2015年3月21日 星期六

Pebble 的 e-Paper 螢幕


在上個月底,Pebble 發表了最新的智慧型手錶 Pebble Time,除了新的 UI - Timeline 之外,最受人矚目的就是這塊彩色 e-paper 螢幕了。相較於過去的 Pebble 螢幕只有黑白雙色,Pebble Time 的確看起來亮眼多了,而且 Pebble 卓越的續航力也跟這塊螢幕脫不了關係,這次我就來談一談這塊螢幕背後的技術原理。

講到這裡有人會說 "哎唷,不就是電子墨水 (e-ink) 螢幕嗎?有啥好講的!" 這的確是一個誤區,眾多著名的科技媒體都弄錯了,像是 TechCrunch 直接寫錯、TheVerge 講得相對保守,但對 "e-paper-like" 一詞沒有解釋、Popular Science 先前寫 e-ink 但後來又在文末修正 ... 包括以前的我也搞錯。注意看官網的敘述 "... e-paper display ....",從頭到尾都沒有明確地指出他們是用 e-ink 螢幕喔!而 e-paper 螢幕只是一個總稱,意指 "有電子紙特性的螢幕"。這樣一說好像越來越繞口,有電子紙特性的螢幕不就是 e-ink?事實上 e-paper 螢幕又稱 "雙穩態 (bistable) 螢幕",種類非常多,有興趣的人可以參考它的 Wiki 專頁,而 e-ink 只是其中最著名,且效果最好的一種,但它也有不少缺點,故 Pebble 並沒有使用 e-ink。


我本身並沒有 Pebble,但在 Pebble Time 發表之後看了不少相關的影片,才發現 Pebble 的螢幕表現完全不像 e-ink 螢幕,比如說畫面反應比起 e-ink 相對快速很多,又沒有整面刷新的決定性特徵,而且色彩還算鮮豔,彩色 e-ink 的顯色簡直就是悲劇。至於我先前為何會認為它用的是 e-ink 螢幕呢?以訛傳訛或許是一個很好的解釋,而 Pebble 官方又刻意不澄清此事,如 Ink, Bits, & Pixels 之文中網友的回覆。那麼,Pebble 螢幕的真面目究竟為何?

謎底為 Sharp 的 Memory LCD。這是一款十分冷門的小眾產品,結合了兩種不常見的面板技術:Memory-In-Pixel (MIP) 及 Polymer Network Liquid Crystal (PNLC)。


Memory-In-Pixel (MIP)

圖片來源:Sharp 官方技術文件

MIP 說穿了也沒什麼,就是在每一個像素外都並聯一個小型的記憶體,如此一來,藉由該記憶體紀錄液晶當時應有的狀態,進而達成 "電子紙" 的效果。如果你覺得上述講得太抽象,不彷想想電子紙的技術是為何而生?從 LCD 到近年的 OLED 螢幕都有很好的螢幕表現,為何還需要顯示效果低劣的電子紙?原因就是 LCD 及 OLED 的光源過強使人眼睛乾澀,且由於該兩種螢幕均需使用 TFT (Thin Film Transistor 薄膜電晶體) 當作電極,而此物在運作時會使得螢幕不斷地閃動,進而造成眼睛疲勞,甚至加深雙眼散光 (亂視) 的程度。


那為何螢幕會閃動呢?原因在於每一個像素都必須在 Gate line 及 Data line (如上圖) 的訊號同時到達時才能運作,但像素的數量這麼多,不可能為每一個像素配一組 Gate/Data line,所以 TFT 陣列是以 "逐行掃描" 的方式在運作,所以螢幕當然會閃動 (就算你沒感覺到閃動,你的眼睛是會感覺到的)。至於市面上所謂的 "不閃屏" 其實只是優化電路設計及像素內的電容設計,使得每一次掃描期間,各像素的表現能維持得久一些,以此達到 "類似" 不閃動的效果,事實上全是扯蛋,更別提某些人說螢幕顯示字體清楚與否會影響疲勞度,在我看來都是次要因素,只要你用的是一般 LCD 或 OLED 螢幕,就不要把舒適度一詞拿出來丟人現眼,它怎麼看都是累。

