彩色液晶顯示器件色差補償優化

占紅明，徐 征，董 學，陳 明，金 雄，布占場，邵喜斌，李成圭

（1.北京交通大學 光電子技術研究所，北京 100044；2.京東方科技集團股份有限公司 產品開發中心，北京 100176；3.北京交通大學 發光與光信息技術教育部重點實驗室，北京 100044）

1 引 言

彩色液晶顯示（LCD）技術由于其具有輕薄化、低功耗、無輻射、低成本等諸多優點已廣泛應用在各種顯示類產品中［1－3］。LCD器件中彩色的實現主要是通過彩膜基板上RGB三色或多基色顏料，利用陣列基板上薄膜晶體管（TFT）來控制液晶對光的調制，從而調節RGB各基色的比重，在空間混色后實現不同的顏色［4］。

為了便于定量地評價顯示器件對顏色的再現性能力，人們提出了諸如色度、亮度、色域及色差等概念，并進行了相關的研究［5－7］。針對色差的評價，也有如CIE Lab、CEI LCH、CMC和等不同的表征和評價方法［8－9］，其中容差公式以一個數值代表總色差，是目前較常采用的容差公式。

目前，在改善LCD器件的色差方面，主要采用的方法有背光調節、彩膜顏料調節或電路調節等［10－11］，對LCD器件的整體顯示效果影響較大。本文利用液晶層厚與RGB三色透過率的關系，通過顏料厚度的調節，達到非一致的RGB三色液晶層厚，從而實現對RGB三色Gamma的分別調節，優化特定圖形下的色差。

2 色差定義與現象

2.1 色差的定義

CIE1976 L＊a＊b＊空間由CIEXYZ系統通過數學方法轉換得到，轉換后的空間用笛卡兒直角坐標體系來表示，形成了對立色坐標表述的心理顏色空間，L＊來表示心理明度，a＊、b＊為心理色度。在這一坐標系統中，＋a＊表示紅色、－a＊表示綠色、＋b＊表示黃色、－b＊表示藍色，顏色的明度由L＊的百分數來表示。

色差是指用數值的方法表示兩種顏色給人色彩感覺上的差別。若兩個色樣樣品都按L＊、a＊、b＊標定顏色，則兩者之間的總色差以及各項單項色差可用下列公式計算［8］：

表1 CIE1976標準色差圖形Tab.1 Standard chromatic aberration pattern in CIE 1976

2.2 色差現象及原因

如圖1所示為普通液晶顯示結構Gamma曲線。從圖中可以看出，白光的Gamma曲線與標準的2.2可以較好重合，但R、G、B三色的Gamma曲線卻存在一定的偏移，尤其是R和B。從而導致對于青色畫面（128，192，192），其色度坐標和色差如下表2所示。

圖1 普通液晶顯示結構RGB Gamma曲線Fig.1 RGB Gamma curves in normal LCD

表2 （128，192，192）灰階圖形色差現象Tab.2 Chromatic aberration at（128，192，192）pattern

可以看出，由于B的Gamma曲線偏2.2上方，其相對強度偏大，青色畫面的坐標從標準的A（－20.28，－6.5）偏移到了B（－19.9，－26.9），發生了Blue shift，如圖2所示樣品在CIE1976 L＊a＊b＊空間的色度情況，此時色差達14.1，色差Margin較小。

3 模擬與實驗

液晶顯示器件中不同顏色的獲得通常是通過液晶對R、G、B三色像素強度比例的調制來實現［4］。為了改善（128，192，192）圖形下 ΔE＊，我們對該圖形下ΔE＊與三色像素透過率的關系進行了模擬，如圖3所示。

圖3 （128，192，192）圖形下 ΔE＊與三色像素透過率的關系模擬Fig.3 Relation betweenΔE＊ and transmittance of RGB at（128，192，192）pattern

從圖中可以看出，G和B透過率的變化對（128，192，192）圖形下色差 ΔE＊影響較大，其中G透過率與該圖形下樣品色差成反比，相反，B透過率則與之成正比。因此，（128，192，192）圖形下色差的優化可以通過增大G的透過率或減小B的透過率來實現。

圖4 彩色液晶顯示結構圖Fig.4 Schematic structure of color LCD

如圖4所示為傳統彩色液晶顯示結構圖［4］。陣列基板（TFT substrate）和彩膜基板（CF substrate）之間通過柱狀隔墊物支撐（PS）維持一定的液晶盒厚，中間充滿液晶，其中CF基板上通過R、G、B三色像素實現彩色，兩相鄰像素間通過黑矩陣（BM）分割防止混色。設R、G、B三色顏料厚度分別為TR、TG、TB，三色像素對應的液晶層厚（Cell gap）分別為dR、dG、dB。則通常情況下

由于在一定的相位延遲區間內液晶的光效與其層厚有正比關系［2］，為了增加G像素和降低B像素在三色像素間的相對強度，進而調節各單元Gamma，使RGB Gamma曲線向白光Gamma靠近。我們設定

如表3所示，我們采用LCD master軟件對三像素液晶層厚與ΔE＊的關系進行了優化模擬。從模擬結果可以看到，當保持R像素的層厚基本不變，G像素的層厚從3.38μm增加到3.5μm，B像素的層厚從3.4μm分別減小到3.35μm和3.25μm 時，預測的 ΔE＊可以從14.1降低到12.5和11.3。

