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PWM是Pulse Width Modulation的英文縮寫，中文名稱為脈衝寬度調製。隨著OLED逐漸成為手機螢幕的標配面板技術，關於OLED閃屏瞎眼的討論也一直沒消停過，那麼OLED的PWM頻閃是怎麼回事，是不是真的會無條件損害視力健康？今天就簡單介紹一下PWM頻閃的原理和相關的知識。
什麼是PWM？
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在半導體技術沒有普及的過去，光電聲信號的強度控制都是通過模擬器件完成的，例如常見的功放、耳機放大器上音量旋鈕，就是一種模擬電位器。雖然模擬控制開關具有平滑、線性等優點，但是缺陷也比較致命，例如特性會隨著使用時間出現變化，最簡單的例子就是金屬電阻通電受熱後電阻值也會改變；另外由於是電阻直接控制，功耗發熱巨大，而且抗干擾能力很差[例如手機信號會干擾到使用模擬功放的音響或者老收音機]。而PWM則採用了計數器進行開關頻率控制以實現信號的控制，通過調節方波的頻率和周期來實現信號的強弱控制，實際上是將模擬信號數字化控制。
使用PWM開關實現一個周期正弦波的方式 - 圖片來自網際網路
從上圖中可以看出，PWM以通過控制方波的輸出頻率和周期控制大致實現了一個正弦波輸出。PWM只有0和1兩種狀態，這樣的二進位電路是現代半導體的工作基礎，因為PWM具有功耗和體積上的優勢，而且抗干擾能力強，因此可以進入到面積極小的大規模集成電路中，例如CPU、MCU等各種功能的晶片，是各類晶片的基礎功能之一。我們當下的生活電器、電腦、手機等都離不開PWM功能進行聲電信號的調節以實現各種生活需要的功能。
PWM和頻閃
閃爍和頻閃是很早就被發現的現象，例如風中的燭光、電閃雷鳴、眨眼睛的星星等等，都是生活中比較常見的光線閃爍。而在上個一百年由德國開啟的電氣時代起，交流電成為了市電的主流，頻率為50Hz市電在簡單的照明電路下光源難免會出現一定幅度的頻閃，在工作溫度普遍更低的T12螢光節能燈下，頻閃問題變得更加明顯。而CRT電視機、顯示器更是依靠垂直刷新畫面的方式實現動態顯示，閃爍在錄像機和數位相機的快門下非常明顯，被普遍認為是兒童視力下降的罪魁禍首。早期的液晶顯示器使用CCFL燈管，也以PWM為主。那麼PWM是如何實現亮度控制的呢？下面的圖表展示了PWM的工作周期[占空比]對信號強度的直接影響。
PWM亮度調節原理 - 95%亮度
PWM亮度調節原理 - 50%亮度
PWM亮度調節原理 - 20%亮度
上圖中左邊表示PWM的工作周期占比，右邊表示實際信號輸出的強度，可以理解為1表示最大亮度100%，0表示最低亮度，可以看到PWM是固定頻率周期內調整通電時間的時長來實現明暗的調整。當PWM的頻率較低時[50-200Hz]，就會出現明顯的明暗交替頻閃。到了數字顯示和LED照明成為主流的當下，PWM仍是比較常見的調光控制模式，採用高頻PWM和直流DC調光的顯示往往被當做顯示器和筆記本電腦的賣點之一。雖然OLED和PWM頻閃並不是完全綁定，例如LG在電視機上使用的OLED電視面板就以高頻PWM或DC調光為主，很多LCD顯示屏也採用PWM甚至低頻PWM調光控制。目前三星、京東方提供的手機OLED面板都是200Hz左右的PWM調光模組，想要檢測人眼識別範圍能力以外的頻閃，一般只需要通過一台支持手動快門速度的手機或者相機對著螢幕拍攝就能看到。
有害頻閃的標準
根據比較權威的IEEE Std1789-2015國際標準和國內標準GB/T 9472-2017的報告中，明確表示光源閃爍對健康的潛在危害有：
- 約0.1%的人會出現光敏性癲癇或閃爍光誘導癲癇發作；
偏頭痛或嚴重頭痛伴隨噁心、視覺紊亂；
