视网膜屏幕的那些事 详解LCD的终极兵器

哪一种屏幕可以达到“视网膜”标准

苹果在带来iPhone 4的时候，向外界展示它拥有名为“Retina”的高分辨率液晶屏，这种屏幕在3.5英寸（对角线长度）的屏幕内做到了960×640的分辨率，显示精度达到326ppi，这不仅相当于上一代产品的四倍、更远超了常规的LCD显示产品。乔布斯将其称为“Retina”视网膜屏幕，苹果的公关介绍视频则表示这种屏幕的分辨率达到了人类视网膜的极限。

我们必须意识到一点，视网膜屏幕更多是产品宣传上的说辞，而非科学的结论。苹果对外界传达了这样的理念：这种屏幕分辨率远超于同类产品，超越了人眼视觉的极限。当然，他们并没有考虑视距的问题。对此，美国犹他大学的视网膜神经学家布莱恩?琼斯（Bryan Jones）有过深入的研究。布莱恩认为，对于健康无损的肉眼来说，我们的视网膜分辨极限，大约是每度120像素（针对白黑线条交织的图像）。假设眼球的名义焦距为16mm，那么，观察细节的佳视距（从眼球至物体）大约在 12 英寸（约30.5 厘米），而这个距离作为用户使用 iPhone 时距屏幕的通常视距亦是合理的。通过换算，可以得出正常人眼可以区分的像素密度约为287ppi。而iPhone 4的像素密度指标达到326ppi，显然远远超过了这一标准。

我们再来看看新iPad，它的像素密度指标为264ppi、比287ppi的指标有些差距，但人们在使用iPad时的距离一般较手机远不少，所以新iPad依然可以轻松地达到视网膜屏幕的学术标准。依照这样的算法，我们可以看看下列产品是否能符合Retina视网膜屏幕的标准：根据表1，我们其实可以看出，除了iPhone 4和新iPad外，还有许多产品能达到或接近视网膜屏幕的视觉效果，比如华硕的Transformer平板电脑。很多苹果电脑已经非常接近视网膜屏，例如27英寸iMac，17英寸Mac Book Pro，11英寸Mac Book Air。这些产品与同尺寸的P C产品在屏幕配置上其实没什么不同，目前市面上那些拥有高分辨率的产品，其实都能达到Retin a的视觉标准，比如联想Think Pad W520这样的，拥有1920×1080高分辨率、像素密度比17英寸Mac Book Pro还高的机型以及笔者所用的X61改装1400×1040 AFFS高分屏，其实都达到这个标准了。

因此，是否在学术上达到Retina分辨极限，其实无关紧要，苹果所传达的理念更多在于：拥有极致细腻程度的超高分辨率，提供更舒适的视觉体验，而普通用户对于这类直观的体验提升总是很买账。受到iPhone4和4S两代机型的带动，高端智能机产品也都纷纷配备了高分辨率的屏幕，提供清晰细腻的视觉效果。但在大尺寸的PC显示器领域，高分屏的应用依然被认为缺乏必要性——假如你熟悉联想ThinkPad W520这类旗舰机型，便知道高分屏意味着什么，它在带来细腻的图像效果的同时，也会让文字小如蝇腿，加重眼睛的负担。

比如这一代W520机型的15.6英寸屏幕拥有1920×1080的分辨率，文字已经十分细小。而苹果拥有软硬一体的优势，可以在系统配合上完美解决这个问题。新一代iPad在区区9.7英寸屏幕中做到2048×1536的超高分辨率，但文字显示大小保持不变，只是同样的文字由更多的像素点构成，体现在视觉上就是画面变得更为平滑精致。

有消息表明，苹果即将发布的下一代Mac book Pro机型将全面采用Retina高分屏，配套的OSX Mountain Lion系统也引入高ppi模式，并实现对高分屏的支持。显然，苹果这一代打算继续引领风潮，创造更多的与众不同，以继承从乔布斯以来不从众的风范。

为何视网膜屏幕难以制造？

Retina级别的高分屏固然可以做到更细腻的显示效果，但它也存在许多致命的弊端。首先，这种高分屏需要专门定制，成本颇为高昂，只有财大气粗如苹果，才有能力抛出大单让LCD制造商唯其马首是瞻。寻常的PC厂商，因为产品价格的限制，大多数只能被动地接受普通LCD产品。其次，这种高分屏的良率相对更低，很难保证足够的产量，这也在某种角度推高了成本。不过，大的麻烦还不是这两点，高分屏由于结构的限制，往往很难实现满意的亮度指标，功耗又比常规产品高出许多——在缺乏强有力需求的情况下，LCD制造商显然不会花费心力朝视网膜屏幕领域进军。所以，直到苹果需求的到来，产品格局的版图才被改变。

视网膜屏幕具有更小的像素点，图像细腻度显著提升，但付出代价就是需要更大尺寸的图像源处理器，对硬件系统的处理能力带来更大的负担。

在了解高分屏为何难以制造之前，我们有必要简单阐述LCD像素的结构—关于LCD的结构原理，之前本刊已经有过大量的介绍，此处就不再赘述，我们直接从像素入手。LCD的像素实际上是人为划分的，每个像素就好比一个个方格子，一个方格子中又包含红、绿、蓝三个小格。屏幕的分辨率越高，容纳的格子数量就越多，每个格子的尺寸就越微小，这应该很容易理解。

单个LCD像素，分为红、绿、蓝三个像素格，而薄膜电极和线路则在其后，像素点越小，相对来说薄膜电极和线路所占的面积比越大，对亮度的影响也越大。

那么，这种“格子”是如何产生的呢？我们知道，LCD本身是不发光的，它只能在电压的作用下，打开或者关闭，让光线投射或者不透射。为了控制每个一格子，这些格子都必须对应独立的控制电路——红、绿、蓝小格各自都拥有一个控制器。现行的LCD都采用TFT（Thin Film Transistor，薄膜场效应晶体管）技术，显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜电极进行控制。

然而，薄膜电极本身必须占据一定的面积，而它又会对光线起到遮挡作用，如果在一个像素点中，薄膜电极占据的面积越大，能透过的光线比例就越低，对应来讲就是屏幕越暗。另一方面，像素点越小，每个薄膜电极与信号线的距离就越近，很容易产生各种型号干扰问题。因此，像素点的尺寸，不可能无限制的缩小，而受到制造工艺的制约，薄膜电极的尺寸在过去这些年都没有太大的改观。所以我们可以看见，LCD显示器虽然变得越来越廉价，但它们的分辨率指标几乎是停步不前的。

倘若要做到高分辨率，那就意味着要减少单个像素点的尺寸，薄膜电极的尺寸也必须尽可能降低，如此才可能获得理想的显示性能。那么在苹果的Retina显示屏中，又是采取哪一种技术方案呢？

苹果视网膜屏幕的关键技术

夏普和日本JSR（全球大TFT-LCD用彩色光阻制造集团）在几年前开发的超高孔径技术（Super High Aperture）居功至伟。这项技术的作用就是，通过降低薄膜电极占用的空间，来提高像素格的开口率，做到高分辨率就成为可能。

我们知道，在传统的液晶面板中，信号传输的线路和控制液晶的氧化铟锡透明电极处于同一个平面上，随着像素密度的提升，信号线路和电极间的距离就会越来越靠近，信号干扰问题也就随之出现。而SHA技术采用立体的方式来解决问题：信号线紧贴着LCD像素格，然后在信号线之上再覆盖一层透明的树脂层，再利用光蚀刻技术绘制出透明电极。如此一来，信号层与透明电极层就被树脂所分隔，这样做可以显著降低薄膜电极的占用空间，加强每个像素的透光率，同时也避免了信号干扰。

视网膜屏幕的像素排列，新技术使之拥有超高孔径，做到高密度成为可能。

即便对于非高分屏，SHA超高孔径技术也有积极的意义，起码的一点，它可以让显示器变得更加明亮，这样我们可以降低背光的功率就达到相同的显示效果，也就是制造出更为节能的显示器。同理，超高孔径允许像素点变得更小，并做到超高分辨率。

除了SHA技术外，夏普还采用IGZO技术来制造新iPad的视网膜屏幕——IGZO(indium gallium zinc oxide) 是一种含有铟、镓和锌的非晶氧化物，载流子迁移率是非晶硅的20～30倍，可以大大提高TFT对像素电极的充放电速率，提高像素的响应速度，实现更快的刷新率，同时更快的响应也大大提高了像素的行扫描速率，使得超高分辨率在TFT-LCD中成为可能。另外，由于晶体管数量减少和提高了每个像素的透光率，IGZO显示器具有更高的能效水平，而且效率更高。整体而言，IGZO-TFT面板在技术上看来相当完美：它的功耗接近OLED，成本则比它更低；厚度也只比OLED只高出25%，将LCD的性能指标推向终极。

日本东京工业大学细野秀雄先提出将IGZO材料用于薄膜晶体管中，夏普公司则将这种构想变成现实。到目前为止，除夏普之外，大多数台湾面板厂商也有能力生产IGZO面板，只是由于目前技术工序繁杂，在现有普通非晶硅TFT-LCD工艺下，IGZO-TFT面板的良品率仍然不高。因此仅仅是夏普的产能也无法满足苹果新iPad的庞大需求。

因为担忧这个因素，苹果还为新iPad选择了其他的LCD供应商：韩国的LG和三星。LG的IPS屏幕技术在移动领域占据50%的份额，三星公司则占据35%的市场，不过它们为新iPad生产的屏幕依然基于传统的a-Si非晶硅TFT技术，而视网膜屏幕要求的256ppi像素密度也要求达到a-Si非晶硅TFT技术的密度上限。

苹果A5X处理器，芯片规模增大、性能提升，但更多是为了让新iPad能流畅显示图像。

无论是哪一套解决方案，都无法避免屏幕输出亮度锐减的事实。为了获得良好的显示效果，苹果不得不为新iPad的屏幕配备了两倍数量的LED光源，这也意味着显示屏将消耗更多的电力，电池续航力受到威胁——苹果的解决方案就是将电池容量从iPad2的6944mAh提升到新iPad的11666mAh，几乎翻了一倍。