所以 MIP 是怎麼做的呢?它是用額外並聯的記憶體,將該像素當時的狀態紀錄下來,如此一來發光的東西照樣發光、液晶分子的旋轉也不受影響,就算不掃描 Gate line,它們也不會變回原來的樣子 (當然只是時間上維持較久),這就跟 e-ink 的效果差不多了。但看到這裡應該有人明白了,這種技術注定了此類面板不可能有高像素,也不可能有極佳的顯色效果,甚至連黑白螢幕都做不好,因為每一個像素都需要一個記憶體,以現在比較 low 的 720p 螢幕來說,動輒都有九十幾萬顆像素,那得要給這塊面板多少記憶體?光電路設計就累死人!(想當初群創也有發表相關的 paper 在 IDW 上,但結果顯示每個像素加到 2bit 記憶體就是他們的極限了)

因此我們可以從 Pebble (Time) 的螢幕表現及技術規格看出一些端倪,有些看似很奇怪的限制都是有其原因的:

  1. 屏佔比極低,邊框超厚:面板做不大,且為了面板走線需留下較大的空間。
  2. 色彩表現差:黑白款的 Pebble 只有黑白兩色,連灰階都沒有!而彩色的 Pebble Time 只能顯示 64 種顏色?!這是因為黑白款只給每一個像素配 1bit 記憶體,故只有黑及白;彩色款則是配 2bit 記憶體,故能顯示的顏色有 2x 22 x 22 = 64 種。
  3. 不支援觸控螢幕:為了降低功耗,黑白款 Pebble 刻意把更新頻率降低至 1Hz,這樣的觸控肯定不跟手,乾脆不支援;彩色款雖解除此限制,但由於手錶的輕量使用特性,還是不支援觸控,面對 Digital Crown 的問世可直接回以呵呵二字 (咦)。
  4. 續航力中上:雖然說 7 天的續航力已經秒殺其他智慧型手錶,但相較於 e-ink 動輒半個月的續航水平還是有不小的差距,它畢竟還是塊 LCD 啊!


Polymer Network Liquid Crystal (PNLC)


如果說 MIP 是讓此面板成為電子紙的主要功臣,那 PNLC 則是一等一的省電幫手。從字面上來看,PNLC 也是使用液晶,但 Polymer Network (PN) 是什麼?如上圖所示,PN 為高分子骨架,藉由它的存在使得液晶在未施加電場時 (Off State) 能夠散亂地隨意排列,這樣一來就能達成極高的散射率,而在施加電場後 (On State),由於液晶變成規則的排列,故散射率降低。看似沒什麼,但它能輕易地達成絕大多數 LCD 望塵莫及的事:

  1. 可以當作穿透式面板也可以當作反射式面板:大多數面板在陽光下的效果差是因為對比度太低,太強的環境光在面板的裡外產生反射光,而面板本身的畫面亮度又不足以強過反射光,故對比度下降,這也就是所謂的陽光下不可視 (Sunlight unreadable),而一般的解決方案就是調高整體亮度去跟陽光硬幹。可是紙張完全沒這問題,因為它就是利用環境光來凸顯對比度,而反射式面板則是以面板的結構去模擬紙張對光的散射,進而達成類似的效果。PNLC 的強項之一就是可反射也可穿透 (Sharp 的技術文件是畫反射式的簡圖,可是 Pebble 內有背光模組,故穿透式也佔了很大的部份),要做成 "transflective" (半穿反) 面板毫無問題,相較於一般 LCD 需要更改像素設計、增加光罩及製程難度,還要另購 QWP 光學膜等,費這麼大勁效果還不見得好 (所以各廠商寧可提升亮度),PNLC 在這方面的確有其優勢。
  2. 不需使用偏光板:這一點算是 PNLC 最大的賣點,因為一般的 LCD 都需要偏光板來做光極化方向的選擇,進而選擇光的穿透強度 (嘿嘿,以為 OLED 就沒事了嗎?由於層與層的干涉現象,故 OLED 螢幕也需要偏光板,只是類型不同),可是偏光板是以 "吸收" 不同極化方向的光當作選擇的機制,也就是說它會造成極大比例的能源損耗,即使加入增光模,所挽救的能量還是杯水車薪。然而,PNLC 可單純用電場調整散射/穿透光的比例,所以不需要使用偏光板,光是這一點就可以讓 Pebble 的背光減少很多功耗,因為不需要調得那麼亮,而且還有反射的部份幫它分擔顯示的壓力。

