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LED背光在液晶显示中的应用技术---无滤光膜技术

导读: 场序彩色( Field-Sequential Color ) LCD 由三色背光源按时序分别点亮,液晶屏根据显示的信息控制透过光的颜色和亮度而实现时间上的加法混色,不需要彩色滤光膜 , 像素数目变为普通透过型 LCD 的 1/3

        场序彩色( Field-Sequential Color ) LCD 由三色背光源按时序分别点亮,液晶屏根据显示的信息控制透过光的颜色和亮度而实现时间上的加法混色,不需要彩色滤光膜 , 像素数目变为普通透过型 LCD 的 1/3 ,更容易实现高容量、大画面显示,可能成为 LCD 的发展趋势。无彩膜技术的面板生产上将带来革命性的影响,也是 LED 背光在 LCD 领域最为重要的应用。除了成本降低外,制程工序的简化对相关成本(生产和人力等)的降低和生产效率的提高作用不可小视。在 2005 年 10 月,三星展出了如图 3 所示的无彩色滤光片 32 英寸 LED 背光液晶电视,并计划于 2006 或 2007 年量产。这项技术是致命性和轰动性的,这意味着,如果同类电视厂家不能掌握同类技术,那么将根本无法和三星的产品相抗衡,国内的面板和电视产业将岌岌可危。
  
        Hunet 公司应用这一技术开发的 1.5 英寸 1/4 VGA TFT 驱动的便携电话显示器,像素大小只有 96µm, 透过率达 15% ,是普通彩色 TFT-LCD 的 3 倍。 Hunet 公司在 1999 年初还展出了 12.1 英寸 SVGA 场序彩色显示 TFT-LCD 。为实现场序彩色显示,液晶的响应速度最慢要达到帧频的 1/3 ,而要达到优良的显示质量,响应时间应为 2-3ms 。在向列液晶显示模式中,理论计算和实验都表明 OCB(Optically Compensated Bend) 模式可以实现 2 ms 的响应速度,可以满足这一要求。又因为 P-Si 可以实现高速驱动 , 所以 , 利用低温多晶硅驱动的、 OCB 模式的、场序分割显示的液晶显示器已经成为现在研究的热点之一。此外, Hunet 公司还采用的高速 TN 模式、富士通研究院开发采用的快速铁电液晶实现了场序彩色显示。
点阵式的LED背光源可以将整个屏幕分成若干区域,根据显示的影像信号,可单独控制每个区域的发光量。如图4所示,区域亮度通过调节把整个显示区分成4个部分,通过对视频信号分析,计算出每个区域的辉度值,在辉度小的区域,适当降低相应背光的亮度,在辉度大的区域,则增加相应背光的亮度。这样就有效地降低了暗场时液晶漏光的问题,得到更加黑的黑色,亮度和对比度都得到了提高,而且亮度的范围也更广了。通过LED背光技术黑色的光通量能降低到0.05流明,对比度高达10000:1,可以和等离子电视媲美。LED在单独控制每个区域的发光量的同时使用6~40V的低压电源,供电模块的设计简单,这种采用LED背光源的液晶屏比通常用的液晶屏省电48%。因为产生的光线没有先天不足,LED背光系统可以实现真实的图像还原,无论色彩还是亮度都远远超过了以往的液晶电视。画面中细腻的肤色、润泽的绿叶和广袤的风光可以产生身临其境的感觉。在SID2005上LG-Philips就展示了使用LED背光光源的超高对比度47英寸液晶电视,对比度高达10000:1。

        液晶显示器作为电视机应用还存在两个主要缺陷:严重的动作赝像(出现在观看运动镜头或是动作片时)以及对比度不足(暗场条件下)。造成动作赝像可能有几个原因,其一是迟缓的屏幕响应速度。但是,即便设计人员把响应时间缩短到预计动作赝像应该消除的时间以下,动作赝像依然完全可见。因为实际上只有在人眼中才会产生图像拖影现象。人的眼睛只能在追踪目标时才可以敏锐地察觉到运动物体,这只有在目标作直线或近似直线运动时才有可能。这就是采用不间断背光源的 LCD 的不利之处。因为 LCD 以帧频输入视频数据并在整个帧周期内保持,屏幕上的物体呈现阶梯状运动而非不间断运动。例如,屏幕上的一物体在 2 秒钟内从左运动到右,这种情况并不罕见。进一步假设每线有 1440 个像素的 LCD 屏,其帧频为 60H z ,那么在一帧周期内就有 12 个像素导致图像拖尾的滞留效应!这对于标准电视是不可接受的,对于高清电视就更不妥当了。

  黑屏插入技术是常用的缩短响应时间的技术。通过在每个图像帧之间插入黑色帧,可以产生与 CRT 相似的快速脉冲调制效应。人脑可以滤除这种闪烁并自动产生中间图像,这样就可以消除观看快速移动物体而时出现的模糊现象(如图 5 所示)。 2006 年 6 月份友达光电发表的 GFI 超高速反应技术已经可以达到小于 4ms 的 GTG 响应时间,于 2006 年第三季度 应用于液晶电视面板上。闪烁的 LED 背光也可以起到和黑屏插入相类似的效果,不同的是,该技术利用有规律的熄灭背光达到黑屏的效果。此外,通过对背光进行脉冲调制的背光扫描技术也可以达到很好的效果。目前的趋势是将这几种快速响应技术结合使用,以获得更短的灰阶响应时间。

        上图表示的是闪烁背光和扫描背光改善动态拖影的原理。即选择在液晶响应曲线适当的位置打开或关闭 LED 背光。当液晶响应曲线处于缓慢上升或下降的阶段(拖尾阶段),就关闭背光源,在液晶响应曲线平稳阶段打开背光源。由于 LED 的响应速度远远超过液晶响应的速度,所以相比 CCFL 背光, LED 背光完全可以胜任。

        利用扫描背光源还能有效提高显示对比度。在外部环境亮度较低的情形下使用 LCD 电视时, LCD 屏幕上暗场景的对比度明显不足。因为即便是暗态背光源也会有些漏光,这时候从某一角度看屏特别明显。在暗场景状态,可通过减小背光亮度同时增强屏的透射来提高显示图像的对比度。减小光照占空比可以降低亮度。用扫描背光减低亮度有另外的好处。在没有扫描背光的条件下,帧与帧之间的照明没有明确界限,于是此帧的减暗行为可能会覆盖到下一帧。在有扫描减暗背光的情形下,因为存在与屏上寻址相关的精确照明时序,完全可以寻址一整帧而与前一帧或后一帧无关。与非扫描减暗背光相比,有扫描减暗背光更容易采用快速响应的方法来改变亮度,非常有利于从暗景到亮景的跳变。

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