平面显示器面板色彩重现与光学技术
时间：2020-09-10 11:06:02
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[导读]目前众多科技产业中，谁将成为主角？有人说，下一个技术将是“显示器（Display Central）”的时代，相信会获得很多人的认同；最主要是因为显示器在技术加持之下，养成人们对视觉需求越来越强烈，另外
目前众多科技产业中，谁将成为主角？有人说，下一个技术将是“显示器（Display Central）”的时代，相信会获得很多人的认同；最主要是因为显示器在技术加持之下，养成人们对视觉需求越来越强烈，另外几乎所有的电子产品都有显示器的应用，使得平面显示器成为科技产业不可或缺的主角。本文以液晶显示器技术为主轴，谈谈平面显示器的技术发展与实验室中的研究方向。
液晶显示器对于色彩需求越来越高
过去，重视色彩表现的研究绝大部分都是以艺术、设计产业为主；相较之下，具电子、电机等理工背景的工程师来说，简直是“一窍不通”，不过在显示面板技术长久发展之下，使得显示器产业对“色彩”有更进一步的需求。因为影像信号在显示设备进行转换的同时，图片或影像很容易就会产生色彩失真的缺点，加上显示设备色彩表现所涵盖的工程技术层次相当高。因此，“色彩表现”将成
为显示产业，未来发展重点的技术之一。
在显示设备所运用的色彩重现技术，最主要目的在于，搭配视觉系统及环境条件下，将输入端的设备信号，经过一系列色彩演算及处理过程，转换成输出端装置的信号，使得输出画面的影像色彩与输入影像色彩一致，这就是显示设备的色彩重现技术。不过，在色彩形成及表现方面，由于色彩是光源、物体，以及人类视觉感受互相结合下所形成，而在同样物体而不同光源照射（反射）下，显示设备所产生的色彩与实际色彩会有所差异。因此，在显示设备中要做到色彩重现技术，必须将光源、物体、人类视觉感受等参数列入考虑。
过去，国际照明协会（The InternaTIonal Commission on IlluminaTIon；CIE）依据人类视觉系统对可見光的响应，订定一系列色彩相关定义标准及表述空间，各具有各别特性及应用性。例如CIE 1931 XYZ色彩空间，其中X、Y、Z为三刺激值，描述人类视觉系统对入射光的响应。因为此空间为视觉系统的真实响应，若视觉系对不同的环境及物体的入射光有相同的响应，即相同的X、Y、Z值，则视为有相同的色彩。因此，若将显示设备中的相关输入信号转换到类似XYZ色彩空间这類与仪器特性无关的色彩空间，将有助于进行色彩重现的计算。
显示器色彩重现步骤及未來研究范围
色彩特性叙述档（Profile）：建构一套色彩特性叙述档最基本的方法就是查表法，将仪器上的各组數位讯号直接对应到所属的三刺激值，这个方法所建立起來的色彩特性叙述档最正确也最完整，但是所占的内存空间是非常可观的，比方说，以一组色彩为（8、8、8），那么色彩特性叙述档就有256 x 256 x 256组之多，工程浩大，一般会尽量采取其它方法逼近。建构色彩特性叙述档的方法还有解析模型（analyTIcal model）、回归模型（Regression）以及对照表内插模型（LUT + interpolaTIon）。例如对照表内插模型，就是查表法配合内插法，先找出几组数据剩下的使用内插法去逼近，如此一来可以省下很多时间。
色外观模型（Color Appearance Model）：周遭环境的改变会影响人类视觉系统对色彩的感觉，色外观模式为了将环境影响的因素抽離，有许多的模块，例如：CIELAB、CIELUV、Hunt、Nayatani等模型。色外观模型是考虑环境（光源）对色彩影响的模型，应用于计算不同环境（光源）对色彩感知的影响。举例而言，相同观察者，若观察被不同光源所照射的同一个物体时，如有可能产生不同的色知觉。此外，若考虑心理层面对色彩认知的影响，由于人类对于周遭环境具有适应的能力，所以同样一个物体在不同的光源下，由于视觉系统的适应力，也有可能会辨别为极为相近的颜色。因此，环境（光源）因素对色彩感知的作用相当复杂，基于此复杂性，若用色外观模式，去分離环境光源在视觉系统所贡献的三刺激值，之后则剩下与环境无关的三刺激值，进行处理运算。
