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解决拖影现象是LCD技术发展的持续目标

导读: 早期液晶屏幕刚发展时,其画面响应时间高达40ms以上,在这种情况下,静态文本处理工作可能还不成问题,但如果想要观赏影片,那么严重的残影现象会让使用者觉得非常难过。随着时间发展,在技术的改进之下,针对画面响应时间也有相当多的进展,从一开始黑白响应时间的追求,到目前以灰阶响应时间为主的画面响应时间指标,

早期液晶屏幕刚发展时,其画面响应时间高达40ms以上,在这种情况下,静态文本处理工作可能还不成问题,但如果想要观赏影片,那么严重的残影现象会让使用者觉得非常难过。随着时间发展,在技术的改进之下,针对画面响应时间也有相当多的进展,从一开始黑白响应时间的追求,到目前以灰阶响应时间为主的画面响应时间指标,液晶屏幕已经越来越适合一般消费者应用在娱乐用途上。

目前在黑白响应时间方面,部分厂商已经进展到1ms的最高速度,但是实际应用上,它所带来的改善效果却是不如厂商宣称般的神奇,因为液晶显示器画质效果不单纯由相应时间所决定。

尽管从技术理论上讲,无论是缩短黑白响应时间,或者灰阶响应时间,基本上都可以有效地消除动态画面的残影现象。不过技术上的达成却无法骗过人类的大脑,这是因为人的眼睛都有视觉残留反映,就是说人眼看到一幅画面以后,在之后的一段时间里(大约是0.1s左右,会因不同的讯号刺激而有所不同)人脑会认为这幅画面仍然存在。

而液晶的显示特性也是问题之一,由于液晶面板是“点成像”的原因,就算画面响应时间再高,画面中物体移动时,人眼会有自动追踪物体移动轨迹的特性,然而液晶屏幕的连续性显示却无法满足人眼的需求,也就是说无法骗过人眼,因此人脑仍会感受到残影的存在。


                 图:LG在CeBit上展示的新技术产品液晶显示器

液晶面板画面响应时间的追求乍看之下已经达到了极致,目前最高画面响应时间停留在1ms已经好一段时间(2006年9月至今),而没有新的技术出现,但是1ms目前仅能在TN面板实现,其余MVA、PVA、IPS材质面板在液晶分子上的控制技术较为困难,在响应时间数字上无法与TN相提并论。不过1ms在应用上其实并不实际,顶多只能称为另1种产品销售亮点而已。

从近年显示器厂商的发展技术来看,它们针对拖影现象的改善,主要是从四大方面去着手。

一、无限制提升画面响应时间

如之前我们所提,大部分液晶显示器厂商在技术发展前期把对画质改善的方法集中在提升画面相应时间这个关键点上。

理论上当画面更新率无限提升时,其显示特性就会趋近于传统CRT萤幕,但是提升反应速率有许多困难点,包含功耗、频宽、高频讯号干扰等等,要解决这些问题必须支出庞大的成本。

虽然在最单纯的TN面板上已经达到1ms的超高更新率,但TN面板还有其他方面的缺点,其实际效果也并不突出,所以目前也少有厂商继续往这方面发展。

二、改善背光控制手段

传统的液晶显示器大部分采用的是CCFL背光手段,CCFL的背光设计主要有两种:“侧入式”与“直落式”。越大尺寸的LCD,其背光模组所占的成本比重就越高,所指的是正是直落式CCFL背光模组,根据统计,同样是使用直落式CCFL背光模组,在15英寸时背光模组仅佔整体成本的23%,但是到30英寸时就增至37%,且推估到57英吋时,背光模组所佔的成本就会达到50%。

同时,除了有随着尺寸成本迅速增长的缺点之外,CCFL背光还有耗电过高的缺点。据了解,目前CCFL背光模组的用电已佔LCD TV整体用电的90%之高。所以,改变背光技术是目前改变LCD画质的一个方向之一。



既然CCFL背光有诸多的副作用疑虑,因此业界也寻求各种新背光实现技术,而LED则是可行方案之一,由于LED应用于显示光源及背光源具高色彩饱和度、快速启动、无汞及寿命长等优点,故显示器为LED下一步具发展潜力产品。

如Sony的Qualia系列电视,即是高端的大尺寸(40英寸、46英寸)的LCD TV,其背光部分是用WLED所构成,称为WLED背光技术。而对LED背光技术的LCD Monitor研发目前亦已经到实质性阶段,我们在07年的CES会展上已经可以看到相关产品展示。