表3 優化結構中ΔE＊模擬Tab.3 ΔE＊ simulation for optimized structure

4 結果與討論

如表4和圖5所示為通過R、G、B三色像素彩膜膜厚調節，實驗得到的三色液晶層厚和色差ΔE＊數據。相比于普通設計，優化的三色液晶層厚設計，R、G、B 三色像素液晶層厚從（3.47，3.38，3.4）μm分別調整到（3.5，3.45，3.36）μm和（3.5，3.44，3.28）μm 時，（128，192，192）圖形下色差ΔE＊呈下降的趨勢，其樣品色差平均值從13.8分別降低到12.8和12，優化的樣品1與模擬結果基本符合，而樣品2比模擬結果稍偏大，其原因是樣品2的實際G和B的液晶層厚分別較設計值偏小和偏大。

表4 不同彩膜膜厚在樣品（128，192，192）圖形下ΔE＊實驗結果Tab.4 ΔE＊ of different samples at（128，192，192）pattern

圖5 不同樣品（128，192，192）圖形下ΔE＊實驗結果Fig.5 ΔE＊ of different samples at（128，192，192）pattern

為了分析色差改善原因，我們對比了普通和優化結構下RGB的Gamma曲線及其放大圖，如圖6所示。從圖中可以看到，由于R、G、B三色液晶層厚的優化，進而調節了各單元的液晶光效，實現了調整R、G、B三色強度的比重，即在R、G、B三色中，G的強度增強，B的強度相對減弱。相對于普通Gamma，優化的RGB Gamma曲線向標準Gamma 2.2靠近，從而改善了（128，192，192）圖形下色差。

圖6 RGB Gamma曲線Fig.6 Comparison of RGB

實際設計過程中，考慮到R、G、B三色像素彩膜膜厚差異（像素段差）過大可能帶來的工藝不穩定性，我們進一步研究了當彩膜膜厚不變的情況下，通過液晶量的調節，來同時改變三色像素的液晶層厚對色差的影響。如圖7所示為實驗的（128，192，192）圖形下色差與液晶量的關系。從實驗數據擬合的直線來看，色差與液晶量（液晶層厚）呈正比關系，液晶盒層厚每減小1%時，色差約有0.2的降低。可以解釋為，低的液晶層厚意味著在其它條件不變的情況下，更低的RGB三色像素透過率，相應低的RGB透過率差異，即小的RGB Gamma差異。因此，通過降低液晶層厚也可以一定程度上改善色差。

圖7 （128，192，192）圖形下不同液晶量ΔE＊實驗結果Fig.7 ΔE＊ of different LC amount at（128，192，192）pattern

5 結 論

針對特定圖形下色差的問題，對色差產生機理進行了分析，模擬分析了RGB透過率對色差的影響，通過調整RGB三色膜厚相對調整了液晶盒層厚，進而調整三色透過率比重，改善了RGB Gamma曲線特性，對色差進行了優化補償。模擬和實驗結果表明，增加G的盒厚和減小B的盒厚，對色差有改善效果，（128，192，192）圖形下樣品色差平均值從13.8分別降低到12.8和12。同時，色差與液晶量（液晶盒層厚）呈正比關系，液晶層盒厚每減小1%時，色差約有0.2的降低。

［1］Ukai Y.TFT－LCDs as the future leading role in FPD ［C］.SID2013 Digest，2013：28－31.

［2］Zhan H M，Xu Z，Wang Y C，et al.Fast response fringe－field switching mode liquid crystal development for shutter glass 3D ［J］.Journal of the Society for Information Display，2013，21（1）：137－141.

［3］Zhan H M，Xu Z，Wang Y P，et al.Low－voltage，high transmittance fringe－field switching mode liquid crystal for monitor display［J］.Liquid Crystals，2014，41（6）：755－760.

［4］堀浩雄，鈴木幸治.彩色液晶顯示［M］.北京：科學出版社，2003.Hori H，Suzuki K.Color Ekisho Display ［M］.Beijing：Science Press，2003.（in Chinese）

［5］Robert W G H.Imaging performance of displays：past，present，and future［J］.Journal of the Society for Information Display，2005，13（12）：983－991.

［6］Tsai C C，Lai C C，Hsieh S M.Wide color－gamut improvement of LCM using multi－phosphor white LED and modified rich color method［C］.IEEE Transactions on 2009 Consumer Electronics，2009，55（3）：1566－1571.

［7］Huang M，Liu H X，Xiao Y Y，et al.Research on digital images＇color－difference by altering lightness and chroma：analysis and evaluation of color－difference formulae ［C］.20103rd International Congress on Image and SignalProcessing （CISP），2010：2347－2350.

［8］Gunter W，Stiles W S.Color Science Concepts and Methods，Quantitative Data and Formulae ［M］.New York：Wiley－Interscience Publication，1982.

［9］Mandic L，Grgic S，Grgic M.Comparison of color difference equations，multimedia signal processing and communications［C］.48th International Symposium ELMAR－2006 focused on，2006：107－110.

［10］陳旭，劉偉奇，魏忠倫，等.激光顯示中勻色坐標系的建立與色差分析［J］.液晶與顯示，2008，23（4）：427－431.Chen X，Liu W Q，Wei Z L，et al.Establishment and analysis of uniform color coordinate system in laser TV ［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2008，23（4）：427－431.（in Chinese）

［11］趙梓權，王瑞光，鄭喜鳳，等.基于視覺感受的LED顯示屏系統精度分析［J］.液晶與顯示，2012，27（3），324－331.Zhao Z Q，Wang R G，Zheng X F，et al.Systemic accuracy analysis of led displaysbased on visual perception［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（3）：324－331.（in Chinese）