技术探讨：MacBook Pro的分区背光XDR屏幕

去年换了M4系列的Macbook Pro，作为数码产品的爱好者，我一直想写一些东西来从专业角度分析一下这个产品一些没有怎么被探索到的特性，以及背后的细节。简而言之，我想要从一个相对来说比较业余，但是又没有多少讨论热度的角度来认真谈谈这块出众的屏幕。

认识我的朋友知道，我之前（尤其是M芯片引入之前）是坚决的果黑，至少我认为Mac系列虽为苹果的发家产品，但可能是苹果最不值得购买的产品，唯一的价值可能就是让富哥能在一台做工上佳且扬声器和触控板顶级的机器上用bootcamp跑windows。后来，我搞了M2的MacBook Air，又换了M1 Pro和M4的MacBook Pro，只能说苹果确实补全了自家笔记本最严重的性能和功耗方面的短板，甚至直接变成了数一数二的产品竞争力。而作为视觉内容的严苛消费者，我觉得苹果电脑产品的显示效果甚至是碾压级别的，尤其是Pro产品线。

从M1 Pro代开始，MacBook Pro的模具使用至今，但不那么为人所知的是，M4代其实对屏幕进行了一次比较大的升级，不仅仅提高了SDR的最高容许亮度，还增加了量子点等新技术，不过这个放在本文最后讨论。我们先看看这块XDR屏幕从一开始是为什么如此吸引人的。

之前，MacBook Pro的屏幕其实并没有那么吸引人，本质上是一块带了镜面的、亮度和解析度都相对来说比较高但又不是那么独一无二的IPS屏幕。一方面，HDR是完全不支持的，最大亮度和刷新率跟现在的Air系列本质上差不多；另一方面，IPS对黑色显示有先天性的不足，这点当时MacBook Pro以及现在的Air跟其他Windows笔电还是坐一桌的，并没有本质上更好的视觉体验。不过，M1 Pro开始的新模具在材料选型和系统架构上，都代表了当时非OLED显示技术的工程极限。

苹果为了解决IPS黑场显示漏光的老问题，选择了Mini LED思路，其本质就是做一个分区背光的IPS。不选择OLED的原因主要是烧屏和当时OLED亮度不足的问题，因此最近传言苹果的新MacBook Pro考虑使用iPad已经有的双层OLED也是有道理的。说到底，常规的Mini LED笔电为了让点光源在到达液晶层前能够均匀混合，通常需要留出1.5mm-2mm的光学距离。若距离过短，屏幕上就会出现密密麻麻的光斑。

如何解决Mini LED的问题

苹果为了保证优雅的厚度，没有使用标准的发光角度为120度的朗伯体Mini LED裸晶，而是在每一颗极其微小的Mini LED芯片（尺寸约200µm，对应每一个分区）上方，定制了极其精密的光学微结构，将中心光强压暗，将光线向四周折射，形成类似蝙蝠翼的光强分布曲线。这样一来，光子在极短的Z轴空间内被迫沿着X/Y轴大角度扩散。配合下方高反射率的反射膜和上方的定制增亮膜（BEF/DBEF），光源在进入液晶面板前完成了在亚毫米级物理空间内的高效混光。

苹果的做法具体来说就是这个蝙蝠翼形状的【配光技术】，其实不难理解：大多数未经二次光学设计的裸露LED芯片（Bare Die），其发光特性近似于朗伯辐射体，因此根据朗伯余弦定律（Lambert’s Cosine Law），其在空间某一方向上的发光强度 $I(\theta)$ 与该方向偏离法线的角度 $\theta$ 的余弦成正比：

$I(\theta)=I_0\cdot\cos(\theta)$

这意味着LED正上方的光强最大，此时 $\theta=0$ 使得 $I(\theta)=I_0$ ；随着角度偏离中心，光强迅速减弱，我们可以把它的极坐标配光曲线理解为一个椭圆形的气球，越往外面弧度就越大。

在IPS普遍的直下式背光中有两个决定性的几何参数： $P$ （间距, pitch）为相邻两颗LED芯片中心点的物理距离； $OD$ （光学距离, optical distance）为LED发光表面到上方第一层扩散膜的垂直距离，我们可以把它理解为供光线扩散、混合的混光腔厚度。

众所周知，在扩散膜平面上某一点的照度 $E$ 与光源的法向光强 $I$ 成正比，与距离的平方成反比，用公式可以直观看出：

$E=\frac{I(\theta)\cdot\cos^3(\theta)}{OD^2}$

如果光源是标准的朗伯体，为了让相邻两颗 LED 的光在上方扩散膜上完美叠加、不出现明暗相间的【光斑】（Hotspot / Mura），常规设计的【P/OD比】通常被限制在1.0到1.5之间。这意味着如果相邻LED间距是3mm，混光距离也至少需要2-3mm。

根据Snell’s Law，当光从光密介质射向光疏介质时，设光密介质（如透镜硅胶）的折射率为 $n_1$ ，光疏介质（如空气）折射率为 $n_2$ ：

$n_1\cdot\sin(\theta_1)=n_2\cdot\sin(\theta_2)$

因此，只要精确设计透镜表面的曲率、改变法线方向，就可以控制光线的折射路径：当入射角 $\theta_1$ 大于某个临界角，光线将发生【全反射】（Total Internal Reflection, TIR），完全留在介质内部并改变传播方向。

苹果面临的技术难题主要就是，为了把光晕控制到最小，得把一万颗Mini LED塞进去14/16寸的屏幕，这时 $P$ 大概在2.5mm到3mm之间。同时，为了把A面弄得尽可能轻薄，其混光腔厚度被极度压缩， $OD$ 的具体数值被强制限制在1mm甚至更低。

