4.2.4 场序列彩色显示技术

1.场序列彩色显示原理

场序列彩色液晶显示器（Field Sequential Color LCD，FSC-LCD）是一种不需要使用CF即可实现彩色显示的液晶显示器。如图4-8所示，利用时序控制背光源依次发出红色背光、绿色背光和蓝色背光，相应地在显示屏上依次显示红色子画面、绿色子画面和蓝色子画面，在人眼无法识别的极短时间内，利用人眼视觉暂留效应，在视网膜上透过时间混色的方法呈现一幅全彩色影像。场序列彩色显示技术是综合场序列背光源、快速响应液晶、高频驱动TFT开关和无色阻CF的集成技术。

由于没有CF色阻的滤光作用，显示屏的透光率可以从现有的6%提高到20%左右，有效降低LCD的功耗。由于采用三原色的R-LED、B-LED和G-LED，画面的色彩饱和度更高，色域范围大于NTSC 110%。并且，能够获得高性能的运动影像。CF不需要RGB色阻还可以降低产品的成本。

但是，FSC-LCD存在严重的色分离（Color Breakup，CBU）现象，影响影像质量。FSC-LCD工作时，人眼与影像之间有一个相对速度，RGB 3个子画面在视网膜上无法完全重叠，在边缘会有颜色错位的现象，并经视觉暂留积分形成色分离现象。改善色分离现象的对策主要有两个方向：加快液晶的响应速度、优化驱动电路的算法。

2.液晶的快速响应技术

提高LCD画面的更新频率，可以缩短RGB子画面在视网膜上的分离宽度，降低人眼对色分离现象的感受。图4-9比较了在不同帧频下，R G B三原色通过FSC-LCD合成后的模拟色分离效果。根据模拟结果，提高帧频可以有效改善FSC-LCD的色分离现象。提高LCD帧频，需要提高数据线和扫描线的电压传输能力、提高TFT的开关速度，提高液晶的响应速度。

提高数据线和扫描线的电压传输能力可以用电阻率更低的铜材料代替现有的铝系材料；提高TFT的开关速度可以用电子迁移率更高的LTPS TFT或Oxide TFT代替现有的a-Si TFT。理论上，在其他条件不变的前提下，TFT器件的电子迁移率提高8倍，驱动帧频提高8倍，即帧频从60Hz提升到540Hz（=3×180Hz），也能保证像素电压的正常写入。

目前，阻碍FSC-LCD进一步发展的瓶颈是液晶的响应速度不够快。如图4-10所示，以R色场为例，在一帧时间内，等所有扫描线上的液晶转动到指定的亮度（对应一定的倾斜角度）后，R-LED才能点亮，以保证整个R子画面不受其他信号的干扰。设R-LED点亮时间为T_flash，在R-LED点亮之前，一帧时间内还包括所有扫描线扫描完成所需的时间T_scan，以及液晶的光学响应时间T_response，三者的关系满足式（4-2）。在量产的液晶材料中，TN的响应时间最短，也只有5ms左右，相应的灰阶响应（Gray to Gray，GTG）时间只有2～3ms。假设GTG时间为3ms，一帧时间的5.6ms里，用于LED照明的时间不到2.6ms。这样，相比使用相同颗数白光LED带CF模组亮度，FSC-LCD的亮度最多只有46.4%[≈3×2.6/（5.6×3）]。

可见，传统FSC-LCD的问题就是背光作用时间很短，需要超高亮度的高功率RGB三原色LED。如果能够加快液晶的响应速度，就能增加LED点灯时间，从而提高FSC-LCD的亮度。目前，能够大幅提升响应速度的液晶主要有OCB液晶和蓝相液晶。OCB液晶在加电状态下液晶分子的偏转角度极小，转换速度非常快，这种液晶模式的响应时间为0.2～2.4ms。而蓝相液晶具有比OCB液晶更快的超高速响应，达亚毫秒级别。FSC-LCD采用蓝相液晶，可以大大降低动态伪像，改善色分离现象。