不過呢,既然 PNLC 這麼好,那一般面板為何不用?你說 MIP 做不好,但那跟 PNLC 沒關係啊!原因就是 PNLC 對於散射光的控制並沒想像中地好,可當亮態也可當暗態 (如果你仔細看上圖若切換成反射式面板,就會了解其中的矛盾),所以對比度普遍不高,只有在陽光下比其他面板有優勢,一般狀態下顯示的品質是差很多的,而面板廠不會因為陽光下的特殊使用場景去遷就整體的顯示效果,況且提升亮度或加些抗反射鍍膜後的效果也不差啊!(話說我在某前公司就看過研發單位有人在做 PNLC 面板,但我從未想過它有商品化的一天 ...)

然而,由於 Pebble 的特殊使用需求,顏色不夠鮮豔或對比度差不是什麼問題 (反正不像 Apple Watch 要顯示照片,Pebble 從一開始就限制了使用範圍,現在看來是非常聰明的決定),反倒是低功耗及陽光下可視的特色給了它不少好處及賣點,故最終 Pebble 選用了這款十分冷門的面板當作自家產品中最重要的一部分。綜合上述所示,Pebble 之所以能獲得一定程度的成功,各方面的考量都很深,這樣的用心值得每個創業公司學習。

喔對了,Pebble 在四天前終於公布 "千呼萬喚始出來" 的中文支援 beta 版,以後中文通知就不會都是方塊了,可喜可賀~希望未來能有機會親自體驗,至於 Apple Watch?那價錢還是算了吧。

14 則留言:

  1. 彩色款則是配 2bit 記憶體,故能顯示的顏色有 22 x 22 x 22 = 64 種。
    不好意思這段看不太懂,2bit不是只有四種變化嗎?為什麼是64色呢?

    回覆刪除
    回覆
    1. 它的處理方式跟一般面板相同,也是三個次像素組成一個主像素,每個次像素有 2bit 的記憶體,且本身分為紅綠藍三種。

      2bit 表示能顯示 / 儲存 4 種變化,而這 4 種變化可各分為 4 種紅色 x 4 種綠色 x 4 種藍色,所以相乘的結果就是總共可顯示 / 儲存 64 色。

      刪除
  2. 作者已經移除這則留言。

    回覆刪除
  3. 寫得很清楚,長知識了感謝!

    回覆刪除
  4. 請問此種memory lcd是否顏色就是64色不能再往上增加了呢?感謝!

    回覆刪除
    回覆
    1. 這我不知道,你要問 Sharp 吧?不過現在在郭董手下了 ....

      刪除
  5. 作者已經移除這則留言。

    回覆刪除
  6. 我也是對e-ink和e-Paper有誤解
    還好看了這篇 真的是感謝了
    不過感覺電子紙真的很有意思
    我一直以為電子紙就是斷電後能保持
    只有更新時要花電力 然後顯示像是e-ink這樣子的感覺
    沒想到居然有完全不同認知的MIP出現
    顯示界真的博大精深啊...

    回覆刪除
    回覆
    1. 抱歉您的留言因不明原因被系統歸類成垃圾留言,今天發現才將其救出,十分抱歉。

      其實 "電子紙" 一詞只是通稱,不代表任何一款面板。不過,電子紙螢幕對於現今這個花花世界,可能會小眾一輩子。

      刪除
  7. 不好意思,對於這段話不是很理解,矛盾的地方是什麼呢?
    希望作者能在詳加說明一下(個人理解力稍弱,感謝!)

