液晶显示器控制技术LED.doc

视觉盛宴 解读新一代液晶显示器技术LED光源并非新事物，但它也就是去年才开始应用于投影系统。LED照明的色域非常宽，比高清电视的色彩标准（Rec.709）宽40%，色彩还原度更高，且晶粒体积小、寿命长、能耗低，具有快速交换能力，这对于电视和投影系统都极具吸引力。无论是3LCD还是TI都很重视这一新的应用，前者已经推出了采用LED光源的口袋型迷你投影机，后者还研发出了基于LED的DLP高清电视（三星在今年美国消费电子展上展出了LEDDLP高清电视）:利用DMD和LED的高速性，色彩的刷新率远远超过现有水平，约可提升为标准电视系统的48倍；色彩的随意排列也成为可能，最终图像色深更大，动态效果更佳，亮度亦更高；增加LED的交换频率可以实现更大的能源驱动，并减小PN连接的热负荷；DLP技术的快速交换能力充分利用LED新开发的色彩，通过单个DMD设备实现多重色彩配置，从而获得更大灵活性；在DLP系统中，LED无需极化，只要将光精确地从DMD镜面反射出去，光线按需取用，效率极高，使亮度和系统的效率达到最大，并减少发热;最终的结果是系统的成本降低，亮度提高，色域加宽（可增加20%），远远超越利用普通光源的传统系统，同时在整机厚度上也可以做到同尺寸等离子电视的一半。激光光源可以投射出更宽泛的色彩空间，并获得更高的光效率，只是因其受限于输出功率、体积以及成本等因素，还不能在投影系统中实现大规模商业化应用。为了实现商业化，爱普生、三菱等已经开始在这方面进行更深入的研发。近日，爱普生公司就与美国Novalux公司联合宣布，双方将共同开发以Novalux的NECSEL面发射型半导体激光技术为基础的商用激光光源技术，并期待在不远的将来可以生产出高质量、高性能、低成本的产品，从而替代目前广泛用于背投电视的超高压（UHP）灯泡。液晶显示器能够显示出缤纷色彩的原理大致是，每一个像素（可以看做是一个小点，它是组成图像的最小单位）都由三个液晶单元格所组成，其中每一个单元格前面都分都分别装有红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）的过滤器，这些过滤器都是通过内镶与液晶面板中的驱动IC来进行控制，通过对不同单元格所能够通过的光线的控制，从而来达到不同的灰阶，最后再通过偏光板的漫射将颜色混合起来，就最终在屏幕上形成了各自不同的色彩。 市面上常见的中低端显示器均采用6bit的面板，只具备6bit的驱动IC，因此对于每种颜色只能达到2的6次方种，即64级灰阶，这样RGB三色混合起来也不过才能达到64x64x64=262.144k种不同的颜色，即只能达到18位色深（2的18次方），与电脑中常用的32位色深还有很大差距，当然通过插值或抖动算法，这类液晶显示器能够达到，16.2万种颜色（近24位色深），但实际表现和CRT还相差甚远。而高端所采用的8bit面板，则将颜色提升到，物理水平的16.7万颜色（达到标准的24位色深），仍然和32bit有一定的差距，再说普及在即的HDTV对于每种RGB色彩均要求10bit的灰阶，因此这种情况下开发10bit液晶面板就相对有必要了。 正是基于这种情况，NEC的10bit面板技术就抢先走出的实验室，开始进入到量产阶段。第一款配置10bit液晶面板的显示器，对于每种RGB颜色它完全具备10bit的1024灰度等级，综合起来即可提供高达30位的色深，即10亿种颜色。同时取得IC内部配备12bit LUT（Look Up Table），能够从约685亿种颜色中筛选出10亿种最佳颜色。