OLED電視殘影消除和壽命提升

王俊生， 徐遙令， 王 磊， 寧洪龍， 鄒建華， 吳為敬， 彭俊彪

(1. 華南理工大學(xué) 高分子光電材料及器件研究所， 發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640； 2. 創(chuàng)維集團(tuán)， 廣東 深圳 518053)

1 引 言

有機(jī)發(fā)光二極管(Active Matrix Organic Light-Emitting Diode，AMOLED)具有自發(fā)光、響應(yīng)速度快、對比度高、視角廣等的特性，得到廣泛應(yīng)用[1-8]。AMOLED顯示的發(fā)光亮度與流過OLED器件的電流大小呈正向比例關(guān)系。OLED電視是用AMOLED顯示屏作為屏幕的電視機(jī)。實(shí)際使用中,其AMOLED顯示屏驅(qū)動(dòng)薄膜晶體管(Thin film transistor，TFT)將產(chǎn)生閾值電壓漂移，使TFT在同樣驅(qū)動(dòng)電壓下產(chǎn)生不同的驅(qū)動(dòng)電流，導(dǎo)致顯示灰階亮度不一致；同時(shí)OLED會(huì)隨著使用時(shí)間的增長產(chǎn)生退化、發(fā)光效率降低，不同顏色以及不同區(qū)域的OLED器件工作時(shí)間不一致，會(huì)導(dǎo)致OLED發(fā)光亮度不一致產(chǎn)生不可逆的殘影，殘影無法消除將嚴(yán)重縮短OLED使用壽命。為解決OLED殘影及壽命問題，通常采用像素補(bǔ)償電路來補(bǔ)償OLED驅(qū)動(dòng)TFT閾值電壓(Vth)，使OLED驅(qū)動(dòng)電流一致，以避免殘影的產(chǎn)生[9-11]。然而采用像素補(bǔ)償電路存在電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢，集成難度高、影響OLED面板開口率等問題。

本文提出了殘影消除和壽命提升兩種方案，一是采用像素補(bǔ)償方法，即對OLED電視圖像驅(qū)動(dòng)信號的各個(gè)像素顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的灰階補(bǔ)償，使OLED電視屏幕發(fā)光亮度均勻一致；二是采用電流補(bǔ)償方法，即在OLED使用過程中的不同時(shí)間點(diǎn)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電流補(bǔ)償，消除或降低OLED顯示殘影，改善顯示均勻性,提升圖像顯示質(zhì)量和OLED電視屏幕使用壽命。

2 方案構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)原理

OLED電視殘影消除和壽命提升方案如圖1所示，由圖像解碼、圖像補(bǔ)償、測試序列生成、表集、列驅(qū)動(dòng)、OLED電視屏、以及亮度計(jì)模塊組成。其中， OLED電視屏具有M×N個(gè)OLED像素Pij，其中i=1，2，...，M,j=1，2，...，N；列驅(qū)動(dòng)模塊由M×N個(gè)TFT管組成，與電視屏幕M×N個(gè)像素一一對應(yīng)。

OLED電視屏工作時(shí)，外部輸入的視頻圖像信號Vsig經(jīng)過圖像解碼、圖像補(bǔ)償后輸出驅(qū)動(dòng)信號Vcdata，并在控制信息的控制下驅(qū)動(dòng)電視屏的OLED像素Pij發(fā)光，呈現(xiàn)視頻圖像。OLED電視殘影消除和壽命提升方案的關(guān)鍵步驟與技術(shù)原理包含補(bǔ)償表集生成、像素補(bǔ)償和電流補(bǔ)償3個(gè)方面內(nèi)容。

圖1 OLED電視殘影消除和壽命提升方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of OLED TV image-retention elimination and lifetime extension

2.1 補(bǔ)償表集生成的步驟與方法

補(bǔ)償表集是像素補(bǔ)償和電流補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，分為像素補(bǔ)償表集和電流補(bǔ)償表集兩部分。利用測試序列生成模塊產(chǎn)生各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)灰階信號Ax_Gray_s(x=1，2，...，Z)以及各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)灰階對應(yīng)的參考亮度值Bref_Ax，補(bǔ)償表集模塊存儲各個(gè)灰階對應(yīng)的補(bǔ)償表LAx，每一個(gè)補(bǔ)償表存儲各個(gè)像素對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償值Lij_Ax，初始狀態(tài)時(shí)各個(gè)Lij_Ax設(shè)置為0。

