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《光電》

廣色域化顯示器大行其道 LED背光模組補色技術再現

2007/5  康寧
數位相機的普及化促使印刷出版業的作業流程產生重大變遷,主因是以往排版印刷大多使用彩色負片入稿,而在相機數位化後,由數位相機拍攝所獲得的紅、藍、綠色資料排版情形漸增。由於數位排版可縮短交期並降低作業成本,因此印刷業正在進行一場前所未有的數位改革。
目前液晶顯示器皆無法忠實呈現色彩,因此確認攝影與編輯作業結果幾乎完全仰賴印刷文件,致使產生的油墨與輸出處理製作成本、時間,成為印刷數位化的最大障礙,因此業界渴望獲得能忠實、穩定顯示影像色彩的顯示器,有鑑於此,本文將探討液晶顯示器的色彩管理技術。  

LED背光源可調高色再現性  

利用液晶顯示器確認影像色彩時,該顯示器的色再現範圍須較其他顯示元件更寬廣。因此,顯示器的色再現範圍最低限度須先符合Adobe RGB規範才能滿足上述要求(圖1)。  

擴大液晶顯示器的色再現領域方法有兩種,其一為擴寬背光模組的冷陰極燈管光源廣色域,此種方式最大優點是毋須大幅變更背光模組的結構;缺點為面板的輝度與燈管的使用壽命會受到損害。另一為背光模組的光源改用發光二極體(LED)等,可輕易獲得面板高輝度、光源長壽命化等效果;弊端是LED的發光效率會比傳統冷陰極燈管(CCFL)低,因此須設置結構複雜的散熱元件。此外,為獲得均勻的面發光,LED將需要比冷陰極燈管更大的混色空間。  

為實現可符合Adobe RGB色域規範的顯示器,研究人員採取調整液晶顯示器的彩色濾光膜片與變更背光模組的光源方式。主因為Adobe RGB色域規定的單色座標為:紅色(0.64, 0.33)、綠色(0.21, 0.71)、藍色(0.15, 0.06);而CCFL光源的液晶顯示器單色座標為:紅色(0.65, 0.33)、綠色(0.29, 0.62)、藍色(0.45, 0.08)。  

其中差異最大的是綠色座標,綠光的主波長為544奈米,次峰值波長分別是495奈米、582奈米,即使色度圖上的綠色座標被加重平均,綠光的主波長仍會朝黃色偏離(0.29, 0.62)左右(圖2),換言之,須使綠光的主波長朝短波長約530奈米方向移動,或是削弱次峰值波長。  

而實現可符合Adobe RGB色域規範的顯示器的具體方法,分別為開發新型CCFL用螢光體與彩色濾光膜片,不過實際上,基於輝度、壽命與可靠性等考量,開發能符合液晶顯示器品質要求的全新材料困難度高,因此研究人員將分光頻譜較窄的LED作為發光光源,同時微調彩色濾光膜片以徹底解決上述問題。  

若將綠光LED主波長朝533奈米短波長方向移動時,理論上可擴大色再現性,不過為此將使得採用傳統綠色濾光膜片的液晶顯示器,在受到綠光LED短波長尾部光線漏光影響下,其液晶顯示器的藍色座標朝綠色方向移動,此時須微調、改善藍色彩色濾光膜片的顏料混合比,才能有效削減不需要的波長,達成接近預期色度座標亦即:紅色(0.679, 0.309),綠色(0.205, 0.705),藍色(0.147, 0.064)的理想值。  

有關均勻發光面的設計,新型液晶顯示器使用的是紅、藍、綠3色LED均勻混色獲得的白光,若混色領域大於影像顯示區塊時,須加大液晶顯示器模組的外形尺寸,而此對於訴求輕巧、薄型的液晶顯示器而言,商品價值將受到質疑,因此研究人員採用反射鏡設計,把混色後的白光直接導入影像顯示區域,藉此抑制液晶顯示器模組的筐體(Bezel)大小。  

有關散熱結構的設計,則主要考量LED的接點溫度,其溫度愈低、發光效率相對提高,輝度降低問題也會變得較為緩和。目前LED的發光效率僅約CCFL的一半,顯示輸入電力的80∼90%已轉化為熱能,因此要如何有效抑制LED溫度上升成為當前設計上的重要課題。  

液晶顯示器在設置冷卻風扇進行強制空氣冷卻時,冷卻風扇在距離使用者50公分範圍內的噪音吵雜,因此研究人員決定延用傳統自然空氣冷卻方式,先利用熱傳導率優異的黏著劑,將LED固定在430毫米×310毫米×8毫米鋁質基板的中央部位,鋁質基板背面則設置高約35毫米的鋁質散熱鰭片,再透過外殼(Cabinet)與內部基座(Chassis)通風孔最佳化設計,使鋁質基板與散熱鰭片的熱能迅速排放冷卻。  

