淺談一種提高液晶電視可視角的方法

余明火，洪文生

（深圳創維-RGB電子有限公司研發總部，廣東 深圳 518108）

淺談一種提高液晶電視可視角的方法

余明火，洪文生

（深圳創維-RGB電子有限公司研發總部，廣東 深圳 518108）

液晶屏由于其固有的光學特性都存在可視角相對較小的問題，提高液晶電視可視角方法各有千秋。對液晶電視顯示結構進行分析，闡述了運用雙GAMMA控制提高液體電視可視角的方法，以超高清電視為例，對實現過程進行了具體的分析。

雙GAMMA；可視角；液晶分子旋轉

在看電視時，當站在電視機正前方水平方向的某一個角度范圍之內，可以很清楚地看到電視機顯示屏上所顯示的內容，畫面顏色也很自然、舒服；但當斜著看時，并且達到水平方向某一斜視角時，就不能非常清晰地看到顯示屏的內容，這就是電視機的可視角問題，可以不失真地看到畫面的斜視角范圍即為可視角范圍。這種現象的產生是與液晶顯示屏的工作原理[1-2]密切相關的。

眾所周知，顏色都是由三原色混合而成，而看電視斜視會出現失彩等現象，原因也正是因為所接收到的各原色透光差異而產生，在視角上具有一定的局限性。解決可視角小、提高液晶屏可視角的方式也有多種，例如，硬屏通過IPS面板液晶分子始終都與屏幕平行，使開口率降低，減少了透光率，大大提高液晶分子的可視角。而可視角有水平可視角和垂直可視角，本文敘述的是提高液晶分子水平可視角的方法，采用雙GAMMA控制的方式。

1 方案設計實現

1.1 液晶電視顯示結構

圖1為液晶屏顯示結構原理框圖[3-4]，圖中的最上層為偏光板，偏光板的下面為濾色鏡，濾色鏡下面為液體晶分子，最下層為背光源組件。液晶分子通過旋轉不同的角度，來控制液晶分子的透光度，光源透過液晶分子后再經過濾色鏡，從而顯示不同的顏色和強度。液晶分子的旋轉是由GAMMA電壓對驅動電壓校正后產生的控制電壓完成的，濾色鏡上每個像素點里面的三原色對應著相應的液晶分子。為了描述方便，文中對液晶分子的描述直接以RGB三原色表示。

圖1 液體屏顯示圖

1.2 單GAMMA控制原理分析

圖2a為目前單GAMMA控制的液晶屏三原色示意圖[5]，對于每個像素點有一組液晶分子對應RGB三原色，如R1，G1，B1，對于分辨力為3 840×2 160的屏則有3 840×2 160個像素點組成的RGB三原色，RGB由一組GAMMA分別校正控制。如圖3所示，一般情況下，電視機正前面為θ=0°，GAMMA電壓控制液晶分子旋轉。如果目前可視角為60°，在60°范圍之外觀察到的畫面如圖4a所示，圖像缺色發白，在60°范圍之內觀察的圖像則為正常的彩色圖。

圖2 GAMMA控制像素分布圖

圖3 觀看視角示意圖

圖4 效果對比圖

1.3 雙GAMMA控制的實現

采用雙GAMMA為本文中所述的提高液晶電視可視角的方法。如圖5所示，對于每個像素點里面的每種顏色由兩個GAMMA電壓分別對兩個驅動電壓校正后產生的控制電壓控制，紅色則為控制R和R'，綠色則為控制G和G'，藍色則為控制B和B'，則每個像素點由6個三原色，分別用GAMMA電壓校正后控制，這樣即在原來的基礎上加了一組驅動電壓和一組GAMMA電壓，由兩組GAMMA電壓控制。改進后，每個像素點的液晶分子為兩組，GAMMA電壓對驅動電壓校正后的控制電壓也有兩組，分別使液晶分子旋轉不同的角度，使其中左邊的液晶分子旋轉到用戶向左移動θ5角度（如圖6所示），其中右邊的液晶分子旋轉到用戶向右移動θ6角度，由于單個液晶分子的可視角仍為60°，則用戶在顯示屏正前方向左移動θ5+60°（或者是顯示屏正前方向右移動θ6+60°）仍在該像素點的可視角范圍之內，仍然可以看到正常的圖像。可視角范圍增大了θ6+θ5。

圖5 雙GAMMA控制對應關系圖

圖6 液晶分子旋轉角度對比圖

圖7為硬件配置GAMMA電壓產生的示意圖，在設計中，選取電源VREF作為參考電壓，在每路GAMMA的VREF跟地之間都串有n+1個精密電阻，電阻的值和數量可以根據實際需要選擇，這樣在任意兩個電阻的連接端都可以得到一個電壓值，分別為Gamma1，Gam?ma2，…，Gamman，對應著不同的灰階值。由于本方法中需要兩組GAMMA，上面的配置電路則有兩路。

