通過(guò)非對(duì)稱(chēng)伽馬調(diào)整改善面殘像的理論分析和方法

王國(guó)磊，馬 力，陳 鵬，王景棚，杜化鯤，張熠點(diǎn)，李恒濱，宋紅花

(合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥 230012)

1 引 言

隨著液晶顯示產(chǎn)品的廣泛使用，人們對(duì)產(chǎn)品的顯示品質(zhì)提出了越來(lái)越高的要求。而液晶顯示產(chǎn)品的殘像問(wèn)題，一直都是影響 TFT-LCD畫(huà)面品質(zhì)尤其是長(zhǎng)期畫(huà)面品質(zhì)的重要問(wèn)題之一[1]。

所謂“殘像”即影像殘留，其根據(jù)實(shí)際情況通常分為“面殘像”和“線殘像”。不論哪種分類(lèi)，兩者產(chǎn)生的本質(zhì)原因一致，即當(dāng)液晶屏幕長(zhǎng)時(shí)間保持一幅靜止畫(huà)面時(shí)，液晶分子由于受到長(zhǎng)時(shí)間的電荷驅(qū)動(dòng)而被極化，從而造成液晶分子不能在信號(hào)電壓控制下正常偏轉(zhuǎn)[2-5]。其中線影像殘留成因較復(fù)雜，一般都以離子模型[6-7]進(jìn)行討論，可通過(guò)提高液晶、取向膜離子純度等來(lái)改善；而面影像殘留主要是由于施加在LCD屏上下兩個(gè)基板之間的直流殘留分量的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的，可由變更驅(qū)動(dòng)信號(hào)或者電壓設(shè)定來(lái)改善。

本文主要針對(duì)不同伽馬(Gamma)電壓設(shè)定在殘像實(shí)驗(yàn)中的不同結(jié)果，對(duì)伽馬電壓與面殘像的關(guān)系從理論上進(jìn)行討論和分析，從中找出對(duì)面殘像改善效果更好的設(shè)定方案。

2 伽馬調(diào)整的意義和方法

2.1 伽馬曲線和伽馬值

不同階調(diào)的紅綠藍(lán)(RGB)像素相結(jié)合才能顯示出亮麗的色彩，但人眼對(duì)亮度階調(diào)的感覺(jué)并不是完全線性的，這就是伽馬特性[8]。伽馬調(diào)整的本質(zhì)就是用合適的電壓對(duì)面板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以顯示出正確的階調(diào)和色彩，合適的電壓就是與面板的特性相匹配，所以在正式伽馬調(diào)整之前必須對(duì)面板的特性和驅(qū)動(dòng)條件進(jìn)行確認(rèn)。

一般在顯示器不同灰階值的表達(dá)式如下：

(1)

其中L為RGB輸出信號(hào)亮度(Luminance)；Lmax：屏幕最大亮度；X為8位RGB輸入信號(hào)灰階(Gray Level)值，范圍0～255；γ為灰度校正系數(shù)，即伽馬值。

當(dāng)圖像與信號(hào)正確地出現(xiàn)在顯示屏上時(shí)，將呈現(xiàn)不同的灰階與亮度的關(guān)系曲線，將0～255灰階作為X軸，亮度作為Y軸，所描繪出來(lái)的曲線稱(chēng)為伽馬曲線，如圖1所示。伽馬在色度學(xué)中用于衡量顯示器亮度響應(yīng)特性好壞，特性曲線近似于一條指數(shù)形式的曲線，伽馬曲線或伽馬值會(huì)直接影響到顯示器畫(huà)面的顯示效果。為使顯示產(chǎn)品達(dá)到最佳觀感，根據(jù)人眼特性的要求，通常顯示產(chǎn)品的伽馬值為2.2左右。

圖1 伽馬曲線示意圖Fig.1 Gamma curves schematic diagram

2.2 電壓-透過(guò)率曲線

通常情況下,液晶面板隨著驅(qū)動(dòng)電壓的不同，透過(guò)率會(huì)隨之發(fā)生變化。驅(qū)動(dòng)電壓和面板透過(guò)率關(guān)系呈現(xiàn)一條對(duì)稱(chēng)的S形曲線，即電壓-透過(guò)率曲線(V-T)，如圖2所示。

