平面顯示器面板色彩重現與光學(xué)技術(shù)
加入技術(shù)交流群
液晶顯示器對于色彩需求越來(lái)越高
過(guò)去，重視色彩表現的研究絕大部分都是以藝術(shù)、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(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直是“一竅不通”，不過(guò)在顯示面板技術(shù)長(cháng)久發(fā)展之下，使得顯示器產(chǎn)業(yè)對“色彩”有更進(jìn)一步的需求。因為影像信號在顯示設備進(jìn)行轉換的同時(shí)，圖片或影像很容易就會(huì )產(chǎn)生色彩失真的缺點(diǎn)，加上顯示設備色彩表現所涵蓋的工程技術(shù)層次相當高。因此，“色彩表現”將成
為顯示產(chǎn)業(yè)，未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)的技術(shù)之一。
在顯示設備所運用的色彩重現技術(shù)，最主要目的在于，搭配視覺(jué)系統及環(huán)境條件下，將輸入端的設備信號，經(jīng)過(guò)一系列色彩演算及處理過(guò)程，轉換成輸出端裝置的信號，使得輸出畫(huà)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(shù)。不過(guò)，在色彩形成及表現方面，由于色彩是光源、物體，以及人類(lèi)視覺(jué)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(shí)際色彩會(huì )有所差異。因此，在顯示設備中要做到色彩重現技術(shù)，必須將光源、物體、人類(lèi)視覺(jué)感受等參數列入考慮。
過(guò)去，國際照明協(xié)會(huì )（The International Commission on Illumination；CIE）依據人類(lèi)視覺(jué)系統對可見(jiàn)光的響應，訂定一系列色彩相關(guān)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(lèi)視覺(jué)系統對入射光的響應。因為此空間為視覺(jué)系統的真實(shí)響應，若視覺(jué)系對不同的環(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(guān)輸入信號轉換到類(lèi)似XYZ色彩空間這類(lèi)與儀器特性無(wú)關(guān)的色彩空間，將有助于進(jìn)行色彩重現的計算。
顯示器色彩重現步驟及未來(lái)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(gè)方法所建立起來(lái)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?？捎^(guān)的，比方說(shuō)，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(lái)可以省下很多時(shí)間。
色外觀(guān)模型（Color Appearance Model）：周遭環(huán)境的改變會(huì )影響人類(lèi)視覺(jué)系統對色彩的感覺(jué)，色外觀(guān)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(guān)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(guān)察者，若觀(guān)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(jué)。此外，若考慮心理層面對色彩認知的影響，由于人類(lèi)對于周遭環(huán)境具有適應的能力，所以同樣一個(gè)物體在不同的光源下，由于視覺(jué)系統的適應力，也有可能會(huì )辨別為極為相近的顏色。因此，環(huán)境（光源）因素對色彩感知的作用相當復雜，基于此復雜性，若用色外觀(guān)模式，去分離環(huán)境光源在視覺(jué)系統所貢獻的三刺激值，之后則剩下與環(huán)境無(wú)關(guān)的三刺激值，進(jìn)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(huán)境光源的參數獨立出來(lái)，故這些空間不僅是色彩空間，同時(shí)亦是可用的色外觀(guān)模型，而LCH空間也是屬于這類(lèi)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三刺激值再轉換到LCH模型去進(jìn)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(chēng)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(wú)法顯示，則勢必會(huì )出現嚴重的失真；因此，色域對應成為色彩重現過(guò)程中相當重要的一個(gè)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(shí)有幾種常見(jiàn)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(shù)的發(fā)展瓶頸 提升系統色域及飽和度
目前平面顯示器市場(chǎng)需求擴張，各類(lèi)型顯示技術(shù)也蓬勃發(fā)展，以量產(chǎn)規模大小來(lái)區分，雖然還是以液晶顯示器應用在顯示市場(chǎng)為最大宗；不過(guò)，隨著(zhù)其它顯示技術(shù)，如：電漿電視、有機發(fā)光二極管面板，或者是場(chǎng)發(fā)式顯示器……等，皆各自擁有強于液晶顯示器特性，比方說(shuō)：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(shù)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(shù)能持續擁有目前的競爭優(yōu)勢，就必須針對液晶顯示技術(shù)的效能、顯示質(zhì)量與價(jià)格上，持續投入更多人力與研發(fā)成本。
比方說(shuō)，以場(chǎng)序式全彩（Field-Sequential Full-Color；FS-FC）技術(shù)為例，不僅能改善傳統液晶顯示技術(shù)的發(fā)展瓶頸，進(jìn)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(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)濟部學(xué)界科專(zhuān)“高顯示畫(huà)質(zhì)系統面板關(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以L(fǎng)ED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(xué)使用效率不到8％，或者造成偏光片的偏光轉換效率低等問(wèn)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(shù)，進(jìn)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(xué)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(kāi)發(fā)技術(shù)，可結合次波長(cháng)光柵（sub-wavelength grating）的發(fā)展概念來(lái)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(shí)，經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)的出光亮度。
次波長(cháng)光柵可藉由電子束直寫(xiě)的技術(shù)定義奈米光柵圖案，并以半導體制程制作出樣品，實(shí)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(xiě)的技術(shù)定義光柵，在制作大尺寸時(shí)將會(huì )費時(shí)且高成本，故我們再提出以奈米轉?。∟ano-imprint technology）技術(shù)制作大尺寸次波長(cháng)光柵偏光片之方法。其技術(shù)關(guān)鍵在于“模仁結構的精密制作”。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(xiě)頭技術(shù)已可達到〈100nm之線(xiàn)寬，若可將之應用于雷射刻板技術(shù)，則不僅可快速制作奈米光柵母滿(mǎn)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(cháng)光柵偏光片的制作。
色分離效應左右顯示器精致性畫(huà)質(zhì)
在顯示器設備的原色光源顯示的時(shí)間，可將其定位在圖像色場(chǎng)（Color Field）的表現時(shí)間；三個(gè)連續色場(chǎng)時(shí)間之光刺
評論