1.3　TFT-LCD的彩色显示

彩色TFT-LCD的功能就是让使用者看到五颜六色的画面。“画面”的载体是亮度可控的像素点阵；“五颜六色”是指要求TFT-LCD必须具备合成色彩的原色及还原色彩的能力；“看到”是指让使用者眼通过人脑感知到，前提是要有一定亮度的光。人眼看到的光是有亮度、有颜色的。只有把亮度和颜色进行量化处理，才能科学地把握TFT-LCD彩色显示的原理。

1.3.1　光的颜色和亮度

不同波长的光的能量不同，光的强度也不同。在一定的波长范围内，光的强度的分布称为光源的分光分布。不同的光源的分光分布，给人的亮度和颜色的感觉是不一样的。为了方便色彩研究，避免光源差异带来的视觉差，国际上规定了五种标准白光光源的分光分布，如图1-14所示。用分光光度计测量这些光源时，扫描所有波长并获得相应的测光值，可以形成一个以波长为横轴，测光值为纵轴的分光分布曲线图。图1-14以标准E光源为基准，分别描绘了其他四种标准光源的相对能量密度。表1-2给出了这五种标准白光光源的比较说明。在TFT-LCD的色彩应用上，分光强度的相对值比绝对值更有应用价值。确定各种单色光的混合比例，可以确定色彩。改变混合量，只能改变光的亮度，而光的颜色是不会改变的。所以，图1-14中的这些测光值只是光的强度（能量），不是客观存在的绝对强度。

白光光源照射到物体上时，一部分光被吸收，剩下的光被反射到人眼，被人眼感知，形成相应的色彩概念。其中，白光光源、物体和人眼构成视觉现象三要素，视觉现象三要素的关系如图1-15所示。人眼从TFT-LCD上感知到五颜六色的画面，也需要光源（背光源）、物体（显示屏）、人眼。显示的视觉现象三要素关系如图1-16所示：背光源的背光照射到显示屏上，一部分光被吸收，剩下的光透过显示屏进入人眼，被人眼感知，获得各种所需的颜色。进入人眼的光带有一定的亮度和色彩。

只有量化亮度和色彩，才能科学地利用光，使TFT-LCD真实地还原物体本来的面貌。若要量化光的亮度，就要在光的能量和亮度之间建立对应的关系。若要量化光的色彩，就要建立能够确定色彩位置的坐标系，即表色系。

人眼主观感觉的存在，决定了能量这个客观物质不是决定亮度的唯一因素。表征主观感觉的指标是“比视感度”。不同颜色的光综合反应在人眼的视觉特性中就叫作比视感度。TFT-LCD显示五颜六色的画面，其实就是调节各种单色光，对各种单色光进行量化处理。不同的单色光的能量相等时，亮度有高有低。如果把这种亮度的相对高低进行归一化处理，就可以区分在人眼的主观感觉上，到底哪种单色光的亮度强，哪种单色光的亮度弱。在能量相等的情况下，把人眼感觉最亮的那种单色光所对应的比视感度定义为1，则其他各种单色光的比视感度都比1小。CIE综合世界上所有人群各自所感知的比视感度，进行平均化处理，确立了图1-17所示的比视感度和各单色光的关系。在波长范围为380～780nm的可见光区域，波长为555nm的黄绿色光对人眼的比视感度最高。道路照明采用黄绿光的光源，通过增加人眼的比视感度来提高照明亮度。

根据比视感度这个概念，可以建立光的能量这个客观物理量和光的亮度这个心理物理量之间的关系。在光学中，定义能量的物理量叫作放射束，表示单位时间内通过一个面上的放射能量大小，单位是瓦特（W）。定义亮度的物理量叫作光束，单位是流明（lm）。国际单位系规定，波长555nm单色光的放射束为1W，对应的光束为683lm。这样，单色光的放射束（W）与603（lm/W）比视感度的乘积就是某一单色光的光束（lm）。

表征光的能量的客观物理量单位除放射束（W）外，还有放射强度（W/sr）、放射辉度（W/sr·m2）、放射照度（W/m2）。相应地，表征光亮度的心理物理量分别为光束（lm）、光度（cd）、辉度（cd/m2）、照度（lx）。TFT-LCD显示关注的是亮度这个光的心理物理量。光束、光度、照度和辉度的关系如图1-18所示。

