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大尺寸LCD TV迈向高画质之技术探析

发布时间:2020-05-25 发布时间:
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    前言:国内TFT LCD产业从最小的口袋电视、手持式摄影机、数位相机等小吋数开始,之后进展至笔记型电脑、桌上型电脑用显示器等中型尺寸,如今则是往大尺寸的客厅级、家庭剧院级的LCD TV市场迈进。

    关于此,TFT LCD所要面临与挑战的,不单单是已发展数十年的CRT映像管(也称为“阴极射线管”)电视,也包括PDP电浆(也称为“等离子”)电视,甚至是内外投影型显示。虽然TFT LCD有著轻薄省电的优势,但纯就显示品质的特性表现而言,TFT LCD反而是最居劣势的,不仅不如过往的CRT,同样的也不如PDP,且PDP与LCD一样都诉求轻薄、平面等特性。

    也因为如此,力主LCD TV的业者正积极用各种技术来强化其表现,而到底有哪些画质与显示特性必须要增强?才能拉近LCD与CRT、PDP间的差距,以下我们将对此进行逐一探讨。

亮度(Luminance)

    亮度(辉度)是LCD TV第一个要克服的难题,以往TFT LCD作为笔记型电脑的显示器(8英吋∼15英吋)时约只要100nits∼150nits(也称为「cd/m2」,即每平方公尺的面积内有几烛光)的亮度,而作为桌上型电脑的显示器(15英吋∼19英吋)时则要提高至200nits∼350nits,至於更大吋数(30英吋以上)的LCD TV,就必须要达500nits以上才行,且以更高标看待的话应要至1,000nits。

    LCD亮度不如CRT、PDP的原因来自天生性的原理结构,这点难以改变,因为LCD属於被动性显示,画素本身无发光能力,是透过背部光源来显像,而CRT、PDP本身即具有发光显像性,且LCD背光经过层层的光折损,能传达至前方面板已所剩无几,言下之意的即是透光率极低,即便以现行较先进的工艺技术,都难以突破10%的透光,多数都在百分之个位数的光透量,也因此背光需要极高亮度,过去有业者曾尝试使用OLED作为背光,也因亮度不足也未採行,使OLED转往电子照明发展,由此可知,背光的亮度需求高于一般的电子照明。

对比(Contrast)

    亮度与对比是显示的两大特性,很不幸的LCD的对比也不如CRT,甚至也低于PDP,然而对比值越高显示的画面才能越生动。

    附注:事实上,“对比”还可区分成“明室对比”与“暗室对比”,其中PDP的暗室对比表现优于LCD,反之LCD则在明室对比下较佳,明室如展示会、卖场等亮处,暗室如家庭剧院、简报室等暗处。

    关于此各家业者都积极努力中,并为此研发各种新技术,举例而言,国内的奇美电子已经能将LCD TV的对比提升至1,500:1,若再搭配其开发的动态对比(Dynamic Contrast)技术,则可将比值增至5,0000:1。

产制良率

    就CRT、LCD、PDP三者而言,LCD的生产制造良率也是最困难的,CRT由於製造技术相当成熟,所以没有良率问题,PDP由於是运用许多微小的三原色霓虹灯所组构成,所以产制过程中有任一像素的坏损都仍有替换机会,而LCD则是在2片平行板注入液晶,再自外部进行液晶扭转控制,此种作法在面板尺寸愈大时,愈难保持2板间的平行度,这正是愈大尺寸的LCD面板,其良率愈低的原因所在。

    此外,大尺寸面板真的在制造过程中损坏,也无法转变成小面板来产制,而必须全然废弃,废弃的成本必须转嫁到其他良品上,因此LCD的良率控制最困难,而良率不佳也将影响LCD的产制成本。

反应速度

    反应速度(也称“应答时间”)也是LCD的一大弱项,一般而言反应速度最佳的是CRT,其次是PDP,LCD为最末。反应时间以「毫秒,mS」为单位,毫秒数愈小则反应愈快,显示表现也越佳。

    不过,今日一般型录上所写的反应时间,多是由黑(最暗)转白(最亮)与由白转黑两项表现的平均值,例如由黑转白为3.6mS,由白转黑为2.3mS,平均的结果约3.0mS,型录上就会写:3mS。所谓的「最暗」与「最亮」,其实是指每个像素(Pixel)的每个原色(红绿蓝其中一个),以一个红原色像素来说,「最红」即是「最亮」,「最不红」即是「最暗」。

    除了「最暗转最亮」与「最亮转最暗」外,其实还有阶层性的变化,以8-bit色阶而言,最亮到最暗共有256个刻度,0为最暗,255为最亮(最红、最绿、或最蓝),倘若今日是从「5蓝」转成「120蓝」,此可称为「灰阶对灰阶,Gray-To-Gray,简称:GTG」的转变,所谓「灰阶」即是并非「最暗」也并非「最亮」,即是色阶中1∼254的范畴。

    事实上GTG才是LCD的至弱困扰,「最暗转最亮」与「最亮转最暗」的反应速度都还算快,真正反应缓慢的就在GTG上,但GTG又是真正显示时最常用的,机率远多於「最暗转最亮」及「最亮转最暗」,倘若最暗亮互转(也称为on/off,即是最大液晶扭转与不扭转)的平均反应时间为25mS,则GTG多半会超过80mS,而on/off为16mS时GTG也会超过60mS。

    此外,8-bit色阶(或称:色深)只是基本,更高品质的显示已增至10-bit、12-bit,如此灰阶的细腻刻度更多,这也就更加考验液晶扭转的反应时间。

可视角度(Viewing Angle)

    与「反应时间」相同的,「可视角度」也是LCD低落於CRT、PDP的一项,如前所述,LCD属於被动性显示,光自背部透至前端,而不是CRT、PDP的主动性自发光(OLED也是主动性发光),使得LCD的可视角度受到限制。

    可视角度在个人电脑(包括Desktop、Laptop)显示器时的问题并不大,毕竟个人电脑仅供个人之用,观赏银幕者仅一人,可居於最中间的角度位置,获得最佳的视角效果,然而用在LCD TV便有问题,LCD TV放置于客厅,有多位观赏者,窄义来看至少是位在沙发上的人都能观看,广义来论则是客厅任一处都要能观看。

    关于此,业者也积极强化LCD的可视角度,并且以水平可视角度为首要重点,其次再去增强垂直可视角度,这是从应用需求角度来设定,客厅中每个人观赏银幕的高度相去不远,但观赏的左右角度就会差很多,这正是优先提升水平可视角度的缘故。
        另外,业者为了改善视角问题提出了各项技术,常见的包括有TN+film、MVA、IPS等,其中MVA是Fujitsu所提出,国内的奇美、友达则有获得技术授权使用,IPS则是由Hitachi所提出,之后IBM Japan、NEC、Toshiba也都有此项技术,国内亦有瀚宇彩晶获得授权。另外也有较独研独用的视角改善技术(也称:广视角技术),如Sharp的ASV、Samsung的PVA等。[page]

色饱和度(Color Gamut)

    色饱和度(也称:色域范畴)也是CRT最佳、PDP次之、LCD居尾的情形,不过此方面已有大幅改善的可能,过去LCD TV多使用CCFL背光技术,碍於CCFL的发光特性使LCD的色饱和度无法更佳,然而在LED背光技术提出后,色饱和度不仅超越CCFL,甚至可以超越NTSC(National Television System Committee)的色域范畴,即是超过100%的色饱和度,而CRT的色饱和度一般约在71%。

    当然,LED背光目前仍有许多因素有待克服,如散热、用电、亮度特性整齐度等,然在此不多作讨论。

残影(Ghost Shadow)

    残影(也称「鬼影」)是LCD独有的问题,CRT、PDP等并无此问题,对此业者必须用技术方式来抑制残影问题。

    以CCFL背光型LCD来说,其抑制残影的方式是从显示控制中著手,即是在每一个视框(Frame)画面转换前加插一张全黑的画面,然后再替换成新一张的视框画面,以此来抑制残影。

    至於更先进尝试的LED背光型LCD,由於背光的亮度控制多採行脉宽调变法(Pulse Width Modulation;PWM)来调节,如此要实现相同的「加插一张全黑画面」就变的比较容易,可直接在背光亮度的PWM调变中进行,不需要像CCFL般从显示控制中处理。

