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        LED背光與無彩色濾光片技術
        發布日期:[2007-6-8]    共閱[5979]次
            當前平面顯示器產業蓬勃發展,顯示技術日新月異,液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)以量產規模而論,穩居平面顯示器技術主流地位,然而,其它顯示技術,諸如等離子(Plasma Display Panel,PDP)、有機發光二極管(Organic Light Emitting iode,OLED),甚至是場發射式顯示器(Field Emission Display,FED,SED是FED的一個分支)等,各自擁有優于LCD的特性,例如自發光、快速響應、高對比度、高色彩飽和度、可撓性等諸多優點,給LCD產業帶來不同程度的威脅。為保持LCD顯示技術現有的競爭優勢,各廠商已投入大量研發力量,力求提升傳統LCD的顯示效率和質量。
          在LCD技術發展中,新型背光技術的作用日益顯著,對于LCD整體結構以及色彩表現的改善起到非常重要的作用。LED背光在LCD顯示中的應用比例在近年來大幅提升,其意義不僅僅局限于色域表現的提高,甚至有可能顛覆LCD的傳統結構,對于LCD產業未來的發展具有前瞻性的意義。RGB LED背光的應用,演繹出場序式色彩(Field Sequential Color,FSC)技術,部分廠商已經試制出無彩色濾光片的產品,可大幅度提高面板系統的電光轉換效能達到約40%,對于提升系統色域及飽和度、降低材料成本等,都有非常顯著的影響。

          兩種不同的混色原理
          在傳統彩色濾光片應用中, 單一像素乃由三個子像素所構成,每個子像素由一顆場效晶體管(Field Effect Transistor,TFT)控制該子像素的電場強度,以決定通過該子像素的光強度;通過各子像素的光能量,再經由各子像素所對應的原色(紅色、綠色及藍色)濾光片調變,以得到各子像素所需的各原色光強度,最后再依靠視覺系統的作用,將各子像素的原色混合成該像素所欲表現的顏色。這樣必須使用白色背源模塊,如冷陰極熒光燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp,CCFL)或是LED光源。在混色原理上,各原色是以空間軸混色,空間軸上的混色意思是,人眼看到東西可以看出顏色,是靠空間軸上R、G、B三個子像素(sub-pixel)在小于人眼視角的范圍做出混色。
          相對地,場序式技術則移除彩色濾光片(Color Filterless),且各像素不需再分割出子像素,其色彩形成,必須依靠背光模塊中,三種原色光源依時序切換,搭配在各色光源顯示時間內,同步控制液晶像素穿透率,以調配各原色之相對光量,再由視覺系統對光刺激的殘留效應,以形成并察知該顏色。也就是將原本以空間軸混色改為以時間軸混色,就是讓R、G、B三色快速切換,若轉換時間短于人眼視覺所能分辨的時間,借助人眼的視覺殘留效應,就能產生混色效果。

          免彩色濾光片技術益處多多
          相對的,Color Filterless的作法,不使用彩色濾光片,讓R、G、B快速在人眼前變換,開口率大,光的使用效率幾乎沒有損失,一比較起來就突顯出Color Filterless的優勢。
          無彩色濾光片之LCD在顯示效能上的最大增益,則在于大幅提升光利用效率,理論上可提升至傳統LCD的三倍。
          傳統以CCFL做為背光源的液晶顯示器,當背光源提供8500nits的亮度時,經過各組件的損耗(最大損耗在彩色濾光片),實際輸出的光亮度約為800nits。同樣是輸出800nits的光亮度,由于去除彩色濾光片使得光效率提升三倍,再考慮開口率的提高,RGB-LED背光源只需提供不到2500nits即可等效傳統背光源提供8500nits時的出光亮度。
          光學效率的提升,意義在于背光功耗的大幅度降低,對于光源亮度要求的大幅度降低。LED背光在LCD市場的應用,最大的阻力在于成本、功耗和散熱三項。光源亮度要求的降低,可以減少LED的采用數量,功耗和散熱的瓶頸迎刃而解,成本可以大幅降低。同時,數量的減少更可以降低控制電路的復雜程度,增強系統的可靠性。
          另一方面,省下彩色濾光片,在制程上除節省原料成本(約占面板15%左右)外,實質上還省略濾光片涂布、制作之工序、減少工時及提升良率;更可以免去配套建設CF廠房設備的大筆投資。
          事實上,采用Color Filterless技術時,一個子像素即可構成一個像素,連帶減少單一像素中所需之TFT個數,簡化控制電路之復雜度,增加像素開口率,有利于提高面板像素的空間分辨率。
          此外,若妥善選擇適當光源,則可進一步增進系統的顯示質量。例如色序法須使用脈沖式光源,LED最為適合,因LED一般均具有窄半高寬之頻譜特性,可呈現出高色彩飽和度的顏色,即可有效擴大系統色域(Color Gamut),即可呈現更豐富、多樣的色彩。

