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科普:用实验视频完整展示手机PWM工作原理

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这是一个重磅的科普视频贴,将从原理上完整展示手机PWM调光的工作机制。
先说结论,通过视频展示我们将看到PWM调光的工作原理,和相关技术的在手机屏幕上应用场景:
一、PWM(Pulse Width Modulation)调光:脉冲宽度调制,这里包含了两种PWM机制:脉冲调制和脉宽调制。
二、PWM调光可以在光源发光功率保持不变的前提下,实现两个目的:改变视觉亮度和减少视觉亮度抖动。
三、在OLED多光源面板中实现PWM调光。
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很早就想做这个帖子了,一直抽不出时间。分段写地可能有点乱,各位将就看。


IP属地:浙江1楼2023-04-19 17:30回复
    一、PWM(Pulse Width Modulation)调光:脉冲宽度调制,这里包含了两种PWM机制:脉冲调制和脉宽调制。
    这是单光源的PWM调光实验视频:https://m.163.com/v/video/VW4J9D0GM.html
    视频完整讲解了单光源下的PWM两种调光机制:脉冲调制和脉宽调制。建议完整看完视频,下面说一些视频中的要点。
    1、视频中的单光源在电压、电流完全不变的情况下,仅通过改变开关电源的间隔频率和时长(占空比)就实现了亮度变化。这就是PWM机制应用在亮度调制中的主要目的:亮度欺骗,这里会出现两个亮度值【划重点】:一个是不变的光源实际工作亮度,另一个是PWM后的视觉欺骗亮度。
    2、脉冲调制,脉冲PWM的频率越高,视觉欺骗亮度越低【划重点】。

    三张视频截图,同为占空比50%的不同频率时的亮度,亮灭频率依次为1Hz、39Hz、106Hz。肉眼可见的亮度由高到低的改变。
    3、脉宽调制,脉宽PWM的占空比越低,视觉欺骗亮度越低【划重点】。

    三张视频截图,同为频率106Hz的不同占空比时的亮度,亮灭占空比依次为:94%、54%、10%。肉眼可见的亮度由高到低的改变。
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    通过视频实验我们可以看到:通过PWM调光两种不同的机制,都可以实现亮度欺骗的视觉亮度改变。
    不同的是,脉冲PWM改变亮度的幅度会低的多,并且随着频率越高可实现的欺骗亮度变化越小;而脉宽PWM改变亮度的幅度则是0%~100%全亮度域,在技术实现上脉宽PWM要相对简洁和有效地多。
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    4、 PWM技术不同机制的在现实机型中的各类应用:

    HTC U11系列的U11+堪称当年LCD手机屏幕的黑度之王,黑度0.21这是一项非常难以超越的指标,也是目前二手市场上的护眼明星。
    全DC调光的U11和脉冲PWM调光的U11+同为1440线的索尼SuperLCD面板,U11+就是凭借 9615Hz 超高频率的低亮度PWM调光模块,实现黑度等级大幅提升和低亮度下的画面稳定(该功能下章会详解)。正因为有了极黑亮度的LCD面板,HTC才得以破天荒地在LCD上实现了“熄屏显示”。
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    因为脉宽PWM调光的技术更简洁,所以更多的集中在劣质LED灯具的亮度调节上,图片不好表达,不多说了。
    和一般人理解的不同,手机OLED屏幕的脉宽PWM调光实际是多光源的一个PWM调制组合,在下面的章节将会细数。


    IP属地:浙江3楼2023-04-19 21:47
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      二、PWM调光可以在光源发光功率保持不变的前提下,实现两个目的:改变视觉亮度和减少视觉亮度抖动。

      上一章视频中,已经实验展示了实际亮度和欺骗亮度的概念。还展示了脉冲PWM的频率变化对亮度画面抖动的抑制作用,如图示(可能需要配合视频理解)。
      这里就要讲一下LCD和OLED不同发光成像原理。
      1、LCD是透射式显示结构的屏幕面板,光源一般是WLED且保持单一功率的常亮,然后通过电压调节LCD的光栅偏转角度(TFT,薄膜场效应晶体管)获得不同亮度的投射光,最后形成成像。
      这里,就会涉及低电压时和细微液晶内阻变化的模糊和迟滞响应,进而出现画面抖动。这里的抖动指的是电压变化引起的画面漂移、抖动,英文:Flicker。关于Flicker(厂商定义的频闪),我在这篇帖子https://tieba.baidu.com/p/8353918237 说的很清楚。而脉冲式PWM在抑制Flicker画面偏移有显著的效果,且频率越高画面效果越稳定。
      所以在现实机型上,很多拥有低亮高性能的LCD,都会带有高频PWM;部分低压显示不稳定的劣质面板,也会配有低频PWM模块,来起到稳定抑制画面抖动的左右。因为频率差异,两者对脉冲PWM技术应用目的是不同的,一个是追求极黑度及稳定性,另一个则是单纯的保证低压低亮的抖动稳定。

      2、OLED是发射式显示结构的屏幕面板,以三基色像素(发光层)不同电流大小来驱动并控制子像素的发光功率,最后组合形成成像。这里,OLED各像素的电压是恒定的,不存在Flicker。所以OLED中的脉冲PWM,更多的是起到抑制OLED使用脉宽PWM带来的画面闪烁(OLED为什么依赖占空比的脉宽PWM,下一节会细说)。
      通过前面的实验视频,我们已经看到了改变PWM占空比会带来视觉闪烁,但增大PWM频率是可以抑制视觉闪烁的,这个值是60Hz左右。在实际手机机型上我们看到很多OLED机型的脉冲PWM频率被定格在60Hz,包括苹果、三星等众多明星OLED机型。
      所以,OLED对脉冲PWM的技术应用目的,和LCD是完全不同的。OLED的PWM(频率)是为了抑制脉宽PWM带来的闪烁,60Hz就可以达到目的。而LCD的的PWM(频率)是为了低电压的抖动抑制和黑度控制,频率是越高越好。

      因为OLED由多像素组合而成,且有机物材质存在个体差异,会导致个体像素低寿命、低电流时(低亮)的不能点亮,也就是OLED特有的“抹布屏”效应。
      在下一节中,将通过视频实验详细讲解OLED如何通过PWM技术组合克服““抹布屏””效应。

      这一段主要是说,同样是脉冲PWM(频率变化),有降低亮度(增加视觉黑度),和视觉上抑制画面抖动的作用。以及不同技术特性在不同场景的相关应用。


      IP属地:浙江4楼2023-04-19 23:34
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        三、视频复刻在OLED多光源面板中通过PWM实现调光。
        完整的视频:https://www.bilibili.com/video/BV1Lb411k7by/ 这段视频已经是目前能找到较好的,复刻呈现OLED多光源卷帘式脉冲PWM+脉宽PMW的双机制PWM调光。但其中某些观点我是不赞同的,大家批判着先看。
        1、OLED多光源面板通过脉宽PWM实现亮度调制(而非脉冲PWM)。

        视频中最重要的一段在4:20左右,实验中调高脉宽占空比后,实现了亮度降低。(需要注意的是,此时单灯珠亮度即像素亮度并没有变化)
        2、脉冲PWM在OLED中的调光作用很微小。

        视频实验中在4:10左右,改变OLED脉冲频率后(占空比不变),对屏幕亮度完全没有改变。
        3、LCD的亮度降低依靠背光,而不是PWM调光。

        绝大多数LCD设备都是通过偏转液晶光栅角度,改变透射光大小来调整亮度的。
        视频这部分展示了PWM频率不变,LCD的亮度改变。(对比OLED的屏幕亮度改变,但像素亮度不变)
        4、COMS快门检测设备在OLED测试中的失真。
        视频中关于PWM监测设备的全局快门CCD和逐行扫描COMS的区别,是需要抽象理解的。理解其中的逻辑,才能明白在为什么在设备中,OLED和LCD形成的机制却不同,却显示相同PWM纹。
        这是COMS类设备的监测失真造成的。


        IP属地:浙江5楼2023-05-01 16:57
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          IP属地:四川7楼2024-06-07 04:30
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