圖7 GAMMA電壓的產生

彩色圖像信號在傳輸給Source之前為數字信號，根據每個彩色信號的亮度和顏色，都有一個對應的電壓值，在進入Source之后經過DA轉換模塊一，產生驅動電壓組V1，轉換后的信號為模擬信號，一般情況下，轉化后的電壓值跟實際的像素點對應的電壓值有一定差異，此時主GAMMA電壓控制模塊根據比較電壓V1差異自動調節，對V1進行校正，在跟DA轉換后的驅動電壓的共同作用下，產生一個跟本身需要的電壓極其接近的電壓值V3，此時V3對應的液晶分子在電極的作用下偏轉。本文所述方法中，信號經過DA轉換模塊二后產生另一組驅動電壓為V2，副GAMMA電壓控制模塊根據比較電壓V2差異后自動調節，對V2進行校正，在跟DA轉換后的驅動電壓V2的共同作用下，產生另一個跟本身需要的電壓極其接近的電壓值V4，而V3和V4之間又存在一定的差異，此時V4電極對應的液晶在電極的作用下偏轉。由于V3和V4對應的液晶分子在本系統中屬于同一個像素點，電壓值不同，偏轉角度也有差異，這樣就保持了在一定的角度范圍外也能看到較好的效果。

本文中數模轉換是將二進制數字信號量轉換為模擬量[6]，將輸入的每一位二進制代碼按其權值大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，則所得的總模擬量與數字量成正比，具體的，數模轉換的輸出電壓uo等于數字信號量代碼為1的各位所對應的各分模擬電壓之和，計算式為

式中：Dn為數字量各權值之和；di為該位的系數；2i為對應的權值。

輸出的模擬電壓為

式中：UREF為參考電壓模擬參考量。

轉換過程如下：如圖8所示，數字量以模串行或并行方式輸入，并存儲于數據緩存器中，寄存器輸出的每位數碼驅動對應數位上的電子開關，將在解碼網絡中獲得的相應數位權值送入求和電路；求和電路將各位權值相加，便得到與數字量相對應的模擬量。

圖8 轉換過程圖

2 雙GAMMA控制實現實例

以分辨率3 840×2 160（超高清）電視機為例[7]，共有3 840×2 160個像素點。如圖2右，GAMMA1需要控制3 840×2 160個像素點，分別控制對應R1G1B1，R2G2B2，…,R3840×2160G3840×2160B3840×2160的液晶分子，GAM?MA2需要控制3 840×2 160個像素點，分別控制對應

現以單個像素點為例，如圖5所示，GAMMA1產生的GAMMA電壓R1控制校正驅動電壓R2后產生控制電壓R，控制電壓R控制像素點里的R；GAMMA1產生的GAMMA電壓G1控制校正驅動電壓G2產生的控制電壓G，控制電壓G控制像素點里面的G；GAMMA1產生的GAMMA電壓B1控制校正驅動電壓B2產生控制電壓B，控制電壓B控制像素點里面的B。GAMMA2產生的GAMMA電壓控制校正驅動電壓后產生控制電壓R′，控制電壓R′控制像素點里的R′；GAMMA2產生的GAMMA電壓控制校正驅動電壓產生的控制電壓G′，控制電壓G′控制像素點里面的G′；GAMMA2產生的GAMMA電壓控制校正驅動電壓產生控制電壓B′，控制電壓B′控制像素點里面的B′。比如該像素點顯示為紅色，在電極電壓作用下R=255，G=0，B=0，正視時此角度接收到的光為紅色，此時電極電壓作用可對R′G′B′設置另一個值，比如R′=250，G′=5，B′=5，在這種情況下斜一個角度后為紅色，R對應的有液晶分子跟R′所對應的有一定的角度，G，G′和B，B′對應的液晶分子也有一定的角度。

圖7顯示了一對原色（R和R′，G和G′，B和B′）所對應的液晶分子旋轉示意圖，R′，G′或B′對應的液晶分子旋轉到用戶向左移動θ5角度，R，G或B對應的液晶分子旋轉到用戶向右移動θ6角度，由于像素點對于液晶顯示屏是比較小的，以電視機正前面為中心,整個可視角相對增加了。如圖4b的兩張圖片為在圖3b角度看電視的效果圖，可以看出，同樣在60°觀看范圍外，效果明顯好于之前的方案，沒有發生顏色失真。