如上所述,採用LED光源、反射鏡誘導白光、高散熱結構、微調彩色濾光膜片的顏料混合比等全新設計,可使新型液晶顯示器獲得以往所無法再現的翡翠綠 (Emerald Green),即使從側面觀視扭轉向列(TN)型液晶顯示器,色彩漂移也不會影響色再現性的擴大。若使用ASF(Advanced Super Fine)TFT液晶顯示器,還能夠實現低側視色彩漂移與對比10:1、上下左右視角各85℃的多重視野特性。  

補正背光模組輝/色度重要性突顯  

傳統液晶顯示器的背光模組光源多使用CCFL,CCFL與家用螢光燈一般,會隨著使用時間產生輝度與色度劣化的現象。新型的ASF TFT液晶顯示器則採用目標輝度與色度可調整的LED光源,在透過輝度與色度自動補正技術後,可實現穩定的輝度與色度顯示目標(圖3),其具體的設計步驟分別如下:  

•利用內建色彩感測器輝度與色度檢測器,將檢測結果傳送至微處理器計算。  

•將量測值與基準值兩者差異變成最小的控制訊號傳送至LED。  

•透過控制訊號改變紅、藍、綠光LED的發光強度。  

圖4為啟動LED光源動作時,ASF TFT液晶顯示器在輝度與色度經時變化特性,圖中ΔE*ab表示初期輝度與色度變化量,如圖所示ΔE*ab<1,因此肉眼幾乎無法判別其輝度與色度的變化,此意味輝度與色度非常穩定。  

利用液晶顯示器畫面確認印刷結果時,要求畫面與印刷紙張同樣須呈現均勻白色,不過實際上,眼睛會無意識的與背景色比較去判讀畫面的色彩,即使中心與白色相同,只要周邊白色略有差異,眼睛即會立刻察覺。一般液晶顯示器的畫面輝度與色度差異大約是ΔE*ab>10左右,主因是配向膜厚度、光源發光、彩色濾光膜片、液晶面板組裝(Cell)間隙不均所造成,此外每部液晶顯示器發生不均的位置都不相同,加上該液晶顯示器使用LED光源,色彩不均現象比冷陰極燈管更加明顯,因此研究人員開發以下補正顯示不均的技術:  

(1)首先以光學檢測用CCD量測21×19格子(Grid),亦即水平64點(Dot)×垂直64線(Line)的輝度與色度。  

(2)接著分別針對輝度與色度,將「最暗格子值」與「畫面中央值」定義成「補正基準值」,依此計算各格子的量測值與補正基準值,再將兩者差異變成最小值的紅、綠、藍色補正值,記憶至模組的電子式可清除程式化唯讀記憶體(EEPROM)內。  

(3)最後對液晶顯示器整體畫素1600×1200點作補正值反映(圖5),對各格子則以補間處理技術計算補正值,藉此使畫面內輝度與色度控制在ΔE*ab<3∼4範圍內。  

配合印刷文件作配色時,須分別針對印刷文件的白色與顯示器畫面的白色進行調配。此處所謂印刷文件的白色是指紙張本身的反射光、環保光與紙張的反射光,若其中一項改變就無法視為相同顏色,其次是須準備顯示器與印刷文件的國際色彩協會(ICC)側寫。其中最不易實現的是「相同的環境光」,此外一般液晶顯示器的畫面白大多無法作白色預調整,須作顯示器校正(Calibration)。  

顯示器的校正分成兩種,分別是利用軟體校正方式調整色座標圖的紅、藍、綠光輸出強度,此方式的優點為適合各種型式的調整,缺點是無法調整背光模組的輝度與色度,且可顯示的灰階數有降低之虞。  

另一種方式則是採取硬體校正方式,就是從液晶顯示器內部的仰視平台(LUT)選出最適宜的灰階,優點為可使顯示器的灰階再現能力增強。  

上述的ASF TFT液晶顯示器使用可由內部10位元的LUT選出256灰階,進行顯示硬體的校正方式,其能夠同時調整背光模組的輝度與色度,調整後還會自動產生ICC數據。  

廣色域顯示技術備受矚目  

如上所述,可支援色彩管理的廣色域顯示器製作技術。在隨著數位相機與彩色印表機的性能提升,加上利用電腦的桌上排版系統(DTP)普及化後,多數液晶面板下游應用廠商皆開始廣為採納廣色域化的顯示器,因此採用LED光源、微調彩色濾光膜片、補正背光模組輝度與色度的技術,將成為相關業者高度關注的焦點。一般認為,上述色彩管理技術在未來可望擴大其應用領域,最終甚至成為所有液晶顯示器的主流色彩顯示技術,因此其未來的發展將備受期待。  

(詳細圖表請見新電子科技雜誌254期5月號)  

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