廣窄視角可切換型TFT-LCD的莫爾條紋抑制

蔡 浩， 陳超平， 陳 捷， 程子垚

(1.昆山龍騰光電股份有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，江蘇 昆山 215300；2.上海交通大學(xué) 電子工程系 智能顯示實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

1 引 言

日常生活中，筆記本電腦已經(jīng)非常普及，在辦公、娛樂(lè)或收發(fā)郵件的使用率越來(lái)越高，但在不同的場(chǎng)合使用，用戶就會(huì)顧及個(gè)人隱私問(wèn)題。當(dāng)我們?cè)谟^看或是撰寫(xiě)私人信息時(shí)候，并不想讓周圍的人看到。傳統(tǒng)的解決方案是使用3M防偷窺膜片來(lái)達(dá)到防窺的目的。但當(dāng)分享有趣的內(nèi)容或是會(huì)議討論時(shí)，就希望有廣闊的視角讓更多人看到。廣窄視角技術(shù)可實(shí)現(xiàn)廣視角(Wide Viewing Angle，WVA)與窄視角(Narrow Viewing Angle，NVA)一鍵切換，省去了額外貼附防窺膜的繁瑣，其原理是基于廣窄視角可切換TFT-LCD技術(shù)而實(shí)現(xiàn)[1-4]。

TFT-LCD是有源矩陣類型液晶顯示器(Active Matrix LCD，AM LCD)中的一種。它具有低功耗、高對(duì)比度、高響應(yīng)速度、適用范圍廣、易于集成化等特點(diǎn)，目前已成為面板顯示產(chǎn)業(yè)主流技術(shù)之一。小到電子表、數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)，大到筆記本電腦、各種尺寸的顯示器、平板電視，都在廣泛使用TFT-LCD屏。TFT-LCD的主要原材料包括液晶、玻璃基板、背光模組、彩色濾光片、偏光片、驅(qū)動(dòng)電路、化學(xué)氣體與材料、外框、各類薄膜及其他材料。

2 背光模塊

目前，不同于有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)的技術(shù)原理[5]，TFT-LCD模組的設(shè)計(jì)必需搭配背光單元來(lái)提供光源，如圖1所示，其工作原理為由LED驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮并控制條狀的LED光源?，F(xiàn)有的LED驅(qū)動(dòng)所需的信號(hào)主要包括輸入電壓(VIN)、調(diào)光信號(hào)(Pulse Width Modulation，PWM)、使能信號(hào)(Chip Enable)等。對(duì)PWM的定義，還包括其調(diào)光頻率及占空比，它們的取值有一定的范圍及對(duì)應(yīng)關(guān)系，調(diào)節(jié)占空比可對(duì)光源的強(qiáng)弱進(jìn)行控制。

圖1 背光模塊原理圖Fig.1 Schematic of backlight module

背光模塊的調(diào)光方式有多種模式。表1、表2列出兩種常見(jiàn)模式調(diào)光下PWM頻率與占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系。PWM調(diào)光技術(shù)為目前常用的LED調(diào)光技術(shù)。在進(jìn)行脈沖寬度PWM調(diào)光時(shí)，需要提供一個(gè)額外的脈沖寬度調(diào)節(jié)信號(hào)源，通過(guò)改變輸入的脈沖信號(hào)占空比來(lái)調(diào)制LED驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵極控制信號(hào)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)通過(guò)LED電流大小的目的。這種調(diào)光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于應(yīng)用簡(jiǎn)單、效率高、精度高，且調(diào)光效果好[6]。

表1 混合調(diào)光模式Tab.1 Mixed dimming mode

表2 PWM調(diào)光模式Tab.2 PWM Dimming Mode

3 廣窄視角切換技術(shù)

