用于液晶調(diào)控器件的過壓驅(qū)動技術(shù)進(jìn)展

史文雄， 盧綺涵， 梁如標(biāo)， 覃煒賢， 姚麗雙，2*

（1.汕頭大學(xué) 理學(xué)院， 廣東 汕頭 515063；2.汕頭超聲顯示器技術(shù)有限公司 廣東省車載顯示觸控技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 汕頭 515041）

1 引言

目前，顯示器的主流顯示技術(shù)大體上可分類為液晶顯示技術(shù)（Liquid Crystal Display，LCD）和有機(jī)發(fā)光二極管顯示技術(shù)（Organic Light Emitting Diode Display，OLED），這兩類顯示技術(shù)的主要區(qū)別在于其驅(qū)動的方式不同。OLED顯示技術(shù)在屏幕上所顯現(xiàn)的多樣顏色是由單個LED像素直接控制，不需要借助液晶和透光薄膜，而是接通電流后，載流子注入到有機(jī)層產(chǎn)生電致發(fā)光［1］，因此相對于一般的LCD具有更廣的色域，屏幕會更?。ㄍǔＧ闆r下約為LCD屏厚度的1/3）并且具備柔性屏幕特性［2］。此外，因?yàn)槊總€LED像素都是單獨(dú)的開關(guān)控制，故可以呈現(xiàn)出純凈的黑色效果。但是由于OLED的調(diào)光方式是開關(guān)調(diào)節(jié)，所以對薄膜晶體管器件的遷移率、開關(guān)比大小有較高的要求，且在成本上花費(fèi)較高。相比之下，LCD顯示技術(shù)在器件制備方面的要求較低，性價比更高。LCD顯示器件由透光膜、液晶層、背光板和LED屏構(gòu)成，其顯示原理是基于液晶材料的電控雙折射特性，通過控制電壓大小來調(diào)節(jié)透過LED屏的光的亮度［2］。故現(xiàn)如今，LCD仍舊占據(jù)顯示面板銷售市場的主流地位［3］。與OLED相比，LCD目前通過量子點(diǎn)的助力，色彩飽和度已經(jīng)可以與OLED相媲美，但是響應(yīng)速度仍遠(yuǎn)不能與OLED相比。為此，在顯示領(lǐng)域開發(fā)了過壓驅(qū)動技術(shù)來提升LCD的響應(yīng)性能。過壓驅(qū)動 （Overdriving， OD）是一種在液晶顯示器件中較為常見的用于優(yōu)化圖像顯示的技術(shù)。過壓驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展與液晶顯示器的廣泛使用密不可分，在現(xiàn)如今的生活生產(chǎn)中，有許多顯示器件，如電視機(jī)、平板、手機(jī)、電腦、電子手表、醫(yī)療儀器等采用液晶顯示技術(shù)。這些設(shè)備的響應(yīng)性能主要依賴于顯示技術(shù)及與之相配的驅(qū)動技術(shù)，其中普遍采用的即是過壓驅(qū)動方法。

2 過壓驅(qū)動技術(shù)原理

液晶是介于固態(tài)與液態(tài)之間的一種相態(tài)，既具有液體的流動性，也具有類似于晶體的各向異性?；谶@種特殊性質(zhì)，液晶可以用來調(diào)控入射光的強(qiáng)度和相位。顯示器的液晶分子一般為棒狀，當(dāng)外加電場時，會產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩，獲得使液晶分子轉(zhuǎn)動的力偶作用，形成取向極化。為了在原理上更為深入地探究液晶分子微觀排布狀態(tài)，F(xiàn)rank等人于1958年提出了著名的曲率彈性理論［4］，給出了液晶分子的自由能密度表達(dá)式。隨后，Ericksen等學(xué)者基于該理論，發(fā)展出埃里克森-萊斯利方程［5］，用于描述液晶分子類流體的動力學(xué)行為。這些研究揭示了液晶分子的運(yùn)動響應(yīng)與外加場強(qiáng)度之間存在一定的相關(guān)性，即可以在外加電場的作用下人為調(diào)控液晶分子的運(yùn)動排布狀態(tài)。

