場序式液晶顯示器（FieldSequentialLiquidCrystalDisplay，FS…－早餐會

場序式液晶顯示器（Field Sequential Liquid Crystal Display，FS-LCD）技術介紹

自從1897年K. F. Braun發明布朗管（陰極射線管），到1929年，有「電視之父」之稱的美國RCA公司俄裔科學家佐里金（Vladimir Kosma Zworykin）發明了自動「掃描電子束」的設計，以及1954年彩色電視上市之後，直至今日，將近有一個世紀的時間，人類主要的顯示技術應用，一直都是以陰極射線管（Cathode Ray Tube，CRT）技術為主。

然而，從1990年代初期，平面顯示器開始商品化以來，新一代顯示科技的發展日新又新，就量產規模與產品應用普及性而言，液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD），無疑地，穩居平面顯示技術的主流。儘管如此，其他的顯示技術，諸如電漿顯示面板（Plasma Display Panel，PDP）、有機發光二極體（Organic Light Emitting Diode，OLED）面板，甚至是場發射式顯示器／表面傳導電子發射顯示器（Field Emission Display，FED／Surface-Conduction Electron-emitter Display，SED）等，各自擁有優於LCD之特性，例如自發光、快速應答時間、高對比度、高色彩飽和度、可撓性等諸多優點，帶給LCD技術相當程度的挑戰與威脅，因此，為保持LCD顯示技術現有的競爭優勢，就必須針對以上所提出的各項顯示效能與畫質特性，做更進一步的技術改善與研發。

場序式液晶顯示器（Field Sequential Liquid Crystal Display，FS-LCD），或稱色序式液晶顯示器（Color Sequential LCD，CS-LCD），不僅能改善傳統液晶顯示技術的發展瓶頸，進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％，對於廣色域、高解析度和低耗電的新一代平面顯示技術規要求而言，可說是相當具有競爭力的一項技術。

傳統的空間彩色濾光片（Spatial Color Filter，SCF）技術與FS-LCD技術之間的差異，可藉由圖一加以說明。

在液晶模組（LC module）部份，傳統的SCF液晶顯示技術，其單一畫素（Pixel）是由三個子畫素（Sub-Pixel）所構成，每個子畫素各由一顆薄膜電晶體（Thin Film Transistor，TFT），控制著該子畫素的電場強度，以決定通過該子畫素的光強度（圖一 (a)）；通過各子畫素之光能量，再經由各子畫素所對應之原色（紅色、綠色及藍色）濾光片調變，以得到各子畫素所需之各原色光強度，最後再依靠視覺系統的作用，將各子畫素之原色混合成該畫素所欲表現之顏色。傳統SCF液晶顯示技術，必須使用白色背源模組，如冷陰極螢光燈管（Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL）或是白光LED光源。

相對的，FS-LCD技術在液晶模組的組成元件中移除了彩色濾光片，因此各畫素不需再分割出子畫素（圖一 (b)），其色彩之形成，則是依靠RGB-LED背光模組中，三種原色（R、G、B）之光源依時序切換，搭配在各色光源顯示時間內，同步控制之液晶畫素穿透率，以調配各原色之相對光量，再由視覺系統對光刺激的積分作用，以形成並察知該顏色。因LED一般均具有窄半高寬之頻譜特性，可呈現出高色彩飽和度之顏色，有效地擴大系統色域（Color Gamut），所以一般而言，FS-LCD技術在高色彩飽和度的特性表現上，也較一般使用彩色濾光片的液晶顯示技術為佳。

相較於傳統有彩色濾光片的a-Si TFT-LCD，沒有彩色濾光片的FS-LCD具有多項優點：因為不需要使用彩色濾光片，在液晶盒（Cell）上板製程上，省略了彩色光阻塗佈、顯影等製程，僅需製作黑色矩陣（Black Matrix，BM），減少Cycle Time及不良率，除了節省原料成本外，由於Array 基板不需要RGB Sub-Pixel的設計，減少了單一畫素中所需之TFT個數，相對地提高了Array生產良率，簡化控制電路之複雜度，同時也增加畫素開口率（Aperture Ratio），有利於提高面板畫素的空間解析度。如圖一所示，無彩色濾光片之FS-LCD，在顯示效能上的最大增益，便在於大幅提昇光利用效率，降低耗電性，理論上可提昇至傳統彩色濾光片式TFT-LCD的三倍以上，因為平均有三分之二以上的光能量被彩色濾光片所吸收。