3.1 廣窄視角切換簡(jiǎn)介

廣窄視角技術(shù)主要是在系統(tǒng)端通過(guò)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)廣窄視角之間的自由切換，可有效保護(hù)用戶的個(gè)人隱私。圖2展示了已應(yīng)用該技術(shù)的代表性產(chǎn)品HP·EliteBook商用系列筆記本的廣/窄視角模式(Elitebook顯示屏的原始設(shè)計(jì)制造商為昆山龍騰光電股份有限公司)。

圖2 HP EliteBook x360 1030 G2筆記本的廣/窄視角模式Fig.2 Wide/narrow viewing angle modes of HP EliteBook x360 1030 G2

3.2 廣窄視角切換原理

當(dāng)彩色濾光片(Color Filter，CF)側(cè)的公共(Common)電極施加偏壓時(shí)，該偏壓信號(hào)由STV信號(hào)觸發(fā)同步產(chǎn)生，液晶分子在電場(chǎng)作用下沿電場(chǎng)方向排列，與基板之間的預(yù)傾角增大，傾角較大的液晶分子在斜視方向相位延遲與偏光板不再匹配，造成斜視漏光，對(duì)比度降低，視角縮小。其初始狀態(tài)一般為寬視角，即CF側(cè)不施加偏壓，原理如圖3所示。廣視角模式下：TFT公共電極與CF公共電極用點(diǎn)銀膠方式接在一起，直流電壓驅(qū)動(dòng)(DC-VCOM)；窄視角模式下：TFT公共電極等于DC-VCOM電壓，CF公共電極等于AC-VCOM電壓。

圖3 廣窄視角可切換技術(shù)的原理示意圖Fig.3 Schematic of wide/narrow viewing angle switching mechanism

4 莫爾條紋的產(chǎn)生機(jī)理

莫爾是法語(yǔ)Moiré音譯，原意是水面的波紋。從物理本質(zhì)上解釋，莫爾條紋是兩條線或兩個(gè)物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺(jué)結(jié)果，當(dāng)人眼無(wú)法分辨這兩條線或兩個(gè)物體時(shí)，只能看到干涉的花紋，這種光學(xué)現(xiàn)象中的花紋就是莫爾條紋。對(duì)莫爾條紋的研究最早可以追溯到19世紀(jì)末期，20世紀(jì)50年代以后開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量，并逐步對(duì)莫爾條紋的形成機(jī)理展開(kāi)了廣泛的研究。深入研究它的形成機(jī)理、結(jié)構(gòu)及其光強(qiáng)分布規(guī)律具有非常重要的意義。它能夠指導(dǎo)如何改善莫爾條紋光電信號(hào)的質(zhì)量以及光電位移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。莫爾條紋的形成機(jī)理主要有以下3種理論：(1)基于陰影成像原理。認(rèn)為由條紋構(gòu)成的軌跡可表示莫爾條紋的光強(qiáng)分布。(2)基于衍射干涉原理。認(rèn)為由條紋構(gòu)成的新的光強(qiáng)分布可按衍射波之間的干涉結(jié)果來(lái)描述。(3)基于傅里葉變換原理。認(rèn)為形成的莫爾條紋是由低于光柵頻率項(xiàng)所組成[7-10]。本文所研究的莫爾條紋是從衍射光學(xué)角度描述的衍射干涉原理為理論依據(jù)。

在廣視角模式下，隨意調(diào)節(jié)背光亮度，其顯示效果良好，并無(wú)莫爾條紋現(xiàn)象。當(dāng)切換到窄視角模式，任意調(diào)節(jié)背光亮度時(shí)，莫爾條紋可見(jiàn)，尤其低亮度下表現(xiàn)明顯。窄視角模式比廣視角模式在彩色濾光片基板的氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)透明電極側(cè)多加了一個(gè)偏壓信號(hào)，因此可以斷定液晶顯示屏幕上的莫爾條紋與該交流偏壓信號(hào)有關(guān)。以120 Hz刷新率為例，量測(cè)顯示模組上的STV與PWM信號(hào)的波形，如圖4所示，可看出其系統(tǒng)送出的PWM信號(hào)頻率為1 kHz。

