通過非對稱伽馬調(diào)整改善面殘像的理論分析和方法

王國磊，馬 力，陳 鵬，王景棚，杜化鯤，張熠點，李恒濱，宋紅花

(合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥 230012)

1 引 言

隨著液晶顯示產(chǎn)品的廣泛使用，人們對產(chǎn)品的顯示品質(zhì)提出了越來越高的要求。而液晶顯示產(chǎn)品的殘像問題，一直都是影響 TFT-LCD畫面品質(zhì)尤其是長期畫面品質(zhì)的重要問題之一[1]。

所謂“殘像”即影像殘留，其根據(jù)實際情況通常分為“面殘像”和“線殘像”。不論哪種分類，兩者產(chǎn)生的本質(zhì)原因一致，即當液晶屏幕長時間保持一幅靜止畫面時，液晶分子由于受到長時間的電荷驅(qū)動而被極化，從而造成液晶分子不能在信號電壓控制下正常偏轉(zhuǎn)[2-5]。其中線影像殘留成因較復雜，一般都以離子模型[6-7]進行討論，可通過提高液晶、取向膜離子純度等來改善；而面影像殘留主要是由于施加在LCD屏上下兩個基板之間的直流殘留分量的驅(qū)動導致的，可由變更驅(qū)動信號或者電壓設定來改善。

本文主要針對不同伽馬(Gamma)電壓設定在殘像實驗中的不同結(jié)果，對伽馬電壓與面殘像的關(guān)系從理論上進行討論和分析，從中找出對面殘像改善效果更好的設定方案。

2 伽馬調(diào)整的意義和方法

2.1 伽馬曲線和伽馬值

不同階調(diào)的紅綠藍(RGB)像素相結(jié)合才能顯示出亮麗的色彩，但人眼對亮度階調(diào)的感覺并不是完全線性的，這就是伽馬特性[8]。伽馬調(diào)整的本質(zhì)就是用合適的電壓對面板進行驅(qū)動以顯示出正確的階調(diào)和色彩，合適的電壓就是與面板的特性相匹配，所以在正式伽馬調(diào)整之前必須對面板的特性和驅(qū)動條件進行確認。

一般在顯示器不同灰階值的表達式如下：

(1)

其中L為RGB輸出信號亮度(Luminance)；Lmax：屏幕最大亮度；X為8位RGB輸入信號灰階(Gray Level)值，范圍0～255；γ為灰度校正系數(shù)，即伽馬值。

當圖像與信號正確地出現(xiàn)在顯示屏上時，將呈現(xiàn)不同的灰階與亮度的關(guān)系曲線，將0～255灰階作為X軸，亮度作為Y軸，所描繪出來的曲線稱為伽馬曲線，如圖1所示。伽馬在色度學中用于衡量顯示器亮度響應特性好壞，特性曲線近似于一條指數(shù)形式的曲線，伽馬曲線或伽馬值會直接影響到顯示器畫面的顯示效果。為使顯示產(chǎn)品達到最佳觀感，根據(jù)人眼特性的要求，通常顯示產(chǎn)品的伽馬值為2.2左右。

圖1 伽馬曲線示意圖Fig.1 Gamma curves schematic diagram

2.2 電壓-透過率曲線

通常情況下,液晶面板隨著驅(qū)動電壓的不同，透過率會隨之發(fā)生變化。驅(qū)動電壓和面板透過率關(guān)系呈現(xiàn)一條對稱的S形曲線，即電壓-透過率曲線(V-T)，如圖2所示。

圖2 電壓-透過率曲線Fig.2 Voltage-transmittance curve

2.3 電壓-灰階曲線

根據(jù)電壓-透過率曲線和伽馬曲線，可以得出電壓-灰階曲線，進而可以得到每個灰階所需要的電壓(包括正反反轉(zhuǎn)驅(qū)動用的正負電壓)。圖3為實際產(chǎn)品的電壓-灰階曲線。TFT-LCD中伽馬電壓產(chǎn)生電路的設計通常采用14組伽馬電壓，其中V1～V7對應正極性驅(qū)動，V8～V14對應負極性驅(qū)動。

圖3 電壓-灰階曲線Fig.3 Voltage-gray scale curve

3 伽馬電壓調(diào)整相關(guān)機理分析

3.1 灰階電壓中心及液晶電壓說明

圖4 灰階電壓示意圖Fig.4 Gray scale voltage schematic diagram

3.2 最佳化Vcom和跳變電壓(ΔVp)說明

圖5所示為單一像素結(jié)構(gòu)的等效電路示意圖，其中掃描信號線控制TFT開關(guān)的開啟與關(guān)閉，數(shù)據(jù)信號線提供顯示所需要的準確的電壓信號，公共電極(Vcom)為顯示面板基準電壓電極，Cgs為柵極與源極寄生電容，Clc為液晶電容，Cst為存儲電容。

