基于labVIEW的AM－OLED顯示屏測試系統(tǒng)

馬雪雪，王春阜，吳為敬，彭俊彪

（1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641）

1 引 言

有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示器（AMOLED）被譽(yù)為替代液晶的下一代顯示技術(shù)，具有自主發(fā)光、響應(yīng)速度快、寬視角、可制作透明和柔性面板等諸多優(yōu)點(diǎn)，是世界各國顯示技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

基于氧化物薄膜晶體管（MOTFT）的有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管（AM－OLED）顯示技術(shù)近年來得到了迅速的發(fā)展，但整體尚未成熟，尤其是國內(nèi)的AM－OLED技術(shù)，還處在起步階段。AMOLED顯示屏還處于自主研發(fā)階段，因此我們需要對其各項(xiàng)性能進(jìn)行測試表征［1－4］。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是采用高性能模塊化硬件技術(shù)，通過高效靈活的軟件編程對模塊化硬件進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)AM－OLED顯示屏各項(xiàng)參數(shù)自動(dòng)化測試。因此，虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件的有機(jī)結(jié)合［5］。

本文首先構(gòu)建了基于FPGA的AM－OLED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路，然后基于虛擬儀器技術(shù)lab－VIEW開發(fā)環(huán)境搭建了AM－OLED顯示屏性能測試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了快速、高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能。

2 AM－OLED顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路

依據(jù)氧化物 MOTFT AM－OLED顯示屏特性，設(shè)計(jì)了一套外圍驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)［6］，系統(tǒng)的整體圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)包括信號(hào)源、DVI解碼、時(shí)序控制、行列芯片應(yīng)用電路、電源電壓電路5個(gè)模塊。其中信號(hào)源模塊為AM－OLED顯示屏提供顯示影像，本文中可以通過FPGA生成簡單測試圖像，但較復(fù)雜、信息豐富的圖像需PC機(jī)或播放器提供；DVI解碼模塊將PC機(jī)傳輸過來的TMDS信號(hào)進(jìn)行解碼，得到4個(gè)控制信號(hào)——數(shù)據(jù)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)使能、行同步、場同步及18位RBG數(shù)據(jù)信號(hào)，將其輸入到時(shí)序控制器；利用FPGA產(chǎn)生適宜芯片工作的時(shí)序控制信號(hào)，以供行列驅(qū)動(dòng)芯片工作，從而驅(qū)動(dòng)AM－OLED顯示屏正常顯示。本文中所選用的行列驅(qū)動(dòng)芯片分別為聯(lián)詠的NT39211、NT39411D兩款芯片。

圖1 外圍驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Whole block diagram of peripheral driving circuit

此驅(qū)動(dòng)電路為后續(xù)的AM－OLED顯示屏V－I－L曲線測試提供了電路基礎(chǔ)。

3 AM-OLED顯示屏的V-I-L曲線測試原理

AM－OLED顯示屏V－I－L曲線測試系統(tǒng)主要用于測試顯示屏的數(shù)據(jù)電壓（Vdata）－電流（I）－亮度（L）曲線，在固定Vdd的情況下，數(shù)據(jù)電壓Vdata與流過顯示屏OLED的電流以及顯示屏亮度之間的關(guān)系［7］。

如圖2所示，我們使用程控電源Keithley2400為顯示屏提供電源電壓VDD以及Gamma校正［8］基準(zhǔn)電壓V1。由源驅(qū)動(dòng)芯片輸出數(shù)據(jù)電壓與Gamma校正基準(zhǔn)電壓的關(guān)系可知，在最高灰階下數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)芯片輸出數(shù)據(jù)電壓Vdata等于V1。在測試過程中，信號(hào)源（PC機(jī)）分別為AM－OLED顯示屏提供R、G、B最高灰階圖片，V1從0V以等步長遞增，輸出電壓Vdata始終跟隨V1變化。理論上Vdata的值等于V1，但Gamma校正板到顯示屏存在一定的壓降，為更準(zhǔn)確測得Vdata的大小，我們直接在AM－OLED顯示屏的數(shù)據(jù)輸出pad處連接keithley2000測試Vdata的大小。keithley2400作為Vdd輸入電壓源，可以測試出流過節(jié)點(diǎn)Vdd的電流，即OLED的發(fā)光電流，分光輻射亮度計(jì)CS2000監(jiān)測AM－OLED顯示屏的亮度L。由此，得到Vdata與流過OLED的電流IOLED及AM－OLED顯示亮度L的關(guān)系。

圖2 AMOLED顯示屏V－I－L測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of V－I－Ltest system for AMOLED display

labVIEW通過GPIB卡控制keithley2000測量Vdata電壓，同時(shí)控制Keithley2400輸出等步長遞增電壓Vdd，并采集對應(yīng)的電流IOLED。通串行協(xié)議（RS－232）控制分光輻射亮度計(jì)CS2000實(shí)時(shí)采集顯示屏亮度、色坐標(biāo)以及光譜數(shù)據(jù)。

