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從 Game Boy 到大螢幕 ,童年電玩螢幕的黑科技你知道多少?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/13 ・3778字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 GIGABYTE 技嘉科技 委託,泛科學企劃執行。

小時候熬夜躲在棉被裡,拿著手電筒玩 GAME BOY 是許多人共同的回憶。任天堂在 1998 年推出的 GAMEBOY COLOR 打著新穎的掌上彩色螢幕,征服了全球無數大人小孩的心。跟今日的手機平板相比之下,可以隨身攜帶的彩色螢幕好像不算什麼,但在那時候可是貨真價實的稀有黑科技。

在液晶螢幕(LCD)還不普及的年代,電腦和電視的顯示器普遍使用陰極射線管(Cathode ray tube, CRT,或稱映像管)技術,也就是以往國小教室裡會出現的正方體電視。這種設計笨重且耗電,完全不適合用於隨身裝置。因此從二十世紀下半開始,科技公司紛紛投入液晶顯示器技術的尖端研究,但注意到了嗎?現在新的手機、平板、電玩液晶螢幕,越來越多採用 OLED 是什麼原因呢?就讓我們從液晶的起源娓娓道來。

液晶本身不會發光!

液晶最早在 19 世紀中葉被科學家發現,因同時具有「固態的晶體結構」與「液態的流動性」,因此稱為「液晶」,這些特性讓液晶可藉由微弱的電場改變晶體方向,達到讓特定光線進入的效果。

因此,液晶是不會發光的!我們現在所用的液晶螢幕,包含「液晶面板」與「背光模組」兩個部分,由背光模組提供的穩定光源打在控制光線進入的液晶面板上,才能顯示出絢麗的圖案。

同時具有「固態的晶體結構」與「液態的流動性」——液晶。圖/維基百科

Game boy 液晶螢幕大解密

最早的商用液晶螢幕,搭載的液晶面板為扭曲向列液晶(Twisted Nematic, TN),由於 TN 面板的黑白對比度不夠好,因此後來又推出了超級扭曲向列液晶(Super Twisted Nematic, STN)來改善這個問題。

STN 面板被廣泛使用在 80-90 年代,只需進行單色顯示的隨身電子產品上,舉凡 Game boy、計算機、電子錶、電子辭典、電子雞……等,都使用了 STN 面板,早期的電子雞就是這個原理,想想小時候,掌上型的遊戲也不能少了這一款,在學校有一隻電子雞真是走在潮流的尖端?!STN 面板雖然只有單色,但省電是它的一大賣點,因為單色的每個像素,只需要一個液晶單元,而彩色每個像素,需要有紅、綠、藍三個不同顏色的液晶單元,控制液晶面板的耗電量直接三倍起跳。

此外,上述的這些裝置皆沒有配備「背光面板」,而是採用外部光源反射在液晶面板,這樣做不只能減輕重量,也不需要供電給背光面板,讓續航力更上一層樓,更符合隨身電子產品的需求。

不過,也因為沒有背光面板,小時候就沒辦法躲在烏漆墨黑的被窩裡,偷打 Game boy 或養電子雞了。

咒術迴戰的電子雞。圖/Tamagotchi

在討論 Game Boy Color 之前,得先說說彩色液晶螢幕的原理。

彩色液晶螢幕的原理,就只是把液晶單元前面貼上紅、綠、藍的玻璃紙(當然不是用玻璃紙,只是比喻),讓液晶螢幕可以發出光的三原色,再用三個不同顏色的液晶單元,組合成一個像素就可以了。

彩色液晶螢幕的技術不難,只是幫液晶面板貼色紙而已,但重點還是前面提到的耗電問題(一個像素從一個液晶單元變三個)。

而當時拿來貼色紙的液晶面板,正好是可以用外部光源顯示的 STN 面板,這表示以 STN 面板為基礎的彩色螢幕,未必需要加裝背光面板才能顯示!