这时显而易见，P/OD的比例会高达3.0以上，如果直接使用未经整形的朗伯体Mini-LED，正上方的中心光强将极大地击穿扩散膜，而 LED 之间的区域光强极弱。屏幕上会立刻出现上万个密密麻麻的高亮白点，产生剧烈的繁星效应。

回到照度公式。苹果的目标是让照度 $E$ 在各个位置（公式里的各个 $\theta$ 角）下保持恒定。由于我们把 $OD$ 固定为常量，所以要使 $E$ 为常数，光源的发光强度 $I(\theta)$ 必须与 $\cos^3(\theta)$ 的倒数成正比，即：

$I(\theta) \propto \frac{1}{\cos^3(\theta)}$

这意味着，在 $\theta=0^\circ$ （正上方）时，我们需要主动压抑、大幅降低光强；而在 $\theta$ 变大（离轴，例如向侧面射出的 $50^\circ \sim 70^\circ$ 区域）时，因为 $\cos(\theta)$ 迅速减小，我们需要极大地增强光强补偿。

将这种符合 $1/\cos^3(\theta)$ 特性的配光曲线画在极坐标图上，会出现类似蝙蝠展开双翼的，中心凹陷同时两侧上扬的形状，因此得名【蝙蝠翼分布】（Batwing Distribution）。

为了在一颗长宽仅约200 µm的Mini LED裸晶上实现完美的蝙蝠翼曲线，苹果引入了半导体级封装的自由曲面微透镜。

这种微透镜通常由高透光率、高热稳定性的光学树脂，比如折射率经过精密调配的改性硅胶。随后把光学树脂通过晶圆级模压或纳米压印成型。一般的半球形凸透镜是解决不了问题的，苹果的解法是【光路重构】，用浅显的方法，我们可以通过分情况讨论来理解这个概念。

A. 近轴光线： $\theta \approx 0^\circ \sim 20^\circ$ ，【截断&发散】

裸晶正上方最强烈的光线，首先遇到的是微透镜顶部的倒圆锥形内凹面。由于光线从高折射率树脂进入低折射率空气，遇到这个倾斜的凹面界面，根据Snell’s Law，光线会被【向外侧】（远离光轴方向）强烈折射，部分极端的近轴光线甚至会遇到全反射，被直接弹回透镜内部向两侧引导。

这样的做法能彻底消灭0度方向的hotspot, 压低了极坐标曲线的中心点。

B. 中等离轴光线： $\theta \approx 20^\circ \sim 50^\circ$ ，【二次引导】

这些光线在透镜内部传播，遇到微透镜特殊的侧壁全反射面。透镜的侧面曲线是经过微积分迭代计算出的自由曲面，保证这些光线发生全反射后，被横向的X/Y轴平面推挤，以大角度射出。

C. 大角度离轴光线： $\theta > 50^\circ$ ，【汇聚&增强】

原本在朗伯分布中非常微弱的大角度光线，此时穿过微透镜外围的凸起边缘；凸起表面的法线设计，恰好让这部分光线以特定的角度（60-75度）高效率折射出射，形成了蝙蝠翼曲线最高耸的两个翼尖，将巨大的光能量铺向远离LED中心点的远端区域。

通过微透镜大角度射向侧面的光，很大一部分会射向相邻两颗LED之间的空白基板。此时，布满在IGZO驱动背板表面的特制高反射膜起到了关键作用，通过98%以上的反射率，将这些侧向传播的能量再次向上反射。

LED的右翼光线，其他LED的左翼光线，正好在物理中点 $P/2$ 上方交汇：通过精密的透镜曲率调校，这两束光在到达第一层扩散膜（ $OD$ 高度）时的能量叠加，使之等于单颗LED在其正上方被削弱后的能量。

在1mm左右极短的Z轴空间内，光子被强制性地在X/Y轴方向完成了远距离迁移和混合。扩散膜接收到的不再是一大堆刺眼的亮点，而是一个空间照度偏导数 $\frac{\partial E}{\partial x, y} \approx 0$ 的、绝对均匀的光场。

拖影问题的本质

M4代的最大提升就是引入了量子点，这个苹果自己都没怎么在广告里宣传。我个人认为其主要原因是苹果在材料上的妥协。MBP的屏幕什么都好，就是拖影确实是客观存在的老问题，而这就是量子点主要在解决的。

M4之前的MBP使用的材料是【氟硅酸钾掺锰】，也就是众所周知的【KSF荧光粉】，一种锰化合物 $Mn^{4+}$ 。

须知，欧盟RoHS（Restriction of Hazardous Substances）指令对当时量子点硒化镉（CdSe）体系需要的剧毒重金属镉有严格限制，但给了显示设备极微量的豁免期。总体来说，绝大多数PC厂商选择利用豁免期使用含镉QD，但苹果的内部环境准则拒绝任何含镉材料进入数千万级出货量的产品线，同时当时的无镉量子点InP在苹果需要的1600 nits高亮度下可靠性满足不了寿命要求。

在这种条件限制下，苹果就使用了最早由通用电气开发的KSF荧光粉。苹果在这方面的具体实现，在确保了基本的显示素质要求下，同时也带来了红色拖影。

众所周知，以KSF内的锰为首，这类过渡金属的价电子位于3d轨道，而在孤立的自由原子状态下，5 个 3d 轨道拥有相同能量，也就是【简并】（degenerated）。

当 $Mn^{4+}$ 离子被置于晶体晶格中，并被6个配体包围形成【正八面体结构】 $[MnF_6]^{2-}$ 时，由于配体负电荷的静电排斥作用，5个d轨道的简并度会被打破，也就是【晶体场分裂】。

具体来说，向配体的两个轨道（ $d_{x^2-y^2}$ , $d_{z^2}$ ）受到的排斥大，能量升高，称为 $e_g$ 轨道；而处于配体之间的三个轨道（ $d_{xy}$ , $d_{yz}$ , $d_{zx}$ ）受排斥小，能量降低，称为 $t_{2g}$ 轨道。