過壓驅(qū)動技術(shù)正是基于液晶這種特殊的電光性質(zhì)而發(fā)展出的，其基本原理是：在對液晶分子施加電壓使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)的過程中，當(dāng)液晶分子需要克服阻力矩和彈性力矩進(jìn)行分子取向調(diào)整時，通過施加一個比目標(biāo)電壓更高的驅(qū)動電壓的方式，讓液晶分子獲得更大的電場轉(zhuǎn)矩克服阻力矩和彈性力矩，使其可以更快地達(dá)到目標(biāo)電壓下對應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)。亦或是在液晶分子弛豫回轉(zhuǎn)的過程中，施加一個更低的驅(qū)動電壓，使液晶分子在回落時抵消電場轉(zhuǎn)矩后的有效彈性轉(zhuǎn)矩增大，從而提升響應(yīng)速度［6］。對應(yīng)液晶屏的顯示領(lǐng)域應(yīng)用，就是在兩種不同灰度級所對應(yīng)的電壓值切換時，在切換過程中施加一個更高于或更低于目標(biāo)電壓的驅(qū)動電壓，從而使兩灰度間的切換響應(yīng)變化過程變得更加迅速，如圖1（a）所示。采用普通驅(qū)動進(jìn)行灰度級切換則是直接施加目標(biāo)電壓，如圖1（b）所示。圖1中綠色虛線代表驅(qū)動電壓變化曲線，紅色實(shí)線代表亮度變化曲線。

圖1 兩種驅(qū)動方式示意圖。（a）過壓驅(qū)動；（b）普通驅(qū)動。Fig.1 Schematic diagram of two driving modes. （a） Over drive； （b） Common drive.

在采用過壓驅(qū)動技術(shù)后，可顯著加快LCD中的圖像顯示切換速度，提升視覺觀感效果。由于LCD是通過施加不同大小的電信號調(diào)控光強(qiáng)以實(shí)現(xiàn)灰階的變換，故可實(shí)現(xiàn)在施加電信號的過程中輸入一個高于目標(biāo)電壓的電壓提升響應(yīng)速度，過壓驅(qū)動技術(shù)也基于此能在LCD中得到廣泛的應(yīng)用。

3 過壓驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于顯示領(lǐng)域

3.1 基于液晶顯示器件的過壓驅(qū)動技術(shù)

在LCD發(fā)展應(yīng)用之初，存在視角、色域較窄，對比度較低等問題［7］，其呈現(xiàn)出的圖像效果差強(qiáng)人意，不能很好地應(yīng)用于顯示領(lǐng)域。在歷經(jīng)多年的發(fā)展和技術(shù)更新迭代后，衍生出了各種類型的液晶顯示器件，例如扭曲向列型（Twisted Nematic，TN）、多域垂直取向型（Multi Domain Vertical Aligned，MVA）、平面內(nèi)切換型（In Plane Switching，IPS）等。這些液晶顯示器件在滿足不同應(yīng)用需求的同時，也能有效地改善上述問題。

LCD的結(jié)構(gòu)如圖2所示。LCD的多樣性主要是基于液晶層的不同而產(chǎn)生不同的類別。對于光強(qiáng)上升的曲線，響應(yīng)時間通常定義為總光強(qiáng)變化量從10%到90%時所需要的時間；而對于光強(qiáng)下降的曲線，響應(yīng)時間則是光強(qiáng)變化量從90%到10%時所需的時間［8］。響應(yīng)時間是衡量液晶顯示的重要參數(shù)，響應(yīng)時間越短則顯示效果越好。而對于這些基于不同液晶光學(xué)模式制成的液晶顯示屏，均可以采用過壓驅(qū)動技術(shù)提升響應(yīng)性能。

圖2 LCD結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of LCD

TN-LCD是以扭曲向列相模式作為基礎(chǔ)元器件的顯示器件。扭曲向列相液晶器件的特點(diǎn)是其上下襯底的摩擦方向相互垂直，液晶分子在液晶器件內(nèi)呈現(xiàn)一種扭曲的結(jié)構(gòu)。施加電壓時，液晶器件呈現(xiàn)暗態(tài)；不加電時，液晶器件則呈現(xiàn)亮態(tài)。這種電光效應(yīng)即扭曲電場效應(yīng)。

