顯示面板色彩重現(xiàn)與提高光學(xué)效率技術(shù)

關(guān)鍵詞： 光學(xué)效率 , 色彩 , 顯示面板

目前眾多科技產(chǎn)業(yè)中，誰將成為主角？有人說，下一個(gè)技術(shù)將是“顯示器（Display Central）”的時(shí)代，相信會(huì)獲得很多人的認(rèn)同；最主要是因?yàn)轱@示器在技術(shù)加持之下，養(yǎng)成人們對(duì)視覺需求越來越強(qiáng)烈，另外幾乎所有的電子產(chǎn)品都有顯示器的應(yīng)用，使得平面顯示器成為科技產(chǎn)業(yè)不可或缺的主角。本文以液晶顯示器技術(shù)為主軸，談?wù)勂矫骘@示器的技術(shù)發(fā)展與實(shí)驗(yàn)室中的研究方向。

液晶顯示器對(duì)于色彩需求越來越高

過去，重視色彩表現(xiàn)的研究絕大部分都是以藝術(shù)、設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)為主；相較之下，具電子、電機(jī)等理工背景的工程師來說，簡直是“一竅不通”，不過在顯示面板技術(shù)長久發(fā)展之下，使得顯示器產(chǎn)業(yè)對(duì)“色彩”有更進(jìn)一步的需求。因?yàn)橛跋裥盘?hào)在顯示設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換的同時(shí)，圖片或影像很容易就會(huì)產(chǎn)生色彩失真的缺點(diǎn)，加上顯示設(shè)備色彩表現(xiàn)所涵蓋的工程技術(shù)層次相當(dāng)高。因此，“色彩表現(xiàn)”將成
為顯示產(chǎn)業(yè)，未來發(fā)展重點(diǎn)的技術(shù)之一。

在顯示設(shè)備所運(yùn)用的色彩重現(xiàn)技術(shù)，最主要目的在于，搭配視覺系統(tǒng)及環(huán)境條件下，將輸入端的設(shè)備信號(hào)，經(jīng)過一系列色彩演算及處理過程，轉(zhuǎn)換成輸出端裝置的信號(hào)，使得輸出畫面的影像色彩與輸入影像色彩一致，這就是顯示設(shè)備的色彩重現(xiàn)技術(shù)。不過，在色彩形成及表現(xiàn)方面，由于色彩是光源、物體，以及人類視覺感受互相結(jié)合下所形成，而在同樣物體而不同光源照射（反射）下，顯示設(shè)備所產(chǎn)生的色彩與實(shí)際色彩會(huì)有所差異。因此，在顯示設(shè)備中要做到色彩重現(xiàn)技術(shù)，必須將光源、物體、人類視覺感受等參數(shù)列入考慮。

過去，國際照明協(xié)會(huì)（The International Commission on Illumination；CIE）依據(jù)人類視覺系統(tǒng)對(duì)可見光的響應(yīng)，訂定一系列色彩相關(guān)定義標(biāo)準(zhǔn)及表述空間，各具有各別特性及應(yīng)用性。例如CIE 1931 XYZ色彩空間，其中X、Y、Z為三刺激值，描述人類視覺系統(tǒng)對(duì)入射光的響應(yīng)。因?yàn)榇丝臻g為視覺系統(tǒng)的真實(shí)響應(yīng)，若視覺系對(duì)不同的環(huán)境及物體的入射光有相同的響應(yīng)，即相同的X、Y、Z值，則視為有相同的色彩。因此，若將顯示設(shè)備中的相關(guān)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換到類似XYZ色彩空間這類與儀器特性無關(guān)的色彩空間，將有助于進(jìn)行色彩重現(xiàn)的計(jì)算。

顯示器色彩重現(xiàn)步驟及未來研究范圍

色彩特性敘述檔（Profile）：建構(gòu)一套色彩特性敘述檔最基本的方法就是查表法，將儀器上的各組數位訊號(hào)直接對(duì)應(yīng)到所屬的三刺激值，這個(gè)方法所建立起來的色彩特性敘述檔最正確也最完整，但是所占的內(nèi)存空間是非?？捎^的，比方說，以一組色彩為（8、8、8），那么色彩特性敘述檔就有256 x 256 x 256組之多，工程浩大，一般會(huì)盡量采取其它方法逼近。建構(gòu)色彩特性敘述檔的方法還有解析模型（analytical model）、回歸模型（Regression）以及對(duì)照表內(nèi)插模型（LUT + interpolation）。例如對(duì)照表內(nèi)插模型，就是查表法配合內(nèi)插法，先找出幾組數(shù)據(jù)剩下的使用內(nèi)插法去逼近，如此一來可以省下很多時(shí)間。