圖2 電壓-透過(guò)率曲線Fig.2 Voltage-transmittance curve

2.3 電壓-灰階曲線

根據(jù)電壓-透過(guò)率曲線和伽馬曲線，可以得出電壓-灰階曲線，進(jìn)而可以得到每個(gè)灰階所需要的電壓(包括正反反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)用的正負(fù)電壓)。圖3為實(shí)際產(chǎn)品的電壓-灰階曲線。TFT-LCD中伽馬電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)通常采用14組伽馬電壓，其中V1～V7對(duì)應(yīng)正極性驅(qū)動(dòng)，V8～V14對(duì)應(yīng)負(fù)極性驅(qū)動(dòng)。

圖3 電壓-灰階曲線Fig.3 Voltage-gray scale curve

3 伽馬電壓調(diào)整相關(guān)機(jī)理分析

3.1 灰階電壓中心及液晶電壓說(shuō)明

圖4 灰階電壓示意圖Fig.4 Gray scale voltage schematic diagram

3.2 最佳化Vcom和跳變電壓(ΔVp)說(shuō)明

圖5所示為單一像素結(jié)構(gòu)的等效電路示意圖，其中掃描信號(hào)線控制TFT開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟與關(guān)閉，數(shù)據(jù)信號(hào)線提供顯示所需要的準(zhǔn)確的電壓信號(hào)，公共電極(Vcom)為顯示面板基準(zhǔn)電壓電極，Cgs為柵極與源極寄生電容，Clc為液晶電容，Cst為存儲(chǔ)電容。

圖5 單一像素等效電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of single pixel circuit

圖6 極性反轉(zhuǎn)時(shí)序圖Fig.6 Timing sequence diagram in polarity inversion frame

圖6為各個(gè)信號(hào)在極性發(fā)生變化時(shí)的時(shí)序圖。圖中Vgh、Vgl為掃描信號(hào)線上高電平和低電平電壓，Vdh、Vdl為數(shù)據(jù)信號(hào)線上正極性電壓和負(fù)極性電壓。從圖中可以看到，當(dāng)掃描信號(hào)線電壓發(fā)生變化，由高電平(Vgh)到低電平(Vgl)時(shí)，由于寄生電容Cgs的存在，會(huì)對(duì)像素電極產(chǎn)生一個(gè)下拉的跳變，通常稱(chēng)這個(gè)跳變電壓(Kickback Voltage)為ΔVp。ΔVp計(jì)算公式如下：

(2)

由于液晶顯示通常采用正負(fù)極性驅(qū)動(dòng)的方式，因此在正負(fù)極性信號(hào)反轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)法避免會(huì)出現(xiàn)閃爍(Flicker)的問(wèn)題。在實(shí)際工藝生產(chǎn)過(guò)程中，為了能夠盡量減小閃爍，通常會(huì)在閃爍127點(diǎn)燈畫(huà)面下，通過(guò)調(diào)整Vcom使得閃爍值最小化，此時(shí)的Vcom電壓通常稱(chēng)為最佳化Vcom(Vcom_opt)。根據(jù)閃爍發(fā)生機(jī)理，此時(shí)像素電極上的正極性電壓和負(fù)極性電壓相等，即(Vdh-ΔVp)-Vcom_opt=Vcom_opt-(Vdl-ΔVp)。由此可得出最佳化Vcom的計(jì)算公式如下：

Vcom_opt=VCenter-ΔVp，

(3)

從公式(3)可以看出，最佳化Vcom與VCenter和ΔVp有關(guān)。根據(jù)液晶分子的基本特性，由于不同灰階下液晶分子的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)不同所對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)也不同，則Clc也不同。不同灰階下的ΔVp由于Clc的不同而不同，所以理論上不同的灰階下的最佳化Vcom也不同。