光束也叫作光通量，是光源每秒钟所发出的光线的总量，简称“发光量”。光度又叫作发光强度，是点光源在给定方向（光束）的单位立体角内所发出的光通量。照度表示被光源照射到的这块区域的明亮程度，是光通量与被照面面积的比值。在进行TFT-LCD显示检查时，为了避免干扰，则希望照在显示屏上的环境光越小越好。通常，TFT-LCD显示检查时需要把环境照度控制在10lx以下。辉度表示眼睛从某一方向所看到的物体的反射光强度或所看到的光源强度，即单位面积在某一方向上的光度。

1.3.2　色的坐标和温度

通过能量这个等价物，亮度和颜色之间貌似存在逐一对应关系。事实上，亮度和颜色完全是两个独立的心理物理量。同样的色彩会因种族、年龄等的不同而有所差别。此外，光源、观察角度、观察面积等的不同也会给人不同的色彩感受。TFT-LCD要正确再现色彩，就必须建立色彩模型，即建立色彩的坐标系（表色系），对色彩进行定性和定量的描述。国际上色彩的定量表述有孟塞尔表色系、CIE表色系等，各系统在一定条件下可以相互转换。

由孟塞尔表色系三要素色相（Hue）、彩度（Chroma）、明度（Value）构成的三维立体空间叫作孟塞尔色彩体系，明度、色相、彩度关系如图1-19（a）所示。中心的纵轴表示明度，圆周上红、橙、黄、黄绿、绿、蓝、紫蓝、紫显示的一圈表示色相，以明度轴为中心横向反射状的外延表示彩度。色的立体结构如图1-19（b）所示，根据这三个要素进行立体配色，不同方块对应的色相、明度和彩度不同。球体中心是所有颜色的自然平衡点，任何通过中心点的直线所联系到的色块都是协调色。互补的色相对比可通过调整明度差别取得谐调，即高明度基色可搭配其低明度的补色作为补偿。不同颜色的知觉度不同，配色中较强的色要缩小面积，较弱的色要扩大面积。纯色的明度与彩度不统一，在配色的使用上有困难。TFT-LCD的像素大小、色层的厚度等光学相关的物理参数都是固定的，所以用（HV/C）还原五颜六色的物体在光学和材料上很难操作。

人眼视网膜中L、M、S三种锥状细胞分别吸收红光、绿光、蓝光，最终合成各种颜色，所以把红色、绿色、蓝色定义为还原色彩的三原色。CIE规定红色、绿色、蓝色三原色的波长分别为700nm、546.1nm、435.8nm，RGB一个单位的亮度比例为Lr:Lg:Lb=1.0000:4.5907:0.0601，每个原色的亮度值作为一个单位看待，即R:G:B=1:1:1。所以，三原色等比例混合为白光，即R+G+B=W。用R、G、B三个轴来确定颜色的空间位置，可以合成所有颜色。R、G、B三个轴上的数值分别对应三个刺激值，由三刺激值确定的向量代表一个颜色刺激C。去掉亮度因素，把三刺激值（R、G、B）归一化后的（r、g、b）坐标叫作色度坐标。把等能量的单色光，用三刺激值分别求出各自在R、G、B三维空间的坐标，把这些单色光坐标连起来就是如图1-20所示的CIE 1931 xy色度图。把图1-20所示的单色光曲线归一化到（r、g、b）空间，并投影到r-g平面，就是如图1-21所示的CIE rg色度图。当C处于三原色围成的三角形色域外面时，需要将一种原色加到被匹配色中，而用其余两原色进行匹配，所以色度图上r、g会出现负值，并且三角形内非色度图区域的色实际上不存在，称为虚色。

为了避免r、g色度图标定颜色时出现负刺激值，同时为了满足一些特殊的色匹配函数数据要求，CIE在RGB表色系基础上，改用三个假想的原色X、Y、Z建立了一个新的色度系统。将它匹配等能光谱的三刺激值，定名为“CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值”，对应的系统称为XYZ表色系。经数学变换后，色度坐标均为正值，而且等能白光的色度坐标没有改变，仍然是（0.33，0.33）。图1-22（a）展示了RGB和XYZ表色空间的关系，图1-22（b）展示了r-g和XY色度坐标的关系。把图1-22（b）中的XY坐标进行归一化处理，可以得到如图1-22（c）所示的xy色度坐标，又称CIE xyY色度图，其中的Y轴用于表示亮度。