2001年，Hajime Nakamura和Kazuo Sekiya基于TN-LCD的扭曲電場效應(yīng)，從理論和實(shí)驗(yàn)方面研究了采用過壓驅(qū)動技術(shù)對扭曲向列相液晶器件光學(xué)響應(yīng)性能的影響［9］。對于液晶器件，采用具有更低旋轉(zhuǎn)粘度的液晶材料或者更薄液晶器件厚度等方式提升響應(yīng)性能的效率并不高，且實(shí)現(xiàn)起來較為繁瑣費(fèi)時。因此，選擇過壓驅(qū)動技術(shù)是成本相對低廉的提升響應(yīng)性能的方式。該技術(shù)在圖像第一幀時將電壓偏置到大于目標(biāo)電壓的大小，然后在下一幀再將電壓偏置到目標(biāo)電壓。在采用過壓驅(qū)動的方式后，TN的響應(yīng)時間可以縮短6倍［9］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用過壓驅(qū)動技術(shù)后，TN灰度切換的響應(yīng)時間明顯縮短。

MVA-LCD通常采用負(fù)介電各向異性液晶材料。在不加電時，這些液晶分子垂直于襯底方向排列；施加電壓時，這些液晶分子會趨向平行于襯底方向排列。在MVA面板中還存在有特制的凸起結(jié)構(gòu)以獲得更寬的顯示視角［10］。Jin-Jei Wu等人基于MVA面板的優(yōu)異性能，采用過壓驅(qū)動技術(shù)提高其灰度切換的響應(yīng)時間［11］。為了更快速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，采用的是改良的過壓驅(qū)動技術(shù)。改良的過驅(qū)動技術(shù)是在施加過驅(qū)動電壓后再接上一段緩沖電壓，緩沖電壓大小介于過驅(qū)動電壓和目標(biāo)電壓之間。相較于普通的過壓驅(qū)動方法，即直接施加過驅(qū)動電壓驅(qū)動MVA面板，改良后的過壓驅(qū)動方式能夠使響應(yīng)曲線變得更為平滑，顯示視覺效果更好，且能縮短響應(yīng)時間約20 ms。

IPS-LCD不同于一般液晶顯示器件，其是通過襯底的梳妝數(shù)字電極和公共電極產(chǎn)生的橫向電場來調(diào)控液晶分子的排布方向［12］。IPS-LCD具有較大視場，在傾斜視角下仍能保持一定的亮度，不會影響觀看，可以呈現(xiàn)出沉浸式的視覺效果。但對于具有較大像素電容的IPS液晶顯示，如IPS-Pro［13］，目前還存在亟待解決的問題：其受限于掃描充電機(jī)理而逐行給像素充電的特點(diǎn)，當(dāng)LCD像素變大時，電子遷移率會下降，產(chǎn)生圖像粘滯的現(xiàn)象，即位于同一列或是同一行的像素從暗態(tài)像素依次充電到下一亮態(tài)像素時，直接切換電壓的傳統(tǒng)驅(qū)動方式會因像素充電時間不足，下一亮態(tài)像素?zé)o法快速驅(qū)動到對應(yīng)的亮度，導(dǎo)致圖像邊緣處出現(xiàn)模糊不清的現(xiàn)象。Ryutaro Oke等人針對上述的IPS圖像粘滯現(xiàn)象，采用線性過壓驅(qū)動技術(shù)（Line-OD）進(jìn)行優(yōu)化［14］。這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)手段是在切換像素的充電過程中施加一個略高于目標(biāo)電壓的電壓，使當(dāng)前像素可以在有限的時間內(nèi)快速驅(qū)動到對應(yīng)的亮度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用線性過壓驅(qū)動技術(shù)后能夠消除圖像粘滯的現(xiàn)象，使最終呈現(xiàn)的圖像沒有模糊的邊界，呈現(xiàn)出清晰的圖像。如圖3（a）所示，紅色框線中表現(xiàn)的是原本不充分驅(qū)動的像素所產(chǎn)生的圖像粘滯現(xiàn)象，而在采用了Line-OD技術(shù)后，如圖3（b）所示，在視覺上基本觀測不到模糊的影像。

