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。

12 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?

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    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。

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  2. 作者已經移除這則留言。

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  3. 寫得很清楚,長知識了感謝!

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  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!

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

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  5. 作者已經移除這則留言。

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  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...

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    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。

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  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)

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    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。

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