CIE xyY色度图中，两种不同颜色之间的距离不能正确反映人眼色彩感觉差别的大小。为此，CIE推荐了CIE L*u*v*（又称CIE LUV）色空间和CIE L*a*b*（又称CIE LAB）色空间，用相等的距离对应相等的颜色差别。CIE Luv色度图把CIE XYZ空间的x-y坐标系修正为u-v坐标系，拉伸了图1-22（c）的蓝色和红色区域，同时改变了光源（白色点）的位置，缓和了因绿色区域在视觉上不均衡带来的问题。对v轴进行1.5倍的拉伸处理，即u′=u，v′=1.5v，可得到如图1-23所示的CIE L*u*v*（又称CIE LUV）色度图。TFT-LCD色偏评价采用CIE Luv色度图。CIE LAB色空间是一个对置的测色系统，分别用L*、a*、b*三根轴表示明—暗、红—绿、蓝—黄的值。L*表示亮度，a*和b*表示色度。CIE LAB色空间与设备无关，在色彩管理中可推算出原稿色、屏幕色和印刷色在色空间的对应关系，达到颜色在视觉上的一致，以实现不同设备之间的色彩转换。TFT-LCD偏光板的色彩定义采用如图1-24所示的CIE LAB色度图。

建立表色系（色坐标）后，光源的颜色就可以用色空间上的某一点表示。表色系描述的是颜色的静止状态。现实生活中，同一光源（混合光）的颜色会动态变化。混合光是合成白色的基础，量化光源的色表现需要明确各种光源的颜色相对白色的程度。根据黑体辐射理论，给定温度T的条件，在一定的波长范围内，存在一条能量曲线，用这条曲线可以定义白色。不同温度T的白光光谱如图1-25所示。可见，温度和颜色具有对应关系，可以用黑体的绝对温度来定义色的动态概念。这个绝对温度就是色温。TFT-LCD产品的使用对象不同，因此需要采用不同色温的白色。

如图1-26所示，把黑体的色温和色彩之间连续的对应关系在xy色度图上描绘出来，形成黑体轨迹。在黑体轨迹附近，给出标准光源A、B、C、D55、D65、D75的对应色温。黑体轨迹上以ABC的顺序，色温逐渐升高，相应的颜色变化依次为红色→黄色→白色→蓝色，表现出不同的光色。黑体是一个假想物体，人眼真正认同的白色是自然界天空中的白色。CIE规定，天空的（白）色，是白天打开北面窗户对着天空所测得的颜色，这些数据在世界不同地方测量，结果会不同，一个平均结果在xy色度图上描绘出来，形成昼光色轨迹。图1-26给出了xy色度图上的黑体轨迹和昼光色轨迹。昼光色轨迹是一个心理物理量概念，黑体轨迹是一个假想的纯物理量概念，所以两条轨迹不重合。在昼光色轨迹上指定一点后，使用离这个点最近的黑体轨迹上的色温度来近似定义昼光色轨迹上的色。这个近似的色温就叫作昼光色的相关色温。比如，高清电视HDTV规格的标准光源D65的白色相关色温是6504K，xy的坐标值为（0.313，0.329）。通常，准确表述昼光色时，利用相关色温和偏离黑体轨迹的偏差（?uv）一起表示。图1-27给出了黑体轨迹和等色温度线、等偏差线之间的关系。

1.3.3　彩色显示的基本概念

TFT-LCD的彩色显示方法属于加法混色，即把RGB三原色直接叠加混合后还原其他各种颜色。叠加部分的色彩明亮程度（明度）相当于参与叠加部分的色光的明亮程度之和。

理想的三原色是R（700nm）、G（546.1nm）、B（435.8nm），现实中很难生成这样的纯单色光。常用的三原色是：有点偏黄的红色R；绿色G；有点偏紫的蓝色B（以后所讲的三原色就特指此类混合R、G、B色光）。图1-28给出了RGB三原色加法混色的光谱混合效果。RG两色混色形成黄色Y，RB两色混色形成紫红色M，GB两色混色形成青绿色C，RGB三色混色形成白色W。加法混色的实质是颜色的矢量相加。假设有两种颜色（B1，G1，R1）和（B2，G2，R2），则两种颜色相加就等于（B1+B2，G1+G2，R1+R2）。

TFT-LCD显示的彩色画面是由一个个很小的像素组成的，这些带有颜色的微小像素排列形成的颜色混合叫作中间混色。中间混色获得的色彩明度是参与混色的原色明度的平均值。中间混色包含并置加法混色和即时加法混色。

并置加法混色，是一些微小的点紧密地排列在一起，每个微小的点所带有的色彩按照各自点参与混色的面积配比混色。由于人眼不能分辨出每个微小点的面积，因此就可以在人眼的视网膜上混合成一种混合色。混合色的明度是各原色明度以所占面积比例混合的平均明度。并置加法混色是利用了人眼的视觉范围限制，实现原色在空间融合的一种方法。即时加法混色是原色以人眼在时间上难以分辨的速度下切换，根据每种原色参与混色部分所占面积的比例配比混色，形成的混色明度是原色以所占面积比例混合的平均明度。即时加法混色利用了人眼的时间响应限制（人眼的迟滞效应），实现了原色在时间上的融合。

