原创 6色LED背光模组光学特性

使用6色LED背光模组的液晶显示器，可以显示以往3原色ED背光模组液晶显示器不易达成的色再现性，最近日本业者开发6色LED背光模组的直视型液晶显示器，实现全球最大色再现范围的目标，因此成为全球相关业者嘱目的焦点，有鑑于此本文要深入探讨6色LED背光照明模组的结构与光学特性。开发经纬
2000年IEC(International Electrotecchnical Committee)发佈的sRGB「国际IEC标准 61966-2-1色空间规范」至今已经超过6年，由于2000年之后LCD的色再现性已经不比CRT逊色，其结果造成LCD与CRT两者的色再现性差异大幅缩减，LCD的光学特性非常接近sRGB规范中(Reference image display system characteristics)定义的色再现范围(RGB色度点)。

虽然数字电子显示器的色再现范围，已经被收敛至sRGB规定范围内，同时有效解除监视器之间的色再现范围差异等问题，不过它与显示器以外的色再现范围差异仍然存在，例如喷墨印表机等影像列印设备可以实现的部份色彩，至今数字电子显示器还无法达成，因此可以表现比sRGB规范更大范围色彩的色彩扩充色空间标准化作业也越来越活跃，其中部份规范已经正式被发佈。

表1是扩充色空间标准化的进度一览，表中的sYCC以辉度信号与色差信号表现影像资料转换成RGB时，可以显示未满0%成份与超过100%成份的色彩，虽然sYCC採用与sRGB相同的原色色度点，不过却能够表现更宽广的色彩，应用该特征制定的「Exif Print」规范因而备受使用，除此之外JEITA制定的DCF 2.0,Exif2.21的「DCF optional color space」等规范，已经被当成IEC 61966-2-5 opRGB，正式在IEC进行国际标准化讨论。
　

表1 扩充色空间的标准化一览
　

表1中的scRGB规范是针对sRGB利用输出系统定义的色空间(亦即所谓的显示器参考型色空间)，构成与场景(scene)有关的色空间(亦即所谓的relative scene RGB color space)，因此它成为利用输入系统定义的色空间规范，至于表中的xvYCC则是将sYCC的思维应用在动画的另一种规范。

扩张显示器色再现范围常用的方法分别如下:
(a).3原色方式
①使用新萤光体的CRT
②改善CCFL与彩色滤光片特性
③使用LED背光模组
(b).多原色方式
①彩色滤光片多原色化
②背光模组多原色化
③组合以上第①与第②项结构
图1是上述(a)、(b)方式的基本概念。
(a)的3原色方式是将3原色的彩度比①～③方式更加扩张；(b)的多原色方式可以实现比4角形更多角形的色再现范围，不过这种方式必需组合4色以上滤光片与4色以上的背光模组。

本文介绍的使用全球首创6色背光模组，构成具备宽广色再现范围的直视型液晶显示器，就是根据第②背光模组多原色化构想制成。
　

图1 扩大液晶显示器的色再现范围方法
　

上述直视型液晶显示器若与传统sRGB的色再现范围比较，在CIE xy色度座标可以达成175%的色再现范围，该sRGB比175%不只在色度图上扩张色再现范围，它还包含95%以上的实际物体颜色亦即表面色。

表2是使用6原色LED背光模组液晶显示器主要规格一览；图2是液晶显示器的电路结构，接着依序介绍各电路单元的功能与动作特性。
　

表2 使用6原色LED背光模组液晶显示器主要规格
　

图2 液晶显示器的电路结构
　

?影像信号输入处理单元
影像信号利用2个DVI(Digital Visual Interface)连接器输入RGB各8位元的数字影像，虽然2个连接器的输入可以互相切换，不过同时使用2个连接器可以输入RGB各10位元的数字影像，此时其中一个连接器输入高阶8位元，另外一个连接器则输入低阶2位元的资料，接着在FPGA(Field Programmable Gate Array)内部结合，构成各色10位元的影像资料。