这样一来离32位色深的目标也越来越近，已经很难分辨出两者的差别。 同时由于加入了Super Advanced-Super Fine TFT（SA-SFT）技术，将液晶层中的液晶分子平行于电极与基板排列，而液晶分子需要偏转时也同样是在基板平行的平面内进行。此外还将通用电极和像素电极在一块基板上交错排布，而非传统的上下基板分别排布方式。因此使得液晶分子不再出现折射率不同的问题，这样一来液晶的上下视角和左右视角便加宽到170度，已经完全实现了宽广视角。（用于增加视角的技术还有MVA、PVA、IPS等技术，SA-SFT属于IPS技术的一个分支） 该显示器仅12mm的画面框的宽度，使得在同级产品中达到了最小，此外它还具备21.3的尺寸、20481536像素的高分辨率和235cd/m2的亮度。虽然目前价位还高高在上，仅适用于高端的出版、印刷以及医疗等专业用途，但随着其它厂商的陆续跟进，10bit液晶面板也会逐渐丰富起来。如果实现了大规模的生产，成本也将越来越便宜，因此高色彩的液晶步伐已经离我们越来越近。对比度是指画面的最亮处和最暗处的比值，能够把亮的部分更亮，暗的地方更暗，就可达到对比度的提高。理论上对比度越高，在画面上也会越，给予我们的视觉感受当然也会更出色。但对于液晶的问题在于其通过背光源发光，而液晶材质本身并不发光，而液晶亦无法100阻止，光源的通过，尽管可以把把光线关闭掉，但仍有少量的光源通过液晶分子之间细小的间隙透露出来，因此无法做到全暗。这也就是目前市面上的液晶显示器一般只有300:1对比度的原因。 亮度的概念很好理解，它是指的屏幕上发光强弱的物理量，一般用单位cd/m2来表示。同时液晶显示器的亮度值对对比度也有很大的影响，亮度越大，其亮的部分就可以更亮，但问题是由于亮度增大导致透光度增加，这时暗的部份也变得更暗。其次同样是由于透光度增加，对于液晶对于灰阶的控制也变得不准确，开始偏白，最终也影响了色彩的表现力度。此外过大的亮度还容易令眼睛感觉不适，引起视觉疲劳，因此亮度也不宜被过度的提高。但无论如何目前主流的250cd/m2的亮度还是比较低的，在明亮地方同CRT显示器主流的500cd/m2亮度比起来，液晶显示器就很吃亏。 冷阴极荧光管是目前大量采用的液晶显示器背光源背光灯源是液晶显示器中的发光体，我们在液晶上所看到的所有图像都是由最终的背光灯源过滤而来。目前液晶显示器大都采用冷阴极荧光管（CCFL）作为背光光源，在使用寿命和节电性方面已经令人满意。但CCFL的灯光所产生的色域上还不足以令人满意，目前普遍还只能达到NTSC色域的72，这样对最终的颜色表现也有不小影响，这也是有些人觉得液晶有些灰蒙蒙的感觉的原因。 正是基于以上种种固有的缺憾，HDR（High Dynamic Range，高动态范围）技术的出现使得大家眼前一亮。HDR液晶技术是由BrightSide这家加拿大公司所首先创造。要说明的是这里所说的“动态范围”是指显示器能达到的最大亮度和最大黑度，也就是我们通常说的对比度之意。HDR技术使用了LED（发光二极管）阵列来代替了传统的CCFL发光。首先LED具备亮度极高的优点，通过LCD达到达到，1000cd/m2以上亮度是很轻松的事情，在这里采用HDR的液晶就最终达到了3000cd/m2的最大亮度；其次LED的耗电量也极低，寿命更可达10万小时以上，再加上LED色域宽广的优点（可达到NTSC色域的105），可为液晶显示器色彩的进一步提升保障。因此不少厂商都开始尝试采用LED代替CCFL作为背光灯源，LG-Philips、索尼、三菱等厂商都都在这方面取得了突破性进展，680亿的色彩和10000:1的对比度正是依靠LED所实现。 