圖5 單一像素等效電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of single pixel circuit

圖6 極性反轉(zhuǎn)時序圖Fig.6 Timing sequence diagram in polarity inversion frame

圖6為各個信號在極性發(fā)生變化時的時序圖。圖中Vgh、Vgl為掃描信號線上高電平和低電平電壓，Vdh、Vdl為數(shù)據(jù)信號線上正極性電壓和負極性電壓。從圖中可以看到，當掃描信號線電壓發(fā)生變化，由高電平(Vgh)到低電平(Vgl)時，由于寄生電容Cgs的存在，會對像素電極產(chǎn)生一個下拉的跳變，通常稱這個跳變電壓(Kickback Voltage)為ΔVp。ΔVp計算公式如下：

(2)

由于液晶顯示通常采用正負極性驅(qū)動的方式，因此在正負極性信號反轉(zhuǎn)時無法避免會出現(xiàn)閃爍(Flicker)的問題。在實際工藝生產(chǎn)過程中，為了能夠盡量減小閃爍，通常會在閃爍127點燈畫面下，通過調(diào)整Vcom使得閃爍值最小化，此時的Vcom電壓通常稱為最佳化Vcom(Vcom_opt)。根據(jù)閃爍發(fā)生機理，此時像素電極上的正極性電壓和負極性電壓相等，即(Vdh-ΔVp)-Vcom_opt=Vcom_opt-(Vdl-ΔVp)。由此可得出最佳化Vcom的計算公式如下：

Vcom_opt=VCenter-ΔVp，

(3)

從公式(3)可以看出，最佳化Vcom與VCenter和ΔVp有關(guān)。根據(jù)液晶分子的基本特性，由于不同灰階下液晶分子的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)不同所對應的介電常數(shù)也不同，則Clc也不同。不同灰階下的ΔVp由于Clc的不同而不同，所以理論上不同的灰階下的最佳化Vcom也不同。

但是由于實際工藝生產(chǎn)過程中由于不能每個灰階都進行最佳化Vcom的調(diào)整，調(diào)整閃爍時使用的是灰階127的最佳化Vcom。因此在面板調(diào)整最佳化Vcom后，除了灰階127其他灰階下都有一個相對于灰階127的直流殘留，此直流殘留是非常不利于殘像評價。

為了探尋不同灰階下ΔVp的差異，通過模擬計算對比從灰階40到灰階255的ΔVp值。圖7為不同灰階下的模擬結(jié)果。從圖中可以看出，隨著灰階的不斷增加，ΔVp值不斷減小，其中灰階255跟灰階127下的差異達0.037 V。

圖7 不同灰階下ΔVp模擬結(jié)果 Fig.7 Simulation result of ΔVpunder different gray scale

通常在工藝生產(chǎn)過程中調(diào)整閃爍采用的是相對比較敏感的灰階127。而從圖7可以看到，不同灰階下的ΔVp與灰階127下的ΔVp均有差異。從公式(3)可以得到，不同灰階下的最佳化Vcom理論上是不同的。我們通過不同灰階的閃爍畫面下尋找最佳化Vcom的方法進一步驗證上述結(jié)論。

圖8為通過不同灰階閃爍畫面下得到的最佳化Vcom及通過Vcenter計算得到的ΔVp。從圖中可以看出，不同灰階下的ΔVp隨著灰階的增加逐漸減小，通過曲線擬合灰階255與127下ΔVp差異為0.05 V，與圖7中的模擬結(jié)果相近。

圖8 不同灰階下最佳化Vcom實測結(jié)果和ΔVp計算結(jié)果Fig.8 Optimize Vcom measurement result and ΔVp calculate result under different gray scale

3.3 灰階伽馬電壓調(diào)整的思路說明

在液晶顯示領域，當不同灰階下的Vcenter一致時，常被稱為對稱伽馬，而不同灰階下的Vcenter不一致時常被稱為非對稱伽馬。如前文所述，當采用對稱伽馬電壓設定時，在面板調(diào)整最佳化Vcom后，除了灰階127之外，其他灰階下都有一個相對于灰階127的直流殘留，此直流殘留非常不利于殘像評價。從上述公式(3)可以看出，為了彌補不同灰階下ΔVp的差異，可以通過調(diào)整Vcenter，從而使得各個灰階下的最佳化Vcom保持一致，不同灰階的驅(qū)動電壓下沒有相較于灰階127的直流殘留，進而改善直流殘留引起的殘像問題，此即為非對稱伽馬調(diào)整的思路和優(yōu)勢。

