產品 求購 供應 文章 問題

0431-81702023
光學工程
平面顯示器技術發展與研究方向

目前眾多科技產業中,誰將成為主角?有人說,下一個技術將是“顯示器(Display Central)”的時代,相信會獲得很多人的認同;最主要是因為顯示器在技術加持之下,養成 人們對視覺需求越來越強烈,另外幾乎所有的電子產品都有顯示器的應用,使得平面顯示器成為科技產業不可或缺的主角。本文以液晶顯示器技術為主軸,談談平面顯示器的技術發展與實驗室中的研究方向。
  液晶顯示器對于色彩需求越來越高
  過去,重視色彩表現的研究絕大部分都是以藝術、設計產業為主;相較之下,具電子、電機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長久發展之下,使得顯示器產業對“色彩”有更進一步的需求。因為影像信號在顯示設備進行轉換的同時,圖片或影像很容易就會產生色彩失真的缺點,加上顯示設備色彩表現所涵蓋的工程技術層次相當高。因此,“色彩表現”將成為顯示產業,未來發展重點的技術之一。
  在顯示設備所運用的色彩重現技術,最主要目的在于,搭配視覺系統及環境條件下,將輸入端的設備信號,經過一系列色彩演算及處理過程,轉換成輸出端裝置的信號,使得輸出畫面的影像色彩與輸入影像色彩一致,這就是顯示設備的色彩重現技術。不過,在色彩形成及表現方面,由于色彩是光源、物體,以及人類視覺感受互相結合下所形成,而在同樣物體而不同光源照射(反射)下,顯示設備所產生的色彩與實際色彩會有所差異。因此,在顯示設備中要做到色彩重現技術,必須將光源、物體、人類視覺感受等參數列入考慮。
  過去,國際照明協會(The InternatiONal Commission on Illumination;CIE)依據人類視覺系統對可見光的響應,訂定一系列色彩相關定義標準及表述空間,各具有各別特性及應用性。例如CIE 1931 XYZ色彩空間,其中X、Y、Z為三刺激值,描述人類視覺系統對入射光的響應。因為此空間為視覺系統的真實響應,若視覺系對不同的環境及物體的入射光有相同的響應,即相同的X、Y、Z值,則視為有相同的色彩。因此,若將顯示設備中的相關輸入信號轉換到類似XYZ色彩空間這類與儀器特性無關的色彩空間,將有助于進行色彩重現的計算。
  顯示器色彩重現步驟及未來研究范圍
  色彩 特性敘述檔(Profile):建構一套色彩 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直接對應到所屬的三刺激值,這個方法所建立起來的色彩 特性敘述檔最正確也最完整,但是所占的內存空間是非常可觀的,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,一般會盡量采取其它方法逼近。建構色彩 特性敘述檔的方法還有解析模型(analytical model)、回歸模型(Regression)以及對照表內插模型(LUT + interpolation)。例如對照表內插模型,就是查表法配合內插法,先找出幾組數據剩下的使用內插法去逼近,如此一來可以省下很多時間。
  色外觀模型(Color Appearance Model):周遭環境的改變會影響人類視覺系統對色彩的感覺,色外觀模式為了將環境影響的因素抽離,有許多的模塊,例如:CIELAB、CIELUV、Hunt、Nayatani等模型。色外觀模型是考慮環境(光源)對色彩影響的模型,應用于計算不同環境(光源)對色彩感知的影響。舉例而言,相同觀察者,若觀察被不同光源所照射的同一個物體時,如有可能產生不同的色知覺。此外,若考慮心理層面對色彩認知的影響,由于人類對于周遭環境具有適應的能力,所以同樣一個物體在不同的光源下,由于視覺系統的適應力,也有可能會辨別為極為相近的顏色。因此,環境(光源)因素對色彩感知的作用相當復雜,基于此復雜性,若用色外觀模式,去分離環境光源在視覺系統所貢獻的三刺激值,之后則剩下與環境無關的三刺激值,進行處理運算。