圖3 未采用（a）和采用（b）線性過壓驅(qū)動技術(shù)后的影像Fig.3 Images without （a） and with （b） linear overvoltage drive technology

綜上所述，過壓驅(qū)動技術(shù)在顯示性能優(yōu)化上具有顯著的效果，能夠有效縮短響應(yīng)時間，提高圖像成像質(zhì)量。

3.2 基于數(shù)字化優(yōu)化的過壓驅(qū)動技術(shù)

LCD屏基于過壓驅(qū)動技術(shù)輸出顯示圖像時，需要結(jié)合使用幀儲存與輸出技術(shù)，將顯示信號壓縮編碼轉(zhuǎn)化為過壓驅(qū)動信號再解碼輸出顯示圖像。通過保存前一幀的圖像數(shù)據(jù)，對比評估其與當(dāng)前幀的差異，并補(bǔ)償圖像運(yùn)動形成的模糊影像后再利用過壓驅(qū)動技術(shù)輸出當(dāng)前幀的圖像實(shí)現(xiàn)顯示效果。在這一過程中，需盡量減小前一幀圖像數(shù)據(jù)所占用的存儲空間，同時要對動態(tài)圖像偽影進(jìn)行有效補(bǔ)償以確保采用過壓驅(qū)動輸出圖像的清晰度和準(zhǔn)確性［15］。

2009年，Jun Wang等人提出了一種改進(jìn)的運(yùn)動自適應(yīng)編碼器（Improved Motion Adaptive Codec，IMAC），用以提高LCD的過壓驅(qū)動性能［16］。IMAC結(jié)合了可有效減少在幀存儲器中存儲圖像數(shù)據(jù)的混合圖像編解碼器（Advanced Hybrid Image Codec，AHIC），以及可以壓縮過壓驅(qū)動信號產(chǎn)生的誤差的高級運(yùn)動自適應(yīng)選擇器（Advanced Motion Adaptive Selector，AMAS）。仿真結(jié)果表明，采用IMAC后輸出的圖像與傳統(tǒng)運(yùn)動自適應(yīng)編碼器相比，具有更好的視覺效果和更高的信噪比。信噪比是作為評估圖像質(zhì)量的指標(biāo)，信噪比越高，生成圖像的質(zhì)量也越高?；谠摲椒ǖ倪^壓驅(qū)動技術(shù)可以進(jìn)一步縮短液晶響應(yīng)時間，減少液晶顯示屏的運(yùn)動模糊現(xiàn)象。

2011年，Harsub Kim等人為了有效利用過壓驅(qū)動技術(shù)，考慮降低其產(chǎn)生的冗余圖像數(shù)據(jù)所占的內(nèi)存空間，提出了一種基于離散小波變換自適應(yīng)模式選擇（DWT-based Adaptive Mode Selection，DAMS）的壓縮存儲前一幀圖像數(shù)據(jù)的方法［17］。對不同的參考圖像進(jìn)行模擬，在采用了DAMS算法后，結(jié)果顯示其信噪比大于采用標(biāo)準(zhǔn)塊截斷編碼、矢量量化塊截斷編碼和混合圖像編碼方法。這表明該算法在顯示性能方面具有更好的效果，能夠輸出更高質(zhì)量的顯示圖像。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了DAMS算法在圖像壓縮和保真方面的優(yōu)越性，能夠提升過壓驅(qū)動技術(shù)輸出顯示圖像的效率。

隨著LCD分辨率的提升，顯示用像素數(shù)量增多，相應(yīng)的壓縮儲存于幀儲存器中的圖像數(shù)據(jù)占用空間也會變大。當(dāng)LCD采用過壓驅(qū)動技術(shù)時，需要有效縮小幀儲存空間占用量和提升數(shù)據(jù)傳輸效率，同時也要考慮優(yōu)化壓縮圖像的質(zhì)量以確保過壓驅(qū)動信號高質(zhì)量輸出顯示圖像，因而對于算法的改進(jìn)優(yōu)化是不可忽視的。

3.3 基于材料優(yōu)化的過壓驅(qū)動技術(shù)