通常，TFT-LCD采用并置混色原理产生颜色，利用RGB像素在显示屏上的规则排列透光后合成颜色。TFT-LCD像素分割法的三个基本要素是：（1）RGB三原色，利用CF的RGB分光透光率，过滤背光源的分光光谱，形成RGB三原色的光谱；（2）RGB明度控制，通过子像素对应区域的液晶作用，分别控制RGB三原色的亮度；（3）RGB色的融合，像素分割法利用原色的空间融合性，要求人眼距离显示屏一定的距离。图1-29给出了背光源发光光谱和彩膜RGB子像素透光率的组合。背光源的光进入CF后，部分能量被RGB子像素吸收，只有剩余部分穿过CF。比如，波长为700nm的光有约15%的能量被子像素R吸收，只有剩下的约85%的能量穿过R子像素。

背光源的光透过CF后，对应RGB三色的能量就是背光源能量和CF上RGB子像素透光率的乘积。最终形成的RGB三色就是用于TFT-LCD色表现的RGB三原色，如图1-30所示。RGB三原色不是单色光，彩度比RGB单色光要低。用彩度低的RGB三原色光混合不出彩度高的色彩。提高TFT-LCD的彩度是TFT-LCD发展的重要方向。TFT-LCD的RGB三原色分别对应xy色度图上靠近红色、绿色、蓝色的三个点。由这三个点所组成的色度三角形区域是TFT-LCD能够表现的颜色区间。根据加法混色原理，混色的亮度是原色亮度按照各自所占面积比配比的一个平均结果。原色RGB分别对应红色、绿色、蓝色独自最大的亮度。当RGB三原色的亮度最大时，混色的结果就是白色；当RGB三原色的亮度最小时，混色的结果就是黑色。控制RGB三原色的亮度，并综合RGB三原色的色相和彩度，可以获得混色的相应色相和彩度，在黑色到白色之间混合出各种色彩。TFT-LCD中控制RGB三原色亮度的功能是由TFT器件控制的液晶来实现的。

采用时间分割法的TFT-LCD显示原理是，由RGB三原色组成的三种背光源按时序分别先后点亮，显示屏根据显示的每一帧信息控制透过光的颜色和亮度，利用三原色在人眼视觉暂留的这段时间内在视网膜上进行融合，实现时间上的加法混色。时间分割法的原理如图1-31（b）所示，作为对比，图1-31（a）给出了像素分割法的原理。

在TFT-LCD上看到的动态画面是由一定数量的图片，在一定时间内连续的快速播放形成的。TFT-LCD播放画面连续快速的程度用“帧/秒”表示，60帧/秒表示该视频1秒的内容由60张图片组成。人眼能够分辨出的最大帧数约为30帧/秒，这时人眼很难感觉出里面的滞留现象。单位时间内帧数越大，画面看起来越流畅。60帧/秒是人眼视觉流畅的最低标准。像素分割法一帧的时间小于等于1/60秒，RGB三种光同时出现，直接合成后进入人眼。时间分割法一帧的时间小于等于1/180秒。在保证画面连续所需的60帧/秒的前提下，每一帧又分成3帧，即1/180秒的时间内各发出一帧蓝色画面、一帧绿色画面和一帧红色画面。这3帧画面按先后顺序，依次以光的速度即时进入人眼的视网膜，并在视网膜上进行色的合成。时间分割法的色彩形成，需要3种原色的光源按照时序先后切换，分别发出带3种光源颜色的1帧画面。因此，时间分割法也称场色序法（Field Sequential Color，FSC）。

TFT-LCD时间分割法也有三个基本要素：（1）RGB三原色，由RGB三原色背光源先后发光用于混色，不需要CF色层即可大幅提高光的利用效率，不需要分割子像素即可提高像素开口率或分辨率；（2）RGB明度控制，通过像素对应区域在1/180秒（5.6ms）内实现液晶控制，先后控制RGB三原色的亮度；（3）RGB色的融合，利用色的时间融合性。理想的成像状况是先后发出的一帧蓝色画面、一帧绿色画面和一帧红色画面都投射在视网膜上的相同位置，这样才能保证3帧画面可以被视觉完整重现。如果这3帧画面投射在视网膜上的不同位置，则观察者在视觉重现时会形成3帧画面分离错位的影像，称为色分离（Color Breakup，CBU）效应。色分离效应除会降低画质外，长时间观看还会使人产生眩晕的感觉。