HDR显示器的后面有一层密集的LED阵列用作背光源 不同的是HDR技术在这里不光采用了LED技术，而且LED是基于阵列方式排布，即整个LED背光灯源由许多个小的LED灯所组成，由于LED分辨率较低的关系，作为折中，其采取了多个液晶点对应一个LED点的方式。而且对于阵列中的每颗LED都采用了8bit的电压控制器，随着256位的电压变化，LED就具备了256级的灰阶变化。而最前端还是采用已经已经成熟阶段的8bit液晶面板，这样经过对型号的处理，在判断到最亮的地方，在完全打开该单元格中液晶分子的同时还给后面的LED单元格加最大的电压，使其亮度达到最大；而最暗的地方则把该单元格中液晶分子完全关闭，同时对应LED单元格的电压也降低到最小（或者关闭），因此避免了露光问题的出现，亮度也随之几乎零。因此通过HDR技术，能够达到200000:1的对比度也就不足为奇。 通过256级灰阶变化，再配合上前面的8bit液晶面板，让每种颜色有了（2的8次方）*（2的8次方）=2的16次方种不同的变化，因此这时的液晶显示其也就达到了16bit的色彩等级，RGB三色相融合起来即可以显示出48位的色深，约281万亿种不同的颜色，正好和Photoshop所能够支持到的最大色深度相等，这时液晶所前所未有过的色深度，通过如此丰富的颜色，相信任何专业的应用都可以彻底满足。可以相信等待未来的10bit面板成熟后，通过HDR技术可达到最大54位的色深，1812万亿种色彩，彻底让认为液晶颜色差的人闭嘴。 基于HDR技术的37寸显示器不过，目前HDR技术的缺点仍然存在，由于需要众多的LED点发光，其37寸的显示器就达到了1680W的功耗，其耗电量不可小视。彻底颠覆的视觉感受 3D液晶技术 长久以来显示器都只能通过二维的屏幕来表现出各种画面，即使对于显卡可以提供出逼真3D游戏画面，但最终被转换为了一幅幅2D画面来表示，因此我们会感觉到游戏的真实性距离显示的环境还是有很大差别。因此科学家一直没有放弃，通过显示设备呈现出真实的3D世界的努力。 最先出现的3D电影其采用的是偏振镜法，从人眼观察景物的特点出发，利用两台水平并列安置的电影摄影机，分别代表人的左、右眼，同步拍摄出两个画面。而放映时，则将两个胶片分别装入左、右两台具备偏振镜放映机中，而且两个偏振镜互成90度的偏振轴，这样投放在银幕上时，如果用普通肉眼观看就形成了左右双影。真正的观看还需要借助一幅特制的偏光眼镜，其原理与放映机的偏振镜一致，最终就使得观众的左眼只能看到左边摄影机拍摄到的图像，右眼就只能观看到左边摄影机拍摄到的图像，从而就产生了3D立体的视觉效果。此外还有一种方法是利用了红蓝滤光原理，首先将正常的画面分解为两份，然后分别进行去掉其中的红色和蓝色，然后再把两者交错的组合起来。观看时需要佩戴一边为红色镜片，一边为蓝色镜片的眼镜，这样就迫使左右眼镜只能看到各自的色光图像，从而欺骗大脑以为看到了立体的图像。 传统的偏振镜实现效果最好，但对于从录制到播放都对设备有很高要求，因此完全不可能在显示器中采用；而红蓝滤光发，对于颜色的失真很大，因此也逐渐的趋于淘汰。现代的3D液晶技术起源于前几年出现了3D立体眼镜，这种眼镜巧妙的利用了液晶能够实现开启的关闭的原理，让开启和关闭两种状态频繁的进行作切换。即右边开启时，左边关闭，左边开启时，右边又关闭。这样就能在一剎那让一只眼睛看不到任何图像，显示器上的画面只能通过一只眼睛来观看。在不断的快速的轮回交替下，3D眼镜让双眼仅看到各自的图像，从而达到了欺骗大脑误以为看到3D立体图像图像的效果。