现更多的细节。虽然这种对比度放在iPhone  12屏幕面前也没什么,但要知道iPhone 12用的是OLED屏幕,而iPhone 11用的LCD屏对比度是1400:1。

有人说,那为什么不直接用OLED屏幕呢?OLED面板应用于手机这样的小屏的确是可行的,但大尺寸面板上,OLED技术一方面是制造成本吃不消;另一方面则在于OLED虽然有着十分出色的暗色表现能力,而且对比度极高,但因为发光材料的寿命问题,很难做到LCD那样的高亮度。

虽然国内现有的视频流播资源其实还很少有HDR内容,但这块屏幕即便是日常娱乐、办公,依然能够表现出远超一般平板和笔记本屏幕的水准。

当然苹果并不是第一个应用mini LED屏幕的设备厂商,TCL、三星、LG前两年就开始宣传mini LED面板趋势了。今年被某些厂商称作“miniLED面板元年”,因为今年的miniLED面板正大举扑向市场。


苹果​iPad上的MiniLED屏幕翻车了?探讨“光晕效应”背后的秘密  第2张

                                                                           来源:三星

mini LED上的光晕

说完好的,来说点坏的。正如文首提到的,iPad Pro的这块miniLED屏幕存在着显示上的“光晕”效应。这是miniLED背光特性决定的。要讨论这个问题首先还是要理解LCD的显示原理。

详细的原理本文不再赘述,与其发光原理相关的核心在于,LCD面板是叠层结构,靠底层的背光层照亮并显示画面;中间有一层是液晶层(LC),液晶层能够通过液晶的偏转来控制光的通过与否。比如在显示纯白时,液晶“放行”全部的背光;而在显示纯黑时,液晶则“遮挡”背光。

LCD的这种发光原理决定了,一般的LCD屏很难显示真正的纯黑。因为即便有液晶“遮挡”背光,仍然无法做到彻底的遮挡。所以LCD屏显示的黑色更像是某种灰色,而非纯黑。而OLED由于每个像素自发光的特性,在显示黑色时,可以将像素彻底“熄灭”,显示的黑色自然更加纯粹。

这一点也决定了LCD屏很难做到高对比度,所以以往的LCD屏有1000:1-5000:1的对比度就已经不错了。这也让LCD要实现HDR(High  Dynamic Range)内容显示更有难度。所以分区背光或局部调光(local  dimming)就出现了,即LCD的背光层分成了不同的区域,在某个区域需要点亮时才点亮,在某个区域显示黑色时,则熄灭该区域的背光。


苹果​iPad上的MiniLED屏幕翻车了?探讨“光晕效应”背后的秘密  第3张

                                                                           来源:三星

这种技术在LCD电视上有比较广泛的应用,比较高端的如Vizeo P-Series Quantum  X电视最高480个背光区域。很多LCD电视大概有几十个LED背光区域。如果用“分区背光”来类比OLED,则OLED可类比为每个像素都有独立的“背光”,也就是说一块1080p分辨率的OLED面板,类比“背光区域”就超过200万个,其粒度远高于“局部调光”的LCD。


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                                                                   来源:Linus Tech Tips

局部调光的粒度比较粗的情况下(即背光分区数量不多),就很容易观察到“光晕”,这是由某个分区发光时,漏光到临近不发光的分区(或更暗的分区)所致。凑近仔细观察,说不定还能肉眼分辨出不同的背光区域。


苹果​iPad上的MiniLED屏幕翻车了?探讨“光晕效应”背后的秘密  第5张

来源:Prospects and challenges of mini-LED and micro-LED displays*

MiniLED的实质就是把这种背光分区做得更多,或者说将每个LED背光做得更小,实现更精准的背光和画面亮度控制(所以mini  LED显然也属于LCD)。比如上面这张图,在显示一根蜡烛时,仅点亮显示所需的背光部分,而且有不同的灰度级(虽然其精度和OLED还是不能比)。

MiniLED电视通常背光分区数量远超传统LCD电视(根据面板尺寸大小有异)。比如TCL的8系列miniLED电视,有超过25000个miniLED背光,构成1000个分区。

