2014年9月13日 星期六

Apple Event 9.9.2014 觀後感 (2) - iPhone 的新螢幕


"iPhone 變大了!" 這個大家都知道,甚至是幾個月前就知道了,對吧?但此次 Apple 還有意地介紹了一下 iPhone 6 的新螢幕結構,然後一堆科技媒體盲目地爭相報導 .... (當然,有些媒體因為不懂技術而完全略過) 有鑑於此,趁這個機會我來針對這些新功能講一下 IPS 面板的部分技術細節。


Photo-aligned display (光配向面板)


這部份對於非業內人士應該是比較陌生的一塊。簡單地說,就是 LCD 的液晶層中,上下都必須要塗上一層 "配向層" (多半是 PolyImide 高分子),再用絨毛布滾輪將該層壓出一條條細小的凹槽,以便規範液晶分子的原始排列方式,也稱為 "配向" (align)。這種方法雖被所有 LCD 面板廠採用,但此製程畢竟是一種物理性的破壞,故達成目的的同時也產生了一些問題,比如說規律的凹槽可能會產生繞射條紋,或是絨毛布的碎屑會使液晶配向異常,進而造就不必要的漏光,導致對比度下降。

至於 "光配向" 技術則是藉由特殊的光敏感性塗料當作配向膜,再施以紫外光曝曬,以光化學反應的方式讓隨機排列的配向膜表面分子變成規律性的排列 (光配向的機制目前有三種,各有利有弊,為了避免讓本文過於冗長,故先不提細節)。聽起來相當酷,而且也克服了傳統配向法的缺點,故光配向面板的最大特點就是對比度較高 .... 其實也只是這樣而已。


可是光配向膜也有它的罩門,比如說由於它不具備物理性的表面凹槽,故其配向能力原本就比傳統配向膜差 (所以嚴格說來 Apple 官網的敘述是錯的),而一般日光中也含有紫外光,長久地在室外使用可能會造成此類面板的配向能力遭到干擾,進而影響顯示效果。還有更重要的一點,此項技術的塗料及曝光機台分別被不同的日商壟斷,對於下游面板廠來說是相當麻煩的。夏普 (Sharp) 身為光配向面板的佼佼者,獨門技術就不用說了,想必早已解決這些大大小小的問題。不過,就我的情報來源顯示,此次 iPhone 6 面板的主要供應商應該還是 LGD,至於夏普有沒有摻一腳我就不清楚了。

題外話,當我看到 "光配向" 這個字眼出現在螢光幕前時著實讓我嚇了一跳,因為我曾經是光配向專案的負責人。可惜的是,這個技術生不逢時,雖然它讓 LCD 達到另一個高峰,但它問世後不久就遇到 OLED 的崛起 (光配向面板的對比度再高也比不上 OLED,對吧?),加上曝光機台的額外投資成本,故有心發展此技術的廠商並不多 (幾乎是零),但無庸置疑的是,光配向面板的顯示效果絕對是同類型 LCD 裡最好的一種。


Dual-domain pixel (雙域像素)


雙域像素是 IPS 系面板所獨有的畫素設計,示範圖如上,所謂的 "雙域" 就是兩種傾斜角度的畫素。請注意我說的是 IPS "系",因為原始的 IPS 已是過時的技術,現在的面板廠都是使用 IPS (In-Plane Switching) 的進化版 -- FFS (Fringe Field Switching),而要看懂雙域像素不能從上圖的 RGB 濾光片側去看,必須由 LCD 面板的另一側 -- TFT 電極側著手。


FFS 最大的特色之一就是柵欄狀的電極 (如右圖),之所以要挖空那些條紋,就是為了讓電場可以從下層 "漏出來",而在液晶層裡,液晶分子就依照這些電場的水平切線方向來轉動。由上可知,IPS 系面板的響應速度慢是一定的,因為真正使用到的電場並非正負電極直線產生的電場,而是其他漏出來的剩餘電場,示意圖如下:


另外,電極的向也直接影響了液晶轉動的方向,比如說雙域像素在通電時,液晶分子會依照 "域" (domain) 而指向不同的方向。這樣做的效果是,在某個視角下,進入眼睛的光在通過液晶層時,會因為液晶分子不同的排列,而感受到兩種不同的折射率,但當你換到另一個視角的時候,這兩種折射率的組合又會隨之改變,平均下來使得看到的畫面與原先視角下看到的畫面大致相同,這就是雙域像素造成廣視角效果的基本原理。如果聽不懂我在說什麼,下面的圖雖然是廣視角 VA 面板的示意圖,但也能給大家一個概略的圖像:


OK,既然雙域像素這麼好,而且它只是一個發展超過五年的老技術,為什麼 Apple 到現在才用?或者說,為什麼其他使用雙域像素面板的手機也不見得能在視角上比前幾代 iPhone 有更好的表現 ?原因就是雙域像素的幫助本來就不大,光看傾斜的角度就知道,斜那一點點是能改善多少?但由於其他因素又不能斜得太多,故雙域像素只能錦上添花,不能成為改善視角的主要利器,對於 IPS 系面板來說,本身具備一定的廣視角能力以及偏光板的選用才是影響最終顯示效果的重點。


Polarizer (偏光板)


偏光板是 LCD 裡的重要零組件,一般的偏光板只是極化光的過濾器而已,但用在 LCD 裡的偏光板除了具備極佳的極化光過濾能力 (上圖的 PVA 層),還包含多層不同功能的材料。Apple 號稱 iPhone 6 使用了 "Improved polarizer",讓我們來看看它可能改善了什麼。
  1. 紫外光吸收能力:紫外光對於液晶分子有一定的殺傷力,曝曬久了可能有變質之虞,故偏光板都會摻入紫外光吸收劑以阻擋其通過,而紫外光穿透度也成為偏光板規格書中的重要項目之一。這次 iPhone 6 使用的是對紫外光十分敏感的光配向面板,故在此部分想必做了一些調整,只是長時間的可靠度還是值得觀察。
  2. 補償膜:顧名思義,補償膜就是針對 LCD 視角不夠廣而催生出來的彌補措施,但對於 IPS 系面板來說,由於它的液晶是平行轉動的,天生在不同視角下的對比度差異及色偏就比較小,所以很多人認為 IPS 系面板不需要補償膜,事實上這是錯誤的想法,若有親自量過 IPS 系面板的光學表現,就會知道世界上不存在真正廣視角的 LCD,即使是 IPS 系也只是相對較好而已 (畢竟常用的液晶分子都是棒狀的,其雙折射性的光學性質使廣視角不可能達到)。那麼,市面上這麼多令人驚艷的手機螢幕是怎麼來的呢?就是靠補償膜撐出來的!然而,補償膜的選用也會造成一定的差異,所以有些 IPS 系面板會有數個視角的缺口,但有些卻能做到幾乎無死角,至於不加補償膜的 IPS 系面板就更別提了,即使它底子也是 IPS,但看起來就是不夠好,其中補償膜佔了很大的影響因素,絕對比雙域像素重要多了。
  3. 表面處理:上述提到的補償膜多半是跟日本材料商外購的,但表面處理層就是各家偏光板廠商自己的功夫了,像是基本的抗炫光 (AG)、抗靜電 (AS)、低反射 (LR)、抗反射 (AR) 以及為了特殊偏光板或面板而量身打造的客製化表面處理層都是一例。我認為 Apple 提及的 "Improved" 應該主要是在這一層,也就是說 iPhone 6 用的偏光板可能擁有更好的抗反射效果,使得日光下的對比度不致於下降太多,以材料的特性去提升日光下的可視度,而非一味地增加背光的亮度。
20150308 Update:Improved polarizer 確實是在表面處理下功夫,經過測評單位 Zealer 的實驗結果,證明是改良偏光太陽眼鏡下的可視度。但 Zealer 並沒有解釋它是怎麼做到的,其實也不難啦,就是在原有的上偏光板上方,多貼上一層沿著光偏振方向傾斜 45 度的圓偏振片,或稱 Quarter Wave Plate (QWP)。如此一來,進入用戶眼內的光就有了兩種極化方向,無論偏光眼鏡過濾掉哪一種極化方向,結果都不會讓螢幕內容完全看不見,這就是 Improved polarizer 的主要改進點。

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以上講了一堆面板技術的東西,其實不知道也無所謂啦,到時拿在手上親自感受一下螢幕的表現才是最重要的。這次台灣破天荒地被排在第二梯上市的國家裡,希望能繼續保持  XD

最後,這次發表的 iPhone 6 及 6+ 一口氣增加兩種螢幕解析度,開發者就算不爽也只能接受,但我擔心的是,在不久的將來,是否會有越來越多 App 不支援 3.5" 的 iPhone?即使它跑的 iOS 是最新版本也一樣 ...?

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