LED背光与无彩色滤光片技术分析

2012-12-24 admin1 184

无彩色滤光片技术,可大幅度提高面板系统的电光转换效能达到约40%,对于提升系统色域及饱和度、降低材料成本等,都有非常显著的影响。近年来平面显示器产业蓬发展迅猛,显示技术日新月异,液晶显示器以量产规模而论,稳居平面显示器技术主流地位,然而,其它显示技术,诸如等离子、有机发光二极管,甚至是场发射式显示器等,各自拥有优于LCD的特性,例如自发光、快速响应、高对比度、高色彩饱和度、可挠性等诸多优点,给LCD产业带来不同程度的威胁。为保持LCD显示技术现有的竞争优势,各厂商已投入大量研发力量,力求提升传统LCD的显示效率和质量。

在LCD技术发展中,新型背光技术的作用日益显著,对于LCD整体结构以及色彩表现的改善起到非常重要的作用。LED背光在LCD显示中的应用比例在近年来大幅提升,其意义不仅仅局限于色域表现的提高,甚至有可能颠覆LCD的传统结构,对于LCD产业未来的发展具有前瞻性的意义。RGB LED背光的应用,演绎出场序式色彩(Field Sequential Color,FSC)技术,部分厂商已经试制出无彩色滤光片的产品,可大幅度提高面板系统的电光转换效能达到约40%,对于提升系统色域及饱和度、降低材料成本等,都有非常显著的影响。

两种不同的混色原理

在传统彩色滤光片应用中,单一像素乃由三个子像素所构成,每个子像素由一颗场效晶体管(Field Effect Transistor,TFT)控制该子像素的电场强度,以决定通过该子像素的光强度;通过各子像素的光能量,再经由各子像素所对应的原色(红色、绿色及蓝色)滤光片调变,以得到各子像素所需的各原色光强度,最后再依靠视觉系统的作用,将各子像素的原色混合成该像素所欲表现的颜色。这样必须使用白色背源模块,如冷阴极荧光灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp,CCFL)或是LED光源。在混色原理上,各原色是以空间轴混色,空间轴上的混色意思是,人眼看到东西可以看出颜色,是靠空间轴上R、G、B三个子像素(sub-pixel)在小于人眼视角的范围做出混色。

相对地,场序式技术则移除彩色滤光片(Color Filterless),且各像素不需再分割出子像素,其色彩形成,必须依靠背光模块中,三种原色光源依时序切换,搭配在各色光源显示时间内,同步控制液晶像素穿透率,以调配各原色之相对光量,再由视觉系统对光刺激的残留效应,以形成并察知该颜色。也就是将原本以空间轴混色改为以时间轴混色,就是让R、G、B三色快速切换,若转换时间短于人眼视觉所能分辨的时间,借助人眼的视觉残留效应,就能产生混色效果。

免彩色滤光片技术益处多多

相对的,Color Filterless的作法,不使用彩色滤光片,让R、G、B快速在人眼前变换,开口率大,光的使用效率几乎没有损失,一比较起来就突显出Color Filterless的优势。

无彩色滤光片之LCD在显示效能上的最大增益,则在于大幅提升光利用效率,理论上可提升至传统LCD的三倍。

传统以CCFL做为背光源的液晶显示器,当背光源提供8500nits的亮度时,经过各组件的损耗(最大损耗在彩色滤光片),实际输出的光亮度约为800nits。同样是输出800nits的光亮度,由于去除彩色滤光片使得光效率提升三倍,再考虑开口率的提高,RGB-LED背光源只需提供不到2500nits即可等效传统背光源提供8500nits时的出光亮度。

光学效率的提升,意义在于背光功耗的大幅度降低,对于光源亮度要求的大幅度降低。LED背光在LCD市场的应用,最大的阻力在于成本、功耗和散热三项。光源亮度要求的降低,可以减少LED的采用数量,功耗和散热的瓶颈迎刃而解,成本可以大幅降低。同时,数量的减少更可以降低控制电路的复杂程度,增强系统的可靠性。

另一方面,省下彩色滤光片,在制程上除节省原料成本(约占面板15%左右)外,实质上还省略滤光片涂布、制作之工序、减少工时及提升良率;更可以免去配套建设CF厂房设备的大笔投资。