此外我们也必须考虑多电子体系的【光谱项】。因为3个d电子形成了 $3d^3$ 的电子构型，这三个电子之间存在自旋-自旋耦合和轨道-轨道（Russell-Saunders）耦合。

因此，不考虑自旋-轨道耦合导致的精细结构 $J$ 的话，我们可以用光谱项来描述该体系的整体量子态，符号记为 $^{2S+1}L$ ，这里 $S$ 是总自旋量子数， $2S+1$ 是自旋多重度。

如果3个电子自旋平行， $S=1.5$ ，那么 $2S+1=4$ ，这被称为【四重态】。而如果2个电子平行、1个反平行， $S=0.5$ ，那么 $2S+1=2$ ，即【二重态】。

考虑到光子与电子的相互作用导致能级跃迁的概率 $P$ 正比于跃迁偶极矩矩阵元的平方，即：

$P \propto |\langle \psi_f | \hat{\mu} | \psi_i \rangle|^2$

为了使积分不为零（即跃迁可以发生），必须满足严格的对称性条件，这就是两个著名的选择定则：

自旋选择定则（spin selection rule）： $\Delta S = 0$ ，即跃迁前后，体系的总自旋方向不能改变。四重态只能跃迁到四重态，二重态只能跃迁到二重态。违反此规则的跃迁称为【自旋禁戒】（spin-forbidden）
宇称选择定则（parity selection rule）：在有对称中心的场，如我们探讨的八面体场中，跃迁必须伴随宇称的改变，即波函数必须从偶宇称 $g$ 变到奇宇称 $u$ 或反之。因为所有d轨道都为偶宇称 $g\rightarrow g$ ，故所有d轨道之间的跃迁理论都属于【宇称禁戒】（Laporte-forbidden）

顺便，量子力学里禁戒并不意味着绝对不可能发生，而是指【一阶微扰下跃迁概率极低】，只有通过高阶效应才能使跃迁微弱地发生，如自旋-轨道耦合打破自旋禁戒、晶格振动/声子耦合打破宇称禁戒之类。

众所周知，跃迁概率越低，电子在激发态滞留的时间就越长，即【荧光寿命】 $\tau$ （decay time）越长，这也是苹果在屏幕开发上追求的。

在 $K_2SiF_6$ 晶格中， $Mn^{4+}$ 替代了 $Si^{4+}$ 的位置，形成了局部的 $[MnF_6]^{2-}$ 八面体发光中心。众所周知， $Mn^{4+}$ ( $3d^3$ ) 的基态是一种电子全部分布在较低能级 $t_{2g}$ 同时又自旋平行的四重态，光谱项记为【基态】 $^4A_{2g}$ ；当MacBook Pro背光模组中的蓝色Mini LED发射出450 nm波长的光子时， $Mn^{4+}$ 吸收能量，因此必须跃迁到同样是四重态的激发态（见自旋选择定则）：

吸收蓝光： $^4A_{2g} \rightarrow ^4T_{2g}$

吸收紫外/深蓝光： $^4A_{2g} \rightarrow ^4T_{1g}$

这是一个【自旋允许（Spin-allowed, $\Delta S = 0$ ）但宇称禁戒】的跃迁。由于吸收截面相对较大，KSF能够高效地吸收蓝色LED的光能。但是！激发到 $^4T_{2g}$ 能级后，由于该能级具有强烈的电子-声子耦合特性，电子通过释放声子（晶格热振动）迅速发生内转换，无辐射地“滑落”到一个能量较低的亚稳态二重激发态 $^2E_g$ 。

KSF在像素更新的时候释放红光（极窄的半峰宽FWHM），正是因为其处于 $^2E_g$ 态的电子回落到基态 $^4A_{2g}$ 并释放光子的过程：两个能级对应的电子都完全占据在 $t_{2g}$ 轨道上，只是自旋排列不同。

因此，这两个能级的能量差对于晶体场强 $10Dq$ 的变化极不敏感，我们可以把这时 $^2E_g$ 的能级线理解为Tanabe-Sugano图上一条几乎平行于基态的直线：晶格的热振动动态改变局域晶体场强，几乎不会引起能级差的展宽，因此， $^2E_g \rightarrow ^4A_{2g}$ 发出的红光主要是极其锐利的零声子线及其特征局域振动伴线，刚好呈现梳状光谱且拥有半峰宽极窄的光谱发射峰。因此，M1-M3的MacBook Pro能够高保真覆盖DCI P3红色域。

但是！问题也出现了。且看量子数在这一过程的变化：

激发态： $^2E_g$ （自旋 $S = 1/2$ ）
基态： $^4A_{2g}$ （自旋 $S = 3/2$ ）

这是一个 $\Delta S \neq 0$ 的【自旋禁戒跃迁】，同时又是 $g \rightarrow g$ 的【宇称禁戒跃迁】！所以，为了让这个跃迁发生，整个系统会依靠【自旋-轨道耦合】（spin-orbit coupling, SOC：使少量四重态波函数混合入二重态波函数中来勉强打破自旋选择定则）和【非对称晶格振动】（odd-parity phonons：使八面体失去严格的中心对称，勉强打破宇称选择定则）。