  前面約略提到,CIE制定許多色彩空間,且各有其特性及應用性,其中像CIE 1971 LUV、CIE 1971 LAB等空間,因為所定義的參數中,已將環境光源的參數獨立出來,故這些空間不僅是色彩空間,同時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,若要考慮環境光源的作用時,若可將XYZ三刺激值再轉換到LCH模型去進行處理。
  色域對應(Gamut mapping):顯示器設備中所能表現出的色彩范圍稱為“色域”,也將其視為顯示設備的顯色能力。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,則勢必會出現嚴重的失真;因此,色域對應成為色彩重現過程中相當重要的一個步驟。另外,也為何配合各顯示器設備的色域不同,再處理色域對應時有幾種常見的方法,例如:保持純色(Keep hue)、減少亮度偏移(Minimize lightness shift)、調整色度(Move chroma)等方法。
  改善傳統液晶顯示技術的發展瓶頸 提升系統色域及飽和度
  目前平面顯示器市場需求擴張,各類型顯示技術也蓬勃發展,以量產規模大小來區分,雖然還是以液晶顯示器應用在顯示市場為最大宗;不過,隨著其它顯示技術,如:電漿電視、有機發光二極管面板,或者是場發式顯示器……等,皆各自擁有強于液晶顯示器特性,比方說:自發光性、快速反應、對比度、色彩飽和度、可撓性…等眾多優勢,使得液晶顯示器技術在平面顯示器產業中受到相當程度的沖擊。因此,為確保液晶顯示技術能持續擁有目前的競爭優勢,就必須針對液晶顯示技術的效能、顯示質量與價格上,持續投入更多人力與研發成本。
  比方說,以場序式全彩(Field-Sequential Full-Color;FS-FC)技術為例,不僅能改善傳統液晶顯示技術的發展瓶頸,進而提升系統色域及飽和度、降低材料成本等,甚至更能大幅提高顯示面板的電光轉換效能約40%,以因應當前全球對于綠色環保產品的要求。因此,交通大學顯示研究技術也經由經濟部學界科專“高顯示畫質系統面板關鍵組件及技術研究”及面板業界的資助之下,進行以FS-FC LCD研究技術,其中高效能整合型面板光源的架構以LED為光源,結合高反射率的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光效率的彩色濾光片(Color filter),使得顯示面板光學使用效率不到8%,或者造成偏光片的偏光轉換效率低等問題。而在導入使用以R、G、B為主要光源的控制電路搭配色序法(color sequential)技術,進一步達到混光效果,可在不使用彩色濾光片情況下,降低操作電壓及提高光學效率,使顯示面板具有較佳的色彩表現特性。
  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換效率及高效率背光模塊開發技術,可結合次波長光柵(sub-wavelength grating)的發展概念來加提升。分析傳統以CCFL做為背光源之 液晶顯示器,可知當背光源提供8500nits的亮度時,經過各組件的損耗,實際出光亮度約為800nits。同樣是800nits的出光亮度,對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成的顯示器,其背光源只需提供1650nits即可等效傳統背光源提供8500nits時的出光亮度。此外,由于此設計最大優勢是去除彩色濾光片以使光效率提升三倍,即便仍采用傳統偏光片也能夠達到約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,便能達到等效傳統背光源所提供8500nits時的出光亮度。