三星在今年CES 2021展上推出的Neo  QLED电视,宣传中提到单个LED的尺寸比传统的LED小40倍;还特别宣传了对光晕的控制。三星虽然并没有提到其Neo  QLED电视有多少背光分区,不过有网友讨论认为85寸的QN90A大概有1320个背光分区。


苹果​iPad上的MiniLED屏幕翻车了?探讨“光晕效应”背后的秘密  第6张

                                                                            来源:苹果

今年的iPad Pro 12.9”在miniLED背光的选配上也算是相当华丽了。苹果在宣传中提到这款平板的屏幕有超过10000个miniLED,构成2500个分区。要知道这块屏才12.9寸,比那些电视小多了。作为对比,上一代iPad Pro背光总共72个LED。所以新款iPad  Pro这块屏幕的单个LED的尺寸比前代小了大约120倍。

这个分区数量听起来已经比传统LCD电视面板多出很多了,但如前文所述,当它与OLED(或microLED)像素级的精度做比较时,仍然差了不止一个量级。所以miniLED能够做的是以更多的LED和分区来缓解光晕效应,但它仍然无法做到像素级别的精细控制,光晕问题可能仍然会存在。

更细致地理解光晕问题

虽说mini LED被很多人认为是通往OLED的过渡方案,iPad Pro开始采用miniLED屏幕还是让人看到了这类面板的大好前景的,也表明其大规模量产并普及的可行性。这种技术不仅能够让LCD实现更高的对比度,呈现更黑的黑色,而且在背光均匀度、面板厚度、功耗方面也有红利;另外成本低于OLED,峰值亮度可以做得更高。关于miniLED的价值,本文不再多做探讨了。

接下来的部分,让我们更细致地来观察mini LED的光晕问题,以及mini LED存在的更多挑战。2019年SID有篇名为Prospects and  challenges of mini-LED and micro-LED displays的paper中比较详细地谈到了mini LED遭遇的挑战。

光晕(halo)是局部调光技术下一个比较大的话题。如前文所述,光晕效应是在显示亮色对象时,漏光到临近黑色区域的现象。配套出现的还有一种clipping  effect——这里我们暂且翻译成削弱效应,削弱效应是分区光的亮度不充分的现象。


苹果​iPad上的MiniLED屏幕翻车了?探讨“光晕效应”背后的秘密  第7张


上面这张图探讨了这两种效应的存在。这里横轴(Xzone)每一格表示不同的背光分区,纵轴则表示亮度。这一例中,仅中心分区为峰值亮度,周围的分区处于“熄灭”状态。理想情况下应该是图(A)那样的。但实际上,每个分区的光亮度不仅和光源本身有关,而且还与临近分区的漏光有关。图(B)展示了这种情况,如此一来中心分区的光泄露到临近分区,且该分区的光强被削弱,也就同时产生了光晕和削弱效应。

另一方面,LCD面板的背光单元(BLU)会对LED做更进一步的调制,以获得更好的细节表现,目标是图(C)这样的。那么加上光晕和削弱效应,最终就会变成图(D)那样。

针对这两种效应,事实上有很多算法做缓解,也是不同厂商努力的方向——各种算法的提出远早于我们的认知。从硬件层面来看,更高的LCD对比度,或者精细到像素级的调光能够显著缓解/消除这两种效应。对于LCD而言,也就是增加背光分区数量,减少受光晕效应影响的暗区(图B中的黄色区域);增加对比度则缓解了亮区的光晕效应(图D中的中央分区的黄色部分)。

背光分区的数量和LCD对比度,对于抑制光晕和削弱效应具有最大的影响作用;另外,LED光的扩散、分区光的隔离等光学设计同样也对分区调光的最终表现有影响——光学设计上的差异也可能导致更少的分区,却在光晕效应抑制方面有更好的表现。

针对光晕效应是否被人眼察觉,早前就有研究人员提出过以LabPSNR(CIE 1976  L*a*b*色彩空间中的峰值信噪比)作为光晕效应的衡量指标。LabPSNR > 47.7dB时,仅有5%的人能够区分出是否用了miniLED背光。