3.驱动电路算法优化技术

为了改善FSC-LCD的色分离现象，还可以采用插帧技术、动态画面补偿技术、Stencil-FSC法等。大部分技术都需要快速响应的液晶支撑。有些方法会牺牲显示亮度，有些方法受到观察者不确定的运动限制。

插帧技术就是插入其他颜色的子色场画面，使色分离条纹与所插入的子色场进行色彩的叠加，缩小图像边缘错开的颜色差异，减少颜色条纹的对比，抑制人眼对色分离的感知。图4-11给出了几种插帧技术基于人眼积分模型（eye-trace integration modeling）算得的白色画面合成效果：插入黄色Yellow子色场的RGBCY色序法、插入白色White子色场的RGBW色序法、插入黑色Black子色场的RGBKKK色序法等。插入其他补偿色的色序法，其动态画面色分离现象与单纯RGB色序（RGB 180Hz和RGBRGB 360Hz）相比，色分离现象有明显的改善。其中，RGBW（或GBRW、BRGW）色序法可将物体一侧色分离现象“漂白”，合成更宽范围的白色，使动态色分离现象不明显。

RGBW色序法可以提高画面亮度，但会降低画面对比度。如果插入的是RGB三色中的某一色，即RGBG、GRGB、BGRG、GBGR色序法，效果就相对较差，因为其无法完全补偿图像边缘错开的颜色差异，在图像边缘混不出无色灰阶画面。其他插入更多子色场的技术，由于受制于液晶响应速度而难以实现。比如，RGBW色序法可把物体两侧色分离现象同时“漂白”，改善色分离现象的效果更明显，但需要300Hz的高频驱动。

色分离现象的本质是人眼追迹物体的连续积分不同于影像的非连续动作。动态画面补偿技术就是分析画面中的物体移动，作为预期眼球跟随移动物体的移动速度，然后依据画面内容及眼球速度调整各色场画面内容。该技术通过改变各个子画面的内容来补偿人眼的运动，使3个子画面呈现在同一位置，以解决色分离现象。如图4-12所示，在观察者观看时，通过减少眼球与画面各色场之间的相对运动，以减小色分离条纹宽度。该技术的缺点是需要较复杂的人眼运动模拟算法及执行算法所需的硬件。如果眼睛与移动物体产生反向的运动，将导致更严重的色分离现象发生。

Stencil-FSC法是一种四色场色序法，抛开传统色序法的各子画面只显示单色影像的限制，改为使用显示彩色影像的子画面，如图4-13所示。首先，利用第一个含有大部分影像亮度的彩色色场显示大致画面，再使用红、绿、蓝3个单色色场来修补影像的细节。通过Stencil-FSC法可降低红、绿、蓝三色场的色彩及亮度，有效抑制色分离现象。Stencil-FSC法的帧频一般为240Hz，又称4-Field Stencil-FSC法。如果要让FSC技术应用于TN等显示模式中，可以把帧频降低到180Hz，实现3-Field Stencil-FSC法。因为人眼对绿色是最敏感的，所以将绿色色场的信息放在第一个色场，则分离的颜色将不存在绿色，所以色分离几乎无法察觉。

FSC-LCD中的色分离现象，在液晶响应速度不够快的限制下，只能设法尽量不被观察者所感知。除改善色分离现象外，FSC-LCD还需要在液晶响应速度受限的条件下，尽量提升显示性能。比如，利用扫描背光技术提高显示亮度，降低功耗。如图4-14所示，扫描背光技术就是把背光源从上到下依次分成m（m＞n+1）个区块，分别进行独立的点灯控制。扫描背光技术可以把T_scan时间缩短到原来的1/m，这样就可以在不提高液晶响应速度的条件下增加LED背光的点灯时间T_flash。对于高分辨率的产品，采用扫描背光技术可以实现高亮度和低功耗的效果。