OLED電視殘影消除和壽命提升

王俊生， 徐遙令， 王 磊， 寧洪龍， 鄒建華， 吳為敬， 彭俊彪

(1. 華南理工大學 高分子光電材料及器件研究所， 發光材料與器件國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640； 2. 創維集團， 廣東 深圳 518053)

1 引 言

有機發光二極管(Active Matrix Organic Light-Emitting Diode，AMOLED)具有自發光、響應速度快、對比度高、視角廣等的特性，得到廣泛應用[1-8]。AMOLED顯示的發光亮度與流過OLED器件的電流大小呈正向比例關系。OLED電視是用AMOLED顯示屏作為屏幕的電視機。實際使用中,其AMOLED顯示屏驅動薄膜晶體管(Thin film transistor，TFT)將產生閾值電壓漂移，使TFT在同樣驅動電壓下產生不同的驅動電流，導致顯示灰階亮度不一致；同時OLED會隨著使用時間的增長產生退化、發光效率降低，不同顏色以及不同區域的OLED器件工作時間不一致，會導致OLED發光亮度不一致產生不可逆的殘影，殘影無法消除將嚴重縮短OLED使用壽命。為解決OLED殘影及壽命問題，通常采用像素補償電路來補償OLED驅動TFT閾值電壓(Vth)，使OLED驅動電流一致，以避免殘影的產生[9-11]。然而采用像素補償電路存在電路設計復雜、響應速度慢，集成難度高、影響OLED面板開口率等問題。

本文提出了殘影消除和壽命提升兩種方案，一是采用像素補償方法，即對OLED電視圖像驅動信號的各個像素顯示數據進行不同的灰階補償，使OLED電視屏幕發光亮度均勻一致；二是采用電流補償方法，即在OLED使用過程中的不同時間點來進行驅動電流補償，消除或降低OLED顯示殘影，改善顯示均勻性,提升圖像顯示質量和OLED電視屏幕使用壽命。

2 方案構成及關鍵技術原理

OLED電視殘影消除和壽命提升方案如圖1所示，由圖像解碼、圖像補償、測試序列生成、表集、列驅動、OLED電視屏、以及亮度計模塊組成。其中， OLED電視屏具有M×N個OLED像素Pij，其中i=1，2，...，M,j=1，2，...，N；列驅動模塊由M×N個TFT管組成，與電視屏幕M×N個像素一一對應。

OLED電視屏工作時，外部輸入的視頻圖像信號Vsig經過圖像解碼、圖像補償后輸出驅動信號Vcdata，并在控制信息的控制下驅動電視屏的OLED像素Pij發光，呈現視頻圖像。OLED電視殘影消除和壽命提升方案的關鍵步驟與技術原理包含補償表集生成、像素補償和電流補償3個方面內容。

圖1 OLED電視殘影消除和壽命提升方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of OLED TV image-retention elimination and lifetime extension

2.1 補償表集生成的步驟與方法

補償表集是像素補償和電流補償的基礎，分為像素補償表集和電流補償表集兩部分。利用測試序列生成模塊產生各個標準灰階信號Ax_Gray_s(x=1，2，...，Z)以及各個標準灰階對應的參考亮度值Bref_Ax，補償表集模塊存儲各個灰階對應的補償表LAx，每一個補償表存儲各個像素對應的驅動電壓補償值Lij_Ax，初始狀態時各個Lij_Ax設置為0。

在像素補償表集生成時，OLED電視不接收外部信號，測試序列生成模塊依次產生各個標準灰階信號灰階Gs_Ax，圖像解碼模塊將灰階Gs_Ax解碼為具有M×N個像素顯示數據Vdata_ij_Ax的顯示數據Vdata_Ax；接著圖像補償模塊對Vdata_Ax進行補償處理，即讀取表集中該灰階對應的像素補償表LAx，并使得每個像素驅動電壓數據Vcdata_ij_Ax等于該像素顯示數據Vdata_ij_Ax與驅動電壓補償值Lij_Ax之和；緊接著，列驅動模塊接收Vcdata_Ax后，在控制信息的控制下依次打開與電視屏幕像素對應的TFT管，使得具有M×N個像素的電視屏幕的像素Pij依次發光；同時在測量控制信號的控制下,使用亮度計測量電視屏幕各個像素Pij的實際亮度值Bij_Ax。最后，比較Bij_Ax與參考亮度值Bref_Ax的大小，并調整驅動電壓補償值Lij_Ax，使得實際亮度值Bij_Ax與參考亮度值Bref_Ax相等，用調整后的驅動電壓補償值Lij_Ax來更新像素補償表LAx，并更新像素補償表集。