自閉病人反覆行為；
視力衰弱如眼過勞、疲倦、視力模糊以及頭痛等。
白熾燈的頻閃
LED燈泡的PWM頻閃
無明顯頻閃的LED燈泡
當然，以上受個人差異影響巨大，但是不是所有的頻閃都是有害的？上圖是3種不同的燈泡頻閃對比，三款燈泡分別為40W白熾燈、飛利浦智能LED燈泡、雜牌LED燈泡。使用相機對著被認為是最健康的光源白熾燈時，可以看到白熾燈和智能燈泡同樣有頻閃，而最後一個雜牌LED燈泡在1/3333快門下也沒有出現明顯的頻閃，可以被認為是DC調光的光源。由於智能燈泡有亮度和色溫調節功能，依靠PWM實現也並不令人意外，那麼這兩款燈泡是否會真的損害視力？而且即使是高頻PWM和DC調光本質上也是極高頻的PWM調製，是否危害視力健康顯然也離不開檢測標準：頻閃百分比，頻閃百分比是光的波動周期內亮度最大值和最小值的差於最大值和最小值的和之比。波動同樣在兩篇權威報告中，頻閃百分比和頻率對應的安全區域。
光源頻閃的安全標準區域[陰影區為低風險區]
光源頻閃的安全範圍標準
典型光源的頻閃指數 - 圖片來自IEEE Std1789-2015
典型光源的頻閃指數 - 圖片來自IEEE Std1789-2015
IEEE Std1789-2015中，還舉例了12種常見光源的頻閃值。典型的如60W白熾燈泡，其頻閃百分比為6.6%，介於低風險水平和無顯著影響水平之間。而T12節能燈管達到28.4%，因此需要鎮流器，另一種常見的多管CFL節能燈泡為1.8%。當然要保護視力，光線的強度也需要儘量保證，但不在本文的討論範圍之內，也不考慮燈光的顯色品質等。頻閃在400Hz以上時人眼就難以察覺，但無法保證無危害性，而在PWM頻率在1250Hz以上時，頻閃危害基本處於低風險水平，最高的無顯著影響標準則是3125Hz。
HUAWEI 華為 P30 Pro智慧型手機 - PWM閃爍 - 85%亮度
HUAWEI 華為 P30 Pro智慧型手機 - PWM閃爍 - 90%亮度
HUAWEI 華為 P30 Pro智慧型手機 - PWM閃爍 - 90%以上亮度
將這套標準自然也可以用到OLED的PWM頻閃上，當OLED亮度為100%時，頻閃的波谷幾乎為0，且周期很短，螢幕的波動深度低，當通過PWM降低亮度時，螢幕的波動深度較高，自然就對眼睛有明顯刺激，也有類似華為P30 Pro這類90%亮度以下時閃爍就開始明顯的機型。但由於測量波動深度需要專門的頻閃檢測儀，相機屏攝是無法檢測波動深度的，我們暫時還沒有條件進行測試，但低頻率PWM下較高的波動深度對人眼還是會有明顯刺激的。
軟體DC調光原理
ColorOS調光解決方案
ColorOS調光解決方案
既然低亮度下OLED的PWM頻閃確實有害，除了換LCD外，還有例如OPPO為Reno系列提供的DC調光功能。OPPO也公開了軟體DC調光的算法，就是利用「雙圖層」的遮罩並控制遮罩透明度對亮度進行控制，由於OLED為主動發光，軟體DC調光本身就是在降低OLED像素的亮度，在不影響PWM頻閃百分比的情況下減低亮度。從實際使用效果來看，對中低亮度的頻閃改善效果還是比較明顯的，相信一加7Pro也採用了類似的方案實現軟體DC調光。有意思的是OPPO這張宣傳海報基本等同於完全公開了軟體DC調光的算法，也大方地表示歡迎同行們採用，至於競爭對手們是否願意採用就看廠商自己的意願了，至少在技術和用戶體驗角度上是值得表揚和推廣的，而且只要簡單修改作業系統就可以在現有OLED螢幕手機上實現。目前在Google Play或者酷安上也有閃爍保護APP實現類似功能，當然軟體DC調光也存在局限性，例如最低亮度下還是會出現明顯頻閃，以及低亮度螢幕信噪比和畫質會下降等缺點。最好還是OLED面板廠商儘量提高PWM頻率或者使用DC直流調光控制，才是比較一勞永逸的解決手段。