该方法的缺点同样明显，其一是必需搭配特制的眼睛才能够实现，使用起来麻烦；其二是对CRT显示器的刷新频率要求很高，只有在120Hz以上时才能保证眼睛的健康；其三是能够实现立体效果因人而异，很多用户反映并不理想。因此3D眼镜并未完全获得用户的认可。 随着液晶技术的发展，很多科学家就开始在考虑是否能够直接运用3D眼镜的这一原理，而直接在液晶显示器上实现该功能。目前最为现实的是由飞利浦和夏普公司共同创导的技术，而采用该技术制造出的第一款成功商品化的3D液晶显示器也已经推出市场。 该技术在液晶的最表层添加了一层凸透镜阵列，最终的成像就显示在这层凸透镜阵列上。其中每个小的凸透镜以液晶像素间成一个小的角度摆放，而一个凸透镜就对应了7个液晶单元盒。我们知道原本一个液晶像素有三个液晶单元盒组成，分别具备RGB三色，而采用了3D液晶技术之后，RGB三色并不改变，只是增加了RGB液晶单元盒的数量用于然不同的眼睛通过凸透镜观察到不同的颜色。这样成像时，根据特定的算法，在液晶单元盒中形成不同颜色，而最终形成图像，以保证观察者在左、右眼上形成不同的图像，如此用户就可以看到逼真的立体效果。 采用这种方法的困难在于： 1、密集和精确的凸透镜阵列； 2、液晶单元盒的尺寸必需非常的小，这样才能保证液晶显示器的清晰度能够得到足够的位置，要在同一尺寸下达到同样的分辨率，液晶单元盒的尺寸就必需减小到以前的1/3。 正是基于以上难点，基于此技术的液晶显示器，价格还是比较的昂贵，15寸的夏普LL-151-3D液晶显示器就需要599美元，折合人民币约5000元，不过相对国外的消费能力还是很能够接受的。而且其得到了NVIDIA公司的大力支持，通过NVIDIA的NVStereo驱动程序，所有的NVIDIA显卡都可以支持该液晶实现立体的3D功能，而支持的游戏也达到了几百款，使用已经不再成为最大的问题。 总结 就在液晶以飞速的发展时，最新的OLED（有机发光显示器）技术也发展得非常迅猛，与液晶相比，OLED具有主动发光，无视角问题；重量轻，厚度小；高亮度，高发光效率；发光材料丰富，易实现彩色显示；响应速度快，动态画面质量高；使用温度范围广；可实现柔软显示；工艺简单，成本低；抗震能力强等一系列的优点，因此它被专家称为未来的理想显示器。彩色的OLED屏幕已经已经开始采用在手机、MP3等便携的电子设备上，但因为大尺寸化方面还有不小的困难，因此还很难威胁到液晶在显示器中的地位。而另一主流的显示技术PDP（等离子）虽具备画面大、对比度高、亮度高、可视角度宽、响应时间短的优点，但分辨率和寿命上还很难和液晶相媲美。因此从目前来说液晶在新一代显示技术中还是很具备优势的，特别对于屏幕大小适中的而有对分辨率要求很高的电脑显示器，是其最佳的选择。伴随着一次次液晶技术的飞跃，完美的液晶产品已经离我们越来越近。前言：由于液晶面板的应用已从笔记型计算机，扩展到行动电话、汽车导航、家用电视等领域，因此，LCD的自然色再现性成为各界关注的焦点，某些特殊领域甚至要求LCD的色再现范围超过NTSC的色彩规格。由于CCFL的先天特性导致无法突破某些色彩障碍，使得在色彩表现方面，无法令消费者享受到类似大自然丰富艳丽的影像，尤其无法完美表现出鲜艳的红色色彩。广告然而，因为追求高演色的目标，取代CCFL光源的技术也就陆续的被提出，其中，在被看好的莫过于利用多色LED来作为背光源，其宽广的色域，已经吸引诸多业者的注重，也纷纷的投入相关开发。传统CCFL红光表现薄弱目前，大多显示器业者都使用冷阴极灯管作为显示器的光源，以及搭配RGB三原色作为阵列分布的彩色滤光片，一般而言，CCFL的色温大约在4800K左右，反映到色域表后，可以发现仅有NTSC规范的80左右。