          液晶的反應速度和色分離控制是技術關鍵
          事實上,Color Filterless不是很新的東西,它的技術原理問世事實上已經有很長一段時間,但到目前為止都沒有將此技術應用在電視領域,主要是因為它的速度要求要快3倍以上,才不會讓人眼察覺到在做顏色的切換,但是這個技術已經在某些投影機上實現,例如DLP技術做成的投影機(Digital Light Processor,或稱為Digital Micro-mirror Device;DMD)。因為DLP型投影機的微鏡片(micro mirror)的反應速度夠快,所以可以用色序法來實現彩色顯像的效果。
          LCD方面,液晶響應速度不夠快,始終是無法采用色序法技術的障礙。主要因素就是液晶速度不夠快,因為原本畫面頻率為60Hz,使用Color Filterless就必須增為180Hz。一般較少使用的OCB技術,在液晶響應速度方面可快到1ms,這樣的表現可以滿足需要,F在液晶以IPS和MVA為兩大陣營,過去OCB一直不被看好,主要是因為它的對比只有600:1,相對于MVA的1000:1,顯得較為遜色。不過將OCB結合動態區域控制(Dynamic Area Control)技術,使得OCB的對比可以到達數千比一,因此解決了對比不足的問題。
          Color Filterless技術有幾個關鍵所在,首先如上所述要有夠快的液晶響應速度,使用OCB可以解決這個問題,另外就是現在雷聲很大雨點很小的RGB LED背光模塊,雖然導入量產還有一段時間,不過若不考慮價格,其實技術上已經沒有障礙。
          同時,色序法產生的色分離現象也是一個技術上待解決的議題。色序法的原理是一幅彩色圖像由三個連續的圖像色場組成,三種顏色的光投射至視網膜上各像素所對應的相同位置,則各像素的色彩信息將可被視覺完整重現。若是一彩色圖像所包含的三圖像色場,其對應像素投射在視網膜上不同位置而被視覺系統察知,則觀察者將看到色場分離錯位的影像,此即稱為色分離(CBU)現象。又因為CBU通常在圖像中物體的邊緣形成色帶排列,如同彩虹條紋,故CBU又稱彩虹效應(Rainbow Effect)。色分離現象除了降低觀覺質量,亦有研究報告指出,在長時間觀看色序型的顯示器后,亦可能造成暈眩的感覺。
          至于改善色分離的方法,主要有增加顯示組件的響應速率、改變色場順序、動態畫面補償等等,需要復雜的控制算法和強大驅動電路能力。

          國際大廠已有成果發布
          目前色序法已經成為各廠商研究的重點,陸續有一些新的成果發布。
          05年10月底橫濱展,三星首度展出32英寸Color Filterless的液晶電視,造成轟動。三星電子此次開發的產品采用可發出RGB(紅色、綠色、藍色)的LED Backlight,具備110%(NTSC)的色再現性與78%的高開口率,以及500nits的畫面亮度,其色彩表現相當鮮艷,在色分離現象的控制上,若非專家不易察覺。同時,功耗只有82W,僅有現有500nits CCFL Backlight的60%,并支持適合電視產品的5ms以下的高速響應速度。這說明了色序法在提升光源使用效率上的確有顯著的效果。
          三星電子相關人員表示,藉由免彩色濾光片LCD的開發,將可大幅降低設備投資、材料費用與制程時間,并有助該公司主導32英寸、40英寸與46英寸等高畫質大尺寸液晶電視市場,并計劃在今年下半年量產。
          華映早在2000年時就展示過1.5英寸Color Filterless技術的原型。06年6月的臺灣平面顯示器展,會場有一臺華映的32英寸無彩色濾光片(Color Sequential,或稱Color Filterless)LCD TV,是臺灣廠商第一次展出使用該技術的大尺寸產品。

         
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