為提升液晶顯示的響應(yīng)性能，通常是綜合地采用與過壓驅(qū)動技術(shù)相結(jié)合的方法對響應(yīng)曲線做整體上的優(yōu)化。

除了過壓驅(qū)動技術(shù)外，常用的優(yōu)化液晶器件性能的手段是通過摻雜材料來實(shí)現(xiàn)［18-19］。由于摻雜材料對液晶器件性能的提升效果明顯，因此結(jié)合過壓驅(qū)動技術(shù)和摻雜方法來綜合提升響應(yīng)曲線成為一個研究方向。2019年，Yayu Dai等人嘗試向液晶器件中摻雜γ-Fe2O3納米粒子獲得了更低的閾值電壓、更高的雙折射、更快的響應(yīng)時間，并具有良好的溫度穩(wěn)定性［20］。為了進(jìn)一步提升摻雜液晶器件的性能，他們在摻雜的基礎(chǔ)上采用過壓驅(qū)動技術(shù)使響應(yīng)時間進(jìn)一步縮短，液晶元器件的性能得到了進(jìn)一步提高，響應(yīng)時間縮短了近71.5%。相比純液晶材料，摻雜的液晶器件的響應(yīng)速度提高了3倍。這種方法產(chǎn)生了顯著的優(yōu)化效果，為后續(xù)的過壓驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用提供了思路，即可以通過在液晶器件中進(jìn)行適量的摻雜來有效提升響應(yīng)速度，同時由于可用于摻雜的材料選擇范圍較廣，因而可以摸索出各式各樣的摻雜方式以滿足不同的生產(chǎn)需求。

4 過壓驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于非顯示領(lǐng)域

4.1 過壓驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于空間光調(diào)制器

基于過壓驅(qū)動技術(shù)的液晶器件還可以應(yīng)用在顯示領(lǐng)域以外的其他領(lǐng)域，如相位調(diào)制、偏振成像等。

在液晶空間光調(diào)制器件（Liquid Crystal Spatial Light Modulator， LC-SLM）中，對于相位的波動反應(yīng)是極其敏感的，這要求基于液晶器件調(diào)制的相位曲線應(yīng)具有良好穩(wěn)定的切換效果，即能夠在切換后快速穩(wěn)定到目標(biāo)相位。可以利用過壓驅(qū)動技術(shù)對相位響應(yīng)曲線進(jìn)行優(yōu)化。應(yīng)用過壓驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行相位調(diào)制的方法與顯示中的調(diào)制方法類似，即在切換相位時，根據(jù)曲線的上升或下降情況，分別施加大于或小于目標(biāo)相位的驅(qū)動電壓以實(shí)現(xiàn)液晶器件快速調(diào)制到相應(yīng)目標(biāo)相位的效果。

2013年，Gregor Thalhammer等人通過結(jié)合過壓驅(qū)動技術(shù)的方法，使衍射光場的相位轉(zhuǎn)換時間處在約1 ms，相位變化的響應(yīng)時間提升了約10倍，這是一種非?？捎^的性能提升方法［21］?；赟LM的高更新率，輸出過壓驅(qū)動信號可通過多幀高刷新率的方式來輸出過壓驅(qū)動信號，與以往通過瞬態(tài)幀的方式輸出電壓信號，即單幀給定過驅(qū)動電壓的方法相比［22］，前者能夠更為準(zhǔn)確地施加過壓驅(qū)動信號，使相位響應(yīng)曲線得到恰好的過驅(qū)動，這樣能使相位變化在最短的時間驅(qū)動到目標(biāo)相位。因而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況下，采用多幀輸出的方法，會使SLM的響應(yīng)時間與預(yù)期相比更短。除了改進(jìn)過壓驅(qū)動技術(shù)在SLM中的應(yīng)用形式，他們還改變了相位切換的相位差變化量。為了實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果，他們擴(kuò)展了SLM的可用相位范圍，使其大于2π。當(dāng)初始相位到目標(biāo)相位中間相位差過大時，通過將初始相位擴(kuò)展2π的方式使其更接近目標(biāo)相位，減少響應(yīng)時間。這種方式可以有效降低冗余相位，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的點(diǎn)陣響應(yīng)曲線中可以觀察到，在結(jié)合過壓驅(qū)動和擴(kuò)展相位的方法后，相較于僅采用過壓驅(qū)動方式，達(dá)到目標(biāo)相位的曲線整體上更加平滑。此外，還可以考慮讓光多次通過液晶器件或選擇雙折射更大的液晶材料等方式進(jìn)行相位的延拓［6-23］，但這兩種方法分別對光路和材料有較高的要求，在具體應(yīng)用中較為困難。