色外觀模型（Color Appearance Model）：周遭環(huán)境的改變會(huì)影響人類視覺系統(tǒng)對(duì)色彩的感覺，色外觀模式為了將環(huán)境影響的因素抽離，有許多的模塊，例如：CIELAB、CIELUV、Hunt、Nayatani等模型。色外觀模型是考慮環(huán)境（光源）對(duì)色彩影響的模型，應(yīng)用于計(jì)算不同環(huán)境（光源）對(duì)色彩感知的影響。舉例而言，相同觀察者，若觀察被不同光源所照射的同一個(gè)物體時(shí)，如有可能產(chǎn)生不同的色知覺。此外，若考慮心理層面對(duì)色彩認(rèn)知的影響，由于人類對(duì)于周遭環(huán)境具有適應(yīng)的能力，所以同樣一個(gè)物體在不同的光源下，由于視覺系統(tǒng)的適應(yīng)力，也有可能會(huì)辨別為極為相近的顏色。因此，環(huán)境（光源）因素對(duì)色彩感知的作用相當(dāng)復(fù)雜，基于此復(fù)雜性，若用色外觀模式，去分離環(huán)境光源在視覺系統(tǒng)所貢獻(xiàn)的三刺激值，之后則剩下與環(huán)境無關(guān)的三刺激值，進(jìn)行處理運(yùn)算。

前面約略提到，CIE制定許多色彩空間，且各有其特性及應(yīng)用性，其中像CIE 1971 LUV、CIE 1971 LAB等空間，因?yàn)樗x的參數(shù)中，已將環(huán)境光源的參數(shù)獨(dú)立出來，故這些空間不僅是色彩空間，同時(shí)亦是可用的色外觀模型，而LCH空間也是屬于這類的色彩空間，分別為明了（L）、色相（C）、彩度（H）。因此，若要考慮環(huán)境光源的作用時(shí)，若可將XYZ三刺激值再轉(zhuǎn)換到LCH模型去進(jìn)行處理。

色域?qū)?yīng)（Gamut mapping）：顯示器設(shè)備中所能表現(xiàn)出的色彩范圍稱為“色域”，也將其視為顯示設(shè)備的顯色能力。然而各顯示裝置所具有的色域不盡相同，若是輸入端部份色彩在輸出端無法顯示，則勢必會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的失真；因此，色域?qū)?yīng)成為色彩重現(xiàn)過程中相當(dāng)重要的一個(gè)步驟。另外，也為何配合各顯示器設(shè)備的色域不同，再處理色域?qū)?yīng)時(shí)有幾種常見的方法，例如：保持純色（Keep hue）、減少亮度偏移（Minimize lightness shift）、調(diào)整色度（Move chroma）等方法。

改善傳統(tǒng)液晶顯示技術(shù)的發(fā)展瓶頸　提升系統(tǒng)色域及飽和度

目前平面顯示器市場需求擴(kuò)張，各類型顯示技術(shù)也蓬勃發(fā)展，以量產(chǎn)規(guī)模大小來區(qū)分，雖然還是以液晶顯示器應(yīng)用在顯示市場為最大宗；不過，隨著其它顯示技術(shù)，如：電漿電視、有機(jī)發(fā)光二極管面板，或者是場發(fā)式顯示器……等，皆各自擁有強(qiáng)于液晶顯示器特性，比方說：自發(fā)光性、快速反應(yīng)、對(duì)比度、色彩飽和度、可撓性…等眾多優(yōu)勢，使得液晶顯示器技術(shù)在平面顯示器產(chǎn)業(yè)中受到相當(dāng)程度的沖擊。因此，為確保液晶顯示技術(shù)能持續(xù)擁有目前的競爭優(yōu)勢，就必須針對(duì)液晶顯示技術(shù)的效能、顯示質(zhì)量與價(jià)格上，持續(xù)投入更多人力與研發(fā)成本。

比方說，以場序式全彩（Field-Sequential Full-Color；FS-FC）技術(shù)為例，不僅能改善傳統(tǒng)液晶顯示技術(shù)的發(fā)展瓶頸，進(jìn)而提升系統(tǒng)色域及飽和度、降低材料成本等，甚至更能大幅提高顯示面板的電光轉(zhuǎn)換效能約40％，以因應(yīng)當(dāng)前全球?qū)τ诰G色環(huán)保產(chǎn)品的要求。因此，交通大學(xué)顯示研究技術(shù)也經(jīng)由經(jīng)濟(jì)部學(xué)界科專“高顯示畫質(zhì)系統(tǒng)面板關(guān)鍵組件及技術(shù)研究”及面板業(yè)界的資助之下，進(jìn)行以FS-FC LCD研究技術(shù)，其中高效能整合型面板光源的架構(gòu)以LED為光源，結(jié)合高反射率的optical cavity 形成高效率的直射型背光模塊。

