iPad上的mini LED屏幕翻车了？探讨“光晕效应”背后的秘密

shuszhao

今年iPad Pro 12.9寸版更新的一个亮点就是采用mini LED背光屏幕。很多体验文章将mini LED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mini LED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。

                               
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来源：The Verge

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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mini LED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mini LED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/micro LED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mini LED背光技术了。在谈mini LED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“mini LED面板元年”，因为今年的mini LED面板正大举扑向市场。

                               
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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mini LED屏幕存在着显示上的“光晕”效应。这是mini LED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。

                               
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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。

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

Mini LED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）。
Mini LED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mini LED电视，有超过25000个mini LED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。

                               
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来源：苹果

今年的iPad Pro 12.9”在mini LED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mini LED，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micro LED）像素级的精度做比较时，仍然差了不止一个量级。所以mini LED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mini LED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mini LED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。

                               
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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mini LED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。

                               
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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、mini LED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mini LED还是有改进空间的。

                               
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来源：三星

Mini LED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。

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