4.2 過壓驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于液晶透鏡

基于過壓驅(qū)動技術(shù)的液晶器件具有快速調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在光學(xué)成像系統(tǒng)中可以提升整個光路的性能。Hui Li等人構(gòu)建了一種無需機(jī)械運(yùn)動、采用液晶材料的可變焦透鏡［24］。在整個成像過程中，通過施加不同的電壓改變液晶透鏡的焦距，借助電荷耦合器件（CCD）獲得不同視角的二維圖像。為提高LC透鏡的響應(yīng)時間，他們采用過壓驅(qū)動技術(shù)，即在起始階段對電極施加一個較大的脈沖以加快響應(yīng)速度，然后再將大脈沖電壓調(diào)節(jié)為所需的工作電壓來穩(wěn)定LC透鏡的聚焦效果。此外，為避免破壞LC透鏡，該大脈沖電壓選擇為20 Vrms。這種電控液晶透鏡具有快速調(diào)焦、所需驅(qū)動電壓較小的優(yōu)勢。相比傳統(tǒng)透鏡調(diào)焦方式（需調(diào)節(jié)光路或更換透鏡），基于過壓驅(qū)動技術(shù)的液晶透鏡在調(diào)焦方面顯然更具有優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。

5 過壓驅(qū)動技術(shù)引入的技術(shù)問題

5.1 偽影

液晶顯示器在應(yīng)用過壓驅(qū)動技術(shù)時，由于不恰當(dāng)?shù)倪^壓驅(qū)動方式，如過驅(qū)動電壓過高或過低、過驅(qū)動時間過長或過短等問題，會使器件的光響應(yīng)曲線出現(xiàn)波動，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，曲線出現(xiàn)凹陷或是凸起的現(xiàn)象。該現(xiàn)象反映于液晶顯示屏上，則對應(yīng)于單個像素產(chǎn)生明暗變化的灰度切換過程中，像素顯現(xiàn)出瞬時的過亮或過暗的效果。

當(dāng)液晶顯示屏播放動態(tài)圖像時，會有多個像素同步地產(chǎn)生灰度變化。若動態(tài)圖像與其背景圖像有較大灰度差時，則能在視覺上觀測到較為明顯的偽影效果，即圖像的移動軌跡中出現(xiàn)較亮或較暗的拖影［25］。

Yunsang Han等人針對過壓驅(qū)動技術(shù)中幀儲存技術(shù)和動態(tài)圖像質(zhì)量進(jìn)行了優(yōu)化研究，提出使用一種新型高性能的動態(tài)電容補(bǔ)償體系（Dynamic Capacitance Compensation，DCC）解決全高清120 Hz液晶顯示屏上出現(xiàn)的偽影問題［26］。DCC的基本理念是采用3幀替代先前的2幀輸入圖像，再通過過壓驅(qū)動的方式輸出圖像。DCC采用的這3幀包含當(dāng)前幀和前兩幀。為減少前兩幀中更早一幀所產(chǎn)生的時間冗余，他們采用運(yùn)動估計/運(yùn)動補(bǔ)償，并同時采用進(jìn)行校正補(bǔ)償誤差的方法。該方法能夠顯著減少數(shù)據(jù)量約90%，生成的圖像質(zhì)量也能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)過壓驅(qū)動的要求。應(yīng)用OD技術(shù)輸出動態(tài)圖像，若沒有足夠的圖像幀，在顯示屏上會出現(xiàn)如圖4所示的視覺缺陷效果。圖4（a）中圖案“A”的移動產(chǎn)生了一個較亮的偽影，圖4（b）中長方形圖案的移動則產(chǎn)生了一個較暗的偽影。上述兩種視覺上的缺陷效果分別被稱為上升反彈偽影和超調(diào)偽影。