4 AM-OLED顯示屏V-I-L曲線測試系統(tǒng)構(gòu)建

AM－OLED顯示屏V－I－L曲線測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)［9］是基于NI公司的LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的，程序的框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)框圖Fig.3 Software architecture diagram of the system

由圖3可知，整個(gè)軟件主要由系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)配置、控制輸出、采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)果圖形顯示、數(shù)據(jù)保存以及系統(tǒng)關(guān)閉等幾個(gè)模塊組成。整個(gè)軟件首先完成系統(tǒng)初始化，然后再對系統(tǒng)進(jìn)行配置，采集數(shù)據(jù)，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)保存并將結(jié)果用圖形顯示，最后關(guān)閉系統(tǒng)完成整個(gè)系統(tǒng)測試。

圖4是AM－OLED顯示屏V－I－L曲線測試系統(tǒng)的軟件界面，整個(gè)操作界面簡單明了，由LabVIEW自帶的控制組成，在此界面可實(shí)現(xiàn)輸入電壓的調(diào)節(jié)，能實(shí)時(shí)顯示電流、電壓以及亮度，波形圖控件顯示整個(gè)電流、亮度的變化趨勢。

圖4 V－I－L曲線測試系統(tǒng)界面Fig.4 Interface of the V－I－Lcurve test system

軟件程序框圖界面，主要分為3個(gè)功能模塊：系統(tǒng)初始化以及配置模塊、系統(tǒng)控制輸出與數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)保存模塊。由圖3可知，每個(gè)模塊并非完全獨(dú)立，而是相互之間有聯(lián)系的，上一個(gè)模塊是下一個(gè)模塊的基礎(chǔ)，模塊和模塊之間存在交叉關(guān)系。

5 AM-OLED顯示屏V-I-L曲線實(shí)際測試結(jié)果分析

5.1 AM-OLED顯示屏V-I-L曲線測試系統(tǒng)驗(yàn)證

將華南理工大學(xué)與廣州新視界光電科技有限公司聯(lián)合研發(fā)的基于 MOTFT技術(shù)的12.2cm（4.8in）AM－OLED 顯示 屏連接 到該測 試系統(tǒng)中。驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠滿足12.2cm AM－OLED顯示屏的測試需求，很好地完成了AM－OLED顯示屏的V－I－L曲線測試。AM－OLED顯示屏的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表112.2cm AMOLED顯示屏技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of 12.2cm AMOLED display screen

圖5為AM－OLED顯示屏在Vdd＝10V時(shí)，紅綠藍(lán)子像素亮度隨Vdata變化的曲線，從圖中可以看出AM－OLED顯示屏的紅綠藍(lán)三色的OLED啟亮電壓不同，紅色OLED在Vdata＝2.5 V時(shí)最先啟亮，而綠色和藍(lán)色OLED分別在Vdata＝3.2V和2.7V時(shí)啟亮。由此可知，綠色OLED最大亮度為250cd／m2，紅色OLED最大亮度為200cd／m2，藍(lán)色OLED最大亮度為120 cd／m2。

圖5 AM－OLED顯示屏的Vdata－L曲線Fig.5 Vdata－Lcurve of AM－OLED display screen

在數(shù)據(jù)電壓Vdata變化時(shí)，紅綠藍(lán)3種OLED器件的亮度變化不完全一致，這就導(dǎo)致Vdata變化過程中，顯示屏的色坐標(biāo)發(fā)生漂移，如圖6所示，AM－OLED顯示屏的色坐標(biāo)啟亮?xí)r為（0.344，0.357），最大亮度時(shí)為（0.328，0.402），在中間某一數(shù)據(jù)電壓Vdata時(shí)色坐標(biāo)為（0.506，0.356）。明顯可以看到AM－OLED顯示屏的顯示顏色有變化。

圖7為AM－OLED顯示屏Vdd＝10時(shí)，流過顯示屏的總電流隨Vdata變化的曲線，當(dāng)Vdata＝2V時(shí)，AM－OLED顯示屏的亮度很低，一般我們認(rèn)為OLED還沒有開始啟亮，但是金屬氧化物TFT的溝道中n型載流子（即電子）非常豐富，不加偏壓條件下TFT器件就是導(dǎo)通的，所以當(dāng)Vdata＝2V時(shí)，依然有從Vdd流過T2管和OLED的電流；另一方面，TFT背板制作過程中，因?yàn)楣に嚾毕輹?huì)導(dǎo)致TFT驅(qū)動(dòng)陣列中存在短路，經(jīng)過測試整屏（320RGB×480）的電流大小為10mA。

圖6 AM－OLED顯示屏的色坐標(biāo)漂移曲線Fig.6 Color coordinates of the drift curve of AMOLED display screen

