廣窄視角可切換型TFT-LCD的莫爾條紋抑制

蔡 浩， 陳超平， 陳 捷， 程子垚

(1.昆山龍騰光電股份有限公司 產品研發中心，江蘇 昆山 215300；2.上海交通大學 電子工程系 智能顯示實驗室，上海 200240)

1 引 言

日常生活中，筆記本電腦已經非常普及，在辦公、娛樂或收發郵件的使用率越來越高，但在不同的場合使用，用戶就會顧及個人隱私問題。當我們在觀看或是撰寫私人信息時候，并不想讓周圍的人看到。傳統的解決方案是使用3M防偷窺膜片來達到防窺的目的。但當分享有趣的內容或是會議討論時，就希望有廣闊的視角讓更多人看到。廣窄視角技術可實現廣視角(Wide Viewing Angle，WVA)與窄視角(Narrow Viewing Angle，NVA)一鍵切換，省去了額外貼附防窺膜的繁瑣，其原理是基于廣窄視角可切換TFT-LCD技術而實現[1-4]。

TFT-LCD是有源矩陣類型液晶顯示器(Active Matrix LCD，AM LCD)中的一種。它具有低功耗、高對比度、高響應速度、適用范圍廣、易于集成化等特點，目前已成為面板顯示產業主流技術之一。小到電子表、數碼相機、智能手機，大到筆記本電腦、各種尺寸的顯示器、平板電視，都在廣泛使用TFT-LCD屏。TFT-LCD的主要原材料包括液晶、玻璃基板、背光模組、彩色濾光片、偏光片、驅動電路、化學氣體與材料、外框、各類薄膜及其他材料。

2 背光模塊

目前，不同于有機發光二極管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)的技術原理[5]，TFT-LCD模組的設計必需搭配背光單元來提供光源，如圖1所示，其工作原理為由LED驅動點亮并控制條狀的LED光源?，F有的LED驅動所需的信號主要包括輸入電壓(VIN)、調光信號(Pulse Width Modulation，PWM)、使能信號(Chip Enable)等。對PWM的定義，還包括其調光頻率及占空比，它們的取值有一定的范圍及對應關系，調節占空比可對光源的強弱進行控制。

圖1 背光模塊原理圖Fig.1 Schematic of backlight module

背光模塊的調光方式有多種模式。表1、表2列出兩種常見模式調光下PWM頻率與占空比的對應關系。PWM調光技術為目前常用的LED調光技術。在進行脈沖寬度PWM調光時，需要提供一個額外的脈沖寬度調節信號源，通過改變輸入的脈沖信號占空比來調制LED驅動芯片對功率場效應管的柵極控制信號，從而達到調節通過LED電流大小的目的。這種調光技術的優點在于應用簡單、效率高、精度高，且調光效果好[6]。

表1 混合調光模式Tab.1 Mixed dimming mode

表2 PWM調光模式Tab.2 PWM Dimming Mode

3 廣窄視角切換技術

3.1 廣窄視角切換簡介

廣窄視角技術主要是在系統端通過按鍵來實現廣窄視角之間的自由切換，可有效保護用戶的個人隱私。圖2展示了已應用該技術的代表性產品HP·EliteBook商用系列筆記本的廣/窄視角模式(Elitebook顯示屏的原始設計制造商為昆山龍騰光電股份有限公司)。

圖2 HP EliteBook x360 1030 G2筆記本的廣/窄視角模式Fig.2 Wide/narrow viewing angle modes of HP EliteBook x360 1030 G2

3.2 廣窄視角切換原理

當彩色濾光片(Color Filter，CF)側的公共(Common)電極施加偏壓時，該偏壓信號由STV信號觸發同步產生，液晶分子在電場作用下沿電場方向排列，與基板之間的預傾角增大，傾角較大的液晶分子在斜視方向相位延遲與偏光板不再匹配，造成斜視漏光，對比度降低，視角縮小。其初始狀態一般為寬視角，即CF側不施加偏壓，原理如圖3所示。廣視角模式下：TFT公共電極與CF公共電極用點銀膠方式接在一起，直流電壓驅動(DC-VCOM)；窄視角模式下：TFT公共電極等于DC-VCOM電壓，CF公共電極等于AC-VCOM電壓。