    PNLC 對於散射光的控制並沒想像中地好,可當亮態也可當暗態 (如果你仔細看上圖若切換成反射式面板,就會了解其中的矛盾)

    回覆刪除
    回覆
    1. PNLC 是利用液晶分子在高分子骨架中的散亂排列去造成散射,以控制光的強弱。

      但 PNLC 有兩種模式,一種是穿透式 (有背光),另一種是反射式 (模擬紙張)。對於穿透式來說,分子散亂排列時是暗態 (背光無法穿透),規律排列時是亮態;但在反射式裡,分子散亂排列是亮態 (光被分子散射),規律排列反而是暗態,所以該怎麼選?你只能智能地依照環境光調整背光強度,讓它選擇其一,但依然有另一種模式的成分,無法分離,這就是 PNLC 面板對比度不高的原因。

      刪除
  8. 讀了您的大作深受啟發:
    “從 LCD 到近年的 OLED 螢幕都有很好的螢幕表現,為何還需要顯示效果低劣的電子紙?原因就是 LCD 及 OLED 的光源過強使人眼睛乾澀,且由於該兩種螢幕均需使用 TFT (Thin Film Transistor 薄膜電晶體) 當作電極,而此物在運作時會使得螢幕不斷地閃動,進而造成眼睛疲勞,甚至加深雙眼散光 (亂視) 的程度。
    那為何螢幕會閃動呢?原因在於每一個圖元都必須在 Gate line 及 Data line (如上圖) 的訊號同時到達時才能運作,但圖元的數量這麼多,不可能為每一個圖元配一組 Gate/Data line,所以 TFT 陣列是以 "逐行掃描" 的方式在運作,所以螢幕當然會閃動 (就算你沒感覺到閃動,你的眼睛是會感覺到的)。至於市面上所謂的 "不閃屏" 其實只是優化電路設計及圖元內的電容設計,使得每一次掃描期間,各圖元的表現能維持得久一些,以此達到 "類似" 不閃動的效果,事實上全是扯蛋,更別提某些人說螢幕顯示字體清楚與否會影響疲勞度,在我看來都是次要因素,只要你用的是一般 LCD 或 OLED 螢幕,就不要把舒適度一詞拿出來丟人現眼,它怎麼看都是累。“

    也想到了一些問題請教您:
    1. 您總結的眼睛看液晶屏很累的原因因素有兩個:LCD 及 OLED 的背光源過強;TFT 陣列是以 "逐行掃描" 的方式驅動液晶刷新;
    這兩個因素哪一個對眼睛疲勞是決定性的?還是兩個因素都是一樣嚴重的影響眼睛疲勞?
    2.舉例1024*768 解析度液晶屏,768行1024*3列,刷新頻率60Hz,每副畫面顯示時間1s/60Hz, 16.67ms,然後自動刷新;如果背光閃爍的話,手機的攝像頭1/2000秒快門看的到背光閃爍的條紋。如果背光不閃爍的話,那麼用手機的攝像頭1/2000秒快門,都看不到液晶屏的自動刷新閃爍,這樣的“不閃屏”為什麼會嚴重的影響眼睛疲勞?
    3.假設把液晶屏背光源換成無閃爍的類太陽光源比如直流鹵素燈光源,並降低亮度(不考慮直流鹵素燈是否合適當背光),是否能大部分消除眼睛的疲勞?假設把背光源液晶屏換成反射式液晶屏,反射自然光,是否能大部分消除眼睛的疲勞?提高液晶自身的回應時間和提高液晶刷新頻率是否能大部分消除眼睛的疲勞?
    4. 您認為,除了墨水屏電子紙,還有什麼顯示幕能不傷害眼睛?
    謝謝您!

    回覆刪除
    回覆
    1. 以下分題回答:
      1. 不知道哪個比較嚴重。
      2. 我不知道哪家的背光模組會閃得那麼嚴重,我指的閃爍是來自 TFT 的運作過程,所以只要有 60Hz 刷新頻率,無論怎樣都是閃,想不閃?頻率 0 Hz 就不閃。所謂的不閃屏只是掃描線在刷新過程中調得比較平滑而已,我不清楚它能不能動態調節刷新頻率,如果不行的話那就只有那樣了。
      3. 只要有掃描就會閃,看久了就疲勞,跟光源無關。除非你可以讓螢幕的更新頻率高到超過眼內肌肉的反應,可是液晶分子做不到。
      4. 電子紙只是統稱,大多數電子紙螢幕都可以。一般螢幕雖然不適合久看,可是顯示表現比較好,魚與熊掌不可兼得啦 ....

      刪除