LED背光與無(wú)彩色濾光片技術(shù)分析

近年來(lái)平面顯示器產(chǎn)業(yè)蓬發(fā)展迅猛，顯示技術(shù)日新月異，液晶顯示器以量產(chǎn)規(guī)模而論，穩(wěn)居平面顯示器技術(shù)主流地位，然而，其它顯示技術(shù)，諸如等離子、有機(jī)發(fā)光二極管，甚至是場(chǎng)發(fā)射式顯示器等，各自擁有優(yōu)于LCD的特性，例如自發(fā)光、快速響應(yīng)、高對(duì)比度、高色彩飽和度、可撓性等諸多優(yōu)點(diǎn)，給LCD產(chǎn)業(yè)帶來(lái)不同程度的威脅。為保持LCD顯示技術(shù)現(xiàn)有的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，各廠商已投入大量研發(fā)力量，力求提升傳統(tǒng)LCD的顯示效率和質(zhì)量。

在LCD技術(shù)發(fā)展中，新型背光技術(shù)的作用日益顯著，對(duì)于LCD整體結(jié)構(gòu)以及色彩表現(xiàn)的改善起到非常重要的作用。LED背光在LCD顯示中的應(yīng)用比例在近年來(lái)大幅提升，其意義不僅僅局限于色域表現(xiàn)的提高，甚至有可能顛覆LCD的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)于LCD產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展具有前瞻性的意義。RGB LED背光的應(yīng)用，演繹出場(chǎng)序式色彩(Field Sequential Color，F(xiàn)SC)技術(shù)，部分廠商已經(jīng)試制出無(wú)彩色濾光片的產(chǎn)品，可大幅度提高面板系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效能達(dá)到約40%，對(duì)于提升系統(tǒng)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(tǒng)彩色濾光片應(yīng)用中，單一像素乃由三個(gè)子像素所構(gòu)成，每個(gè)子像素由一顆場(chǎng)效晶體管(Field Effect Transistor，TFT)控制該子像素的電場(chǎng)強(qiáng)度，以決定通過(guò)該子像素的光強(qiáng)度;通過(guò)各子像素的光能量，再經(jīng)由各子像素所對(duì)應(yīng)的原色(紅色、綠色及藍(lán)色)濾光片調(diào)變，以得到各子像素所需的各原色光強(qiáng)度，最后再依靠視覺(jué)系統(tǒng)的作用，將各子像素的原色混合成該像素所欲表現(xiàn)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(gè)子像素(sub-pixel)在小于人眼視角的范圍做出混色。

相對(duì)地，場(chǎng)序式技術(shù)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(shí)序切換，搭配在各色光源顯示時(shí)間內(nèi)，同步控制液晶像素穿透率，以調(diào)配各原色之相對(duì)光量，再由視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)光刺激的殘留效應(yīng)，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(shí)間軸混色，就是讓R、G、B三色快速切換，若轉(zhuǎn)換時(shí)間短于人眼視覺(jué)所能分辨的時(shí)間，借助人眼的視覺(jué)殘留效應(yīng)，就能產(chǎn)生混色效果。

免彩色濾光片技術(shù)益處多多

相對(duì)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(kāi)口率大，光的使用效率幾乎沒(méi)有損失，一比較起來(lái)就突顯出Color Filterless的優(yōu)勢(shì)。

無(wú)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(tǒng)LCD的三倍。

傳統(tǒng)以CCFL做為背光源的液晶顯示器，當(dāng)背光源提供8500nits的亮度時(shí)，經(jīng)過(guò)各組件的損耗(最大損耗在彩色濾光片)，實(shí)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(kāi)口率的提高，RGB-LED背光源只需提供不到2500nits即可等效傳統(tǒng)背光源提供8500nits時(shí)的出光亮度。

光學(xué)效率的提升，意義在于背光功耗的大幅度降低，對(duì)于光源亮度要求的大幅度降低。LED背光在LCD市場(chǎng)的應(yīng)用，最大的阻力在于成本、功耗和散熱三項(xiàng)。光源亮度要求的降低，可以減少LED的采用數(shù)量，功耗和散熱的瓶頸迎刃而解，成本可以大幅降低。同時(shí)，數(shù)量的減少更可以降低控制電路的復(fù)雜程度，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

另一方面，省下彩色濾光片，在制程上除節(jié)省原料成本(約占面板15%左右)外，實(shí)質(zhì)上還省略濾光片涂布、制作之工序、減少工時(shí)及提升良率;更可以免去配套建設(shè)CF廠房設(shè)備的大筆投資。

事實(shí)上，采用Color Filterless技術(shù)時(shí)，一個(gè)子像素即可構(gòu)成一個(gè)像素，連帶減少單一像素中所需之TFT個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化控制電路之復(fù)雜度，增加像素開(kāi)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(dāng)光源，則可進(jìn)一步增進(jìn)系統(tǒng)的顯示質(zhì)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(xiàn)出高色彩飽和度的顏色，即可有效擴(kuò)大系統(tǒng)色域(Color Gamut)，即可呈現(xiàn)更豐富、多樣的色彩。

