平面显示器面板色彩重现与光学技术

2012-03-12 11:56:03来源: 互联网
目前众多科技产业中,谁将成为主角?有人说,下一个技术将是“显示器(Display Central)”的时代,相信会获得很多人的认同;最主要是因为显示器在技术加持之下,养成人们对视觉需求越来越强烈,另外几乎所有的电子产品都有显示器的应用,使得平面显示器成为科技产业不可或缺的主角。本文以液晶显示器技术为主轴,谈谈平面显示器的技术发展与实验室中的研究方向。

液晶显示器对于色彩需求越来越高

过去,重视色彩表现的研究绝大部分都是以艺术、设计产业为主;相较之下,具电子、电机等理工背景的工程师来说,简直是“一窍不通”,不过在显示面板技术长久发展之下,使得显示器产业对“色彩”有更进一步的需求。因为影像信号在显示设备进行转换的同时,图片或影像很容易就会产生色彩失真的缺点,加上显示设备色彩表现所涵盖的工程技术层次相当高。因此,“色彩表现”将成
为显示产业,未来发展重点的技术之一。

在显示设备所运用的色彩重现技术,最主要目的在于,搭配视觉系统及环境条件下,将输入端的设备信号,经过一系列色彩演算及处理过程,转换成输出端装置的信号,使得输出画面的影像色彩与输入影像色彩一致,这就是显示设备的色彩重现技术。不过,在色彩形成及表现方面,由于色彩是光源、物体,以及人类视觉感受互相结合下所形成,而在同样物体而不同光源照射(反射)下,显示设备所产生的色彩与实际色彩会有所差异。因此,在显示设备中要做到色彩重现技术,必须将光源、物体、人类视觉感受等参数列入考虑。

过去,国际照明协会(The International Commission on Illumination;CIE)依据人类视觉系统对可見光的响应,订定一系列色彩相关定义标准及表述空间,各具有各别特性及应用性。例如CIE 1931 XYZ色彩空间,其中X、Y、Z为三刺激值,描述人类视觉系统对入射光的响应。因为此空间为视觉系统的真实响应,若视觉系对不同的环境及物体的入射光有相同的响应,即相同的X、Y、Z值,则视为有相同的色彩。因此,若将显示设备中的相关输入信号转换到类似XYZ色彩空间这類与仪器特性无关的色彩空间,将有助于进行色彩重现的计算。

显示器色彩重现步骤及未來研究范围

色彩特性叙述档(Profile):建构一套色彩特性叙述档最基本的方法就是查表法,将仪器上的各组數位讯号直接对应到所属的三刺激值,这个方法所建立起來的色彩特性叙述档最正确也最完整,但是所占的内存空间是非常可观的,比方说,以一组色彩为(8、8、8),那么色彩特性叙述档就有256 x 256 x 256组之多,工程浩大,一般会尽量采取其它方法逼近。建构色彩特性叙述档的方法还有解析模型(analytical model)、回归模型(Regression)以及对照表内插模型(LUT + interpolation)。例如对照表内插模型,就是查表法配合内插法,先找出几组数据剩下的使用内插法去逼近,如此一来可以省下很多时间。

色外观模型(Color Appearance Model):周遭环境的改变会影响人类视觉系统对色彩的感觉,色外观模式为了将环境影响的因素抽離,有许多的模块,例如:CIELAB、CIELUV、Hunt、Nayatani等模型。色外观模型是考虑环境(光源)对色彩影响的模型,应用于计算不同环境(光源)对色彩感知的影响。举例而言,相同观察者,若观察被不同光源所照射的同一个物体时,如有可能产生不同的色知觉。此外,若考虑心理层面对色彩认知的影响,由于人类对于周遭环境具有适应的能力,所以同样一个物体在不同的光源下,由于视觉系统的适应力,也有可能会辨别为极为相近的颜色。因此,环境(光源)因素对色彩感知的作用相当复杂,基于此复杂性,若用色外观模式,去分離环境光源在视觉系统所贡献的三刺激值,之后则剩下与环境无关的三刺激值,进行处理运算。