事实上,采用Color Filterless技术时,一个子像素即可构成一个像素,连带减少单一像素中所需之TFT个数,简化控制电路之复杂度,增加像素开口率,有利于提高面板像素的空间分辨率。

此外,若妥善选择适当光源,则可进一步增进系统的显示质量。例如色序法须使用脉冲式光源,LED最为适合,因LED一般均具有窄半高宽之频谱特性,可呈现出高色彩饱和度的颜色,即可有效扩大系统色域(Color Gamut),即可呈现更丰富、多样的色彩。

液晶的反应速度和色分离控制是技术关键

事实上,Color Filterless不是很新的东西,它的技术原理问世事实上已经有很长一段时间,但到目前为止都没有将此技术应用在电视领域,主要是因为它的速度要求要快3倍以上,才不会让人眼察觉到在做颜色的切换,但是这个技术已经在某些投影机上实现,例如DLP技术做成的投影机(Digital Light Processor,或称为Digital Micro-mirror Device;DMD)。因为DLP型投影机的微镜片(micro mirror)的反应速度够快,所以可以用色序法来实现彩色显像的效果。

LCD方面,液晶响应速度不够快,始终是无法采用色序法技术的障碍。主要因素就是液晶速度不够快,因为原本画面频率为60Hz,使用Color Filterless就必须增为180Hz。一般较少使用的OCB技术,在液晶响应速度方面可快到1ms,这样的表现可以满足需要。现在液晶以IPS和MVA为两大阵营,过去OCB一直不被看好,主要是因为它的对比只有600:1,相对于MVA的1000:1,显得较为逊色。不过将OCB结合动态区域控制(Dynamic Area Control)技术,使得OCB的对比可以到达数千比一,因此解决了对比不足的问题。

Color Filterless技术有几个关键所在,首先如上所述要有够快的液晶响应速度,使用OCB可以解决这个问题,另外就是现在雷声很大雨点很小的RGB LED背光模块,虽然导入量产还有一段时间,不过若不考虑价格,其实技术上已经没有障碍。

同时,色序法产生的色分离现象也是一个技术上待解决的议题。色序法的原理是一幅彩色图像由三个连续的图像色场组成,三种颜色的光投射至视网膜上各像素所对应的相同位置,则各像素的色彩信息将可被视觉完整重现。若是一彩色图像所包含的三图像色场,其对应像素投射在视网膜上不同位置而被视觉系统察知,则观察者将看到色场分离错位的影像,此即称为色分离(CBU)现象。又因为CBU通常在图像中物体的边缘形成色带排列,如同彩虹条纹,故CBU又称彩虹效应(Rainbow Effect)。色分离现象除了降低观觉质量,亦有研究报告指出,在长时间观看色序型的显示器后,亦可能造成晕眩的感觉。

至于改善色分离的方法,主要有增加显示组件的响应速率、改变色场顺序、动态画面补偿等等,需要复杂的控制算法和强大驱动电路能力。

国际大厂已有成果发布

目前色序法已经成为各厂商研究的重点,陆续有一些新的成果发布。

05年10月底横滨展,三星首度展出32英寸Color Filterless的液晶电视,造成轰动。三星电子此次开发的产品采用可发出RGB(红色、绿色、蓝色)的LED Backlight,具备110%(NTSC)的色再现性与78%的高开口率,以及500nits的画面亮度,其色彩表现相当鲜艳,在色分离现象的控制上,若非专家不易察觉。同时,功耗只有82W,仅有现有500nits CCFL Backlight的60%,并支持适合电视产品的5ms以下的高速响应速度。这说明了色序法在提升光源使用效率上的确有显著的效果。

三星电子相关人员表示,藉由免彩色滤光片LCD的开发,将可大幅降低设备投资、材料费用与制程时间,并有助该公司主导32英寸、40英寸与46英寸等高画质大尺寸液晶电视市场,并计划在今年下半年量产。

华映早在2000年时就展示过1.5英寸Color Filterless技术的原型。06年6月的台湾平面显示器展,会场有一台华映的32英寸无彩色滤光片(Color Sequential,或称Color Filterless)LCD TV,是台湾厂商第一次展出使用该技术的大尺寸产品。

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