液晶的反應(yīng)速度和色分離控制是技術(shù)關(guān)鍵

事實(shí)上，Color Filterless不是很新的東西，它的技術(shù)原理問(wèn)世事實(shí)上已經(jīng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間，但到目前為止都沒(méi)有將此技術(shù)應(yīng)用在電視領(lǐng)域，主要是因?yàn)樗乃俣纫笠?倍以上，才不會(huì)讓人眼察覺(jué)到在做顏色的切換，但是這個(gè)技術(shù)已經(jīng)在某些投影機(jī)上實(shí)現(xiàn)，例如DLP技術(shù)做成的投影機(jī)(Digital Light Processor，或稱為Digital Micro-mirror Device;DMD)。因?yàn)镈LP型投影機(jī)的微鏡片(micro mirror)的反應(yīng)速度夠快，所以可以用色序法來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色顯像的效果。

LCD方面，液晶響應(yīng)速度不夠快，始終是無(wú)法采用色序法技術(shù)的障礙。主要因素就是液晶速度不夠快，因?yàn)樵井嬅骖l率為60Hz，使用Color Filterless就必須增為180Hz。一般較少使用的OCB技術(shù)，在液晶響應(yīng)速度方面可快到1ms，這樣的表現(xiàn)可以滿足需要?，F(xiàn)在液晶以IPS和MVA為兩大陣營(yíng)，過(guò)去OCB一直不被看好，主要是因?yàn)樗膶?duì)比只有600：1，相對(duì)于MVA的1000：1，顯得較為遜色。不過(guò)將OCB結(jié)合動(dòng)態(tài)區(qū)域控制(Dynamic Area Control)技術(shù)，使得OCB的對(duì)比可以到達(dá)數(shù)千比一，因此解決了對(duì)比不足的問(wèn)題。

Color Filterless技術(shù)有幾個(gè)關(guān)鍵所在，首先如上所述要有夠快的液晶響應(yīng)速度，使用OCB可以解決這個(gè)問(wèn)題，另外就是現(xiàn)在雷聲很大雨點(diǎn)很小的RGB LED背光模塊，雖然導(dǎo)入量產(chǎn)還有一段時(shí)間，不過(guò)若不考慮價(jià)格，其實(shí)技術(shù)上已經(jīng)沒(méi)有障礙。

同時(shí)，色序法產(chǎn)生的色分離現(xiàn)象也是一個(gè)技術(shù)上待解決的議題。色序法的原理是一幅彩色圖像由三個(gè)連續(xù)的圖像色場(chǎng)組成，三種顏色的光投射至視網(wǎng)膜上各像素所對(duì)應(yīng)的相同位置，則各像素的色彩信息將可被視覺(jué)完整重現(xiàn)。若是一彩色圖像所包含的三圖像色場(chǎng)，其對(duì)應(yīng)像素投射在視網(wǎng)膜上不同位置而被視覺(jué)系統(tǒng)察知，則觀察者將看到色場(chǎng)分離錯(cuò)位的影像，此即稱為色分離(CBU)現(xiàn)象。又因?yàn)镃BU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(yīng)(Rainbow Effect)。色分離現(xiàn)象除了降低觀覺(jué)質(zhì)量，亦有研究報(bào)告指出，在長(zhǎng)時(shí)間觀看色序型的顯示器后，亦可能造成暈眩的感覺(jué)。

至于改善色分離的方法，主要有增加顯示組件的響應(yīng)速率、改變色場(chǎng)順序、動(dòng)態(tài)畫面補(bǔ)償?shù)鹊?，需要?fù)雜的控制算法和強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)電路能力。

國(guó)際大廠已有成果發(fā)布

目前色序法已經(jīng)成為各廠商研究的重點(diǎn)，陸續(xù)有一些新的成果發(fā)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(dòng)。三星電子此次開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品采用可發(fā)出RGB(紅色、綠色、藍(lán)色)的LED Backlight，具備110%(NTSC)的色再現(xiàn)性與78%的高開(kāi)口率，以及500nits的畫面亮度，其色彩表現(xiàn)相當(dāng)鮮艷，在色分離現(xiàn)象的控制上，若非專家不易察覺(jué)。同時(shí)，功耗只有82W，僅有現(xiàn)有500nits CCFL Backlight的60%，并支持適合電視產(chǎn)品的5ms以下的高速響應(yīng)速度。這說(shuō)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(guān)人員表示，藉由免彩色濾光片LCD的開(kāi)發(fā)，將可大幅降低設(shè)備投資、材料費(fèi)用與制程時(shí)間，并有助該公司主導(dǎo)32英寸、40英寸與46英寸等高畫質(zhì)大尺寸液晶電視市場(chǎng)，并計(jì)劃在今年下半年量產(chǎn)。

華映早在2000年時(shí)就展示過(guò)1.5英寸Color Filterless技術(shù)的原型。06年6月的臺(tái)灣平面顯示器展，會(huì)場(chǎng)有一臺(tái)華映的32英寸無(wú)彩色濾光片(Color Sequential，或稱Color Filterless)LCD TV，是臺(tái)灣廠商第一次展出使用該技術(shù)的大尺寸產(chǎn)品。