圖9 殘像評價圖形Fig.9 Image sticking evaluation pattern

4 對稱和非對稱伽馬電壓調(diào)整結(jié)果對比

4.1 對稱伽馬電壓設定及殘像結(jié)果

對于殘像的評價有很多種方法，殘像點燈的圖像也有很多[9-11]，此產(chǎn)品評價使用的圖像如圖9所示，為5×5黑白格圖形。此產(chǎn)品使用的評價時間分別為短期3 min，中期1 h，長期6 h，即點燈時間分別為3 min，1 h、6 h后確認殘留的程度，判定的水平(Level)越低，說明殘像水平越好。按照此產(chǎn)品的品質(zhì)要求，殘像水平需小于等于Level 2。

表1為此產(chǎn)品初始版對稱伽馬電壓設定，圖10為此電壓設定下的Vcenter趨勢圖。此產(chǎn)品電路設計方案中，所控制的灰階綁點分別為255，226，192，128，64，40，0共7個。綁點的選取會根據(jù)不同產(chǎn)品電路設計方案的不同而不同。從圖中可以看出，初始版本的伽馬電壓設定下各個灰階的Vcenter一致，即對稱伽馬。

表1 初始對稱伽馬電壓設定Tab.1 Origin symmetry gamma voltage setting

圖10 初始對稱伽馬電壓設定下Vcenter趨勢圖Fig.10 Vcenter trend of origin symmetry gamma voltage setting

基于初始版對稱伽馬電壓設定，我們隨機選取5片樣品投入殘像評價，其短、中、長期殘像結(jié)果請參考表2。其中數(shù)字代表殘像等級，數(shù)字越大殘像越嚴重。

表2 初始版對稱伽馬殘像結(jié)果

從表中可以看出，部分樣品的殘像水平較差，達到Level 4的水平，此殘像水平遠不能滿足客戶對于此產(chǎn)品畫面品質(zhì)的要求。

4.2 非對稱伽馬電壓設定及殘像結(jié)果

為了通過伽馬電壓補正不同灰階下ΔVp的差異，進而減小面板的直流殘留，我們在初始版本的基礎上對伽馬電壓進行了修正，如表3所示。我們保證灰階128的Vcenter不變，通過調(diào)整其他灰階的Vcenter進行補正，最大的補正量為灰階255，補正量為0.06 V。從圖11中可以看出，各個灰階的Vcenter不同，即非對稱伽馬。

表3 補正版非對稱伽馬電壓設定Tab.3 Revision asymmetric gamma voltage setting

為了結(jié)果的可對比性，選取之前同一批次樣品的5片樣品進行對比，殘像結(jié)果如表4所示。結(jié)果顯示，殘像結(jié)果有大幅改善，尤其是短、中期殘像。結(jié)果充分說明，通過伽馬電壓補正ΔVp差異，減小面板直流殘留，可有效改善短、中期殘像。

圖11 補正版非對稱伽馬電壓設定下Vcenter趨勢圖Fig.11 Vcenter trend of revision asymmetric gamma voltage setting

表4 補正版非對稱伽馬殘像結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

從兩次對稱伽馬電壓設定和非對稱伽馬電壓設定下殘像評價結(jié)果可知，當采用對稱伽馬電壓設定時，面板整體殘像水平較差。當采用非對稱伽馬電壓補正不同灰階下ΔVp的差異進而減小面板的直流殘留后，直流殘留引起的殘像得到顯著改善，短、中、長期殘像的Level等級平均下降2、0.8和0.6。結(jié)果充分說明，通過非對稱伽馬調(diào)整的方式可有效改善直流殘留引起的殘像。

5 結(jié) 論

本文對顯示面板非對稱伽馬調(diào)整對殘像影響的理論和相關(guān)機理進行分析，通過實際面板的殘像評價驗證了非對稱伽馬調(diào)整對殘像的影響。通過實際的驗證結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于灰階127，通過調(diào)整不同的灰階中心電壓來補償跳變電壓的差異，直流殘留引起的殘像得到顯著改善，其中短、中、長期殘像的Level等級平均分別下降2、0.8和0.6。結(jié)果充分表明，通過非對稱伽馬調(diào)整的方式可有效改善直流殘留引起的殘像，此方案可應用于實際產(chǎn)品中以降低殘像發(fā)生的風險和等級。