前面约略提到，CIE制定许多色彩空间，且各有其特性及应用性，其中像CIE 1971 LUV、CIE 1971 LAB等空间，因为所定义的参数中，已将环境光源的参数独立出来，故这些空间不仅是色彩空间，同时亦是可用的色外观模型，而LCH空间也是属于这类的色彩空间，分别为明了（L）、色相（C）、彩度（H）。因此，若要考虑环境光源的作用时，若可将XYZ三刺激值再转换到LCH模型去进行处理。
色域对应（Gamut mapping）：显示器设备中所能表现出的色彩范围称为“色域”，也将其视为显示设备的显色能力。然而各显示装置所具有的色域不尽相同，若是输入端部份色彩在输出端无法显示，则势必会出现严重的失真；因此，色域对应成为色彩重现过程中相当重要的一个步骤。另外，也为何配合各显示器设备的色域不同，再处理色域对应时有几种常見的方法，例如：保持纯色（Keep hue）、减少亮度偏移（Minimize lightness shift）、调整色度（Move chroma）等方法。
改善传统液晶显示技术的发展瓶颈 提升系统色域及饱和度
目前平面显示器市场需求扩张，各类型显示技术也蓬勃发展，以量产规模大小来区分，虽然还是以液晶显示器应用在显示市场为最大宗；不过，随着其它显示技术，如：电浆电视、有机发光二极管面板，或者是场发式显示器……等，皆各自拥有强于液晶显示器特性，比方说：自发光性、快速反应、对比度、色彩饱和度、可挠性…等众多优势，使得液晶显示器技术在平面显示器产业中受到相当程度的冲击。因此，为确保液晶显示技术能持续拥有目前的竞争优势，就必须针对液晶显示技术的效能、显示质量与价格上，持续投入更多人力与研发成本。
比方说，以场序式全彩（Field-Sequential Full-Color；FS-FC）技术为例，不仅能改善传统液晶显示技术的发展瓶颈，进而提升系统色域及饱和度、降低材料成本等，甚至更能大幅提高显示面板的电光转换效能约40％，以因应当前全球对于绿色环保产品的要求。因此，交通大学显示研究技术也经由经济部学界科专“高显示画质系统面板关键组件及技术研究”及面板业界的资助之下，进行以FS-FC LCD研究技术，其中高效能整合型面板光源的架构以LED为光源，结合高反射率的optical cavity 形成高效率的直射型背光模块。
另一方面，由于一般显示面板大都采用较低发光效率的彩色滤光片（Color filter），使得显示面板光学使用效率不到8％，或者造成偏光片的偏光转换效率低等问题。而在导入使用以R、G、B为主要光源的控制电路搭配色序法（color sequential）技术，进一步达到混光效果，可在不使用彩色滤光片情况下，降低操作电压及提高光学效率，使显示面板具有较佳的色彩表现特性。
以RGB-LED作为主要背光源 可去除彩色滤光片提升光亮度
在显示面板的偏光转换效率及高效率背光模块开发技术，可结合次波长光栅（sub-wavelength grating）的发展概念来加提升。分析传统以CCFL做为背光源之 液晶显示器，可知当背光源提供8500nits的亮度时，经过各组件的损耗，实际出光亮度约为800nits。同样是800nits的出光亮度，对此高效率背光模块而言，只需提供1650nits即可。换言之，以此高效率背光模块架构成的显示器，其背光源只需提供1650nits即可等效传统背光源提供8500nits时的出光亮度。此外，由于此设计最大优势是去除彩色滤光片以使光效率提升三倍，即便仍采用传统偏光片也能够达到约40％的光效率；另外，若以 RGB-LED作为主要背光源也只需要提供2650nits，便能达到等效传统背光源所提供8500nits时的出光亮度。