Game Boy Color 為了因應彩色帶來的耗電量激增,便採取外部光源反射顯示。不加裝背光面板雖然犧牲了對比度與飽和度,卻讓 Game Boy Color 有著輕便與高續航力的優勢,勝過採用背光面板、畫質較好的 Sega Game Gear,獲得當時玩家的青睞。

美版的 Game Gear 普通機型。圖/維基百科

突飛猛進的面板發展

隨著電池技術的進步,耗電量已不再是考量的重點。無論是行動裝置的液晶螢幕或一般的液晶螢幕,皆裝上了「背光面板」(終於可以在被窩裡玩手機)。此時,人們開始將注意力放在液晶螢幕的對比度、可視角度、色彩呈現與更新率(每秒更新的畫面數量)上了。

為了做出色彩更加鮮豔、更新率更高的螢幕,除了上述提到的 TN 面板外,後續也發展出了 VA 面板與 IPS 面板,而他們各自都有自己的優勢與劣勢。

TN 面板(扭曲向列型液晶)

最早發展的 TN 面板,其面板內的液晶分子在未通電時,會呈現如 DNA 的螺旋狀,這時光線可以穿透。當通電時,液晶分子會排成垂直螢幕的方向,這時光線就無法穿透。

TN 面板有較好的更新率,且因技術成熟,目前市面上的 TN 面板螢幕,價格相對較低,但 TN 面板的缺點也非常明顯,可視角度狹窄,稍微側面看螢幕就會嚴重失真,色彩與對比度的表現也較差。

VA 面板(垂直排列液晶)

VA 面板是繼 TN 面板後問世的液晶面板,其工作機制與 TN 面板正好相反,在未通電時,面板內的液晶分子會呈垂直排列,無法讓光通過;通電時中間部分的液晶分子會轉為水平,讓光線通過。

VA 面板改善了過往 TN 面板在色彩與對比度上的不足,清晰的對比度讓畫面更銳利,可視角也變得更寬廣,不過更新率較低,一般的 VA 面板應付日常上網或看電影還算可以,但對於有高更新率需求的第一人稱射擊遊戲或電競,VA 面板就顯得沒那麼適合。

IPS 面板(橫向電場效應顯示技術)

IPS 面板是相對後期發展的液晶面板,在未通電時所有液晶分子會像梯子一樣水平排列,這時光線無法穿透,而通電後液晶分子會變成類似 VA 面板的 DNA 螺旋狀,此時光線可以穿透。

IPS 面板最大特點,正是液晶分子的旋轉方向,始終都在同一個平面上,這樣的設計使得可視角度大幅提升,且顏色更加飽滿,反應速度雖然比 VA 面板好,但還是比不上 TN 面板。

新世代的 OLED 螢幕

不同面板的液晶螢幕各有各的優缺點,可以依據自己需求選擇適合的螢幕,那有沒有哪一種螢幕,可以網羅所有優點呢?

答案是有的,這就是最晚才開始發展的新世代螢幕——OLED(有機發光二極體)螢幕!

OLED 螢幕利用夾在玻璃基板之間的有機分子自行發光,因此不需要背後的發光面板,比起過往的液晶螢幕更加省電,也能做得更輕薄。此外,自行發光也代表不會有液晶螢幕的可視角度的問題,並有著趨近於無窮的黑白對比度,色彩飽和度上也表現得可圈可點。

在更新率上,OLED 螢幕是透過控制輸入電壓來更新畫面,可以一步到位,而液晶螢幕則是透過電場控制液晶分子方向後,才能更新畫面,因此 OLED 螢幕,理論上的更新率是優於一般液晶螢幕的。

新世代 OLED 螢幕囊括諸多優點,給你最佳的娛樂體驗。圖/GIGABYTE 技嘉科技

過往 OLED 螢幕因價格昂貴,很少出現在我們的生活中,但隨著技術成熟,OLED 螢幕的價格已不再是問題,新一代的手機與平板電腦,或其他行動裝置,也紛紛開始採用 OLED 螢幕,像是今年即將推出的新版 Nintendo Switch,也準備將原本搭配的 IPS 液晶螢幕,換成 OLED 螢幕。


OLED 擁有卓越的色彩和反應時間,用來打遊戲再適合不過。

技嘉 AORUS FO48U 專業電競螢幕採用 OLED 面板,融合電競與影音的雙重享受,120 Hz 的更新頻率搭配 4K 高畫質,帶來最清晰流暢的視覺體驗。搭載 2.1 聲道音響系統及 Space Audio 技術享受環繞音場效果,不論是在電競遊戲、電影、音樂都能感受影音的雙重饗宴。

除了最尖端的顯示器技術,技嘉也仍舊以玩家為本,加入了包括遊戲助手 Game Assist 和瞄準穩定器等 8 種獨家功能,提供令人耳目一新的電競體驗。

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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