在像素補(bǔ)償表集生成時(shí)，OLED電視不接收外部信號，測試序列生成模塊依次產(chǎn)生各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)灰階信號灰階Gs_Ax，圖像解碼模塊將灰階Gs_Ax解碼為具有M×N個(gè)像素顯示數(shù)據(jù)Vdata_ij_Ax的顯示數(shù)據(jù)Vdata_Ax；接著圖像補(bǔ)償模塊對Vdata_Ax進(jìn)行補(bǔ)償處理，即讀取表集中該灰階對應(yīng)的像素補(bǔ)償表LAx，并使得每個(gè)像素驅(qū)動(dòng)電壓數(shù)據(jù)Vcdata_ij_Ax等于該像素顯示數(shù)據(jù)Vdata_ij_Ax與驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償值Lij_Ax之和；緊接著，列驅(qū)動(dòng)模塊接收Vcdata_Ax后，在控制信息的控制下依次打開與電視屏幕像素對應(yīng)的TFT管，使得具有M×N個(gè)像素的電視屏幕的像素Pij依次發(fā)光；同時(shí)在測量控制信號的控制下,使用亮度計(jì)測量電視屏幕各個(gè)像素Pij的實(shí)際亮度值Bij_Ax。最后，比較Bij_Ax與參考亮度值Bref_Ax的大小，并調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償值Lij_Ax，使得實(shí)際亮度值Bij_Ax與參考亮度值Bref_Ax相等，用調(diào)整后的驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償值Lij_Ax來更新像素補(bǔ)償表LAx，并更新像素補(bǔ)償表集。

2.2 像素補(bǔ)償方案原理與實(shí)施過程

OLED電視屏工作時(shí)，像素補(bǔ)償模塊將自動(dòng)根據(jù)圖像解碼后各像素的灰階值讀取補(bǔ)償表集中對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償值，對OLED電視圖像驅(qū)動(dòng)信號的各個(gè)像素顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，使得OLED電視屏幕發(fā)光亮度均勻一致。具體方法如下：

在正常圖像顯示時(shí)，測試序列生成模塊不再進(jìn)行工作。外部輸入的視頻圖像信號Vsig經(jīng)過圖像解碼模塊解碼后得到圖像顯示數(shù)據(jù)Vdata，Vdata具有M×N個(gè)像素顯示數(shù)據(jù)Vdata_ij；圖像補(bǔ)償模塊獲取像素顯示數(shù)據(jù)Vdata_ij的灰階值Vdata_ij_AK，從表集查詢對應(yīng)的像素補(bǔ)償表LAK，獲取像素驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償值Lij_AK，用Lij_AK來補(bǔ)償顯示數(shù)據(jù)，即像素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)VCdata_ij等于像素驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償值Lij_AK與像素顯示數(shù)據(jù)Vdata_ij之和，輸出具有M×N個(gè)像素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)VCdata；驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)VCdata通過電壓驅(qū)動(dòng)像素TFT產(chǎn)生電流，驅(qū)動(dòng)OLED像素發(fā)光，使屏幕顯示圖像。

圖2 OLED電視使用時(shí)間與亮度衰減曲線示意圖Fig.2 Variation curve between using time and luminance attenuation

利用表集中補(bǔ)償表LAK中的像素驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償值來對像素顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償后，驅(qū)動(dòng)OLED屏幕顯示圖像，使得在相同灰階信號輸入時(shí)， OLED屏幕各像素顯示的亮度一樣，避免各個(gè)像素因TFT閾值電壓不一致產(chǎn)生在同一灰階信號下的亮度不一致，防止或緩解了殘影的產(chǎn)生，有效提升了OLED電視的圖像顯示質(zhì)量。

2.3 電流補(bǔ)償方案原理與實(shí)施過程

隨著使用時(shí)間的增長，OLED會(huì)產(chǎn)生退化及發(fā)光效率衰減等，在相同的TFT驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)下其亮度變化較大，影響OLED的使用壽命。如圖2所示，如果OLED在T0，T1，T2，T3...等各個(gè)時(shí)間點(diǎn)TFT驅(qū)動(dòng)電流不變，亮度將快速降低，導(dǎo)致顯示屏亮度不均，產(chǎn)生顯示屏殘影現(xiàn)象。

