让“视”界更亮丽——Color Filterless技术解析
技术空间
经过10多年的发展，LCD在色彩表现、亮度、对比度、可视化角度、响应时间等重要指标上有了长足的发展，当初的“丑小鸭”已经演变为今天的“白天鹅”。与此同时，很多人认为LCD技术发展到极限了。事实果真如此吗？当然不是！目前业界正准备掀起一场新的革命，变革的对象正是LCD内部的滤色膜，陪伴我们多年、功绩卓著的滤色膜将退出历史的舞台，而引爆这次革命的主角就是Color Filterless（无滤色膜，简称CFL）技术。
滤色膜扮演的角色
我们知道，LCD的工作原理的实质就是让液晶面板上的每一个独立像素产生我们需要的颜色（图1）。在这个色彩产生的过程中，CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷阴极荧光灯管）充当了显示器背光源的角色，它发出的白光经过光调制模块的反射及散射效应，以获得相对均匀的类面光源。液晶层位于两片偏转电极之间，当给薄膜晶体管两端施加电压时，电场产生的作用力就会让液晶朝某一个方向排列，施加的电压强度不一样，液晶分子排列的方向就不一样，从而达到控制背光通过率的目的。最后，LCD的一道工作就是将像素“渲染”成我们需要的颜色，滤色膜就是完成这道工序的主角。
滤色膜是由红、绿、蓝三种颜色构成的滤片，它们有规律地制作在一块大玻璃基板上。每一个像素（点）是由三种颜色的单元（子像素）所组成，分别对应R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色（图2）。通过对这三种颜色的单元进行控制，我们就可以看到不同颜色的像素了。显而易见，当一块面板的分辨率为1280×1024，则它实际拥有3840×1024个晶体管及子像素。由于要在空间上依赖更多的像素来实现颜色的表达，因此我们也把这种技术称为空间混色。
滤色膜的缺陷
一项新技术的诞生，往往是建立在以前技术的不足之上。沿用多年的滤色膜有什么缺陷而成为众矢之的？在专业的平面设计领域，很多设计师依然偏爱传统的CRT显示器，究其原因，还在于LCD的色彩表现能力无法达到他们的要求。我们知道，滤色膜要显示正确的颜色，首要条件是CCFL发出的白光和日光一样均匀。虽然LCD内部使用了光调制模块来解决这一问题，但多次的反射、散射也会造成光线的损耗，最为可怕的是，一旦光调制环节出现了一点差错，LCD的显示效果就会大打折扣。一些朋友对于Mura亮斑并不会陌生，这类亮斑让我们视觉上无法接受，它就是光调制环节出现差错而产生的。事实上，使用CCFL背光源的LCD的色彩输出能力只能达到65%～75%左右的NTSC（National Television Systems Committee，美国国家电视标准委员会）标准。
小知识：在LCD内部的光调制模块中，棱镜片可以使原来不太均匀的白光变得均匀，但当LCD表面受到挤压时，棱镜片就有可能被损坏，从而导致大量光线无规则散射。显而易见，此时LCD显示面板就无法获得亮度均匀的画面，亮度不均匀的Mura亮斑就此产生了。
既然CCFL背光源是引起问题的“罪魁祸首”，那么LCD改革的对象首先就要从背光源开始。因此，人们想到了民用照明领域广泛使用的LED（Light Emitting Diode，发光二极管）技术，研究人员已经将它成功地“移植”到了LCD上。LED可以发出近乎完美的白色光，色彩输出能力达到了105%以上的NTSC标准（图3）。此外，采用LED可以令LCD更加轻薄、长寿（注：欲了解更多LED方面的知识，请大家参阅《电脑报》今年第14期D8版）
虽然LED可以从根本上改善LCD的色彩输出能力，但它仍然使用原来的空间混色方案，为了达到理想的色彩效果，一片高质量的滤色膜是不可或缺的。不过遗憾的是，这种高质量的滤色膜制造技术只掌握在少数几家企业的手中，而且制造工艺复杂，产品价格居高不下。怎么办？此时，研究人员又想到了LCD诞生之初便出现的混色方案，即以时间混色代替目前流行的空间混色方案。在这种思路的指引下，结合目前LCD的发展现状，滤色膜完全可以拿掉！
CFL的秘密“武器”