图一是CCFL的光谱及彩色滤光片的分布特性，从图中可以发现，利用CCFL加上RGB三色的彩色滤光片，在波长490nm与590nm附近色彩的表现能力较差，而出现一些经过彩色滤光片混色后色域较窄的问题。当然这对于一般显示画面或应用，并不会出现太大的色彩问题或视觉感受变差，但是在面对仪器量测的情况与特定色彩表现的环境下，就能明显的比较出不纯辉线有sub peak的现象。尤其CCFL在对红光的表现更为薄弱，这是CCFL在色彩的表现上最难以满足严格要求的一点。 图一：CCFL的光谱及彩色滤光片的分布特性。（制图：卢庆儒）然而，对于以CCFL作为背光灯源，是存在特定的因素，而影响到色域的表现，但是未必是完全无法可想。可以根据传统的三色彩色滤光片加以改良，来弥补此一缺陷。利用多色彩色滤光片来弥补不足同样是使用CCFL作为背光灯源的模块基础下，奇美电子开发出了3款采用4色以上多色滤光片来作为色彩表现，分别是在原有的R（红色）、G（绿色）和B（蓝色）3色上，增加了追加了Y（黄色）和C（青色）的5色滤光片的面板。在RGB基础上多出Y色（黄色）的4色彩色滤光片的面板，和在RGB 3色基础上增加W（白色）的4色彩色滤光片的面板。事实上，这样的设计，同样的扩大了色彩表现范围，以增加Y（黄色）和C（青色），及增加Y（黄色）的面板为例，其色彩表现范围与NTSC范围相较，分别为115和109。而增加白色的彩色滤光片的目的仅为提高面板整体的亮度。当然，这是在原有光源的基础下，利用彩色滤光片来达到提升色域的目的，但是终究由于先天的限制，无法大幅度的让色彩表现范围扩大，或许还是需要从背光源方面进行改变，才得以达到扩大色彩范围的目标。以目前的技术与元件来看，相当适合的方式是利用LED作为背光源，由于LED具有多波长的特性，可依照需求生产出独特的波长，及利用电路设计来完成亮度控制。三色LED背光模块实现高色域理想相对的，利用三色或多色的LED作为背光源，在混色的表现上，就不会出现上述的一些部分色域窄化的问题，图二是以三原色的LED作为背光，所表现出来的就比以CCFL来的较好，尤其在红光的部分，可以获得非常宽广的色再现范围，也不会造成类似CCFL所出现不纯辉线的sub peak，并让各原色的色纯度大大的提高。 图二：三原色的LED的光谱及彩色滤光片的分布特性。（制图：卢庆儒）此外，在色域的表现，更可以得到更大范围的表现。下表是日本LEIZ所发表的三色LED背光模块，从表中就可以发现，其所表现的色度，经过测试后，LEIZ背光模块可达到NTSC的100色域。日本LEIZ在这模块上使用了40颗高亮度的三色LED，并且在模块两边设置了Heatsink，让三色LED在模块内进行混光，提供LCD所需要的光源。 SONY领先发表LED背光液晶电视而SONY在2004年底，推出由R、G、B三色LED作为背光源的液晶电视，让多色LED背光模块达到实用化的阶段，RGB三色LED表现出的色域超过CCFL的150，对色彩的表现能力大幅超越传统电视机常用的sRGB。在过去使用传统的CRT做为显示元件的电视，在色彩表现上，无法显示的天蓝色系、深绿色、深红色，及一些大自然中的鲜艳颜色，但在R、G、B三色LED作为背光源的液晶电视都以经不是问题，如果对照Pointer的768色高彩度色票上表现，使用LED背光模块的液晶电视可以高达其涵盖颜色领域的82，尤其是在绿色与红色可以表现出非常宽广色彩度，黄色与橙色部分更超过sRGB的色域，然而相对于CCFL或传统CRT屏幕，仅能达到约一半的色彩领域。