圖3 廣窄視角可切換技術的原理示意圖Fig.3 Schematic of wide/narrow viewing angle switching mechanism

4 莫爾條紋的產生機理

莫爾是法語Moiré音譯，原意是水面的波紋。從物理本質上解釋，莫爾條紋是兩條線或兩個物體之間以恒定的角度和頻率發生干涉的視覺結果，當人眼無法分辨這兩條線或兩個物體時，只能看到干涉的花紋，這種光學現象中的花紋就是莫爾條紋。對莫爾條紋的研究最早可以追溯到19世紀末期，20世紀50年代以后開始應用于實際測量，并逐步對莫爾條紋的形成機理展開了廣泛的研究。深入研究它的形成機理、結構及其光強分布規律具有非常重要的意義。它能夠指導如何改善莫爾條紋光電信號的質量以及光電位移傳感器的結構設計。莫爾條紋的形成機理主要有以下3種理論：(1)基于陰影成像原理。認為由條紋構成的軌跡可表示莫爾條紋的光強分布。(2)基于衍射干涉原理。認為由條紋構成的新的光強分布可按衍射波之間的干涉結果來描述。(3)基于傅里葉變換原理。認為形成的莫爾條紋是由低于光柵頻率項所組成[7-10]。本文所研究的莫爾條紋是從衍射光學角度描述的衍射干涉原理為理論依據。

在廣視角模式下，隨意調節背光亮度，其顯示效果良好，并無莫爾條紋現象。當切換到窄視角模式，任意調節背光亮度時，莫爾條紋可見，尤其低亮度下表現明顯。窄視角模式比廣視角模式在彩色濾光片基板的氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)透明電極側多加了一個偏壓信號，因此可以斷定液晶顯示屏幕上的莫爾條紋與該交流偏壓信號有關。以120 Hz刷新率為例，量測顯示模組上的STV與PWM信號的波形，如圖4所示，可看出其系統送出的PWM信號頻率為1 kHz。

圖4 PWM頻率為1 kHz與STV信號的波形Fig.4 Waveform of STV and PWM with 1 kHz frequency

當不斷調節PWM頻率時，發現莫爾條紋現象的程度也在不斷變化。在調節PWM頻率時，STV信號固定不變，變化的只是兩者的相位差。因此可以推斷，其產生機理為：由于背光模組的調光信號PWM信號與施加在CF ITO側的交流信號兩者相位差不斷變化，導致了人眼可見的干涉的花紋，因此產生了莫爾條紋。這會嚴重影響NVA模式下的畫面顯示效果。如圖5所示，方框標識區域內，莫爾條紋明顯可見。

圖5 PWM頻率1 kHz占空比49.8%下可見的莫爾條紋區域Fig.5 Visible area of moire under PWM with 1 kHz frequency and 49.8% duty

5 實 驗

5.1 實驗方法

斷開由連接器端輸入的PWM輸入信號(PWMI)，使用函數信號發生器連接，將PWMI信號接入，規律性地調節PWM信號的頻率及占空比，實際觀測不同PWM頻率及占空比下液晶顯示屏在窄視角模式下的莫爾條紋現象。

5.2 實驗結果

以31.75 cm(12.5 in)全高清(Full HD)(分辨率為1 920×1 080)液晶顯示屏為實驗對象，表3為不同占空比下，驗證不同頻率有無莫爾條紋現象所得的數據。數據表明：低灰階、低頻率、低占空比下莫爾條紋明顯可見。

表3 PWM不同占空比及頻率下的莫爾條紋狀況Tab.3 Performance of moire under different PWM duty and frequency (Hz)

6 結果與討論

6.1 解決方案

目前，絕大部分筆記本電腦使用的PWM頻率為1 kHz。針對莫爾條紋問題，現有的解決方案為：拉高PWM信號的頻率，如圖6所示，使其與窄視角模式下施加在CF ITO側的交流信號之間的相位差足夠小，盡量避開人眼可見的范圍。但此方案會引起占空比可調控精度低等問題。