顯示屏在Vdata＝9.2V時(shí)達(dá)到亮度最大值450cd／m2，對應(yīng)AMOLED顯示屏的電流為95 mA，此時(shí)顯示屏的 Wpanel＝IOLED×Vdd＝0.95W。

綜上所述，運(yùn)用上述測試系統(tǒng)可以很方便的測試出AMOLED顯示屏的V－I－L曲線，本文對AMOLED顯示屏（320RGB×480）進(jìn)行測試，分別測得顯示屏Vdata－L曲線、色坐標(biāo)漂移曲線［10］以及Vdata－I曲線。從而可以算出顯示屏的功耗等參數(shù)，驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性。

5.2 AM-OLED顯示屏V-I-L曲線測試系統(tǒng)結(jié)果應(yīng)用

利用上述結(jié)果，可以分析白平衡［11］時(shí)，顯示屏所需要的Vdata，為專用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)提供參考。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 936－2008－T 彩色顯示器白平衡點(diǎn)色坐標(biāo)及其寬容度）規(guī)定，在顯示器中，白平衡點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)色溫為6500K，其色坐標(biāo)為WCIE（0.313，0.329）。AM －OLED顯示屏中RGB發(fā)光材料的色坐標(biāo)分別為RCIE（xr，yr）、GCIE（xg，yg）和 BCIE（xb，yb），由色度學(xué)坐標(biāo)系統(tǒng)和顏色的加成性［12］，可以得到式（1）和（2）。

白平衡時(shí)色坐標(biāo)的x分量：

另外，根據(jù)RGB像素排布，可以得到白平衡時(shí)顯示屏的亮度與3個(gè)子像素的亮度關(guān)系為：

由公式（1）、（2）和（3）可以得到以下矩陣關(guān)系：

解矩陣方程（4）得到紅綠藍(lán)OLED器件的亮度要求，即式（5）：

設(shè)AM－OLED顯示屏的設(shè)計(jì)最大亮度為Yw，色坐標(biāo)為 WCIE（x，y）。紅綠藍(lán)OLED器件的色坐標(biāo)分別為 RCIE（xr，yr）、GCIE（xg，yg）和BCIE（xb，yb），將以上數(shù)據(jù)帶入式（5）可以得出紅綠藍(lán)子像素所需的最大發(fā)光亮度分別為Yr，Yg，Yb，結(jié)合AM－OLED顯示屏的開口率AP，可以得出紅綠藍(lán)OLED器件所需的最大發(fā)光亮度YOLED＿r，Y OLED＿g，Y OLED＿b。結(jié)合 RGB OLED器件的L－V 曲線如圖5所示，可以得到AM－OLED顯示屏達(dá)到設(shè)計(jì)亮度時(shí)的OLED陽極電壓理論值分別為，VOLED＿r、VOLED＿g和VOLED＿b。

由2T1C像素電路的工作原理可得［11］：

其中：IOLED＿i為流過 OLED 的電流；μ 為遷移率；W為溝道寬度；L為溝道長度；Vgs為柵極－源級(jí)電壓；Vdata為 OLED 的數(shù)據(jù)電壓，VOLED＿i為 OLED 陽極電壓理論值

由式（6）可得：

利用式（7）可以方便地求出AM－OLED顯示屏達(dá)到設(shè)計(jì)亮度時(shí)各像素所需的數(shù)據(jù)電壓，為MOTFT－AMOLED顯示屏專用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)提供了可靠數(shù)據(jù)。

同時(shí)由上述實(shí)際測試結(jié)果分析可知：紅綠藍(lán)OLED器件的Vdata－L特性曲線不一致給白平衡調(diào)試造成一定困難，要使AM－OLED顯示器在全白畫面下亮度由最小變到最大時(shí)，顯示不偏色，色坐標(biāo)不漂移，在相同灰階下RGB子像素對應(yīng)的數(shù)據(jù)電壓應(yīng)該不同。所以AM－OLED顯示屏數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)芯片需要RGB三色Gamma電壓單獨(dú)可調(diào)。

6 結(jié) 論

依托AM－OLED顯示屏外圍驅(qū)動(dòng)顯示系統(tǒng)，搭建了基于LabVIEW平臺(tái)的AM－OLED顯示屏V－I－L曲線測試系統(tǒng)，并通過測試12.2cm AM－OLED顯示屏的相關(guān)參數(shù)驗(yàn)證了該測試系統(tǒng)的可靠性，從而實(shí)現(xiàn)了對顯示屏性能參數(shù)的自動(dòng)化測試，對顯示屏性能做出了評(píng)估。同時(shí)通過對實(shí)際測試結(jié)果的運(yùn)用求解，為氧化物TFTAM－OLED顯示屏專用IC gamma曲線設(shè)計(jì)提供了可靠數(shù)據(jù)，對顯示屏的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及AMOLED專用驅(qū)動(dòng)芯片的開發(fā)具有重要意義。

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