2.2 像素補償方案原理與實施過程

OLED電視屏工作時，像素補償模塊將自動根據圖像解碼后各像素的灰階值讀取補償表集中對應的驅動電壓補償值，對OLED電視圖像驅動信號的各個像素顯示數據進行補償，使得OLED電視屏幕發光亮度均勻一致。具體方法如下：

在正常圖像顯示時，測試序列生成模塊不再進行工作。外部輸入的視頻圖像信號Vsig經過圖像解碼模塊解碼后得到圖像顯示數據Vdata，Vdata具有M×N個像素顯示數據Vdata_ij；圖像補償模塊獲取像素顯示數據Vdata_ij的灰階值Vdata_ij_AK，從表集查詢對應的像素補償表LAK，獲取像素驅動電壓補償值Lij_AK，用Lij_AK來補償顯示數據，即像素驅動數據VCdata_ij等于像素驅動電壓補償值Lij_AK與像素顯示數據Vdata_ij之和，輸出具有M×N個像素驅動數據的驅動數據VCdata；驅動數據VCdata通過電壓驅動像素TFT產生電流，驅動OLED像素發光，使屏幕顯示圖像。

圖2 OLED電視使用時間與亮度衰減曲線示意圖Fig.2 Variation curve between using time and luminance attenuation

利用表集中補償表LAK中的像素驅動電壓補償值來對像素顯示數據進行補償后，驅動OLED屏幕顯示圖像，使得在相同灰階信號輸入時， OLED屏幕各像素顯示的亮度一樣，避免各個像素因TFT閾值電壓不一致產生在同一灰階信號下的亮度不一致，防止或緩解了殘影的產生，有效提升了OLED電視的圖像顯示質量。

2.3 電流補償方案原理與實施過程

隨著使用時間的增長，OLED會產生退化及發光效率衰減等，在相同的TFT驅動電流驅動下其亮度變化較大，影響OLED的使用壽命。如圖2所示，如果OLED在T0，T1，T2，T3...等各個時間點TFT驅動電流不變，亮度將快速降低，導致顯示屏亮度不均，產生顯示屏殘影現象。

為延長OLED使用壽命，本文提出的電流補償的方法是，預先設定OLED屏幕的目標亮度衰減曲線，即在T0，T1，T2,...，Tt，等各個時間點時OLED顯示亮度的目標值對應的電流值Id0，Id1...，Idt...；同時，自動檢測在實際使用過程中，各個預設時間點的實際電流值UId0，UId1，...，UIdt，...；隨后，自動改變驅動數據，調整TFT驅動電流，使得實際驅動電流達到目標值，即每一個時間點增加的電流值為ΔIdt=Idt-UIdt，從而補償各個時間點的TFT驅動電流，提升OLED器件亮度，增加顯示屏的亮度均勻性，提高OLED屏的使用壽命。

電流補償表集的生成與前述像素補償表集的生成過程相同，只是需要生成包括所預設的在時間點T0，T1，T2。...，Tt，...OLED像素在各灰階下的目標亮度所對應的像素驅動電流Id_ref值的補償表集，存儲在補償表集模塊中。