次波长光栅可藉由电子束直写的技术定义奈米光栅图案，并以半导体制程制作出样品，实验结果显示偏光转换效率为传统LCD偏光片1.7倍。此法采电子束直写的技术定义光栅，在制作大尺寸时将会费时且高成本，故我们再提出以奈米转印（Nano-imprint technology）技术制作大尺寸次波长光栅偏光片之方法。其技术关键在于“模仁结构的精密制作”。此外，雷射刻板技术之提升也可望成为新的模仁制作方式。以雷射刻板技术定义出母模，再以射出成型法做出模仁。对于大尺寸模仁而言，雷射刻板速度快且价廉，故此法可望快速制作奈米光栅母模。
目前奈米雷射读写头技术已可达到〈100nm之线宽，若可将之应用于雷射刻板技术，则不仅可快速制作奈米光栅母满足高分光效率之光栅条件（光栅周期=200nm）。制作光栅模仁后，须先翻印成硅胶（PDMS）模仁，再进行奈米压印及蚀刻等步骤，以完成次波长光栅偏光片的制作。
色分离效应左右显示器精致性画质
在显示器设备的原色光源显示的时间，可将其定位在图像色场（Color Field）的表现时间；三个连续色场时间之光刺激入射至人眼，经视觉系统作用后，则足以形成彩色影像。而较为理想的影像成形状况，就是在一彩色影像所包含的三影像色场中的各画素光刺激之下，皆投射至视网膜上各画素所对应的相同位置，则各画素的色彩信息将可被视觉完整重现。
若是一彩色影像所包含的三影像色场，其对应画素投射在视网膜上不同位置而被视觉系统察知，则观察者将看色场分离错位的影像，此即称为色分离（CBU）现象。又因为CBU通常在影像中物体的边缘形成色带排列，就像是彩虹条纹，所以CBU又称彩虹效应（Rainbow Effect）。基本上，色分离现象不仅会降低观觉质量之外，另外也有研究报告指出，在长时间观看FS-FC型式的显示器后，容易造成晕眩等不舒服的感觉。因此，针对液晶显示器的潜在性色分离效应问题，将是FS-FC LCD必须要改善的首要目标。
实验室研究与实际验证过程
在实验室阶段运用5.6吋导光板进行先期的验证开发，LED之电能与亮度转换能力为378nits/W。比较量测结果和LuxeonTM网站提供的分析图，两者的转换能力相近。因此，可根据此推测出，若将设计延伸至37吋背光模块时，其转换能力约为40nits/W。换句话说，应用所设计之背光模块于37吋时，若要提供2800nits之光亮度（大于前述之2650nits，以确保优于传统CCFL背光模块提供8500nits时之效能），所需LED功率为70W，再加上电路耗功率，加总之后的功率约为88W。
由R、G、B单独点亮及混成白光的光分布量测结果及照片可看出均匀度良好，亮度稳定度量测，结果可看出点亮20分钟后亮度已十分稳定，虽因热造成亮度下降，但下降幅度也仅4％，在人眼未能感知之范围。所量测到的视角为35度，广于规格要求之30度；色域分布亦近于NTSC，远超过目前CCFL的72％ NTSC色域。
节省耗电量、降低热量 提高显示器产品竞争力
“色序法取代彩色滤光片”及“次波长光栅偏光片取代传统偏光板”之高效率R.G.B. LED数组背光模块架构能达到37吋背光模块功率消耗小于90W。而有关于RGB-LED色序法之实验验证与分析显示，除了低功率消耗外，也大幅提高背光模块之效率达3倍以上，同时极高对比度（〉10,000）的影像，也是可以经由背光源及输入影像的处理后而呈现，其它效能之验证结果亦优于现有之规格。另外，在次波长光栅偏光片方面，可取代传统偏光板之实验，除了已验证可提高偏光转换效率1.7倍外。
就整体应用优势来看，可提升背光模块之光效率达5倍以上，高效率背光模块为一种兼具高光效能与低电功率消耗的显示组件，能进一步改善平面显示器的既有特性，发挥平面显示面板的优势。同时，在环保上能够节省耗电量、降低热量，提高显示器产品的竞争力和附加价值。