另一方面，由于一般顯示面板大都采用較低發(fā)光效率的彩色濾光片（Color filter），使得顯示面板光學(xué)使用效率不到8％，或者造成偏光片的偏光轉(zhuǎn)換效率低等問題。而在導(dǎo)入使用以R、G、B為主要光源的控制電路搭配色序法（color sequential）技術(shù)，進(jìn)一步達(dá)到混光效果，可在不使用彩色濾光片情況下，降低操作電壓及提高光學(xué)效率，使顯示面板具有較佳的色彩表現(xiàn)特性。

以RGB-LED作為主要背光源　可去除彩色濾光片提升光亮度

在顯示面板的偏光轉(zhuǎn)換效率及高效率背光模塊開發(fā)技術(shù)，可結(jié)合次波長光柵（sub-wavelength grating）的發(fā)展概念來加提升。分析傳統(tǒng)以CCFL做為背光源之 液晶顯示器，可知當(dāng)背光源提供8500nits的亮度時(shí)，經(jīng)過各組件的損耗，實(shí)際出光亮度約為800nits。同樣是800nits的出光亮度，對(duì)此高效率背光模塊而言，只需提供1650nits即可。換言之，以此高效率背光模塊架構(gòu)成的顯示器，其背光源只需提供1650nits即可等效傳統(tǒng)背光源提供8500nits時(shí)的出光亮度。此外，由于此設(shè)計(jì)最大優(yōu)勢是去除彩色濾光片以使光效率提升三倍，即便仍采用傳統(tǒng)偏光片也能夠達(dá)到約40％的光效率；另外，若以 RGB-LED作為主要背光源也只需要提供2650nits，便能達(dá)到等效傳統(tǒng)背光源所提供8500nits時(shí)的出光亮度。

次波長光柵可借由電子束直寫的技術(shù)定義奈米光柵圖案，并以半導(dǎo)體制程制作出樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示偏光轉(zhuǎn)換效率為傳統(tǒng)LCD偏光片1.7倍。此法采電子束直寫的技術(shù)定義光柵，在制作大尺寸時(shí)將會(huì)費(fèi)時(shí)且高成本，故我們再提出以奈米轉(zhuǎn)?。∟ano-imprint technology）技術(shù)制作大尺寸次波長光柵偏光片之方法。其技術(shù)關(guān)鍵在于“模仁結(jié)構(gòu)的精密制作”。此外，雷射刻板技術(shù)之提升也可望成為新的模仁制作方式。以雷射刻板技術(shù)定義出母模，再以射出成型法做出模仁。對(duì)于大尺寸模仁而言，雷射刻板速度快且價(jià)廉，故此法可望快速制作奈米光柵母模。


目前奈米雷射讀寫頭技術(shù)已可達(dá)到〈100nm之線寬，若可將之應(yīng)用于雷射刻板技術(shù)，則不僅可快速制作奈米光柵母滿足高分光效率之光柵條件（光柵周期=200nm）。制作光柵模仁后，須先翻印成硅膠（PDMS）模仁，再進(jìn)行奈米壓印及蝕刻等步驟，以完成次波長光柵偏光片的制作。

色分離效應(yīng)左右顯示器精致性畫質(zhì)

在顯示器設(shè)備的原色光源顯示的時(shí)間，可將其定位在圖像色場（Color Field）的表現(xiàn)時(shí)間；三個(gè)連續(xù)色場時(shí)間之光刺激入射至人眼，經(jīng)視覺系統(tǒng)作用后，則足以形成彩色影像。而較為理想的影像成形狀況，就是在一彩色影像所包含的三影像色場中的各畫素光刺激之下，皆投射至視網(wǎng)膜上各畫素所對(duì)應(yīng)的相同位置，則各畫素的色彩信息將可被視覺完整重現(xiàn)。