為延長OLED使用壽命，本文提出的電流補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ?，預(yù)先設(shè)定OLED屏幕的目標(biāo)亮度衰減曲線，即在T0，T1，T2,...，Tt，等各個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)OLED顯示亮度的目標(biāo)值對應(yīng)的電流值Id0，Id1...，Idt...；同時(shí)，自動(dòng)檢測在實(shí)際使用過程中，各個(gè)預(yù)設(shè)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)際電流值UId0，UId1，...，UIdt，...；隨后，自動(dòng)改變驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，調(diào)整TFT驅(qū)動(dòng)電流，使得實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到目標(biāo)值，即每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)增加的電流值為ΔIdt=Idt-UIdt，從而補(bǔ)償各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的TFT驅(qū)動(dòng)電流，提升OLED器件亮度，增加顯示屏的亮度均勻性，提高OLED屏的使用壽命。

電流補(bǔ)償表集的生成與前述像素補(bǔ)償表集的生成過程相同，只是需要生成包括所預(yù)設(shè)的在時(shí)間點(diǎn)T0，T1，T2。...，Tt，...OLED像素在各灰階下的目標(biāo)亮度所對應(yīng)的像素驅(qū)動(dòng)電流Id_ref值的補(bǔ)償表集，存儲在補(bǔ)償表集模塊中。

電流補(bǔ)償?shù)膶?shí)施是在像素補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，通過補(bǔ)償模塊在預(yù)設(shè)各時(shí)間點(diǎn)自動(dòng)調(diào)取相應(yīng)的電流補(bǔ)償表集的像素驅(qū)動(dòng)電流Id_ref數(shù)據(jù)進(jìn)而相應(yīng)調(diào)整像素補(bǔ)償表集的驅(qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。以T1時(shí)間點(diǎn)為例，OLED電視屏以T0為起點(diǎn)，當(dāng)累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到T1時(shí)間點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)T1時(shí)間點(diǎn)的電流補(bǔ)償。具體過程為：測試序列生成模塊依次產(chǎn)生各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)灰階信號灰階Gs_Ax，像素補(bǔ)償模塊從電流補(bǔ)償表中讀取T1時(shí)點(diǎn)像素Pij在該灰階時(shí)的目標(biāo)電流值Id_ij_T1_ref_Ax，并檢測該像素的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流Id_ij_T1_Ax；調(diào)整驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)Vcdata_ij_Ax，直到該像素驅(qū)動(dòng)電流Id_ij_T1_Ax值與目標(biāo)電流值Id_ij_T1_ref_Ax值相等。然后用像素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)Vcdata_ij_Ax在調(diào)整后和調(diào)整前的差值ΔVcdata_ij_Ax，來更新像素補(bǔ)償表集中的相應(yīng)電壓補(bǔ)償值Lij-AK，即新的電壓補(bǔ)償值Lij_AK_T1等于Lij_AK與ΔVcdata_ij_Ax之和。在T1時(shí)間點(diǎn)之后，補(bǔ)償模塊將以更新后的像素補(bǔ)償表集實(shí)施像素補(bǔ)償，直到累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到T2時(shí)間點(diǎn)，則進(jìn)行T2時(shí)點(diǎn)的電流補(bǔ)償。后面依次類推。

