深入的了解Color Filterless技术

　　序：LCD技术堡垒的最后两块“硬骨头”

　　一直以来，图1中液晶显示器的工作原理都深深印在每个DIYer的脑海里：背光模块中的冷阴极荧光灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，简称CCFL)发出白光，经过光调制模块的反射和散射效应，获得较为均匀的类面光源；通过控制薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT )两端的电压，进而控制液晶分子的排列方向，从而达到控制背光通过率的目的；最后，经过调制的光穿过RGB三原色组成的滤色膜(三个液晶盒为一组(一个像素点)，分别对应R、G、B三种颜色)。这样，我们就可以得到不同强度的RGB光，宏观上就有了我们所能看到的全彩色。

图1 大家所熟知的液晶显示器的工作方式

　　目前主流的LCD显示器最高可以显示32位色，就是在R、G、B三种颜色各8位的基础上再加上一个8位的ALPHA通道(亮度通道，与颜色无关)，(28)3＝16777216，也就是我们常说的16.7M(1M＝106)色。不过，这也只是LCD显示器理论上能够表现出来的最大色彩数；实际上，色彩数的多少和表现的准确性很大程度上受到CCFL背光模块和滤色膜的影响。

　　因此，背光模块和滤色膜就成了LCD显示器技术攻坚的最后两块“硬骨头”。LED背光技术的出现，很大程度上克服了CCFL背光模块中白色不纯的问题。随着这两年的技术进步，LED背光即将进入真正的市场推广期。现在人们更企盼在滤色膜技术上取得实质性突破，这就是我们今天要介绍的主角—CFL(Color Filterless 无滤色膜)技术。

　　我们不妨将传统的LCD显示器方案称为CCFL方案，使用LED背光技术的LCD显示器称为LED方案，而使用无滤色膜技术的则叫做CFL方案。为了给大家一个直观的印象。我们先在表1中对这三种方案的优缺点进行一次粗略的对比。

　　一、CCFL是否已是强弩之末？

　　可以说，在沿用了数十年的CCFL方案中，实际上是使用空间混色的方式实现彩色的。我们只要用简单的放大镜，在白屏情况下便很容易地观察到液晶显示器中每个像素都是由R、G、B三个长方形*色块组成(图2)。因此要想获得完美的色彩表现，背光模块和滤色膜的性能就显得尤为重要了；而且在整个液晶面板的成本中，背光模块和滤色膜要占到40％左右(图3)。

图2 LCD显示器的1个像素点由三个单原色像素点构成(示意图)

　　*注释：这个形状会因面板的不同而略有差异，如常见的TN面板是长方形，而PVA面板多为三角箭头等。

图3 常规LCD显示器中各部件所占成本的比重(资料来源：Displaysearch.com)

　　从LCD显示器诞生之初，CCFL背光模块就一直在幕后默默无闻地工作。即使是现在，95％以上的LCD显示器仍然基于技术成熟的CCFL背光模块。但是要将CCFL的线光源在很小的空间里转化为均匀的面光源并不容易—由于结构复杂，CCFL模块需要使用多个反射层和散射层来调制光线，这样一方面会造成光线的无谓衰减损耗，另一方面一旦中间任何环节出现了差错，反映到液晶显示器上就是非常明显的Mura亮斑(见本刊8月下新手上路栏目文章)。另外，CCFL需要高压设备来点亮荧光管(通常需要500V以上)，增加功耗的同时还严重限制了面板的尺寸和重量。

　　最关键的是，CCFL技术方案限制了液晶显示器色彩的发挥，为什么这么说呢？我们在前面介绍CCFL原理时提到，滤色膜的三基色默认CCFL发出的白光和日光一样均匀(三基色所占的成分)，并以此为基础显示正确的颜色。遗憾的是，CCFL背光模块并不能达到设计的要求，这样一来显示的颜色也必然会有局限，仅能够达到70％左右的NTSC标准。另外，虽然CCFL工艺也在不断改进，灯管的寿命已达到3～6万小时；但这个寿命指的是灯管亮度从开始使用(100%)到亮度降为设计亮度50％的时间，在实际使用中，往往灯管的亮度降到70%～80%的时候，我们就会觉得显示器发黄、亮度降低，再低的话我们就不能接受了。

　　你知道CCFL背光模块是如何来工作的吗？

图4 CCFL荧光灯管的工作原理

　　CCFL的工作原理非常简单，即在背光模块中安放一段很细、但是发光效率较高的冷阴极荧光管(俗称日光灯)。在工作时首先通过高压击穿管内的惰性气体，并从低电势的一端释放出大量电子向高电势的一端运动，在加速过程中，灯管内的氦气(或者是氩气)分子会发生电离，进而激发灯管内蒸汽态的水银(Hg)分子发生电离并释放强烈的紫外线。在紫外线的激发下，管壁内的荧光粉会发出接近(近乎)白色的可见光，最后通过导光板、扩散片等调制部件将出射光线均匀化。最后，我们看到的出射光就好像是均匀面光源发出来的。

　　你知道什么是NTSC标准吗？

　　在介绍NTSC之前，先让我们补充一下色域的知识。人眼对自然界中的各种颜色非常敏感，所有能被人眼感觉到的色彩样本，就组成了图5A中的整个“色域”。按照应用方式的不同，我们常听到的关于颜色的标准有两个：一个是应用于显示(器)行业中的RGB标准，另外一个就是打印/印刷行业所使用的CMYK标准。不管是RGB还是CMYK，它们所覆盖的范围都是整个色域中的一部分(图5B)。在图5C中，我们可以看到几种常见应用方式所涉及的色域范围(从左依次为)：照相机、扫描仪、彩色电视机、打印机以及印刷设备。

图5 色域的概念

　　这其中，NTSC是关于彩色电视机的色彩标准，它是由美国国家电视标准委员会 (National Television Systems Committee，NTSC) 于1953年定义的视频色彩空间，随后又对颜色做过多次增补，现在已经成为世界范围内通用的视频色彩标准之一，常常用来衡量显示设备的色彩输出能力——即色饱和度。

　　色饱和度的计算方式是用NTSC所规定的三基色色域面积作为分母，然后用显示器三基色色域面积作为分子，分子与分母的比值就是色饱和度。比方说某显示器的色饱和度是71%NTSC，就表示该显示器可以显示NTSC所规定色域中71%的颜色(种类)。目前笔记本电脑所用的LCD屏幕的色饱和度大约是40～50%NTSC,台式机液晶显示器可以达到60～70%NTSC。