圖4 兩種類型的偽影。（a）上升反彈偽影；（b）超調(diào)偽影。Fig.4 Two types of artifacts. （a） Rising bounce artifact； （b）Overshoot artifact.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，本質(zhì)上研究人員是通過DCC方法減少冗余時間，從而使施加過驅(qū)動電壓的持續(xù)時間變得更加準(zhǔn)確以減小響應(yīng)曲線的缺陷程度。這是由于過驅(qū)動電壓的施加時間對響應(yīng)曲線具有一定影響。當(dāng)過驅(qū)動時間過長時，響應(yīng)曲線會出現(xiàn)凸起，回落到目標(biāo)灰度時則需要更多的時間；當(dāng)驅(qū)動時間過短時，響應(yīng)曲線會變緩，這是因?yàn)榍€的斜率變化與其電壓成正比關(guān)系。如果過驅(qū)動電壓未達(dá)到目標(biāo)灰度就被撤銷，則達(dá)到目標(biāo)灰度所需的時間也會增加。這些觀察結(jié)果有助于深入理解過壓驅(qū)動技術(shù)在動態(tài)圖像顯示中可能出現(xiàn)的問題，并為改進(jìn)該技術(shù)提供了指導(dǎo)方向。

Kazuya Goda等人于2019年研究了過壓驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于聚合物穩(wěn)定的藍(lán)相液晶器件的透過率響應(yīng)曲線［27］。研究結(jié)果表明，采用不同驅(qū)動時間的過驅(qū)動電壓會導(dǎo)致相應(yīng)的透過率曲線變化，出現(xiàn)上文中提到的問題，即過驅(qū)動時間過長或過短會使透過率曲線不能快速穩(wěn)定在目標(biāo)透過率下，進(jìn)而影響LCD顯示效果。另外，采用不同大小的過驅(qū)動電壓時，對應(yīng)所需要施加的最佳過驅(qū)動電壓的時間也是不同的。所述的“最佳”指的是剛好驅(qū)動到目標(biāo)相位，沒有出現(xiàn)驅(qū)動時間過長或過短的問題。雖然通過找到過壓驅(qū)動最佳施加時間的方式可以有效改善這兩種偽影的影響，但是仍沒有辦法徹底消除這種影響。這種效應(yīng)其實(shí)是過壓驅(qū)動技術(shù)中液晶分子在電場下運(yùn)動所產(chǎn)生的必然結(jié)果。Kazuya Goda等人的研究為了解和優(yōu)化液晶器件中過壓驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用提供了有價值的見解。

以上研究顯示，過壓驅(qū)動技術(shù)在液晶顯示屏中的應(yīng)用對提升圖像質(zhì)量和改善響應(yīng)時間有著重要影響。通過針對前一幀圖像數(shù)據(jù)的處理和優(yōu)化過程，研究人員提出了各種解決方案以改善動態(tài)圖像中出現(xiàn)的偽影問題。盡管已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展并提出了一些解決方案，但仍然存在問題，如響應(yīng)曲線的凸起和緩慢變化等。這些研究為理解過壓驅(qū)動技術(shù)在LCD中的應(yīng)用提供了重要見解，要想完全消除這些影響還需要更深入地研究和改進(jìn)該技術(shù)。

5.2 背流效應(yīng)

有一種被廣泛接受的說法是，這種驅(qū)動方式產(chǎn)生的上升反彈和超調(diào)現(xiàn)象是由背流效應(yīng)引起的。背流效應(yīng)指的是液晶分子在電場作用下，局部分子轉(zhuǎn)動速度迅速改變，超過鄰近的液晶分子速度，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動速度更快的分子與毗鄰的分子發(fā)生碰撞，致使其頂部和底部液晶分子發(fā)生“流動”的現(xiàn)象［28］。該現(xiàn)象的本質(zhì)是液晶分子在受到電場作用后重新定向時發(fā)生的旋轉(zhuǎn)和重新排列，會產(chǎn)生局部呈“S形”的體速度梯度，導(dǎo)致液晶出現(xiàn)流動效應(yīng)。如圖5所示，其中紅色實(shí)線箭頭指代中間層液晶分子的轉(zhuǎn)動方向，紅色虛線箭頭指代液晶分子的流動方向，黑色實(shí)線指代液晶分子因差速旋轉(zhuǎn)相互作用形成的受擊方向。此外，該效應(yīng)還可以通過分子動力學(xué)模擬迭代仿真計算得到。