3 驗(yàn)證分析

我們選取了3塊受測OLED電視屏幕(分別編號為1號屏、2號屏、3號屏)進(jìn)行測試，測試圖像采用如圖3(a)所示的白/綠/紅/藍(lán)差異色塊圖及圖3(b)所示的純色色塊圖，差異色塊圖和純色色塊圖分別被分為1～8區(qū)域。根據(jù)對電視在家庭使用場景所播放視頻的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，OLED電視屏像素發(fā)光最大平均壓力狀態(tài)下純白色、純綠色、純紅色、純藍(lán)色的亮度值分別為101.5，36.1，12.5，5.7 cd/m2；而所有像素發(fā)光平均壓力狀態(tài)下相應(yīng)顏色的亮度值分別為80.2，23.6，8.2，4.5 cd/m2。圖3(a)所示的白/綠/紅/藍(lán)差異色塊示意圖中，每個(gè)色塊分為像素最大平均壓力狀態(tài)亮度和像素平均壓力狀態(tài)亮度兩個(gè)區(qū)域，1/2區(qū)域亮度分別為101.5，80.2 cd/m2，3/4區(qū)域亮度分別為36.1，23.6 cd/m2，5/6區(qū)域亮度分別為12.5，8.2 cd/m2，7/8區(qū)域亮度分別為5.7，4.5 cd/m2。圖3(b)所示的白/綠/紅/藍(lán)純色色塊示意圖中，每個(gè)色塊分為同樣都是像素平均壓力狀態(tài)亮度的兩個(gè)區(qū)域：1/2區(qū)域亮度相同為80.2 cd/m2，3/4區(qū)域亮度相同為23.6 cd/m2，5/6區(qū)域亮度相同為8.2 cd/m2，7/8區(qū)域亮度相同為4.5 cd/m2。

圖3 W/G/R/B純色色塊及測試點(diǎn)示意圖Fig.3 Diagram of W/G/R/B pure color blocks and test point

這里采用的色彩分析儀為日本柯尼卡美能達(dá)CA310，實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為25 ℃，濕度為45%。

根據(jù)我們對OLED電視屏在顯示圖像時(shí)的主觀評價(jià)，當(dāng)屏幕顯示像素發(fā)光平均壓力狀態(tài)下的純白色時(shí)，如屏上不同區(qū)域間平均亮度差異達(dá)到5%，觀看者視覺上會(huì)開始感覺到明顯色差；而當(dāng)顯示像素發(fā)光平均壓力狀態(tài)下的純綠色、純紅色、純藍(lán)色時(shí)，則亮度差異達(dá)到10%時(shí)，觀看者視覺上才會(huì)開始感覺到明顯色差。

實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)測試方法，開始時(shí)間點(diǎn)為T1。即：(1)T1時(shí)，OLED電視開始并持續(xù)播放圖3(a)所示差異色塊圖像；(2)每隔一段時(shí)間間隔t時(shí)，切換播放圖3(b)所示純色色塊圖像，用色彩分析儀測試白/綠/紅/藍(lán)純色色塊1～8區(qū)域的亮度；(3)當(dāng)W色塊的1區(qū)域和2區(qū)域亮度差異達(dá)到5%時(shí)，時(shí)間記為Tn，則認(rèn)為殘影產(chǎn)生，則白色塊殘影時(shí)間為Tn～T1；否則繼續(xù)上述過程直至殘影產(chǎn)生。同理可以得到其他色塊的殘影時(shí)間，所不同的是將綠/紅/藍(lán)三色的亮度差異達(dá)到10%時(shí)認(rèn)為是殘影產(chǎn)生。

然而，這種常規(guī)測方法一般要達(dá)到上萬小時(shí)，在實(shí)際檢測中，采用加速老化進(jìn)行測試來縮短檢測時(shí)間。加速測試的白/綠/紅/藍(lán)差異色塊圖如圖4所示。

圖4 加速測試的W/G/R/B色塊示意圖 Fig.4 Diagram of accelerated tested W/G/R/B color blocks

圖4差異色塊圖與圖3(a)差異色塊圖的區(qū)別在于亮度，其中：1/2區(qū)域亮度分別為322.2，254.6 cd/m2，3/4區(qū)域亮度分別為260.3，170.2 cd/m2，5/6區(qū)域亮度分別為66.2，43.4 cd/m2，7/8區(qū)域亮度分別為33.9，26.8 cd/m2。

圖3(a)差異色圖各區(qū)域的亮度標(biāo)記為Lref,圖4差異色塊圖各區(qū)域的亮度標(biāo)記為Lacc。根據(jù)實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)值，把加速系數(shù)facc定義為：

(1)

例如W色塊加速系數(shù)為：

(2)

由此，可以計(jì)算出白色塊的加速系數(shù)約為8，綠色塊加速系數(shù)約為35，紅色塊加速系數(shù)約為20,藍(lán)色塊加速系數(shù)約為25。

實(shí)驗(yàn)過程中，3塊OLED屏同時(shí)播放圖4所示的差異色塊圖，進(jìn)行加速老化。實(shí)驗(yàn)過程與常規(guī)測試方法基本相同。當(dāng)殘影產(chǎn)生后無法采用補(bǔ)償措施消除時(shí)，則停止實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中各顯示屏的具體條件設(shè)置如下：