FS-FC LCD作为提供视觉刺激的显示器，其观赏质量不再是独立于观赏条件之外的结果。使用FS-FC技术，除了如同传统SCF LCD必须考虑显示组件特性、光源及背光模块特性之外，必须在设计时，将使用者的观赏条件列入考虑，包含前述观赏时的客观物理条件、视觉生理反应，甚至是心理物理上的感知。因为色分离现象在FS-FC型式的显示器中，显示应答速率有限的情况下，是极难消除的，只能设法令色分离效应尽量不被观察者所感知。因此，FS-FC技术应用于LCD是系统简单，但整体设计较复杂的挑战，尚需大量的研究投入，以期在未来3至5年内能有低耗电量、高色彩饱和、高对比度的新型TFT-LCD面板出现。
液晶显示器对于色彩需求越来越高
过去，重视色彩表现的研究绝大部分都是以艺术、设计产业为主；相较之下，具电子、电机等理工背景的工程师来说，简直是“一窍不通”，不过在显示面板技术长久发展之下，使得显示器产业对“色彩”有更进一步的需求。因为影像信号在显示设备进行转换的同时，图片或影像很容易就会产生色彩失真的缺点，加上显示设备色彩表现所涵盖的工程技术层次相当高。因此，“色彩表现”将成
为显示产业，未来发展重点的技术之一。
在显示设备所运用的色彩重现技术，最主要目的在于，搭配视觉系统及环境条件下，将输入端的设备信号，经过一系列色彩演算及处理过程，转换成输出端装置的信号，使得输出画面的影像色彩与输入影像色彩一致，这就是显示设备的色彩重现技术。不过，在色彩形成及表现方面，由于色彩是光源、物体，以及人类视觉感受互相结合下所形成，而在同样物体而不同光源照射（反射）下，显示设备所产生的色彩与实际色彩会有所差异。因此，在显示设备中要做到色彩重现技术，必须将光源、物体、人类视觉感受等参数列入考虑。
过去，国际照明协会（The InternaTIonal Commission on IlluminaTIon；CIE）依据人类视觉系统对可見光的响应，订定一系列色彩相关定义标准及表述空间，各具有各别特性及应用性。例如CIE 1931 XYZ色彩空间，其中X、Y、Z为三刺激值，描述人类视觉系统对入射光的响应。因为此空间为视觉系统的真实响应，若视觉系对不同的环境及物体的入射光有相同的响应，即相同的X、Y、Z值，则视为有相同的色彩。因此，若将显示设备中的相关输入信号转换到类似XYZ色彩空间这類与仪器特性无关的色彩空间，将有助于进行色彩重现的计算。
显示器色彩重现步骤及未來研究范围
色彩特性叙述档（Profile）：建构一套色彩特性叙述档最基本的方法就是查表法，将仪器上的各组數位讯号直接对应到所属的三刺激值，这个方法所建立起來的色彩特性叙述档最正确也最完整，但是所占的内存空间是非常可观的，比方说，以一组色彩为（8、8、8），那么色彩特性叙述档就有256 x 256 x 256组之多，工程浩大，一般会尽量采取其它方法逼近。建构色彩特性叙述档的方法还有解析模型（analyTIcal model）、回归模型（Regression）以及对照表内插模型（LUT + interpolaTIon）。例如对照表内插模型，就是查表法配合内插法，先找出几组数据剩下的使用内插法去逼近，如此一来可以省下很多时间。
色外观模型（Color Appearance Model）：周遭环境的改变会影响人类视觉系统对色彩的感觉，色外观模式为了将环境影响的因素抽離，有许多的模块，例如：CIELAB、CIELUV、Hunt、Nayatani等模型。色外观模型是考虑环境（光源）对色彩影响的模型，应用于计算不同环境（光源）对色彩感知的影响。举例而言，相同观察者，若观察被不同光源所照射的同一个物体时，如有可能产生不同的色知觉。此外，若考虑心理层面对色彩认知的影响，由于人类对于周遭环境具有适应的能力，所以同样一个物体在不同的光源下，由于视觉系统的适应力，也有可能会辨别为极为相近的颜色。因此，环境（光源）因素对色彩感知的作用相当复杂，基于此复杂性，若用色外观模式，去分離环境光源在视觉系统所贡献的三刺激值，之后则剩下与环境无关的三刺激值，进行处理运算。
前面约略提到，CIE制定许多色彩空间，且各有其特性及应用性，其中像CIE 1971 LUV、CIE 1971 LAB等空间，因为所定义的参数中，已将环境光源的参数独立出来，故这些空间不仅是色彩空间，同时亦是可用的色外观模型，而LCH空间也是属于这类的色彩空间，分别为明了（L）、色相（C）、彩度（H）。因此，若要考虑环境光源的作用时，若可将XYZ三刺激值再转换到LCH模型去进行处理。