圖5 產(chǎn)生背流效應(yīng)的機(jī)理圖Fig.5 Mechanism of backflow effect

為了研究清楚背流效應(yīng)對液晶器件響應(yīng)的影響，Shu-Hsia Chen等人以手性垂直排列液晶盒作為研究對象，探討了液晶的流動與光學(xué)反彈現(xiàn)象之間的關(guān)系，并就電場引起的光學(xué)反彈與普遍了解的光學(xué)反彈現(xiàn)象的不同進(jìn)行了討論［29］。模擬結(jié)果顯示，在不考慮液晶流動效應(yīng)的影響僅考慮液晶分子轉(zhuǎn)動的條件下，所得到的透過率曲線沒有出現(xiàn)光學(xué)反彈現(xiàn)象且響應(yīng)時間更短。這表明場誘導(dǎo)的背流效應(yīng)是引起光學(xué)反彈現(xiàn)象的原因。此外，他們還觀察到液晶分子的扭轉(zhuǎn)角分布變化對液晶盒瞬時透過率產(chǎn)生了顯著影響。背流效應(yīng)在液晶器件內(nèi)部的出現(xiàn)會影響鄰近邊界液晶分子的傾斜角分布，使得液晶盒出現(xiàn)異常扭曲的狀態(tài)，而這種狀態(tài)在漸漸消失的過程中，不僅會使器件響應(yīng)時間更慢，還會產(chǎn)生上升光學(xué)反彈現(xiàn)象。

為了減弱背流效應(yīng)的影響，Wenjuan Li等人通過向VA-LCD中摻入少量的雙功能團(tuán)線性聚合物單體RM257的方式來改善這一缺陷［30］。在摻入RM257聚合物后，液晶盒中會形成垂直排列的纖維，這些纖維能夠起到一定的錨定作用，阻止液晶分子在水平方向上的流動效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適量摻入一定濃度的RM257可有效消除透過率-時間曲線中的光學(xué)反彈現(xiàn)象。特別是當(dāng)摻入3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的RM257聚合物時，在3～7.5 V的電壓下，光學(xué)反彈現(xiàn)象幾乎完全消失。此外，這種處理方法還顯著提升了響應(yīng)速度，相較于未摻入聚合物的樣品，其上升時間和弛豫時間均至少減少了1/2。然而美中不足之處在于摻入后的光透過率略微下降，盡管仍具有較高的對比度，但降低的亮度可能會對視覺效果產(chǎn)生影響，尤其在顯示應(yīng)用中。

6 總結(jié)與展望

過壓驅(qū)動技術(shù)歷經(jīng)40年來的發(fā)展，已然是相當(dāng)成熟的技術(shù)。由于該技術(shù)原理簡單易懂，不需要過于復(fù)雜的電路來實(shí)現(xiàn)，因而被廣泛地應(yīng)用于液晶器件之中。但需要考量的是，過壓驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用在不同類型的液晶器件中，具體的實(shí)施方法也會受器件性能所影響。譬如，單幀的過壓驅(qū)動技術(shù)受限于器件驅(qū)動方式的單一性，驅(qū)動時間統(tǒng)一采用一幀進(jìn)行驅(qū)動，即固定時間驅(qū)動，而無法精確地控制過壓驅(qū)動電壓的施加時間。另外，不可忽略的是，采用過壓驅(qū)動技術(shù)會產(chǎn)生背流效應(yīng)對成像顯示會有一定的影響，如何減弱該效應(yīng)的影響是后續(xù)發(fā)展中應(yīng)當(dāng)注意的問題。目前比較有效的方法是通過摻雜的方式來緩解該效應(yīng)帶來的影響。此外還需注意的是，采用的摻雜材料是否會在過壓驅(qū)動中形成偶極矩，反過來對最終的顯示效果產(chǎn)生不良影響?？偠灾?，在未來的過壓驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展中，應(yīng)更多地考慮與過壓驅(qū)動技術(shù)連攜技術(shù)的同步發(fā)展，同時考慮如何有效減弱由過壓驅(qū)動技術(shù)帶來的背流效應(yīng)的影響，這是改善過壓驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵。