LED背光与无彩色滤光片技术分析

 

　　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。