什么是时间混色？这种技术在LCD诞生之初就有人提出来了，为什么直到现在才去实现？欲了解真相，还是让我们先看一幅比较图吧。图4左边是空间混色方案，右边则是时间混色方案。时间混色方案要在1帧画面的时间内快速切换三种颜色，从而分别发出R、G、B三种颜色的光。换句话说，时间混色方案将1帧画面分成3个子帧，R、G、B三种颜色各一帧，最后再把这3个子帧合成起来，于是我们就可以看到需要的颜色了。细心的朋友一定会发现，CFL的这种显示原理和电影画面有点相似，电影就是由事先拍摄好的静态画面合成的，而在播放时则利用高速切换的特性骗过我们的眼睛，CFL将三帧单色画面合成彩色画面，也是同样的道理。
现在的问题是，LCD能在这么短的时间内切换3个子帧吗？目前LCD的刷新率为每秒60帧，要让我们的眼睛感觉不出3个子帧的切换，每个子帧显示的时间就不应超过5.55ms（1s÷60÷3≈5.55ms）。在LCD发展的早期，响应时间一直居高不下，不要说5ms，就是20ms也是难以跨越的鸿沟，因此时间混色方案一提出来便被“枪毙”了。而现在，灰阶响应时间已经发展到1ms的水平，液晶分子的响应时间早就不是困扰该技术的难题了。
除了液晶分子的响应时间，背光的响应时间也是时间混色方案在早期难以应用的原因。我们知道，从LCD问世到现在，LCD仍然使用CCFL灯管，而这种类型的灯管从熄灭到点亮最快也在100ms左右，这与5.55ms还有较大的距离。细心的朋友可能会想到：既然一个颜色的CCFL灯管不能完成此任务，为何我们不可以利用三种颜色的CCFL灯管呢？三套CCFL协同作战，如此不就不用考虑背光的响应时间了？从理论上说，这种方案确实可行，但在实际应用中，三种颜色的CCFL要协同作战，不但结构非常复杂，整体成本也无法获得有效控制。
如何解决背光响应时间问题？就在此时，LED扮演了“救世主”的角色。LED背光可以灵活地调整发光频率，而且频率大大高于CCFL，因此能完美地呈现运动画面，从蓝到红，LED背光可以有多种颜色，三基色背光技术对于LED来说是“小菜一碟”。如此一来，背光的响应时间也就顺利解决了。
CFL技术是如何借用LED背光源实现颜色的显示？我们还是通过一个例子来说明。假设LCD要显示蓝色的像素，它将在红色LED和绿色LED点亮时阻止光线全部通过，而在蓝色LED点亮时让光线全部通过。红色、绿色的显示与此类似，只不过是完全通过和完全阻止的对象不一样而已。至于其它颜色的像素，则根据需要调整好光线通过的比例即可。事实上，控制背光通过率的方法依然沿用了现有的技术，只须控制液晶分子的偏转方向。'
CFL会带来什么好处
现在我们知道，CFL技术是在LED背光技术的基础上去掉滤色膜而实现的，LED背光的优点顺理成章地被CFL继承了。把生产工艺复杂的滤色膜去掉后，其好处是不言而喻的：一是生产成本降低，虽然目前LED还处于市场推广的初期，价格相对较高，但它的降价、普及只是时间问题，去掉滤色膜的LCD在生产成本上更具优势；二是LCD的亮度、点距、分辨率等指标将有新的突破，CFL把LCD的开口率（在单元像素内，实际可透光区域面积与单元像素总面积的比值）提升了近3倍，使得光透过率增加，由此可以实现亮度更高的液晶屏，或者在满足显示屏对亮度要求的前提下，使背光源功耗降为最低，从而降低整个模块的功耗。另外，开口率提升以后，厂商也能在同等尺寸的面板上制造出点距更小、分辨率更高的显示器。
早在2005年10月，三星电子就宣布开发出世界上最大的无滤色镜薄膜晶体管液晶面板，并展示了32英寸的CFL-LCD（图5）。该面板可以显示出110%NTSC标准的色彩饱和度，可以为专业设计者提供准确的色彩显示及复制功能，同时也使得亮度为500 cd/㎡的LCD开口率高达78%，电量消耗仅需82W，仅为采用CCFL灯管的LCD所需电量的60%。
写在最后
目前困扰CFL-LCD发展的难题主要有两个：一是LED背光模块的价格，当前LED背光模块还要在成品率方面多下功夫，不过我们相信，LED背光模块遇到的难题会被逐一解决，其大规模生产只是时间问题，就像LCD从当初的贵族消费品转变成如今的平民必备品；二是驱动芯片需要重新设计，时间混色要求LCD在相同时间内要显示更多的子帧，由于工作频率是现在的3倍，驱动芯片的逻辑电路需要重新设计才能满足新的要求，从定位设计至完全成熟，这些都需要一定的时间来解决。尽管前进的道路并不一帆风顺，但CFL-LCD遇到的难题是暂时的，其发展潜力始终是CCFL-LCD所无法比拟的，我们深信，CFL-LCD将会取代CCFL-LCD成为未来主流的LCD！