特殊排列弥补色系弱点根据实验，人类眼睛对于光线颜色的感觉程度，最高的是绿光，红光约是绿光的1/3，而相对于蓝光，是蓝光的10倍。基于如此的特性，在LED颜色搭配上，也有了一些变化，因为要满足视觉感度，所以大多是以红光1、蓝光1，以及绿光2的比例来进行设计，但加上考量到红光的色温较低。所以SONY在背光LED的是以绿红蓝红绿作为排列结构，来达到最佳的色彩输出。因为液晶屏幕的色域并不是仅仅靠背光源，前端的彩色滤光片更是重要决定因素之一，所以整体而言，液晶屏幕的色域范围取决于背光模块的光源特性，与彩色滤光片的穿透率特性组合结果。当然，在面对可表现如此宽广色域的三色LED背光模块，SONY更在彩色滤光片上进行了相当的改良，由于LED的色度分布有一定的范围度，所以必需搭配可以使穿透光的波长范围变窄，而且可以维持一定色纯度的彩色滤光片，期望能在配合LED光源的特性下，充分发挥相互配合的色彩效果。6色LED色域宽广能力令人讶异如果是使用RGB三色或不同波长的多色LED作为背光源，在彩色滤光片上就不一定非用RGB三色，甚至可以使用紫色跟菊色双色的彩色滤光片，来搭配出更高的色域显示能力，呈现出更多的色彩。三菱电机与三星都已经发表出，利用6色LED作为背光模块的技术。三星是利用6色光源加上6色彩色滤光片面板新技术 ，采用在具有RGBCYM 6色（红、绿、蓝、青色、黄色、洋红）波长的光源上配合使用具有RGBCYM分光特性的6色滤光片的方式。LED点灯方式是以场序交互点灯将显示时间错开，依次打开R（红）、G（绿）、B（蓝）LED，分辨率为1366768、亮度为500cd/，1000：1的对比度。 由于能够直接看到LED光线，因此色彩表现达到了NTSC规格的110。82W耗电量，相当于同样亮度老式液晶面板耗能的60。而根据资料，三菱电机所发表的这一款6色LED背光模块，除了能达到色再现范围扩大之外，另一项特色是在生产成本上不会因此突然增多。在技术上，三菱电机是利用LED不同的波长，来达到6种不同的颜色，分别是第一组的410nm（蓝）、540nm（绿）、615nm（红），以及第二组的430nm（蓝）、510nm（绿）、625nm（红）。在色度座标上分别可以达到，第一组：615nm（红1） 的（0.664、0.321）、540nm （绿1）的（0.291、0.666）、410nm （蓝1）的（0.154、0.060）。第二组：625nm（红2）的（0.682、0.308）、510nm （绿2）的（0.131、0.580）、430nm （蓝2）的（0.112、0.173） 。在显示尺寸为23寸、1280768、亮度为80cd/m2的面板中，蓝光与红光LED各使用26颗，而绿光LED则使用了56颗，其sRGB比提高到了175，大约可以涵盖自然界物体色彩的96（以Munsell Color Cascade为标准）。 利用顺序交互点灯组成LED驱动电路在LED电路驱动设计部分，多色LED背光大多是利用场序交互点灯方式形成Field Sequence，这样的话，可让背光模块中的6色LED与液晶面板的Sub-Pixel，及3色彩色滤光片同步动作。过去，液晶面板大多是利用三个Sub-Pixel组合而成一个画素，但利用这样的方式，除可得到更广的色彩表现范围外，还可获得更高细腻度的影像。但这样又会造成一些整体开发上的问题，因为这样的结构变化，使得无法延续使用部分零组件，包括部分的背光膜片、整体模块结构、色变换电路等等，这些都是必须重新开发。不过，因为这样的改革能够大幅度的改善色彩表现，及加上三菱电机宣称，并不会造成太大成本的增