1號屏在加速老化實(shí)驗(yàn)過程中不進(jìn)行像素補(bǔ)償，也不進(jìn)行電流補(bǔ)償，但一旦檢測出現(xiàn)殘影，則進(jìn)行電流補(bǔ)償，補(bǔ)償完畢后繼續(xù)老化，如此循環(huán)。

2號屏在加速老化實(shí)驗(yàn)過程中不進(jìn)行像素補(bǔ)償，也不進(jìn)行電流補(bǔ)償，但一旦檢測出現(xiàn)殘影，則進(jìn)行像素補(bǔ)償，補(bǔ)償完畢后繼續(xù)老化，如此循環(huán)。

3號屏在加速老化實(shí)驗(yàn)過程中同時(shí)進(jìn)行像素補(bǔ)償和電流補(bǔ)償，進(jìn)行補(bǔ)償?shù)闹芷跒?4 h。

測試3個(gè)屏在不同時(shí)間點(diǎn)時(shí)白/綠/紅/藍(lán)純色色塊相鄰區(qū)域的亮度差(或亮度差異率)，結(jié)果顯示如表1。其中，T1～T10對應(yīng)老化時(shí)間為192 h；并每隔24 h測試一次亮度變化率，T11～T16如表1所示。

從表1可以看出，OLED屏在綠色區(qū)域(3/4測量區(qū)域)的殘影時(shí)間最短，圖5中顯示了1、2、3號顯示屏的綠色塊老化趨勢曲線。從圖可以看出，1號屏和2號屏在T11時(shí)間點(diǎn)開始，即老化216 h，綠色亮度差超過10%，出現(xiàn)殘影；通過在T11時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行電流補(bǔ)償或者像素補(bǔ)償，可以看到在隨后的工作時(shí)間段，亮度差減小，殘影減弱；繼續(xù)老化至T14時(shí)間點(diǎn)，殘影再次出現(xiàn)，但此后通過電流補(bǔ)償或者像素補(bǔ)償可以緩減殘影，但不能消除殘影。而3號屏在一開始加速老化時(shí)就進(jìn)行電流補(bǔ)償和像素補(bǔ)償，顯示屏色塊相鄰區(qū)域的亮度差相比于1號和2號顯示屏，亮度差一直較小，到測試T16時(shí)間點(diǎn)都未出現(xiàn)殘影，顯示屏的壽命得到了較大程度的提升。

表1 測試樣屏亮度差異率Tab.1 Brightness change rate of test sample screens

圖5 1、2、3號顯示屏加速測試綠色區(qū)域的亮度差變化趨勢圖。Fig.5 Trend chart of measurement difference change in green areas of accelerated tested No. 1, 2 and 3 screens, respectively.

更進(jìn)一步，1號屏加速老化的殘影時(shí)間約為216 h，換算得到對應(yīng)的常規(guī)老化的殘影時(shí)間為7 560 h，通過電流補(bǔ)償將殘影時(shí)間延長至10 080 h，殘影時(shí)間延長率達(dá)33%；2號屏采用像素補(bǔ)償，對殘影時(shí)間的影響與電流補(bǔ)償基本相同；而同時(shí)采用電流補(bǔ)償和像素補(bǔ)償?shù)?號屏殘影時(shí)間提升至13 340 h以上，相比于沒有補(bǔ)償?shù)娘@示屏，殘影時(shí)間延長率提升近80%。

基于上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及對比分析表明，電流補(bǔ)償和像素補(bǔ)償能夠有效消除或緩解OLED電視屏殘影的產(chǎn)生，提高其使用壽命。

4 結(jié) 論

提出了OLED電視殘影消除和壽命提升新方案，通過對圖像信號進(jìn)行實(shí)時(shí)像素補(bǔ)償，及在不同時(shí)間點(diǎn)來進(jìn)行電流補(bǔ)償，可有效消除或降低OLED顯示殘影的產(chǎn)生(即延長了殘影時(shí)間)，提升了OLED顯示均勻性和OLED電視屏的使用壽命。目前該方案在創(chuàng)維S8A、S9A等OLED電視上得到了大規(guī)模使用，效果良好。