色域对应（Gamut mapping）：显示器设备中所能表现出的色彩范围称为“色域”，也将其视为显示设备的显色能力。然而各显示装置所具有的色域不尽相同，若是输入端部份色彩在输出端无法显示，则势必会出现严重的失真；因此，色域对应成为色彩重现过程中相当重要的一个步骤。另外，也为何配合各显示器设备的色域不同，再处理色域对应时有几种常見的方法，例如：保持纯色（Keep hue）、减少亮度偏移（Minimize lightness shift）、调整色度（Move chroma）等方法。
改善传统液晶显示技术的发展瓶颈 提升系统色域及饱和度
目前平面显示器市场需求扩张，各类型显示技术也蓬勃发展，以量产规模大小来区分，虽然还是以液晶显示器应用在显示市场为最大宗；不过，随着其它显示技术，如：电浆电视、有机发光二极管面板，或者是场发式显示器……等，皆各自拥有强于液晶显示器特性，比方说：自发光性、快速反应、对比度、色彩饱和度、可挠性…等众多优势，使得液晶显示器技术在平面显示器产业中受到相当程度的冲击。因此，为确保液晶显示技术能持续拥有目前的竞争优势，就必须针对液晶显示技术的效能、显示质量与价格上，持续投入更多人力与研发成本。
比方说，以场序式全彩（Field-Sequential Full-Color；FS-FC）技术为例，不仅能改善传统液晶显示技术的发展瓶颈，进而提升系统色域及饱和度、降低材料成本等，甚至更能大幅提高显示面板的电光转换效能约40％，以因应当前全球对于绿色环保产品的要求。因此，交通大学显示研究技术也经由经济部学界科专“高显示画质系统面板关键组件及技术研究”及面板业界的资助之下，进行以FS-FC LCD研究技术，其中高效能整合型面板光源的架构以LED为光源，结合高反射率的optical cavity 形成高效率的直射型背光模块。
另一方面，由于一般显示面板大都采用较低发光效率的彩色滤光片（Color filter），使得显示面板光学使用效率不到8％，或者造成偏光片的偏光转换效率低等问题。而在导入使用以R、G、B为主要光源的控制电路搭配色序法（color sequential）技术，进一步达到混光效果，可在不使用彩色滤光片情况下，降低操作电压及提高光学效率，使显示面板具有较佳的色彩表现特性。
以RGB-LED作为主要背光源 可去除彩色滤光片提升光亮度
在显示面板的偏光转换效率及高效率背光模块开发技术，可结合次波长光栅（sub-wavelength grating）的发展概念来加提升。分析传统以CCFL做为背光源之 液晶显示器，可知当背光源提供8500nits的亮度时，经过各组件的损耗，实际出光亮度约为800nits。同样是800nits的出光亮度，对此高效率背光模块而言，只需提供1650nits即可。换言之，以此高效率背光模块架构成的显示器，其背光源只需提供1650nits即可等效传统背光源提供8500nits时的出光亮度。此外，由于此设计最大优势是去除彩色滤光片以使光效率提升三倍，即便仍采用传统偏光片也能够达到约40％的光效率；另外，若以 RGB-LED作为主要背光源也只需要提供2650nits，便能达到等效传统背光源所提供8500nits时的出光亮度。
次波长光栅可藉由电子束直写的技术定义奈米光栅图案，并以半导体制程制作出样品，实验结果显示偏光转换效率为传统LCD偏光片1.7倍。此法采电子束直写的技术定义光栅，在制作大尺寸时将会费时且高成本，故我们再提出以奈米转印（Nano-imprint technology）技术制作大尺寸次波长光栅偏光片之方法。其技术关键在于“模仁结构的精密制作”。此外，雷射刻板技术之提升也可望成为新的模仁制作方式。以雷射刻板技术定义出母模，再以射出成型法做出模仁。对于大尺寸模仁而言，雷射刻板速度快且价廉，故此法可望快速制作奈米光栅母模。