圖6 PWM頻率為3.1 kHz與STV的波形Fig.6 Waveform of STV and PWM with 3.1 kHz frequency

對比傳統的方案，本文的解決方案如下：圖7為新的原理模塊框圖，無論前段系統送入的PWMI的頻率為多少，使PWMI信號經連接器進入時序控制器(Timing Controller，TCON)后，產生PWM輸出信號(PWMO)。為防止PWMO信號在一幀內的完整性，避免造成背光亮度上的差異，同步產生為STV頻率倍數的PWMO信號進行輸出，PWMO的占空比跟隨PWMI的占空比，其TCON內部實現原理如圖8所示[11]。電源開啟后，STV經過計時器(Timer)計算兩個上升沿的時間T，T參數反饋于PWM模塊產生倍頻(n/T，n的取值根據需求設定ROM code)的PWM信號輸出，再通過STV上升沿觸發PWM信號產生PWMO信號，并送至LED驅動。

圖7 驅動模塊框圖Fig.7 Block diagram of driving module

圖8 TCON內部功能原理框圖Fig.8 Block diagram of embedded function in TCON

依據嵌入式顯示端口(Embedded Display Port，簡稱eDP)協議的時序規格，如圖9所示，電源開啟后至少200 ms(該應用定義T8 min值為200 ms)后，背光才會點亮，其2個STV的周期遠小于200 ms。STV與PWMO信號間的時序對應關系如圖10所示。

圖9 eDP的時序規格Fig.9 Timing specifications of eDP

圖10 STV與PWMO對應時序關系Fig.10 Timing relation between STV and PWMO

6.2 實測結果

如圖11所示，使用函數信號發生器，將液晶顯示屏的STV信號引出接入設備，作為觸發源，然后產生與STV同步的PWM信號后輸入至LED驅動。

圖11 使用函數信號發生器通過STV觸發PWM驗證示例Fig.11 Verified example of PWM signal triggered by STV with function signal generator

以31.75 cm(12.5 in)液晶顯示屏為例，其刷新率為120 Hz，即STV的頻率為120 Hz。如圖12波形所示，通道一為STV信號，通道二為PWM信號，實際觀測如圖13所示，未觀察到明顯的莫爾條紋現象。使用色彩分析儀CA-310量測64灰階下莫爾條紋中心區域的閃爍度，其值由68.5%～72.3%之間的循環跳變，變成穩定的69.9%，如圖14所示。

圖12 通過STV觸發PWM信號的波形Fig.12 Waveforms of both STV and PWM signals

圖13 無莫爾條紋現象圖Fig.13 Image free from moire effect

圖14 使用色彩分析儀CA-310量測莫爾條紋中心區域的閃爍度Fig.14 Flicker value in the center area of moire measured by CA-310

7 結 論

在廣視角模式下并沒有莫爾條紋，只有當切換到窄視角模式下并且背光亮度較低時才可見。而窄視角模式下比廣視角模式在彩色濾光片的透明電極側多加了一個交流偏壓信號。從莫爾條紋產生的機理和實驗數據的結果可知，其產生機理為脈沖寬度調制信號與窄視角模式下施加在彩色濾光片的透明電極側的交流面板信號之間的相位差不斷變化所造成。本文通過將脈沖寬度調制信號與每幀的起始信號相同步，經過實際驗證，本文的方案可有效解決莫爾條紋的問題。在1 kHz、49.8%占空比的脈沖寬度調制信號下，使用色彩分析儀量測64灰階下莫爾條紋中心區域的閃爍度由68.5%～72.3%之間的循環跳變，變為穩定的69.9%?？紤]到所產生的脈沖寬度調制信號的頻率需為起始信號頻率的倍數，其有效地防止了脈沖寬度調制信號在一幀內不完整而造成背光亮度上的損失。對比傳統的只是單純拉高脈沖寬度調制信號頻率的方案，本文提出的方案在解決莫爾條紋上的效果具有明顯優勢，在窄視角模式下給用戶更好的視覺體驗。