顯示面板色彩重現(xiàn)與提高光學效率技術

目前眾多科技產(chǎn)業(yè)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(yǎng)成人們對視覺需求越來越強烈，另外幾乎所有的電子產(chǎn)品都有顯示器的應用，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為主軸，談談平面顯示器的技術發(fā)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(xiàn)的研究絕大部分都是以藝術、設計產(chǎn)業(yè)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(fā)展之下，使得顯示器產(chǎn)業(yè)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(chǎn)生色彩失真的缺點，加上顯示設備色彩表現(xiàn)所涵蓋的工程技術層次相當高。因此，“色彩表現(xiàn)”將成

為顯示產(chǎn)業(yè)，未來發(fā)展重點的技術之一。

在顯示設備所運用的色彩重現(xiàn)技術，最主要目的在于，搭配視覺系統(tǒng)及環(huán)境條件下，將輸入端的設備信號，經(jīng)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(xiàn)技術。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(chǎn)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(xiàn)技術，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（The InternatiONal Commission on Illumination；CIE）依據(jù)人類視覺系統(tǒng)對可見光的響應，訂定一系#63900;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(tǒng)對入射光的響應。因為此空間為視覺系統(tǒng)的真實響應，若視覺系對#63847;同的環(huán)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色彩空間這與儀器特性無關的色彩空間，將有助于進行色彩重現(xiàn)的計算。

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，將儀器上的各組位訊號直接對應到所屬的三個激值，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(shù)據(jù)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(huán)境的改變會影響人類視覺系統(tǒng)對色彩的感覺，色外觀模式為了將環(huán)境影響的因素抽，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）對色彩影響的模型，應用于計算不同環(huán)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(chǎn)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(huán)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(tǒng)的適應力，也有可能會辨別為極為相近的顏色。因此，環(huán)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，去分環(huán)境光源在視覺系統(tǒng)所貢獻的三刺激值，之后則剩下與環(huán)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(shù)中，已將環(huán)境光源的參數(shù)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(huán)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(xiàn)出的色彩范圍稱為“色域”，也將其視為顯示設備的顯色能。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(xiàn)嚴重的失真；因此，色域對應成為色彩重現(xiàn)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相同，再處理色域對應時有

幾種常用的方法，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(tǒng)液晶顯示技術的發(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張，各類型顯示技術也蓬勃發(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(fā)光二極管面板，或者是場發(fā)式顯示器……等，皆各自擁有強于液晶顯示器特性，比方說：自發(fā)光性、快速反應、對比度、色彩飽和度、可撓性…等眾多優(yōu)勢，使得液晶顯示器技術在平面顯示器產(chǎn)業(yè)中受到相當程度的沖擊。因此，為確保液晶顯示技術能持續(xù)擁有目前的競爭優(yōu)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(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）技術為例，不僅能改善傳統(tǒng)液晶顯示技術的發(fā)展瓶頸，進而提升系統(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換效能約40％，以因應當前全球對于綠色環(huán)保產(chǎn)品的要求。因此，交通大學顯示研究技術也經(jīng)由經(jīng)濟部學界科專“高顯示畫質系統(tǒng)面板關鍵組件及技術研究”及面板業(yè)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(fā)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(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換效率及高效率背光模塊開發(fā)技術，可結合次波長光柵（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，可知當背光源提供8500nits的亮度時，經(jīng)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(tǒng)背光源提供8500nits時的出光亮度。此外，由于此設計最大優(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(tǒng)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(tǒng)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?。∟ano-imprint technology）技術制作大尺寸次波長光柵偏光片之方法。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(xiàn)時間；三個連續(xù)色場時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)膜上各畫素所對應的相同位置，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，其對應畫素投射在視網(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位的影像，此即稱為色分離（CBU）現(xiàn)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(xiàn)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嫉脊獍褰行先期的驗證開發(fā)，LED之電能與亮度轉換能力為378nits/W。比較量測結果和LuxeonTM網(wǎng)站提供的分析圖，兩者的轉換能力相近。因此，可根據(jù)此推測出，若將設計延伸至37急徹餑？槭保其轉換能力約為40nits/W。換句話說，應用所設計之背光模塊于37際保若要提供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(wěn)定度量測，結果可看出點亮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)組背光模塊架構能達到37急徹餑？楣β氏耗小于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(jīng)由背光源及輸入影像的處理后而呈現(xiàn)，其它效能之驗證結果亦優(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(yōu)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(fā)揮平面顯示面板的優(yōu)勢。同時，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(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(xiàn)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，F(xiàn)S-FC技術應用于LCD是系統(tǒng)簡單，但整體設計較復雜的挑戰(zhàn)，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(xiàn)。