?frame控制单元
frame控制单元主要功能是使影像信号的frame rate与点时脉(dot clock)频率，在FPGA内部转换成LCD面板(panel)驱动用画格率(frame rate)与点时脉。

?影像信号输出单元与LCD驱动特性
如图3所示影像信号输出单元主要功能是让波长彼此相异2组RGB的LED依序切
换，使各组LED发光形成6原色LED背光模组，接着对应LED的发光色，2个已经
完成色分解的影像信号与LED发光色切换(以group方式切换)同步交互显示。
图4是LED的发光色与影像信号的切换动作特性。

虽然本LCD显示器采用OCB(Optical compensated Bending)模式的面板，不过依照各画格(frame)交互显示相异影像信号，动作上应答延迟会产生对比降低，与次画格(sub frame)影像之间的cross talk引发色变化等问题，因此研究人员采取以下方式将液晶面板的影像信号写入时段与发光时段分开:显示器描绘一个画格时使用1、2、3、4等4个次画格，1、2次画格反覆2次描绘A组影像，此处为避免液晶面板应答速度延迟的影响，A组的背光模组(RA,GA,BA)只在第二次描绘点灯；次画格3、4同样反覆2次描绘B组影像，B组的背光模组(RB,GB,BB)同样只在第二次描绘点灯。
　

图3 LED背光模组的发光顺序
　

图4 LED的发光与影像信号的切换
　

?光回馈(feedback)电路动作特性
LED利用驱动电流值增加发光强度时，发光的主波长也会随着变动，因此上述6原色LED发光强度必需利用振幅一定的矩形电流PWM(Pulse Width Modulation)驱动独立调整，使A、B两组白色点的辉度与色度变成一致，接着利用白色点的偏差抑制闪烁(flicker)。
如图5所示LED随着动作温度发光强度发生变动，各原色LED的发光均匀性与强度因此发生波动，亦即白色点的辉度与色度会受到动作温度变化，此处为进行补偿利用设置在背光模组的光感测器，进行回馈控制使检测的辉度与色度值成为事先预设值。

除此之外为补偿温度造成得波长变化，与LCD面板分光穿透率的温度变化，必需随着温度感测器的检测结果，进行白色点的辉度与色度补偿。
　

图5 LED的温度对光发强度与波长的影响
　

图6是包含温度变化的补偿在内的光线回馈控制系统内部结构，虽然图6显示RGB各有1组回馈控制系统，不过实际上2组LED原色分别利用各自的光感测器，检测各自的辉度与色度进行回馈补偿。
　

图6 光线回馈系统内部结构
　

?通信功能动作特性
有关液晶显示器与电脑主机(host computer)的通信功能，基本上它利用显示器内建的DDC/CI(Display Data Channel Command Interface)，依照电脑主机输出的指令利用对LED投入电力的控制，进行辉度、色度与色度转换动作的控制。

此外通信功能若与外置色彩感测器组合，可以利用电脑主机自动调整白色点、gamma特性、色调，不过利用LED光源的PWM控制进行辉度、色度控制时，在8位元的资料长度显然不足，虽然调整用的参数依照各原色被设成16位元长，不过它却可以对应DDC/CI支援的VCP(Virtual Control Panel)。

有关VCP除了VESA MCCS(Monitor Control Command Seats)规范定义的标准VCP之外，它还使用独自定义的VCP。

 6原色LED背光模组的光学特性
6原色LED背光模组使用6个单色LED，分成3色A、B 2组(以下简称为A组与B组)序列(sequence)方式交互点灯，2组LED的出射光彼此混合形成分光特性相异的2种白光，再透过液晶面板内的三色彩色滤光膜片分解成三色，相异三色以时间分割交互显示，再透过时间与空间性的混色实现6原色显示目的。

图7是液晶的分光穿透率与2组LED的发光频谱，图中的CF_R、CF_G、CH_B分别表示各液晶的红、绿、蓝穿透率；Ra、Ba、Ga表示A组LED的发光频谱；Rb、Bb、Gb表示B组LED的发光频谱。
　