前面约略提到,CIE制定许多色彩空间,且各有其特性及应用性,其中像CIE 1971 LUV、CIE 1971 LAB等空间,因为所定义的参数中,已将环境光源的参数独立出来,故这些空间不仅是色彩空间,同时亦是可用的色外观模型,而LCH空间也是属于这类的色彩空间,分别为明了(L)、色相(C)、彩度(H)。因此,若要考虑环境光源的作用时,若可将XYZ三刺激值再转换到LCH模型去进行处理。

色域对应(Gamut mapping):显示器设备中所能表现出的色彩范围称为“色域”,也将其视为显示设备的显色能力。然而各显示装置所具有的色域不尽相同,若是输入端部份色彩在输出端无法显示,则势必会出现严重的失真;因此,色域对应成为色彩重现过程中相当重要的一个步骤。另外,也为何配合各显示器设备的色域不同,再处理色域对应时有几种常見的方法,例如:保持纯色(Keep hue)、减少亮度偏移(Minimize lightness shift)、调整色度(Move chroma)等方法。

改善传统液晶显示技术的发展瓶颈 提升系统色域及饱和度

目前平面显示器市场需求扩张,各类型显示技术也蓬勃发展,以量产规模大小来区分,虽然还是以液晶显示器应用在显示市场为最大宗;不过,随着其它显示技术,如:电浆电视、有机发光二极管面板,或者是场发式显示器……等,皆各自拥有强于液晶显示器特性,比方说:自发光性、快速反应、对比度、色彩饱和度、可挠性…等众多优势,使得液晶显示器技术在平面显示器产业中受到相当程度的冲击。因此,为确保液晶显示技术能持续拥有目前的竞争优势,就必须针对液晶显示技术的效能、显示质量与价格上,持续投入更多人力与研发成本。

比方说,以场序式全彩(Field-Sequential Full-Color;FS-FC)技术为例,不仅能改善传统液晶显示技术的发展瓶颈,进而提升系统色域及饱和度、降低材料成本等,甚至更能大幅提高显示面板的电光转换效能约40%,以因应当前全球对于绿色环保产品的要求。因此,交通大学显示研究技术也经由经济部学界科专“高显示画质系统面板关键组件及技术研究”及面板业界的资助之下,进行以FS-FC LCD研究技术,其中高效能整合型面板光源的架构以LED为光源,结合高反射率的optical cavity 形成高效率的直射型背光模块。

另一方面,由于一般显示面板大都采用较低发光效率的彩色滤光片(Color filter),使得显示面板光学使用效率不到8%,或者造成偏光片的偏光转换效率低等问题。而在导入使用以R、G、B为主要光源的控制电路搭配色序法(color sequential)技术,进一步达到混光效果,可在不使用彩色滤光片情况下,降低操作电压及提高光学效率,使显示面板具有较佳的色彩表现特性。

以RGB-LED作为主要背光源 可去除彩色滤光片提升光亮度

在显示面板的偏光转换效率及高效率背光模块开发技术,可结合次波长光(sub-wavelength grating)的发展概念来加提升。分析传统以CCFL做为背光源之 液晶显示器,可知当背光源提供8500nits的亮度时,经过各组件的损耗,实际出光亮度约为800nits。同样是800nits的出光亮度,对此高效率背光模块而言,只需提供1650nits即可。换言之,以此高效率背光模块架构成的显示器,其背光源只需提供1650nits即可等效传统背光源提供8500nits时的出光亮度。此外,由于此设计最大优势是去除彩色滤光片以使光效率提升三倍,即便仍采用传统偏光片也能够达到约40%的光效率;另外,若以 RGB-LED作为主要背光源也只需要提供2650nits,便能达到等效传统背光源所提供8500nits时的出光亮度。

次波长光栅可藉由电子束直写的技术定义奈米光栅图案,并以半导体制程制作出样品,实验结果显示偏光转换效率为传统LCD偏光片1.7倍。此法采电子束直写的技术定义光栅,在制作大尺寸时将会费时且高成本,故我们再提出以奈米转印(Nano-imprint technology)技术制作大尺寸次波长光栅偏光片之方法。其技术关键在于“模仁结构的精密制作”。此外,雷射刻板技术之提升也可望成为新的模仁制作方式。以雷射刻板技术定义出母模,再以射出成型法做出模仁。对于大尺寸模仁而言,雷射刻板速度快且价廉,故此法可望快速制作奈米光栅母模。