但是由于實(shí)際工藝生產(chǎn)過(guò)程中由于不能每個(gè)灰階都進(jìn)行最佳化Vcom的調(diào)整，調(diào)整閃爍時(shí)使用的是灰階127的最佳化Vcom。因此在面板調(diào)整最佳化Vcom后，除了灰階127其他灰階下都有一個(gè)相對(duì)于灰階127的直流殘留，此直流殘留是非常不利于殘像評(píng)價(jià)。

為了探尋不同灰階下ΔVp的差異，通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)比從灰階40到灰階255的ΔVp值。圖7為不同灰階下的模擬結(jié)果。從圖中可以看出，隨著灰階的不斷增加，ΔVp值不斷減小，其中灰階255跟灰階127下的差異達(dá)0.037 V。

圖7 不同灰階下ΔVp模擬結(jié)果 Fig.7 Simulation result of ΔVpunder different gray scale

通常在工藝生產(chǎn)過(guò)程中調(diào)整閃爍采用的是相對(duì)比較敏感的灰階127。而從圖7可以看到，不同灰階下的ΔVp與灰階127下的ΔVp均有差異。從公式(3)可以得到，不同灰階下的最佳化Vcom理論上是不同的。我們通過(guò)不同灰階的閃爍畫(huà)面下尋找最佳化Vcom的方法進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論。

圖8為通過(guò)不同灰階閃爍畫(huà)面下得到的最佳化Vcom及通過(guò)Vcenter計(jì)算得到的ΔVp。從圖中可以看出，不同灰階下的ΔVp隨著灰階的增加逐漸減小，通過(guò)曲線擬合灰階255與127下ΔVp差異為0.05 V，與圖7中的模擬結(jié)果相近。

圖8 不同灰階下最佳化Vcom實(shí)測(cè)結(jié)果和ΔVp計(jì)算結(jié)果Fig.8 Optimize Vcom measurement result and ΔVp calculate result under different gray scale

3.3 灰階伽馬電壓調(diào)整的思路說(shuō)明

在液晶顯示領(lǐng)域，當(dāng)不同灰階下的Vcenter一致時(shí)，常被稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)伽馬，而不同灰階下的Vcenter不一致時(shí)常被稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)伽馬。如前文所述，當(dāng)采用對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定時(shí)，在面板調(diào)整最佳化Vcom后，除了灰階127之外，其他灰階下都有一個(gè)相對(duì)于灰階127的直流殘留，此直流殘留非常不利于殘像評(píng)價(jià)。從上述公式(3)可以看出，為了彌補(bǔ)不同灰階下ΔVp的差異，可以通過(guò)調(diào)整Vcenter，從而使得各個(gè)灰階下的最佳化Vcom保持一致，不同灰階的驅(qū)動(dòng)電壓下沒(méi)有相較于灰階127的直流殘留，進(jìn)而改善直流殘留引起的殘像問(wèn)題，此即為非對(duì)稱(chēng)伽馬調(diào)整的思路和優(yōu)勢(shì)。

圖9 殘像評(píng)價(jià)圖形Fig.9 Image sticking evaluation pattern

4 對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)伽馬電壓調(diào)整結(jié)果對(duì)比

4.1 對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定及殘像結(jié)果

對(duì)于殘像的評(píng)價(jià)有很多種方法，殘像點(diǎn)燈的圖像也有很多[9-11]，此產(chǎn)品評(píng)價(jià)使用的圖像如圖9所示，為5×5黑白格圖形。此產(chǎn)品使用的評(píng)價(jià)時(shí)間分別為短期3 min，中期1 h，長(zhǎng)期6 h，即點(diǎn)燈時(shí)間分別為3 min，1 h、6 h后確認(rèn)殘留的程度，判定的水平(Level)越低，說(shuō)明殘像水平越好。按照此產(chǎn)品的品質(zhì)要求，殘像水平需小于等于Level 2。

表1為此產(chǎn)品初始版對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定，圖10為此電壓設(shè)定下的Vcenter趨勢(shì)圖。此產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)方案中，所控制的灰階綁點(diǎn)分別為255，226，192，128，64，40，0共7個(gè)。綁點(diǎn)的選取會(huì)根據(jù)不同產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)方案的不同而不同。從圖中可以看出，初始版本的伽馬電壓設(shè)定下各個(gè)灰階的Vcenter一致，即對(duì)稱(chēng)伽馬。