寿命

    在许多印表机测试是将「列印速度」也归列在「列印品质」的范畴内,倘若列印出来的画质结果相当细腻优美,但每列印一张都要等上5分钟,那么也是会在「列印品质」上打折扣。

    同理,LCD的使用寿命也当以显示品质的角度来权衡,这也是今日许多人仍对PDP电浆电视抱持犹豫的原因之一,就使用寿命而言,CRT最长、LCD次之、PDP最末。

    关於CRT的长寿耐用特性已不需赘述,在此仅就LCD与PDP进行讨论,就一般而论,LCD的寿命为6万小时,PDP则为3万小时,不过两者都还有些细节要考虑,LCD随著使用时间增长,体质较弱的液晶(或製程、长期驱控特性等因素)会开始难以精确扭转,甚至不再受控,此时就会產生所谓的坏点(dot defect),影响显示观赏时的美观度。同样的,PDP随著使用时间的增长,其亮度也会逐渐减弱,一样使显示品质打折扣。

    除此之外,LCD的部分还必须考虑背光问题,一般来说CCFL光管的寿命约在10,000小时,而LED背光若能搭配感应调整技术则多能用上25,000小时,然而两者都低於PDP的30,000小时,换句话说,LCD的显示寿命也受限於背光寿命。

    所幸的是,背光部分可以再行更换,以此来延续LCD TV的使用寿命,然而目前有推出LCD TV的家电业者是否有配套提供中期换替服务,则有待更进一步确认。

    当然!也有人认为数位平面电视的发展尚未至全面成熟,包括数位视讯节目的格式标準、数位视讯端子等都还在持续演进中,如此无论LCD TV或PDP TV都有可能尚未使用到寿限,就得面临新规范标準时的汰换。

        附注:坏点还可区分成「暗点」与「亮点」,即是「最暗」或「最亮」状态的像素坏损,然而「暗点」在显示上的碍眼、突兀程度低于「亮点」,亦即亮点对显示品质的损伤较大,一般业者在销售时只标榜「亮点」数的控制,如完全无亮点,或仅有3处亮点(A级),而少去提「暗点」问题。

结论

    以上我们所谈论的LCD显示品质要项,大体是针对指标性的主项来论,除此之外还有更多的细项要求,例如色温(Color Temperature)、Mura(来自日本语,而今已惯用成俗)、Gamma Curve(伽玛曲线)、Crosstalk等,这些细项有些并不在產品型录上揭露,只有在研发验证与生產测试时,透过量测仪器才能够得知,或肉眼虽可细辨其箇中差异,但也无法具体量化表述。[page]

    此外,许多人重视电视的健康指数,因此对於电视辐射相当重视,此点反而是LCD的一大优势,LCD没有辐射,而PDP虽有辐射,但辐射量低於CRT,此外就电磁波强度而论也是LCD最佳,然这已非显示品质的范畴。
▲NEC於2006年4月发表的21.3英吋彩色LCD显示器,型款编号为NL160120BC27-14,解析度方面可支援到UXGA。(图片来源:www.nec.co.jp)

▲Philips的23英吋液晶电视:LC04 Modea,该款液晶电视曾荣获2005年iF Design设计奖。(图片来源:www.design.philips.com)

▲富士通西门子(Fujitsu Siemens)公司的MYRICA V17-1液晶电视(LCD TV),画面尺寸为17英吋,重量6.5公斤,属於桌上型个人电脑用显示器与小型电视的双用组合。(图片来源:www.fujitsu-siemens.com)

▲2006年的21 iF產品设计奖中,Philips的23英吋液晶电视:ME5P也在其列。(图片来源:www.design.philips.com)

        ▲宏碁(Acer)於2005年7月发表三款液晶电视,尺寸分别为20英吋、26英吋、32英吋,正式以资讯业者身份跨入消费性电子领域,在此之前消费性电子的主要电视业者为LG、Philips、Samsung、Sharp、Panasonic、NEC等,图为Acer的32英吋型款LCD TV。(图片来源:www.acer.co.nz)

▲LCD TV让资讯业者跨足消费性电子领域已是事实,然国际资讯大厂戴尔(Dell)不仅以LCD TV跨入,甚至也推出PDP电浆电视產品,图为Dell的PDP TV,目前有42英吋、50英吋两款。(图片来源:www.dell.com)
 

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