電流補償的實施是在像素補償的基礎上實現的，通過補償模塊在預設各時間點自動調取相應的電流補償表集的像素驅動電流Id_ref數據進而相應調整像素補償表集的驅動電壓補償數據來實現補償。以T1時間點為例，OLED電視屏以T0為起點，當累計工作時間達到T1時間點時，自動啟動T1時間點的電流補償。具體過程為：測試序列生成模塊依次產生各個標準灰階信號灰階Gs_Ax，像素補償模塊從電流補償表中讀取T1時點像素Pij在該灰階時的目標電流值Id_ij_T1_ref_Ax，并檢測該像素的實際驅動電流Id_ij_T1_Ax；調整驅動數據Vcdata_ij_Ax，直到該像素驅動電流Id_ij_T1_Ax值與目標電流值Id_ij_T1_ref_Ax值相等。然后用像素驅動數據Vcdata_ij_Ax在調整后和調整前的差值ΔVcdata_ij_Ax，來更新像素補償表集中的相應電壓補償值Lij-AK，即新的電壓補償值Lij_AK_T1等于Lij_AK與ΔVcdata_ij_Ax之和。在T1時間點之后，補償模塊將以更新后的像素補償表集實施像素補償，直到累計工作時間達到T2時間點，則進行T2時點的電流補償。后面依次類推。

3 驗證分析

我們選取了3塊受測OLED電視屏幕(分別編號為1號屏、2號屏、3號屏)進行測試，測試圖像采用如圖3(a)所示的白/綠/紅/藍差異色塊圖及圖3(b)所示的純色色塊圖，差異色塊圖和純色色塊圖分別被分為1～8區域。根據對電視在家庭使用場景所播放視頻的調查統計，OLED電視屏像素發光最大平均壓力狀態下純白色、純綠色、純紅色、純藍色的亮度值分別為101.5，36.1，12.5，5.7 cd/m2；而所有像素發光平均壓力狀態下相應顏色的亮度值分別為80.2，23.6，8.2，4.5 cd/m2。圖3(a)所示的白/綠/紅/藍差異色塊示意圖中，每個色塊分為像素最大平均壓力狀態亮度和像素平均壓力狀態亮度兩個區域，1/2區域亮度分別為101.5，80.2 cd/m2，3/4區域亮度分別為36.1，23.6 cd/m2，5/6區域亮度分別為12.5，8.2 cd/m2，7/8區域亮度分別為5.7，4.5 cd/m2。圖3(b)所示的白/綠/紅/藍純色色塊示意圖中，每個色塊分為同樣都是像素平均壓力狀態亮度的兩個區域：1/2區域亮度相同為80.2 cd/m2，3/4區域亮度相同為23.6 cd/m2，5/6區域亮度相同為8.2 cd/m2，7/8區域亮度相同為4.5 cd/m2。

圖3 W/G/R/B純色色塊及測試點示意圖Fig.3 Diagram of W/G/R/B pure color blocks and test point

這里采用的色彩分析儀為日本柯尼卡美能達CA310，實驗時環境溫度為25 ℃，濕度為45%。

根據我們對OLED電視屏在顯示圖像時的主觀評價，當屏幕顯示像素發光平均壓力狀態下的純白色時，如屏上不同區域間平均亮度差異達到5%，觀看者視覺上會開始感覺到明顯色差；而當顯示像素發光平均壓力狀態下的純綠色、純紅色、純藍色時，則亮度差異達到10%時，觀看者視覺上才會開始感覺到明顯色差。

實驗采用常規測試方法，開始時間點為T1。即：(1)T1時，OLED電視開始并持續播放圖3(a)所示差異色塊圖像；(2)每隔一段時間間隔t時，切換播放圖3(b)所示純色色塊圖像，用色彩分析儀測試白/綠/紅/藍純色色塊1～8區域的亮度；(3)當W色塊的1區域和2區域亮度差異達到5%時，時間記為Tn，則認為殘影產生，則白色塊殘影時間為Tn～T1；否則繼續上述過程直至殘影產生。同理可以得到其他色塊的殘影時間，所不同的是將綠/紅/藍三色的亮度差異達到10%時認為是殘影產生。