圖4 PWM頻率為1 kHz與STV信號(hào)的波形Fig.4 Waveform of STV and PWM with 1 kHz frequency

當(dāng)不斷調(diào)節(jié)PWM頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)莫爾條紋現(xiàn)象的程度也在不斷變化。在調(diào)節(jié)PWM頻率時(shí)，STV信號(hào)固定不變，變化的只是兩者的相位差。因此可以推斷，其產(chǎn)生機(jī)理為：由于背光模組的調(diào)光信號(hào)PWM信號(hào)與施加在CF ITO側(cè)的交流信號(hào)兩者相位差不斷變化，導(dǎo)致了人眼可見(jiàn)的干涉的花紋，因此產(chǎn)生了莫爾條紋。這會(huì)嚴(yán)重影響NVA模式下的畫(huà)面顯示效果。如圖5所示，方框標(biāo)識(shí)區(qū)域內(nèi)，莫爾條紋明顯可見(jiàn)。

圖5 PWM頻率1 kHz占空比49.8%下可見(jiàn)的莫爾條紋區(qū)域Fig.5 Visible area of moire under PWM with 1 kHz frequency and 49.8% duty

5 實(shí) 驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)方法

斷開(kāi)由連接器端輸入的PWM輸入信號(hào)(PWMI)，使用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器連接，將PWMI信號(hào)接入，規(guī)律性地調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的頻率及占空比，實(shí)際觀測(cè)不同PWM頻率及占空比下液晶顯示屏在窄視角模式下的莫爾條紋現(xiàn)象。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以31.75 cm(12.5 in)全高清(Full HD)(分辨率為1 920×1 080)液晶顯示屏為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，表3為不同占空比下，驗(yàn)證不同頻率有無(wú)莫爾條紋現(xiàn)象所得的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明：低灰階、低頻率、低占空比下莫爾條紋明顯可見(jiàn)。

表3 PWM不同占空比及頻率下的莫爾條紋狀況Tab.3 Performance of moire under different PWM duty and frequency (Hz)

6 結(jié)果與討論

6.1 解決方案

目前，絕大部分筆記本電腦使用的PWM頻率為1 kHz。針對(duì)莫爾條紋問(wèn)題，現(xiàn)有的解決方案為：拉高PWM信號(hào)的頻率，如圖6所示，使其與窄視角模式下施加在CF ITO側(cè)的交流信號(hào)之間的相位差足夠小，盡量避開(kāi)人眼可見(jiàn)的范圍。但此方案會(huì)引起占空比可調(diào)控精度低等問(wèn)題。

圖6 PWM頻率為3.1 kHz與STV的波形Fig.6 Waveform of STV and PWM with 3.1 kHz frequency

對(duì)比傳統(tǒng)的方案，本文的解決方案如下：圖7為新的原理模塊框圖，無(wú)論前段系統(tǒng)送入的PWMI的頻率為多少，使PWMI信號(hào)經(jīng)連接器進(jìn)入時(shí)序控制器(Timing Controller，TCON)后，產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)(PWMO)。為防止PWMO信號(hào)在一幀內(nèi)的完整性，避免造成背光亮度上的差異，同步產(chǎn)生為STV頻率倍數(shù)的PWMO信號(hào)進(jìn)行輸出，PWMO的占空比跟隨PWMI的占空比，其TCON內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理如圖8所示[11]。電源開(kāi)啟后，STV經(jīng)過(guò)計(jì)時(shí)器(Timer)計(jì)算兩個(gè)上升沿的時(shí)間T，T參數(shù)反饋于PWM模塊產(chǎn)生倍頻(n/T，n的取值根據(jù)需求設(shè)定ROM code)的PWM信號(hào)輸出，再通過(guò)STV上升沿觸發(fā)PWM信號(hào)產(chǎn)生PWMO信號(hào)，并送至LED驅(qū)動(dòng)。