控制原理的描述以8 bit的屏為例，則可以產生的灰階數為28，圖7中硬件配置GAMMA電壓產生的示意圖中，主、副GAMMA的VREF跟地之間均串有256個精密電阻，這樣在主、副GAMMA任意兩個電阻的連接端都可以得到一個電壓值，主GAMMA為Gamma1-1，Gam?ma1-2，…，Gamma1-n，副 GAMMA為 Gamma2-1，Gam?ma2-2，…，Gamma2-n，對應著不同的灰階值。

彩色圖像信號在傳輸給Source之前為數字信號，同樣也為8 bit的信號，根據每個彩色信號的亮度和顏色，都有一個對應的電壓值，將最亮灰階對應255，最暗灰階對應為0，并且以經過GAMMA調節后的電壓小于實際電壓時液晶分析左轉，以經過GAMMA調節后的電壓大于實際電壓時液晶分析右轉。

如果一個像素點進入的信號為紅色，對應的電壓值為13 V，在進入Source之后經過DA轉換后，產生的一組驅動電壓如為12.5 V，轉換后的信號為模擬信號，轉化后的電壓值跟實際的像素點對應的電壓值13 V有一定差異，此時主GAMMA電壓控制模塊根據比較電壓在主GAMMA中選取合適的電壓值，如Gamma1-（n-12）（即Gamma1-244）的電壓值為0.495 V，跟12.5 V相加后為12.995 V，最接近13 V，此時對該像素點的主色作用即為Gamma1-244，則液晶分子左轉θ5角度。

如果上面一個信號為紅色像素點，對應的電壓值為13 V，在進入Source之后經過另一組DA轉換后，產生的另一組驅動電壓比如為12.4 V，轉換后的信號為模擬信號，轉化后的電壓值跟實際的像素點對應的電壓值13 V有一定差異，此時副GAMMA電壓控制模塊根據比較電壓在副GAMMA中選取合適的電壓值，比如Gamma2-（n-28）（即Gamma1-228）的電壓值為0.605 V，跟12.4 V相加后為13.005 V，最接近13 V，此時對該像素點的主色作用即為Gamma8-228，則液晶分子左轉θ6角度。

由于12.995 V和13.005 V對應的液晶分子在本系統中屬于同一個像素點，電壓值不同，偏轉角度也有差異，這樣就保持了在一定的角度范圍外也能看到較好的效果。控制工作流程如圖10所示。

控制系統根據該彩色圖像信號的特點,分析出該像素點RGB對應電壓值。DA轉換模塊一分別得到RGB對應的電壓值VR，VG，VB。DA轉換模塊分別得到RGB對應的電壓值V′R，V′G，V′B。然后分析信號的電壓值和DA轉換后的電壓值VR，VG，VB，使用合適的主GAMMA1電壓去校準電壓值VR，VG，VB；同時分析信號的電壓值和DA轉換后的電壓值V′R，V′G，V′B，使用合適的副GAM?MA2電壓去校準電壓值V′R，V′G，V′B。像素點里面的主三原色和副三原色對應的液晶分子旋轉，產生不同的旋轉角度。

圖10 控制工作流程

3 小結

本文通過對液晶屏顯示結構的分析，根據液晶屏的固有特點，將液晶屏的每個像素點在水平方向上進行分割，分割為主輔像素點，并利用雙GAMMA對分割的每個像素點進行控制，在GAMMA的控制下使每個像素點里的主輔像素對應的液晶分子在以原始顏色旋轉角度的情況下，在水平方向上保持一定的角度偏差，從而在水平方向上提高液晶電視的可視角。

[1] 謝鳳蘭.液晶顯示器畫面品質問題分析與改善[D].蘇州：蘇州大學，2010.

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[7]余明火，洪文生，李堅.一種提高液晶顯示屏可視角范圍的方法和裝置：中國，201310344202.3[P].2013-08-08.

M ethod of Im proving View ing Angle of LCD TV

YU Minghuo,HONG Wensheng
（R&D Headquarters，Skyworth-RGB Electronic Co.,Ltd.,Guangdong Shenzhen 518108,China）

The LCD suffers from a limited viewing angle due to the inherent optical propertly,and the methods of improving the LCD viewing angle are different as well.In this article,the LCD display structure is analyzed,and the method of enhancing TV viewing angle is described based on double GAMMA control.Then,the specific implementation process of enhancing TV viewing angle is analyzed,using UHD TV as an example.

double GAMMA;viewing angle;rotation of the liquid crystal molecules

TN948

B

?? 盈

2013-09-26

【本文獻信息】余明火，洪文生.淺談一種提高液晶電視可視角的方法[J].電視技術，2014，38（12）.