由于这种混合的系数极小，就导致该跃迁的Einstein A coefficient（自发辐射系数） $A$ 异常微小。

我们知道自发辐射寿命的公式是：

$\tau = 1/A_{21}$

代入其中，极小的跃迁概率 $A$ 会直接导致极长的激发态寿命 $\tau$ 。具体来看，在室温下 $K_2SiF_6:Mn^{4+}$ 拥有高达8ms的荧光寿命。熟悉显示器的大家都知道，这对于动态响应来说并不是很好的数字。

https://www.zhihu.com/video/2028261889075856803

所以虽然KSF可以在达成无镉环保标准的同时带来P3级别的红色显示效果，但是光谱上因为 $^2E_g \rightarrow ^4A_{2g}$ 能级不受晶体场影响，再加上自旋禁戒导致8ms级别的荧光寿命，我们会发现，在120Hz的刷新率下（单帧8.33ms），为了显示下一个暗帧，液晶分子首先完成了翻转，但是背光层面，KSF荧光粉中 $Mn^{4+}$ 离子的电子却仍在激发态缓慢跃迁，继续发射红光光子。

这个效果苹果也的确没做到通过屏幕驱动板的TCON算法来根除。要到M4时代InP体系成熟后，苹果才找到新的出路。

基于统一内存架构的计算级时序控制器

熟悉液晶面板或是学过计组的各位看客都知道，时序控制器（timing controller, TCON）对于屏幕延迟来说几乎是最为重要的组成部分。大致来说，TCON接收来自显卡（graphic processing unit, GPU）的视频信号，将之解包，并转换为电压时序信号，让负责逐行开启薄膜晶体管（thin film transistor, TFT）的【栅极驱动器】，以及负责给像素电容充放电的【源极驱动器】来理解。

在没有分区背光的时代，TCON只管液晶，但在Mini LED的分区背光系统下，TCON还得接管【二维局部调光】，也就是说在控制数百万液晶像素开合的同时，控制数千背光分区的亮度，术语叫local dimming（我还不知道确切的中文翻译）。

乍一听，TCON已经可以管几百万个像素了，为毛搞不定寥寥上千的背光分区呢？这就得转到Mini LED的老问题，即【光晕】。

具体来说，背光不能理解成完美的、对应一些像素的格状，而是会发生光线扩散的，这就需要local dimming通过对算力的消耗来解决了。

每一个背光分区的光穿过导光板、膜材到达液晶层时，会形成一个呈高斯分布的光晕，我们一般用点扩散函数PSF（point spread function）来描述这个现象。

而为了消除这光晕，TCON首先需要计算所有2500个背光分区的发光，然后在700万个液晶像素点上各自叠加的【真实背光亮度】。如果某个暗像素因为相邻的高光区而获得了过多的背光，TCON必须实时降低该像素液晶的【透光率】（即修改该像素的灰阶值）来进行光学补偿。

传统的PC架构中，GPU将渲染好的图像通过DP线传给屏幕电路板上的独立TCON芯片，这些一般就是联咏、瑞昱的ASIC或FPGA，我们的老熟人了。但这些TCON芯片面积小、制程落后、自带的SRAM极小且带宽受限，根本无法实时、高精度地完成上述700万像素级别的二维空间卷积和时域滤波的运算。因此，要么计算延迟导致画面出现拖影，要么简化算法导致严重的光晕。

这就得转到苹果引以为豪的【统一内存架构】（UMA）了。众所周知，在传统的x86架构中，CPU有DRAM，独显有VRAM，这两者通过PCIe总线传递数据，极为耗时，同时也耗电。而苹果的M系列芯片通过UMA让CPU、GPU、NPU和显示引擎共享同一快LRPDDR 5内存池，其带宽极高。

这个高带宽的意义就是可以让显示引擎根本不需要经过总线，直接通过内存地址指针搞到GPU渲染完的画面，实现了零拷贝。

有了UMA，苹果就完全可以抛弃用TCON芯片负责计算的老办法，直接把高消耗的局部调光和像素补偿算法拉回了M芯片SoC内部的【显示引擎】里。

显示引擎读取到原始的高分辨率图像矩阵后，开始执行背光计算。首先，它将700万像素矩阵映射到对应的超过2500个Mini-LED物理分区网络上，计算每个分区具体的目标亮度。

毕竟M系列芯片以高性能著称，显示引擎有算力对这2500个分区应用高精度的真实物理设备PSF卷积模型，在内存中模拟出当前背光状态下，穿透到液晶面板背面的、连续且不均匀的虚拟光场。

既然显示引擎已经在内存中模拟出了包括被光晕波及的暗区在内，液晶面板背面每个点实际接收到的光强，就能过执行非线性的逆向推演。具体来说，就是对原始帧Framebuffer中的所有RGB次像素进行逐一除法与Gamma重映射。

其中，如果在诸如黑底白字渲染的高对比度边界，高光溢出的能量被精确计算出来，显示引擎就会将受光晕影响的纯黑像素的【液晶分子驱动电压】完全关闭，同时对高亮区域的像素进行透光率增益调整，确保最终人眼看到的亮度和色彩（背光亮度×液晶透光率）与GPU渲染的原始数据严格一致。

不仅是空间域计算，UMA允许显示引擎在共享内存中无缝缓存数据（比如帧 $N-1,N-2,...$ ），而传统的TCON基本做不到这一点。这带来的主要好处就是，高速运动的物体跨越不同的背光分区时，显示引擎可以计算出时间差，让旧分区的背光平滑变暗，新分区的背光平滑点亮，防止肉眼察觉到背光网格的闪烁闪现。

LCD固有的过驱动方面，也可以通过显示引擎计算出精确的瞬态过冲电压，来加速液晶分子的翻转速度，对齐于量子点/KSF膜的光学响应时间。

这样折腾下来，一张Framebuffer图像就可以分为修改过的高分辨率【像素补偿图像信号流】和低分辨率的Mini-LED【背光驱动矩阵数据流】，通过苹果定制的eDP变种协议通道，发送给屏幕的PCB；屏幕的TCON芯片就完全摆脱了任何复杂的算法运算，只需要像普通屏幕一样作为时钟节拍器和解复用器（demultiplexer）来将SoC送来的液晶信号喂给source driver，将背光信号喂给LED driver，只要物理层面上同步就好。

定制化大面积氧化铟镓锌Oxide TFT

为了支撑上述一万颗颗背光下的700万颗液晶像素点的高速翻转，Apple放弃了传统的非晶硅（a-Si），也没有盲目使用移动端常见的低温多晶硅（LTPS），而是定制了氧化铟镓锌架构（IGZO）。

须知，要控制一块几百万像素的屏幕，我们一般使用有源矩阵（active matrix）架构，让每一个RGB子像素背后都通过薄膜晶体管（TFT）来控制，并且带有一个存储电容 $C_{ST}$ 和液晶电容 $C_{LC}$ 。

TFT的控制方法可以视为两个阶段，【写入】和【维持】。

当TFT开启时，Gate端施加高电压 $V_{ON}$ ，让来自Source端（在这里是数据线）的图像信号电压通过其沟道流入Drain端（这里是像素电极）来为 $C_{LC}$ 和 $C_{ST}$ 充电。在Mac想要达到的120Hz下，留给单行像素的充电时间通常在微秒级别。

而当TFT关闭时，Gate端施加负电压 $V_{OFF}$ ，其中电容内的电荷必须被锁住，因为它们建立的电场决定液晶分子的偏转角度，控制该像素的透光率，不能在下一帧画面到来之前发生明显的电压衰减。

评估TFT材料时，主要的两个维度是【载流子迁移率】 $\mu$ 和【漏电流】 $I_{OFF}$ 。

载流子迁移率衡量电子在半导体沟道中移动的速度，单位为 $cm^2/Vs$ 。我们只需要记住，迁移率越高，TFT的导通电流就越大，电容充电越快，屏幕也就能做到更高的分辨率和刷新率。

TFT关断时，由于热激发、隧穿效应等，仍会有极其微弱的电流泄漏。如果漏电流过大，保持期内像素电容的电压就会下降，导致液晶分子回弹。此时，屏幕亮度就会在一个刷新周期内发生微观上的衰减，这个衰减低于人眼临界融合频率的时候就变成闪屏了。

传统背板材料某种意义上受限于一个不可能三角。【非晶硅】a-Si的迁移率太低（ $<1cm^2/Vs$ ），无法满足高分高刷的快速充电需求，而【低温多晶硅】LTPS虽然迁移率极高（ $>50cm^2/Vs$ ），但晶界多，导致漏电流较大，且激光退火工艺（ELA）难以在14/16寸的大面积玻璃基板上做到高度均匀。

苹果为了同时满足大尺寸均匀性、120Hz极速响应、24Hz甚至更低静态不闪烁以及Mini LED 极高背光亮度的承受性这些艰巨的任务，在背板物理层和驱动逻辑层进行了深度的定制，采用了拥有独特的能带结构与轨道重叠特性的氧化物半导体，典型的如IGZO（铟镓锌氧化物）。

我们都知道，以a-Si为首的传统硅基半导体，其电子传导依赖具有高度方向性的 $sp^3$ 杂化轨道共价键，这就意味着，一旦是非晶态（原子排列无序），键角扭曲就会导致严重的电子散射，导致迁移率极低。

不过但IGZO的导带底主要是由重金属离子的球形s轨道（特别是铟的5s轨道）构成的。球形轨道极其庞大且没有方向性，所以就算IGZO在宏观上是无序的非晶态，相邻金属离子的s轨道依然能实现巨大的空间重叠，形成极好的电子渗流通道，使得a-IGZO的迁移率能够达到 $10-20cm^2/VS$ ，比a-Si高十倍，基本可以满足苹果的14/16寸高分辨率120Hz充电需求。

此外，IGZO是一种宽禁带半导体，其带隙 $E_g$ 高达 $3.0-3.2eV$ ，比硅的 $1.1 eV$ 高多了。我们已知半导体本征载流子浓度公式为：

$n_i \propto \exp\Big(-\frac{E_g}{2kT}\Big)$

带入室温 $kT\approx0.026eV$ ，禁带宽度上的微小增加，会导致本征载流子浓度呈指数级骤降，使得IGZO的TFT在关断状态下能过够做到漏电流 $I_{OFF}$ 低至10 fA到1 aA的级别，比LTPS可以说是低了好几个数量级。

IGZO虽然看起来有这么多优点，但是苹果的要求确实也致命得多：它需要背板能做到1600 nits的高亮度，而IGZO最大的弱点恰恰就是【负偏压光照应力稳定性】（NBIS, negative bias illumination stress）。众所周知，Mini LED的光源本质上是蓝光的激发。在强烈的蓝光照射下，IGZO材料内部的氧空位 $V_O$ 会被光子激发，并且电离：

$V_O\rightarrow V_O^{2+}+2e^-$

这导致TFT的阈值电压 $V_{th}$ 发生负向漂移，而一旦出现这种情况，TFT就关不严实，从而导致漏电暴增，画面产生严重的残影。

在这方面苹果的解决方法就是让面板供应商夏普/LGD在制造工艺中引入顶栅结构或者遮光层和钝化层，严格控制氢和水的侵入，并抑制氧空位的生成，从而在高能光子轰击下维持阈值电压的绝对稳定。这样的操作某种意义上能保证NBIS效应被攻克。

自适应刷新率：ProMotion

众所周知，ProMotion技术在苹果广告中的定义是「软件根据内容，来动态调节屏幕刷新率，从而达成【省电】这一目的」。我常常好奇，这玩意不是大多数安卓手机都实装了吗。不过即可变刷新率技术在IPS液晶面板上的实现难度要远远超过OLED面板，毕竟液晶分子从物理上就具有复杂的各向异性，且对电场的响应是非线性的。

具体的问题被称为【VRR闪烁】，而苹果的解法主要是通过对IGZO极低漏电的利用，以及一些底层时序控制和电压补偿的基础。

简要来说，决定液晶面板透光率的并不是某个瞬间的绝对电压，而是施加在液晶盒上的交流均方根电压 $V_{RMS}$ ；同时，因为IPS的高穿透率液晶本身具有极性的介电偶极子，随着外加电场的改变，液晶分子的偏转角度 $\theta$ 会发生变化，导致液晶层的等效介电常数 $\Delta\varepsilon$ 随之改变。

所以液晶电容 $C_{LC}$ 随着施加电压 $V$ 而变化，会形成一个非线性函数 $C_{LC}(V)$ 。像素电压维持方程的具体写法很复杂，本文不再赘述，需要知道的就是像素电压会受到TFT漏电流 $I_{OFF}$ 、液晶自身体电阻漏电 $R_{LC}$ 与动态电容的共同制约。

结论上来看，如果使用普通LTPS材料降频至24Hz，由于维持时间拉长了5倍（从8.3ms到41.6ms），漏电积分量显著增加，导致该帧内的 $V_{RMS}$ 下降。须知哪怕 $V_{RMS}$ 只有几十mV的微小下降，经过IPS液晶的光点响应曲线放大之后，也会产生肉眼可见的透光率下降。当系统在120Hz和24Hz之间来回切换时，人眼就会看到屏幕的闪烁。

IGZO在这里的逻辑是【直接对源头进行物理阻断】，通过接近 $10^{-14}A$ 的超低漏电流将TFT沟道的漏电变量在长周期内强行压缩至极小值。

不过仅仅IGZO的操作没办法完全解决闪烁问题。具体来说，在有源矩阵驱动中，TFT每次关闭瞬间，由于栅极与漏极之间不可避免地存在寄生电容 $C_{gd}$ ，会引起像素电极电压产生一个瞬间的下拉突变，即【馈通电压】 $\Delta V_p$ ：

$\Delta V_p = (V_{GH} - V_{GL}) \cdot \frac{C_{gd}}{C_{LC}(V) + C_{ST} + C_{gd}}$

在120Hz下，像素每秒经历120次 $\Delta V_p$ 跳变；在24Hz下，每秒只有24次。跳变频率的不同，直接改变了液晶两端的交流中心电位 $V_{com}$ 的相对偏移。

为了让用户在滚动网页停止时（从120Hz瞬间切回24Hz或静止状态）毫无察觉，M系列SoC与TCON某种意义上执行了【动态的 $V_{com}$ 补偿及数据电压预失真】：TCON内部集成了一个针对不同刷新率的庞大时空查找表，当探测到帧率即将切换时，TCON会根据 $C_{LC}(V)$ 的非线性特性，反向计算出该灰阶、该频率下的馈通电压差值，并在写入数据电压时给予毫伏级的补偿，确保不管处于何种刷新率，液晶层感知的绝对 $V_{RMS}$ 严格一致。

另一方面，从系统架构层面，ProMotion并不是在简单地「改变输出信号的频率」。我们可以把苹果的奇技淫巧简单理解为使用eDP协议中的高级链路电源管理和自带的面板自刷新 (PSR/PSR2) 技术，再结合Dynamic V-Blank Extension。

首先，无论屏幕处于120Hz还是24Hz，Display Engine向屏幕发送一行像素数据的像素时钟频率（Pixel Clock）始终保持在最高速状态不变。这意味着，哪怕在24Hz下，面板给全部700万个像素电容【充电】的物理动作还是在IGZO高迁移率带来的8ms内完成。

事实上，真正的降频发生在像素充电完成之后：M系列SoC通过eDP指令，动态地无限拉长了【垂直消隐区】（Vertical Blanking Interval），期间eDP数据总线进入微安级待机状态，使面板上的源极驱动IC彻底休眠。

因为充电速度永远保持在120Hz，当用户突然触控触摸板，SoC触发硬件中断，只需瞬间结束当前的V-Blank周期，下一帧立刻就能以极速写入，从而在省电的同时也不会造成传统降频技术带来的起手卡顿。我希望这一串推导也能具体地解释苹果是如何把解耦的思维方式贯彻到了具体的工程环节上。

说回来，OLED从物理上做到可变刷新率更简单的原因，也值得仔细写一下。

看到这里的知友们相比早就知道，LCD这玩意是双层乃至多层的，而OLED是单层自发光的。所以，OLED上实现可变刷新率，比如手机早就没有新意的LTPO，挑战主要是纯半导体电学层面的，具体来说就是控制低频下的漏电流和 $V_{GS}$ 漂移，比XDR少了很多电学、流体力学和光学的问题。

OLED 像素的亮度和刷新率，本质上在同一层面下执行：TFT给电，OLED二极管自发光，再改变刷新率。我们只需要改变电流的频率就能自动做到这些事情了。但是XDR的最终亮度是【Mini LED层的背光亮度】与【液晶分子透光率】的乘积。也就是说，ProMotion的动态刷新率下（24Hz, 48Hz, 83Hz, 120Hz…），每一帧持续时间都在随着公式动态改变。液晶层的数据写入与翻转，还必须和背光层的两千多个局部调光分区在亮度剧变上保持相位对齐：如果由于帧率突变，导致背光变化比液晶翻转快了2毫秒，那产生的光晕和黑斑就哈人多了，这就逼着M芯片狠狠根据当前帧的长短动态重算并下发光晕补偿矩阵。

另外，OLED的发光本质是电子-空穴的辐射复合，响应时间在纳秒甚至皮秒级。无论刷新率是120Hz还是10Hz，它都能在一瞬间完成状态切换，不存在拖泥带水的老问题。而液晶，正如上文所述，是有一个流体粘滞系数的。这就是TCON要搞【过驱动】（overdrive, OD）的原因。过驱动电压的大小，严格依赖于帧率。如果上一秒是高OD电压的120Hz，下一秒降频到24Hz，其中单帧41.6ms，如果还用高OD电压，液晶就会转过头。因此，OD查找表对于XDR来说是必不可少的。而OLED根本没必要有这个东西。

至于苹果选用XDR的原因，简要来说还是考虑到OLED有机发光材料的寿命问题，这点我打算放在最后细说。

M4代的量子点

M4代MacBook Pro事实上将屏幕的KSF替换为了基于磷化铟（InP）的量子点（quantum dot, QD）。

我们都知道QD这玩意在电视机和高端显示器上已经很常见了，但是我一直以来都很好奇，QD名字这么唬人，究竟是如何提升显示效果的。

首先得粗浅说明一些工程上必知的概念。

在半导体中，当一个电子吸收光子能量跃迁到导带时，会在价带留下一个带正电的空穴；电子和空穴通过库仑引力相互吸引，形成一个类似氢原子的束缚态，称为【激子】。

如同氢原子有其固定的半径，激子也有其物理尺寸，称为【激子玻尔半径】 $a_B$ 。以苹果M4屏幕采用的磷化铟为例，其体相带隙约为1.35 eV，同时激子玻尔半径非常大，约为10 nm。

我们探讨的主题还需要了解【量子限域效应】，不过不需要很高深的知识。具体来说，当半导体晶体的物理尺寸 $R$ 缩小到接近甚至小于其激子玻尔半径 $a_B$ 时，电子和空穴的运动就会在三维空间上被极其严格地限制住：此时，原本在宏观晶体中连续的能带会破裂成【离散的能级】，这在量子力学中等同于一个经典的三维particle in a 3D box模型。

发光和吸光的过程，在量子力学中，作为粒子在两个能级之间的跃迁，并不是随意发生的。还记得宇称选择定则和自旋选择定则么？这些物理规律决定了某些跃迁是【允许的】，某些则是【禁戒的】。

跃迁的概率直接决定了发光的速度/寿命。【费米黄金定则】指出，跃迁的概率与初态和末态波函数的重叠程度，以及跃迁偶极矩的平方成正比。概率越大的跃迁，发生得越快。

InP核壳结构量子点的发光机制本质上是【受限激子的辐射复合】：当蓝光LED的光子泵浦量子点时，激子形成；随后电子与空穴重新结合，释放出特定波长的光子。

这个发光波长对应的光子能量 $\Delta E$ 不仅完全可控，而且在数学上可以通过【Brus方程】来精确描述。对于半径为 $R$ 的量子点，其发射能量公式为：

$\Delta E_{QD} = E_{bulk} + \frac{h^2}{8R^2} \left( \frac{1}{m_e^*} + \frac{1}{m_h^*} \right) - \frac{1.8 e^2}{4\pi\varepsilon R}$

$E_{bulk}$ （体相带隙）：材料本身的固有带隙能量（InP的话约为 1.35 eV）
$\frac{h^2}{8R^2} ( \dots )$ （量子动能/限域项）：这是最核心的项。 $h$ 是普朗克常数， $m_e^*$ 和 $m_h^*$ 分别是电子和空穴的有效质量。可以看出，该项与量子点半径的平方 $R^2$ 成【反比】。随着晶体尺寸变小，额外赋予的能量急剧增加（蓝移）
$\frac{1.8 e^2}{4\pi\varepsilon R}$ （库仑相互作用项）：由于电子和空穴被挤在一个极小的空间内，它们之间的库仑引力增强，这会抵消掉极小部分的限域能量

有了这个数学描述，我们可以发现，只要在化学合成时极其精确地控制 InP 晶体的生长尺寸，比方说通过调整反应时间和前驱体浓度，我们就能将其发光波长死死锁定在DCI-P3色域所需的纯正红光和绿光的频段。传统荧光粉基本上达不到这种光谱的极窄半峰宽（FWHM）。

InP量子点还有一个很重要的好处，就是能把响应速度从传统KSF荧光粉的毫秒级提升到纳秒级。这个其实是来自量子跃迁概率的不同。

我们知道，传统KSF产生红光的机制依赖于锰离子内部d轨道到d轨道的电子跃迁。因为初态和末态轨道都是d轨道，具有相同的对称性，根据【宇称选择定则】，这种电偶极跃迁属于【绝对禁戒】。

同时，由于还伴随电子自旋状态的改变，其亦属于【自旋禁戒】。这就意味着，该状态切换在物理上是一个极低概率的事件，电子只能通过晶格振动、声子耦合等非常规微扰来偷偷完成跃迁，导致激发的电子会在高能态停留极长的时间，宏观上来看就是8 ms左右的【荧光衰减寿命】。

但是InP与KSF完全相反，是一种【直接带隙半导体】。

在直接带隙中，导带底部的电子和价带顶部的空穴具有相同的动量，激子的复合便成为了一个顺理成章的【允许电偶极跃迁】。

我们知道InP的激子玻尔半径大约为10 nm；在M4代MacBook Pro屏幕所用的InP量子点中，晶体物理半径更小，只有2-3 nm，因此电子和空穴的波函数被强行挤压在一个极小的三维空间内，导致它们在空间上的重叠积分极大。

根据费米黄金定则，这种极强的波函数重叠赋予了该系统极大的振子强度和跃迁矩阵元。所以激发态到基态这个过程重置的概率基本上是被指数级放大的：在使用时间相关单光子计数技术（TCSPC）的现代光电测试中，典型的核壳结构InP/ZnS量子点带边发射峰的荧光衰减寿命仅为31.2 ns，即使在做了较厚壳层钝化的高规格蓝光/绿光InP晶体中，其寿命最多也仅在60 ns左右，比系统的帧刷新周期快了至少25万倍。

在M4代的Macbook Pro上，当像素在两帧之间切换时，红光与绿光的激发和熄灭几乎是瞬时的，消灭了先前高对比度运动下的红色拖影。

量子点技术使SDR亮度天元突破

SDR全局亮度更新就算只是激发亮度，其实也是屏幕素质的一大提升。我个人认为苹果没有大力宣传这个事情，主要原因是规避【奥斯本效应】。若是苹果花费大量篇幅去解释1000 nits的实现原理，或者量子点等技术，那么不可避免地需要解答一个技术逻辑闭环：【为什么以前做不到？】，导致刚刚购买M3 MacBook Pro的用户被背刺，使历代产品口碑连贯性断裂。

在M1-M3代MacBook Pro上，屏幕虽然能实现1600 nits的HDR峰值亮度（局部、瞬态），但其SDR全局持续亮度被严格限制在600 nits。这一次虽说是大升级，但同时必须要澄清的是，1000 nits的SDR亮度也只能在强环境光下触发。

众所周知，屏幕的最终亮度 $L$ （luminance in nits）可表示为以下能量传递链条：

$L \propto \frac{P_{electrical} \times \eta_{EQE} \times \eta_{PLQY} \times T_{optical} \times K_m}{A}$

$P_{electrical}$ (输入电功率)：Mini LED背光的驱动功耗，受限于笔电的总热设计功耗
$\eta_{EQE}$ (外量子效率)：蓝光Mini LED芯片将电子转化为蓝光光子的效率
$\eta_{PLQY}$ (光致发光量子产率)：色彩转换层（KSF或QD）吸收蓝光光子并重新发射红/绿光光子的比例
$T_{optical}$ (光学栈穿透率)：光线穿过偏光片、液晶层以及RGB滤色片时的存留比例
$K_m$ (光辐射发光效能)：发射出的光谱与人类视觉敏感度曲线 $V(\lambda)$ 的积分匹配度，单位为lm/W
$A$ ：屏幕物理面积，我们的分母

在这个公式中， $P_{electrical}$ 和 $\eta_{EQE}$ 在M3到M4的演进中变化很小很小。M4实现1000 nits跃升，主要是QD技术在 $\eta_{PLQY}$ 和 $T_{optical}$ 两个核心变量上实现了突破，从而在恒定功耗下大幅提高了光子输出的总量。

我们先看看在亮度这个部分上KSF哪里比较费拉。

KSF是锰离子在固定晶格场中的能级跃迁，造成固定的发射光谱，也就是那些尖锐但波长固定的红光峰。

我们知道，LCD面板顶部的RGB滤色片相当于一个带通滤波器。由于KSF的发射峰值无法精确微调，其部分光子能量不可避免地落在滤色片的阻带中：这部分光子不仅无法透出屏幕，反而会被滤色片吸收并转化为热能，导致效率低下的 $T_{optical}$ 。

另外，在SDR全屏亮度保持在600 nits的时候，KSF背光确实处于安全温区。但是如果试图全局输出1000 nits， $P_{electrical}$ 就会大幅增加，使得蓝光光子通量和模组温度急剧上升。

根据无辐射复合的Arrhenius方程，更大的电流产生更多热量的话， $\eta_{PLQY}$ 就会下降，导致亮度不增反降，甚至面临烧毁风险。为了保证热包络安全，苹果此前的Display Engine必须在软件底层将持续SDR亮度严格钳制在600 nits。

与KSF固定的离子跃迁不同，通过【量子限域效应】，量子点的发射波长完全由纳米晶体的物理尺寸决定。

因此，苹果的工程师可以通过调整量子点的尺寸，使其发射光谱的中心波长完美对齐上方LCD滤色片的最大透射峰。比方说，他们可以将红光QD直径精确控制在某几个纳米量级，使得红绿光穿过面板时的损耗大幅降低。

这样带来的最大好处就是大幅提升了公式中的光学栈穿透率 $T_{optical}$ ，也就是说每一瓦特背光电能产生的光子，最终射入用户眼中的比例都会变高。

现在，当光通量增加了，我们就必须考虑到 $\eta_{PLQY}$ 的问题了。

现代核壳结构的无镉量子点处理这件事情的方法是用外部的硫化锌宽带隙壳层来钝化核心表面的悬挂键，这样来阻止非辐射复合中心的产生。

就结果而言，QD薄膜即使在极高的蓝光通量和升温环境下，依然能维持接近90%-95%的光致发光量子产率 $\eta_{PLQY}$ ，也就是说热淬灭效应被极大缓解了。这意味着，背光模组产生在输出1000 nits亮度时产生的废热可能与上一代MacBook Pro输出700-800 nits时差不多。

使用Better Display这样的第三方app，我们可以通过向苹果的底层显示框架发送特定的API调用，强制TCON无论在何种光线下都解锁1000 nits SDR阈值，绕开软件限制。

有一说一这个app确实设计得不错，开源免费，能够直接在调节亮度的时候显示nits以及是否在苹果的设计范围内。不插电使用的时候，开高亮度确实会把功耗干到30W+，影响续航，但是平时接电使用如果想要让屏幕发挥完整素质，就不用受限啦。不过这个软件允许直接开到1600 nits，我目前觉得连续开到1000 nits以上可能会影响到屏幕寿命。

这件事情基本上是安全的。QD材料提升了光效，使得模组能在安全温度下输出1000 nits。不过对于普通用户而言，背光阵列的总绝对功耗依然远高于600 nits，毕竟会使续航爆炸，所以苹果基本就把这些亮度锁定为高环境光环境下的激发亮度了。

会在另外的文章里讨论Pro Display XDR和Studio Display XDR，先开坑。

或许我也会Nano-Texture技术的一些有趣细节，但是我个人其实更喜欢纯镜面屏的通透效果，不太愿意为了强光下的某些场合牺牲画面的通透性。

编辑于 2026-04-20 · 著作权归作者所有

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