然而，這種常規測方法一般要達到上萬小時，在實際檢測中，采用加速老化進行測試來縮短檢測時間。加速測試的白/綠/紅/藍差異色塊圖如圖4所示。

圖4 加速測試的W/G/R/B色塊示意圖 Fig.4 Diagram of accelerated tested W/G/R/B color blocks

圖4差異色塊圖與圖3(a)差異色塊圖的區別在于亮度，其中：1/2區域亮度分別為322.2，254.6 cd/m2，3/4區域亮度分別為260.3，170.2 cd/m2，5/6區域亮度分別為66.2，43.4 cd/m2，7/8區域亮度分別為33.9，26.8 cd/m2。

圖3(a)差異色圖各區域的亮度標記為Lref,圖4差異色塊圖各區域的亮度標記為Lacc。根據實踐中積累的經驗值，把加速系數facc定義為：

(1)

例如W色塊加速系數為：

(2)

由此，可以計算出白色塊的加速系數約為8，綠色塊加速系數約為35，紅色塊加速系數約為20,藍色塊加速系數約為25。

實驗過程中，3塊OLED屏同時播放圖4所示的差異色塊圖，進行加速老化。實驗過程與常規測試方法基本相同。當殘影產生后無法采用補償措施消除時，則停止實驗。在實驗過程中各顯示屏的具體條件設置如下：

1號屏在加速老化實驗過程中不進行像素補償，也不進行電流補償，但一旦檢測出現殘影，則進行電流補償，補償完畢后繼續老化，如此循環。

2號屏在加速老化實驗過程中不進行像素補償，也不進行電流補償，但一旦檢測出現殘影，則進行像素補償，補償完畢后繼續老化，如此循環。

3號屏在加速老化實驗過程中同時進行像素補償和電流補償，進行補償的周期為24 h。

測試3個屏在不同時間點時白/綠/紅/藍純色色塊相鄰區域的亮度差(或亮度差異率)，結果顯示如表1。其中，T1～T10對應老化時間為192 h；并每隔24 h測試一次亮度變化率，T11～T16如表1所示。

從表1可以看出，OLED屏在綠色區域(3/4測量區域)的殘影時間最短，圖5中顯示了1、2、3號顯示屏的綠色塊老化趨勢曲線。從圖可以看出，1號屏和2號屏在T11時間點開始，即老化216 h，綠色亮度差超過10%，出現殘影；通過在T11時間點進行電流補償或者像素補償，可以看到在隨后的工作時間段，亮度差減小，殘影減弱；繼續老化至T14時間點，殘影再次出現，但此后通過電流補償或者像素補償可以緩減殘影，但不能消除殘影。而3號屏在一開始加速老化時就進行電流補償和像素補償，顯示屏色塊相鄰區域的亮度差相比于1號和2號顯示屏，亮度差一直較小，到測試T16時間點都未出現殘影，顯示屏的壽命得到了較大程度的提升。

表1 測試樣屏亮度差異率Tab.1 Brightness change rate of test sample screens

圖5 1、2、3號顯示屏加速測試綠色區域的亮度差變化趨勢圖。Fig.5 Trend chart of measurement difference change in green areas of accelerated tested No. 1, 2 and 3 screens, respectively.

更進一步，1號屏加速老化的殘影時間約為216 h，換算得到對應的常規老化的殘影時間為7 560 h，通過電流補償將殘影時間延長至10 080 h，殘影時間延長率達33%；2號屏采用像素補償，對殘影時間的影響與電流補償基本相同；而同時采用電流補償和像素補償的3號屏殘影時間提升至13 340 h以上，相比于沒有補償的顯示屏，殘影時間延長率提升近80%。

基于上述實驗驗證及對比分析表明，電流補償和像素補償能夠有效消除或緩解OLED電視屏殘影的產生，提高其使用壽命。

4 結 論

提出了OLED電視殘影消除和壽命提升新方案，通過對圖像信號進行實時像素補償，及在不同時間點來進行電流補償，可有效消除或降低OLED顯示殘影的產生(即延長了殘影時間)，提升了OLED顯示均勻性和OLED電視屏的使用壽命。目前該方案在創維S8A、S9A等OLED電視上得到了大規模使用，效果良好。