其實，場序式顯示技術已存在多時，但過去多半使用於DLP（Digital Light Processing）投影機，因為DLP的微鏡片（micro mirror）的反應速度夠快，因此使用場序法來做彩色顯示，並不會有太大的問題；然而，若要將場序式技術應用至LCD，仍有不同於DLP投影機之瓶頸必須克服。其中最大的挑戰，在於液晶材料的應答速度，因其涉及場序式顯示技術在系統操作上的同步化，同時更與場序式技術潛在之色分離（Color Breakup，CBU）效應有直接、密切的相關性；另外一大挑戰，則是RGB-LED背光模組的設計。

韓國三星電子在2005年10月，於日本橫濱舉行的平面顯示器展（Yokohama FPD）上，發表了32吋無彩色濾光片的LCD TV，其色彩表現相當鮮豔，反應時間也達5 ms，畫面更新頻率（Frame Rate）則為180Hz（為一般60Hz三倍），其功率消耗只有82W，相對於傳統彩色濾光片式LCD TV的250W，在相同規格的亮度表現下，有著極顯著的節能效果。這印證了場序法在提升光源使用效率上的優越表現，至於色分離的現象，雖然仍未完全改善，但還不至於影響正常的畫面顯示，這是第一次將FS-LCD技術應用於大尺寸液晶面板，在當時吸引了相當多學者專家的注意力。而隨後在2006年6月台灣的平面顯示器展中，華映也展示了他們當時所開發來的，32吋無彩色濾光片的LCD TV，其所應用的液晶顯示技術與三星電子大略相同，都是採用了光學補償彎曲排列（Optically Compensated Bend，OCB）模式的液晶技術，利用其應答速度快（約為3~6毫秒）的特性，達到將畫面更新頻率提升為180Hz的要求，如此，方可與傳統彩色濾光片式LCD顯示出相同的全彩畫面效果。

下面的圖示中，說明了場序式顯示技術基本的組色原理，我們可以看出，傳統採用彩色濾光片的顯示方法，一個全彩畫面可以透過具有R、G、B子畫素的彩色濾光片來表示顏色，但在場序式的顯示技術中，由於沒有彩色濾光片上的R、G、B子畫素，所以必須利用人類視覺暫留的原理，將一個全彩畫面分成三個R、G、B原色畫面依序顯示，在人類的大腦中再重新做組色，也因此，在畫面系統更新頻率的系統設計要求上，FS-LCD至少要有一般液晶顯示器的三倍更新頻率，也就是180Hz以上，相對的，對於液晶應答速度的要求，也同樣要是一般16毫秒的三倍，也就是5毫秒以內。

場序式顯示技術的光源設計，是在特定的時間由不同的發光二極體（LED）分別發出紅、綠和藍的光源，利用三種主要的原色（R、G、B）作混色，不像傳統的背光方式，是以白光通過彩色濾光片後，才改變其顏色。其切換速度超過人眼的感知頻率（60Hz），所以人類的大腦，會因視覺暫留的效應，把畫面效果疊加一起，使人因此感受到全彩畫面的方法。此為利用人類眼睛的視覺空間分解能力之界限，而達到加法混色的效果。所以在背光模組的光源構成組合中，可以使用多種不同顏色光源，再針對各種顏色可以做獨立的光度調整，來得到光度均勻的畫面。

場序法獨立使用R、G、B三個單色LED光源，此種方式與使用彩色濾光片並置加法混色，所構成的彩色LCD比較，有著以下幾項顯著的優點：

（１）高解析度 à因為不需將一個點畫素，再分為R、G、B三個子畫素，所以解析度可較傳統液晶顯示器提高。

（２）驅動IC可以減少à資料側的IC（Data Driver IC），由於不需要同時提供R、G、B三個子畫素資料，所以IC的輸出腳位（Pin）數可以節省至三分之一，也就是說，可以省下三分之二的Data IC數量。

（３）可以做彩色平衡調整à可以針對R、G、B三色LED光源，獨立調整其光度，達到最佳化的彩色平衡。

（４）不必使用彩色濾光片，使液晶盒（LC cell）的構成單純化，降低成本。

至於場序法所面臨的技術問題，除了前述所提及的色分離效應之外，由於場序法在背光的部份，使用了獨立的光源，所以其光源配置的方法，就必須要經過詳加考慮，才能得到整個平板上面的亮度均勻。

根據場序法的顯示原理，各原色光源顯示的時間，定義為圖像色場（Color Field）的表現時間，當三個連續色場時間之光刺激入射至人眼，經過大腦的視覺系統作用後，則足以形成彩色圖像（Color Frame）。在理想狀況之下，一彩色圖像所包含的三圖像色場光刺激，皆投射至視網膜上，各畫素所對應的相同位置，則各畫素的色彩資訊將可被視覺完整重現。若是一彩色圖像所包含的三圖像色場，其對應畫素投射在視網膜上不同位置而被視覺系統察知，則觀察者將會看到色場分離錯位的影像，此即稱為色分離（Color Breakup，CBU）現象。以下的附圖說明了色分離現象所造成的顯示偏差，在圖中我們可以看到，隨著顯示物件，或者人眼視線的移動，在圖像中物體的邊緣會形成色帶排列，這就是色分離現象。