表1 初始對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定Tab.1 Origin symmetry gamma voltage setting

圖10 初始對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定下Vcenter趨勢(shì)圖Fig.10 Vcenter trend of origin symmetry gamma voltage setting

基于初始版對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定，我們隨機(jī)選取5片樣品投入殘像評(píng)價(jià)，其短、中、長(zhǎng)期殘像結(jié)果請(qǐng)參考表2。其中數(shù)字代表殘像等級(jí)，數(shù)字越大殘像越嚴(yán)重。

表2 初始版對(duì)稱(chēng)伽馬殘像結(jié)果

從表中可以看出，部分樣品的殘像水平較差，達(dá)到Level 4的水平，此殘像水平遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)于此產(chǎn)品畫(huà)面品質(zhì)的要求。

4.2 非對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定及殘像結(jié)果

為了通過(guò)伽馬電壓補(bǔ)正不同灰階下ΔVp的差異，進(jìn)而減小面板的直流殘留，我們?cè)诔跏及姹镜幕A(chǔ)上對(duì)伽馬電壓進(jìn)行了修正，如表3所示。我們保證灰階128的Vcenter不變，通過(guò)調(diào)整其他灰階的Vcenter進(jìn)行補(bǔ)正，最大的補(bǔ)正量為灰階255，補(bǔ)正量為0.06 V。從圖11中可以看出，各個(gè)灰階的Vcenter不同，即非對(duì)稱(chēng)伽馬。

表3 補(bǔ)正版非對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定Tab.3 Revision asymmetric gamma voltage setting

為了結(jié)果的可對(duì)比性，選取之前同一批次樣品的5片樣品進(jìn)行對(duì)比，殘像結(jié)果如表4所示。結(jié)果顯示，殘像結(jié)果有大幅改善，尤其是短、中期殘像。結(jié)果充分說(shuō)明，通過(guò)伽馬電壓補(bǔ)正ΔVp差異，減小面板直流殘留，可有效改善短、中期殘像。

圖11 補(bǔ)正版非對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定下Vcenter趨勢(shì)圖Fig.11 Vcenter trend of revision asymmetric gamma voltage setting

表4 補(bǔ)正版非對(duì)稱(chēng)伽馬殘像結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

從兩次對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定和非對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定下殘像評(píng)價(jià)結(jié)果可知，當(dāng)采用對(duì)稱(chēng)伽馬電壓設(shè)定時(shí)，面板整體殘像水平較差。當(dāng)采用非對(duì)稱(chēng)伽馬電壓補(bǔ)正不同灰階下ΔVp的差異進(jìn)而減小面板的直流殘留后，直流殘留引起的殘像得到顯著改善，短、中、長(zhǎng)期殘像的Level等級(jí)平均下降2、0.8和0.6。結(jié)果充分說(shuō)明，通過(guò)非對(duì)稱(chēng)伽馬調(diào)整的方式可有效改善直流殘留引起的殘像。

5 結(jié) 論

本文對(duì)顯示面板非對(duì)稱(chēng)伽馬調(diào)整對(duì)殘像影響的理論和相關(guān)機(jī)理進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)際面板的殘像評(píng)價(jià)驗(yàn)證了非對(duì)稱(chēng)伽馬調(diào)整對(duì)殘像的影響。通過(guò)實(shí)際的驗(yàn)證結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于灰階127，通過(guò)調(diào)整不同的灰階中心電壓來(lái)補(bǔ)償跳變電壓的差異，直流殘留引起的殘像得到顯著改善，其中短、中、長(zhǎng)期殘像的Level等級(jí)平均分別下降2、0.8和0.6。結(jié)果充分表明，通過(guò)非對(duì)稱(chēng)伽馬調(diào)整的方式可有效改善直流殘留引起的殘像，此方案可應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中以降低殘像發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和等級(jí)。