 次波長光柵可藉由電子束直寫的技術定義奈米光柵圖案,并以半導體制程制作出樣品,實驗結果顯示偏光轉換效率為傳統LCD偏光片1.7倍。此法采電子束直寫的技術定義光柵,在制作大尺寸時將會費時且高成本,故我們再提出以奈米轉印(Nano-imprint technology)技術制作大尺寸次波。
  光柵偏光片之方法。其技術關鍵在于“模仁結構的精密制作”。此外,雷射刻板技術之提升也可望成為新的模仁制作方式。以雷射刻板技術定義出母模,再以射出成型法做出模仁。對于大尺寸模仁而言,雷射刻板速度快且價廉,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已可達到〈100nm之線寬,若可將之應用于雷射刻板技術,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。
  色分離效應左右顯示器精致性畫質
  在顯示器設備的原色光源顯示的時間,可將其定位在圖像色場(Color Field)的表現時間;三個連續色場時間之光刺激入射至人眼,經視覺系統作用后,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,皆投射至視網膜上各畫素所對應的相同位置,則各畫素的色彩信息將可被視覺完整重現。
  若是一彩色影像所包含的三影像色場,其對應畫素投射在視網膜上不同位置而被視覺系統察知,則觀察者將看色場分離錯位的影像,此即稱為色分離(CBU)現象。又因為CBU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(Rainbow Effect)。基本上,色分離現象不僅會降低觀覺質量之外,另外也有研究報告指出,在長時間觀看FS-FC型式的顯示器后,容易造成暈眩等不舒服的感覺。因此,針對液晶顯示器的潛在性 色分離效應問題,將是FS-FC LCD必須要改善的首要目標。
  實驗室研究與實際驗證過程
  在實驗室階段運用5.6吋導光板進行先期的驗證開發,LED之電能與亮度轉換能力為378nits/W。比較量測結果和LuxeonTM網站提供的分析圖,兩者的轉換能力相近。因此,可根據此推測出,若將設計延伸至37吋背光模塊時,其轉換能力約為40nits/W。換句話說,應用所設計之背光模塊于37吋時,若要提供2800nits之光亮度(大于前述之2650nits,以確保優于傳統CCFL背光模塊提供8500nits時之效能),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單獨點亮及混成白光的光分布量測結果及照片可看出均勻度良好,亮度穩定度量測,結果可看出點亮20分鐘后亮度已十分穩定,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,廣于規格要求之30度;色域分布亦近于NTSC,遠超過目前CCFL的72% NTSC色域。
  節省耗電量、降低熱量 提高顯示器產品競爭力
  “色序法取代彩色濾光片”及“次波長光柵偏光片取代傳統偏光板”之高效率R.G.B. LED數組背光模塊架構能達到37吋背光模塊功率消耗小于90W。而有關于RGB-LED色序法之實驗驗證與分析顯示,除了低功率消耗外,也大幅提高背光模塊之效率達3倍以上,同時極高對比度(〉10,000)的影像,也是可以經由背光源及輸入影像的處理后而呈現,其它效能之驗證結果亦優于現有之規格。另外,在次波長光柵偏光片方面,可取代傳統偏光板之實驗,除了已驗證可提高偏光轉換效率1.7倍外。
  就整體應用優勢來看,可提升背光模塊之光效率達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,能進一步改善平面顯示器的既有特性,發揮平面顯示面板的優勢。同時,在環保上能夠節省耗電量、降低熱量,提高顯示器產品的競爭力和附加價值。
  FS-FC LCD作為提供視覺刺激的顯示器,其觀賞質量不再是獨立于觀賞條件之外的結果。使用FS-FC技術,除了如同傳統SCF LCD必須考慮顯示組件特性、光源及背光模塊特性之外,必須在設計時,將使用者的觀賞條件列入考慮,包含前述觀賞時的客觀物理條件、視覺生理反應,甚至是心理物理上的感知。因為色分離現象在FS-FC型式的顯示器中,顯示應答速率有限的情況下,是極難消除的,只能設法令色分離效應盡量不被觀察者所感知。因此,FS-FC技術應用于LCD是系統簡單,但整體設計較復雜的挑戰,尚需大量的研究投入,以期在未來3至5年內能有低耗電量、高色彩飽和、高對比度的新型TFT-LCD面板出現。

 


版權信息:長春市金龍光電科技有限責任公司 | 聯系電話:0431-81702023 | 網站備案號:吉ICP備07002350號-1 | EMAIL:[email protected]
35选7中奖号码