圖7 驅(qū)動(dòng)模塊框圖Fig.7 Block diagram of driving module

圖8 TCON內(nèi)部功能原理框圖Fig.8 Block diagram of embedded function in TCON

依據(jù)嵌入式顯示端口(Embedded Display Port，簡(jiǎn)稱eDP)協(xié)議的時(shí)序規(guī)格，如圖9所示，電源開(kāi)啟后至少200 ms(該應(yīng)用定義T8 min值為200 ms)后，背光才會(huì)點(diǎn)亮，其2個(gè)STV的周期遠(yuǎn)小于200 ms。STV與PWMO信號(hào)間的時(shí)序?qū)?yīng)關(guān)系如圖10所示。

圖9 eDP的時(shí)序規(guī)格Fig.9 Timing specifications of eDP

圖10 STV與PWMO對(duì)應(yīng)時(shí)序關(guān)系Fig.10 Timing relation between STV and PWMO

6.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

如圖11所示，使用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，將液晶顯示屏的STV信號(hào)引出接入設(shè)備，作為觸發(fā)源，然后產(chǎn)生與STV同步的PWM信號(hào)后輸入至LED驅(qū)動(dòng)。

圖11 使用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器通過(guò)STV觸發(fā)PWM驗(yàn)證示例Fig.11 Verified example of PWM signal triggered by STV with function signal generator

以31.75 cm(12.5 in)液晶顯示屏為例，其刷新率為120 Hz，即STV的頻率為120 Hz。如圖12波形所示，通道一為STV信號(hào)，通道二為PWM信號(hào)，實(shí)際觀測(cè)如圖13所示，未觀察到明顯的莫爾條紋現(xiàn)象。使用色彩分析儀CA-310量測(cè)64灰階下莫爾條紋中心區(qū)域的閃爍度，其值由68.5%～72.3%之間的循環(huán)跳變，變成穩(wěn)定的69.9%，如圖14所示。

圖12 通過(guò)STV觸發(fā)PWM信號(hào)的波形Fig.12 Waveforms of both STV and PWM signals

圖13 無(wú)莫爾條紋現(xiàn)象圖Fig.13 Image free from moire effect

圖14 使用色彩分析儀CA-310量測(cè)莫爾條紋中心區(qū)域的閃爍度Fig.14 Flicker value in the center area of moire measured by CA-310

7 結(jié) 論

在廣視角模式下并沒(méi)有莫爾條紋，只有當(dāng)切換到窄視角模式下并且背光亮度較低時(shí)才可見(jiàn)。而窄視角模式下比廣視角模式在彩色濾光片的透明電極側(cè)多加了一個(gè)交流偏壓信號(hào)。從莫爾條紋產(chǎn)生的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果可知，其產(chǎn)生機(jī)理為脈沖寬度調(diào)制信號(hào)與窄視角模式下施加在彩色濾光片的透明電極側(cè)的交流面板信號(hào)之間的相位差不斷變化所造成。本文通過(guò)將脈沖寬度調(diào)制信號(hào)與每幀的起始信號(hào)相同步，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，本文的方案可有效解決莫爾條紋的問(wèn)題。在1 kHz、49.8%占空比的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)下，使用色彩分析儀量測(cè)64灰階下莫爾條紋中心區(qū)域的閃爍度由68.5%～72.3%之間的循環(huán)跳變，變?yōu)榉€(wěn)定的69.9%。考慮到所產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的頻率需為起始信號(hào)頻率的倍數(shù)，其有效地防止了脈沖寬度調(diào)制信號(hào)在一幀內(nèi)不完整而造成背光亮度上的損失。對(duì)比傳統(tǒng)的只是單純拉高脈沖寬度調(diào)制信號(hào)頻率的方案，本文提出的方案在解決莫爾條紋上的效果具有明顯優(yōu)勢(shì)，在窄視角模式下給用戶更好的視覺(jué)體驗(yàn)。