色分離現象除了降低觀覺品質，亦有研究報告指出，在長時間觀看場序式顯示器後，亦可能造成暈眩的感覺。無論如何，潛在的色分離效應，乃是FS-LCD技術，所必須改善的重大技術課題。

如前述，色分離現象是各色場對應畫素的位置，投射至視網膜的不同位置，且被觀察者察覺所造成。因此，色分離發生的必要條件可分為二點：首先，螢幕上的影像與視網膜之間，存在著相對運動的物理條件，所以色分離通常發生於運動方向上；其次則是滿足「可被察覺」的心理條件。

關於影像與視網膜之間存在的相對運動，可以區分為兩種狀況，一是靜止影像，二是動態影像。以人類生理的動作反應來看，當觀察者注視靜態畫面時，此時眼球並非如想像中處於完全靜止的狀態，相反的，此時眼球正在執行著，一種稱之為掃視（Saccade）的運動，此運動極為快速且無序，因而有機會在連續色場時間中，等效聚焦在畫面上的不同位置，造成連續色場分離。在靜止影像的情形下，因掃視為無序運動，故其色分離的結果較難預測。然而，倘若此時將視線從靜態畫面移開或者眨眼，則人眼將會感知到有R、G、B色帶排列的殘影感受，如同我們直視DLP投影機的光源時，眨眼所造成的感覺一樣。

至於觀察動態影像，此時主要的眼球運動，是有意識地沿著物體運動方向，進行追跡（Eye Tracking）的動作，所以觀察者有較大的機會察覺到色分離條紋的存在。因此，研究動能影像的色分離現象，以及嘗試針對此現象進行補償，乃為研究色分離現象的重點。由DLP投影機的經驗，色分離與觀測條件有極大的相關性，若在相同時間內，眼球移動較大視角，則色分離現象較易發生。因此，在大尺寸的液晶電視產品應用上，場序式顯示技術最先面臨的挑戰，即為人眼觀看動態影像時，所產生的色分離效應。在已經發表的大尺寸場序式顯示產品中（三星電子以及華映的32吋場序式無彩色濾光片液晶電視），由於展示場中所呈現的畫面多為靜態，所以除非專業人士，否則很難了解其色分離現象是否嚴重。

改善色分離的方法，在已知的文獻中，主要有下列幾項：

1. 增加顯示元件的應答速率：以目前採用單微鏡片元件（Digital Micro-Mirror Device，DMD）的DLP投影機為例，其色輪（Color Wheel）的最高轉速已達到六倍視訊頻率（360Hz），在一定觀賞距離之外，極難察覺色分離條紋。然而，對於現有的液晶材料及顯示模式而言，尚無法具備如此快速之響應速率，這是場序式技術一直無法落實在LCD產品的主因。雖然有些極具可行性的液晶顯示模式被提出，如鐵電液晶（Ferroelectric Liquid Crystal，FLC）或光學補償彎曲排列（Optically Compensated Bend，OCB）等，但在製程良率，以及顯示器光學特性表現等議題上，仍有待更進一步研發、改善。

2. 插入單色畫面：令色分離條紋與所插入之色場混合，減少顏色條紋的對比，以減少被視覺系統察知的機會。如插入黑畫面或中間調灰階畫面，這在系統的設計上，如何六倍視訊頻率（360Hz）的效果。

3. 改變色場順序：將每一個圖像中的色場順序任意改變，令色分離條紋的順序不再固定。想法上是破壞色分離條紋出現的週期性，降低引起注意的程度。

4. 動態畫面補償：分析畫面的移動物體，作為假設眼球移動速度的參考；接著依據畫面內容及眼球速度，去調整各色場影像內容，以期在觀察者觀看時，得以減少眼球與畫面各色場之間的相對運動，以減少色分離條紋，此法需要較複雜的演算法及執行演算法所需之硬體。

';$(".articleExtAd").append(notVIP);setTimeout(function() {$('.top-toolbar').data('top-toolbar').setAD({title: "\u5834\u5e8f\u5f0f\u6db2\u6676\u986f\u793a\u5668\uff08Field Sequential Liquid Crystal Display\uff0cFS-LCD\uff09\u6280\u8853\u4ecb\u7d39",label_id: 16,label_name: "\u5a1b\u6a02"});}, 2000);

柔情帶刀楊小賢 / Xuite日誌 / 回應(0) / 引用(0) / 好文轉寄

LED / OLED 技術介紹|日誌首頁|我要求不高～上一篇