若是一彩色影像所包含的三影像色場，其對(duì)應(yīng)畫素投射在視網(wǎng)膜上不同位置而被視覺系統(tǒng)察知，則觀察者將看色場分離錯(cuò)位的影像，此即稱為色分離（CBU）現(xiàn)象。又因?yàn)镃BU通常在影像中物體的邊緣形成色帶排列，就像是彩虹條紋，所以CBU又稱彩虹效應(yīng)（Rainbow Effect）?；旧?，色分離現(xiàn)象不僅會(huì)降低觀覺質(zhì)量之外，另外也有研究報(bào)告指出，在長時(shí)間觀看FS-FC型式的顯示器后，容易造成暈眩等不舒服的感覺。因此，針對(duì)液晶顯示器的潛在性色分離效應(yīng)問題，將是FS-FC LCD必須要改善的首要目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)際驗(yàn)證過程

在實(shí)驗(yàn)室階段運(yùn)用5.6吋導(dǎo)光板進(jìn)行先期的驗(yàn)證開發(fā)，LED之電能與亮度轉(zhuǎn)換能力為378nits/W。比較量測結(jié)果和LuxeonTM網(wǎng)站提供的分析圖，兩者的轉(zhuǎn)換能力相近。因此，可根據(jù)此推測出，若將設(shè)計(jì)延伸至37吋背光模塊時(shí)，其轉(zhuǎn)換能力約為40nits/W。換句話說，應(yīng)用所設(shè)計(jì)之背光模塊于37吋時(shí)，若要提供2800nits之光亮度（大于前述之2650nits，以確保優(yōu)于傳統(tǒng)CCFL背光模塊提供8500nits時(shí)之效能），所需LED功率為70W，再加上電路耗功率，加總之后的功率約為88W。

由R、G、B單獨(dú)點(diǎn)亮及混成白光的光分布量測結(jié)果及照片可看出均勻度良好，亮度穩(wěn)定度量測，結(jié)果可看出點(diǎn)亮20分鐘后亮度已十分穩(wěn)定，雖因熱造成亮度下降，但下降幅度也僅4％，在人眼未能感知之范圍。所量測到的視角為35度，廣于規(guī)格要求之30度；色域分布亦近于NTSC，遠(yuǎn)超過目前CCFL的72％ NTSC色域。

節(jié)省耗電量、降低熱量　提高顯示器產(chǎn)品競爭力

“色序法取代彩色濾光片”及“次波長光柵偏光片取代傳統(tǒng)偏光板”之高效率R.G.B. LED數(shù)組背光模塊架構(gòu)能達(dá)到37吋背光模塊功率消耗小于90W。而有關(guān)于RGB-LED色序法之實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析顯示，除了低功率消耗外，也大幅提高背光模塊之效率達(dá)3倍以上，同時(shí)極高對(duì)比度（〉10,000）的影像，也是可以經(jīng)由背光源及輸入影像的處理后而呈現(xiàn)，其它效能之驗(yàn)證結(jié)果亦優(yōu)于現(xiàn)有之規(guī)格。另外，在次波長光柵偏光片方面，可取代傳統(tǒng)偏光板之實(shí)驗(yàn)，除了已驗(yàn)證可提高偏光轉(zhuǎn)換效率1.7倍外。

就整體應(yīng)用優(yōu)勢來看，可提升背光模塊之光效率達(dá)5倍以上，高效率背光模塊為一種兼具高光效能與低電功率消耗的顯示組件，能進(jìn)一步改善平面顯示器的既有特性，發(fā)揮平面顯示面板的優(yōu)勢。同時(shí)，在環(huán)保上能夠節(jié)省耗電量、降低熱量，提高顯示器產(chǎn)品的競爭力和附加價(jià)值。


FS-FC LCD作為提供視覺刺激的顯示器，其觀賞質(zhì)量不再是獨(dú)立于觀賞條件之外的結(jié)果。使用FS-FC技術(shù)，除了如同傳統(tǒng)SCF LCD必須考慮顯示組件特性、光源及背光模塊特性之外，必須在設(shè)計(jì)時(shí)，將使用者的觀賞條件列入考慮，包含前述觀賞時(shí)的客觀物理?xiàng)l件、視覺生理反應(yīng)，甚至是心理物理上的感知。因?yàn)樯蛛x現(xiàn)象在FS-FC型式的顯示器中，顯示應(yīng)答速率有限的情況下，是極難消除的，只能設(shè)法令色分離效應(yīng)盡量不被觀察者所感知。因此，F(xiàn)S-FC技術(shù)應(yīng)用于LCD是系統(tǒng)簡單，但整體設(shè)計(jì)較復(fù)雜的挑戰(zhàn)，尚需大量的研究投入，以期在未來3至5年內(nèi)能有低耗電量、高色彩飽和、高對(duì)比度的新型TFT-LCD面板出現(xiàn)。