目前奈米雷射读写头技术已可达到〈100nm之线宽,若可将之应用于雷射刻板技术,则不仅可快速制作奈米光栅母满足高分光效率之光栅条件(光栅周期=200nm)。制作光栅模仁后,须先翻印成硅胶(PDMS)模仁,再进行奈米压印及蚀刻等步骤,以完成次波长光栅偏光片的制作。

色分离效应左右显示器精致性画质

在显示器设备的原色光源显示的时间,可将其定位在图像色场(Color Field)的表现时间;三个连续色场时间之光刺激入射至人眼,经视觉系统作用后,则足以形成彩色影像。而较为理想的影像成形状况,就是在一彩色影像所包含的三影像色场中的各画素光刺激之下,皆投射至视网膜上各画素所对应的相同位置,则各画素的色彩信息将可被视觉完整重现。

若是一彩色影像所包含的三影像色场,其对应画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通常在影像中物体的边缘形成色带排列,就像是彩虹条纹,所以CBU又称彩虹效应(Rainbow Effect)。基本上,色分离现象不仅会降低观觉质量之外,另外也有研究报告指出,在长时间观看FS-FC型式的显示器后,容易造成晕眩等不舒服的感觉。因此,针对液晶显示器的潜在性色分离效应问题,将是FS-FC LCD必须要改善的首要目标。

实验室研究与实际验证过程

在实验室阶段运用5.6吋导光板进行先期的验证开发,LED之电能与亮度转换能力为378nits/W。比较量测结果和LuxeonTM网站提供的分析图,两者的转换能力相近。因此,可根据此推测出,若将设计延伸至37吋背光模块时,其转换能力约为40nits/W。换句话说,应用所设计之背光模块于37吋时,若要提供2800nits之光亮度(大于前述之2650nits,以确保优于传统CCFL背光模块提供8500nits时之效能),所需LED功率为70W,再加上电路耗功率,加总之后的功率约为88W。

由R、G、B单独点亮及混成白光的光分布量测结果及照片可看出均匀度良好,亮度稳定度量测,结果可看出点亮20分钟后亮度已十分稳定,虽因热造成亮度下降,但下降幅度也仅4%,在人眼未能感知之范围。所量测到的视角为35度,广于规格要求之30度;色域分布亦近于NTSC,远超过目前CCFL的72% NTSC色域。

节省耗电量、降低热量 提高显示器产品竞争力

“色序法取代彩色滤光片”及“次波长光栅偏光片取代传统偏光板”之高效率R.G.B. LED数组背光模块架构能达到37吋背光模块功率消耗小于90W。而有关于RGB-LED色序法之实验验证与分析显示,除了低功率消耗外,也大幅提高背光模块之效率达3倍以上,同时极高对比度(〉10,000)的影像,也是可以经由背光源及输入影像的处理后而呈现,其它效能之验证结果亦优于现有之规格。另外,在次波长光栅偏光片方面,可取代传统偏光板之实验,除了已验证可提高偏光转换效率1.7倍外。

就整体应用优势来看,可提升背光模块之光效率达5倍以上,高效率背光模块为一种兼具高光效能与低电功率消耗的显示组件,能进一步改善平面显示器的既有特性,发挥平面显示面板的优势。同时,在环保上能够节省耗电量、降低热量,提高显示器产品的竞争力和附加价值。


FS-FC LCD作为提供视觉刺激的显示器,其观赏质量不再是独立于观赏条件之外的结果。使用FS-FC技术,除了如同传统SCF LCD必须考虑显示组件特性、光源及背光模块特性之外,必须在设计时,将使用者的观赏条件列入考虑,包含前述观赏时的客观物理条件、视觉生理反应,甚至是心理物理上的感知。因为色分离现象在FS-FC型式的显示器中,显示应答速率有限的情况下,是极难消除的,只能设法令色分离效应尽量不被观察者所感知。因此,FS-FC技术应用于LCD是系统简单,但整体设计较复杂的挑战,尚需大量的研究投入,以期在未来3至5年内能有低耗电量、高色彩饱和、高对比度的新型TFT-LCD面板出现。

关键字:平面  显示器  面板色彩  光学技术

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0312/article_15011.html
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