图:三星 XL20-首款高色域LED背光专业液晶显示器

三、倍频刷新与画面插黑技术

倍频刷新技术简单来说,就是将原本仅有60Hz的画面更新率,提升到120Hz(以NTSC来看),但是这可不是单纯的提升画面更新率而已,在提升画面更新率的同时,也要利用画面处理器来内插画面,就是在2格画面中间要产生1幅新画面(依照视讯内容而有所不同),借以填补动态的不足。此技术需要画面更新率在每秒120张(也就是8ms)以上的面板才能达成,而目前主流面板基本上都能满足这样的需求。

此技术未来发展性仍相当高,由于面板更新率的改善,将来也有可能产品3倍频、4倍频的画面处理技术,借以带来更平顺的画面呈现。


     图:LG将于Q3发售的Opus系列液晶显示器-支持120Mhz倍频刷新技术

插黑技术也是概念相当久远的技术之一,其与倍频刷新的概念有若干类似之处,都是将画面更新率倍增,但是在插入画面方面,黑插入技术是插入全黑的画面,借此消除肉眼的视觉残留现象。由于插入黑画面时,可能会导致面板的漏光现象,影响到整体的对比值,因此要审慎控制黑画面插入与正常画面的比例,避免降低对比。此外,黑画面插入也会降低平均亮度表现,因此也有人提出不要插入纯黑画面,而是插入前后2幅画面的灰阶平均值画面,借以兼顾亮度和动态影象的品质。


             图:明基 FP241WZ-支持插黑技术的Full HD液晶显示器


                                 图:明基插黑技术原理示意

四、自然色彩完美体验-高色域技术出笼

1931年,国际照明委员会CIE制定了CIE1931 RGB系统, 规定将700nm的红、546.1nm的绿和435.8nm的蓝作为三原色, 后来CIE1931-xy色度图成为描述色彩范围最为常用的图表。 色域就是在这张图上所覆盖的范围, 而这个范围就是由RGB三种纯色的坐标所围成的三角形或者多边形(增加补色)的面积。


图:CIE色域定义图,图中代表了sRGB与NTSC的色域范围。(国际照明委员会)

一般在PC监视器应用方面,多以sRGB为标准的色域定义,sRGB是微软作业系统所提供的标准定义,而在AV应用方面,采用的多是NTSC定义,在颜色涵盖度方面要比sRGB来得广。

但是色域并不是越广就越好,即使监视器本身能够达到超高色域,但是这些多出来的颜色不一定能为人眼所辨识,NTSC算是普偏公认的色域定义标准,而在部分特殊应用上(如印刷或印前作业),也有使用厂商自订的色域规范。而显示装置所能提供的颜色范围能够涵盖多大比例的特定色域定义,我们就可以将之称为符合70%的NTSC色域饱和度,或者是符合90%的sRGB色域饱和度等。


                    图:典型的普通液晶面板的色域饱和度都是72%左右

色域的呈现主要在背光的选择上,众所周知,液晶面板本身并不发光,而是必须透过背光的光线才能够显示画面,传统CCFL灯管在萤光材质上的限制,红光呈现能力偏弱,加上所搭配的彩色滤光片的混色效果较差,最终呈现的色域饱和度不佳,导致目前主流的LCD监视器或电视在色域呈现能力上不足,多仅能达到72%NTSC左右。

新型的W-CCFL(广色域背光灯管)能够相当程度的改善色域呈现问题,有效加强颜色饱和度,如果搭配新型的多色滤光片(在RGB三原色以外多加如黄色、青色或白色等颜色的滤光片,借以增加颜色呈现能力),在显示能力上还能够进一步提升。滤光片对色域表现有所帮助,但是幅度不大,影响色域呈现能力主要还是在背光模组技术方面。W-CCFL只是在萤光材质进行改良,仅仅更换W-CCFL背光模组,就能将色域饱和度从原本的72%NTSC提升到92%NTSC的程度,且几乎不会增加成本,因此各大液晶监视器或液晶电视制造公司也开始大幅采用此种背光技术,只要是色域范围在NTSC90%左右者,几乎都是此类灯管。


                        图:新型的广色域液晶面板色域饱和度可以达到92%以上

随着LED光源技术的进步,采用LED作为LCD背光光源的产品也越来越多, 采用此类背光,可将色域提升到破表的程度(也就是超越NTSC色域范围),目前的推广困难度主要是在技术与专利部分,其实成本并不会提高太多(除了多色混光LED背光技术以外),目前关于LED背光技术的发展仍然以日韩为业界领导者。

结语:从近几年LCD技术发展的现状和趋势来看,它们无一不是围绕着同一主题:“追求人类肉眼舒适性极限”。另外,除了追求视觉舒适性极限之外,技术的发展更多是应用范围的广泛性上,如3D显示、触摸屏技术等等,基本都是现有技术的延伸和应用。

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