图7 液晶的分光穿透率与各组LED的发光频谱
　

图8是各组LED点灯时在画面上显示的三色LED色度座标图，提醒读者注意从各组LED出射的光线混色后，再用液晶显示器的彩色滤光膜片分解成三色是本液晶显示器的主要特点。

一般液晶显示器使用的彩色滤光膜片具有相互重复的波长范围，各组内的各色LED的发光频谱会影响复数的显示色，各色LED的发光频谱必需均衡筛选，因此研究人员进行LED筛选使「Munsell Color Cascade」规定的色彩与喷墨印表机可以再现的色彩，都可以达成所有可能的色再现范围。
　

图8 各组LED点灯时的显示色度
　

上述液晶显示器内建3原色→6原色转换电路，该电路可以将3原色表示的影像资料，依照各画素转换成支援6原色的影像资料Ra、Ba、Ga、Rb、Bb、Gb。图9是3原色→6原色转换电路的方块图。

接着介绍NCM(Natural Color Matrix)色转换电路的动作原理。
．作业1: 3原色的影像资料分离成无色彩成份资料与有色彩成份资料。无色彩成份资料具有可以表示影像资料中的无色彩灰色成份；有色彩成份资料则从影像资料中去除无色彩成份。
．作业2 : 根据有色彩成份资料计算6色相领域资料与6色相间的领域资料。所谓6色相领域资料是指可以表示红、黄、绿、深蓝(cyan)、兰、紫(magenta)等6种色成份的资料。
所谓6色相间的领域资料是指可以表示上述6色相互邻接位置上颜色的色成份资料(例如红色与黄色之间的橙色)。
．作业3 : 使用无色彩成份资料、6色相领域资料、6色相间的领域资料进行演算处理，计算6原色影像资料。
　

图9 3原色→6原色转换电路动作原理
　

图10(a)是使用6原色背光模组液晶显示器的色再现范围；图10(b)是美国offset印刷业界的标准色表SWOP(Specification for Web Offset Publication)，与6原色背光模组液晶显示器的色再现范围比较结果；图10(c)是典型表面色的色票，亦即评定色空间宽度与显示器的色再现范围常用的「Munsell Color Cascade」，与6原色背光模组液晶显示器的色再现范围比较结果，由图可知传统sRGB基准以及3原色LED背光模组液晶显示器的色再现范围明显不足，尤其是彩度极高的深蓝色(亦即所谓的emerald green)的色再现范围极端不足，相较之下6原色背光模组液晶显示器几乎含盖所有表面色的色票。

表3是上述各背光模组表面色的色票包含率一览；图10(d)是6原色背光模组液晶显示器与传统喷墨印表机的色再现范围比较结果，由图可知前者几乎含盖所有喷墨印表机的色再现范围。
　

(a)色再现范围比较
　

(b)与SWOP的色再现范围比较
　

(c)与表面色的色再现范围比较
　

(c)与表面色的色再现范围比较
图10 使用六原色背光模组液晶显示器的光学特性
　

表3 表面色的包含率
　

表4是各种背光模组的成本比较一览，根据表4的比较结果显示使用传统彩色滤光片方式的背光模组成本上具备优势，3原色转换成多原色的背光模组必需设置色转换单元。

图11是包含6原色背光模组液晶显示器再内的各种背光模组的色再现范围比较；表5是将sRGB设定成100时，CIE xy色度图内多角形围绕构成的面积比，由图可知6原色背光模组液晶显示器可以实现极优异的色再现范围。
　

表4 各种背光模组的成本比较
　

图11 各种的色再现范围比较
　

表5 各种的色再现范围比较结果一览
　  结语
6原色背光模组液晶显示器可以显示传统3原色背光模组不易达成的色再现范围，一般认为它非常适合应用在高阶印彩色刷领域，今后若能突破制作成本等瓶颈，可望拓展至消费性电子产品等领域