目前奈米雷射读写头技术已可达到〈100nm之线宽，若可将之应用于雷射刻板技术，则不仅可快速制作奈米光栅母满足高分光效率之光栅条件（光栅周期=200nm）。制作光栅模仁后，须先翻印成硅胶（PDMS）模仁，再进行奈米压印及蚀刻等步骤，以完成次波长光栅偏光片的制作。
色分离效应左右显示器精致性画质
在显示器设备的原色光源显示的时间，可将其定位在图像色场（Color Field）的表现时间；三个连续色场时间之光刺激入射至人眼，经视觉系统作用后，则足以形成彩色影像。而较为理想的影像成形状况，就是在一彩色影像所包含的三影像色场中的各画素光刺激之下，皆投射至视网膜上各画素所对应的相同位置，则各画素的色彩信息将可被视觉完整重现。
若是一彩色影像所包含的三影像色场，其对应画素投射在视网膜上不同位置而被视觉系统察知，则观察者将看色场分离错位的影像，此即称为色分离（CBU）现象。又因为CBU通常在影像中物体的边缘形成色带排列，就像是彩虹条纹，所以CBU又称彩虹效应（Rainbow Effect）。基本上，色分离现象不仅会降低观觉质量之外，另外也有研究报告指出，在长时间观看FS-FC型式的显示器后，容易造成晕眩等不舒服的感觉。因此，针对液晶显示器的潜在性色分离效应问题，将是FS-FC LCD必须要改善的首要目标。
实验室研究与实际验证过程
在实验室阶段运用5.6吋导光板进行先期的验证开发，LED之电能与亮度转换能力为378nits/W。比较量测结果和LuxeonTM网站提供的分析图，两者的转换能力相近。因此，可根据此推测出，若将设计延伸至37吋背光模块时，其转换能力约为40nits/W。换句话说，应用所设计之背光模块于37吋时，若要提供2800nits之光亮度（大于前述之2650nits，以确保优于传统CCFL背光模块提供8500nits时之效能），所需LED功率为70W，再加上电路耗功率，加总之后的功率约为88W。
由R、G、B单独点亮及混成白光的光分布量测结果及照片可看出均匀度良好，亮度稳定度量测，结果可看出点亮20分钟后亮度已十分稳定，虽因热造成亮度下降，但下降幅度也仅4％，在人眼未能感知之范围。所量测到的视角为35度，广于规格要求之30度；色域分布亦近于NTSC，远超过目前CCFL的72％ NTSC色域。
节省耗电量、降低热量 提高显示器产品竞争力
“色序法取代彩色滤光片”及“次波长光栅偏光片取代传统偏光板”之高效率R.G.B. LED数组背光模块架构能达到37吋背光模块功率消耗小于90W。而有关于RGB-LED色序法之实验验证与分析显示，除了低功率消耗外，也大幅提高背光模块之效率达3倍以上，同时极高对比度（〉10,000）的影像，也是可以经由背光源及输入影像的处理后而呈现，其它效能之验证结果亦优于现有之规格。另外，在次波长光栅偏光片方面，可取代传统偏光板之实验，除了已验证可提高偏光转换效率1.7倍外。
就整体应用优势来看，可提升背光模块之光效率达5倍以上，高效率背光模块为一种兼具高光效能与低电功率消耗的显示组件，能进一步改善平面显示器的既有特性，发挥平面显示面板的优势。同时，在环保上能够节省耗电量、降低热量，提高显示器产品的竞争力和附加价值。
FS-FC LCD作为提供视觉刺激的显示器，其观赏质量不再是独立于观赏条件之外的结果。使用FS-FC技术，除了如同传统SCF LCD必须考虑显示组件特性、光源及背光模块特性之外，必须在设计时，将使用者的观赏条件列入考虑，包含前述观赏时的客观物理条件、视觉生理反应，甚至是心理物理上的感知。因为色分离现象在FS-FC型式的显示器中，显示应答速率有限的情况下，是极难消除的，只能设法令色分离效应尽量不被观察者所感知。因此，FS-FC技术应用于LCD是系统简单，但整体设计较复杂的挑战，尚需大量的研究投入，以期在未来3至5年内能有低耗电量、高色彩饱和、高对比度的新型TFT-LCD面板出现。
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