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上面这张图中的黑色虚线,即是LabPSNR的这一临界值。不同颜色的曲线代表了不同的LCD对比度(如蓝色为对比度为1000:1时);横轴表示的是背光分区的数量。(其前置条件是基于对6.4英寸屏幕,25cm视距下的判断。不同尺寸的面板可能需要综合考虑视距问题,但这个数据对大面板仍有参考价值。)

这张图也可以一定程度套用于今年的iPad  Pro。需要注意的是,这里的对比度指的是LCD液晶本身所能达到的对比度,而不是加入了局部调光技术以后整块屏幕的对比度。对于2000:1对比度的LCD而言,需要超过3000个背光分区,才能大致消除光晕效应产生的影响。但如果LCD本身对比度低于1000:1,那么所需的分区数量即便到10000个,也无法获得满意的效果。

苹果​iPad上的MiniLED屏幕翻车了?探讨“光晕效应”背后的秘密  第9张


除此之外,对于LCD面板而言,从mini LED背光到液晶层,光会发生扩散。这与LED发射孔径、miniLED与diffuser之间的距离,以及BEF(brightness enhancement  film)等光学层都相关。上面这张图给出了某个背光分区中的LED数量(NLED)变化时,LabPSNR受到σ/xLED变化的影响——也就是更小LED发射孔径和更短的光程,就能令LabPSNR更高。

其中黄色、红色、蓝色三条曲线依然对应于前面那张图中(Figure  4)不同的LCD对比度。比如当一个背光分区中有2x2个LED,且对比度为2000:1,σ/xLED=0.5时,光晕效应就不再明显(上图中的图B)。

鉴于篇幅关系,本文不再深入光晕效应的更多影响因素及对应关系,比如说临近背光分区的串扰同样还受到透镜准直、隔离等光学结构的影响,所以分区内背光的界限控制也非常重要。由此可见,现在的miniLED还是有改进空间的。


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                                                                          来源:三星

MiniLED市场竞争在加剧

总的来说,iPad Pro 12.9”在mini  LED屏幕虽然有光晕效应的影响,但瑕不掩瑜,这块屏幕在亮度、对比度方面的惊艳表现仍远优于同类产品,也为mini LED的发展做了前期探索。不过虽说mini  LED的价格目前开始逐渐显现出优势,但这款iPad Pro在没有Apple  Care+的情况下,其破损维修费用达到699美元,比前代的499美元高出不少,可见mini LED成本仍然不算低。

好在这一现状将很快发生变化。韩国、中国台湾的诸多面板制造商都在向mini/micro  LED面板发力,大陆地区的供应链相关企业表现得更加积极,包括京东方、TCL/华星光电、天马微电子这些面板厂商都在这两种产品的R&D方面加大投入。LED供应链上,三安光电、华灿光电、国星光电、聚飞光电等这两年都在对应技术上开展工作。(需要注意的是,本文探讨的是mini  LED,而不是micro LED。后者是实现了像素级背光控制的技术,其成本目前看来仍然是居高不下的,未来我们将转另外撰文探讨)

如LED芯片制造商三安光电将mini/micro  LED作为开发策略的重点,2019年三安光电就宣布投资12亿元人民币在湖北鄂州的葛店经济技术开发区针对研发生产做布局;去年,三安光电与华星光电宣布合作成立联合实验室,投入3亿元人民币共同开发micro  LED材料、制造工艺和设备。

另外还有诸如国星光电投资10亿元人民币扩充用于mini LED背光的LED封装产能;利亚德与晶元光电联合投资数亿元人民币,在无锡生产mini/micro  LED芯片和模块,加速新一代显示解决方案的商业化进程等等。

基于中国国内对mini/micro  LED技术的投入,这一市场的竞争预计将持续加剧,并加速新技术的推广和发展。市场上的电视、PC、平板等大屏产品都将很快受到影响,显示领域的一场变革正从今年的iPad  Pro开始悄然进行。

参考来源:

* Huang, Y, Tan, G, Gou, F, Li, M-C, Lee, S-L, Wu, S-T. Prospects and challenges of mini-LED and micro-LED displays. J Soc Inf Display. 2019; 27: 387– 401. https://doi.org/10.1002/jsid.760.

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