ADS類面板色偏關鍵影響因素

宋 聰，林麗鋒，宋文亮,劉 炫，張 鵬，張洪林，贠向南

(福州京東方光電科技有限公司，福建 福州，350300)

1 引 言

液晶顯示器(TFT-LCD)以其體積小、重量輕、耗能少等優勢成為當前市場主流。根據液晶的轉動方式，可分為垂直電場式和水平電場式，前者包括扭曲向列相(Twisted Nematic, TN)和垂直配向(Vertical Alignment, VA)兩種，后者以面內轉動(In Plane Switching, IPS)和高級超維場轉換(Advanced Super Dimension Switch, ADS)技術為主要代表。一般認為在沒有額外補償的情況下水平電場式液晶顯示具有寬視野角優勢，各視野角下色偏性能優于垂直電場式液晶顯示[1-4]。這里所指色偏含義為：在相同條件下觀看同一色彩，不同的TFT-LCD個體所表現出的顏色差異[5]。由于消費市場對于面板色彩表現能力需求越來越高，色偏因此成為評價面板性能的重要指標；同時窄邊框、超高透、高充電率等要求在ADS類面板像素設計上引起的色偏差異有所不同，因此討論影響色偏的關鍵因素對指導面板設計具有重要意義。

本文以實際面板設計為基礎，通過比較不同視角下色偏變化，理論闡述了RGB&RGBW兩種彩膜方案對面板色偏的影響，在此基礎上提出一種新的ADS類產品色偏評價方法，克服了現有方法在模擬大視角色偏時與實測結果差異較大的問題。同時根據實際測試結果比較了偏光片兩種本征模式對色偏的影響。

2 色偏的模擬方法和測試結果

由于人眼對不同色彩的敏感度不同，顯示行業中普遍使用均勻色彩空間CIE 1976 L*u*v*表征色偏。當進行初步色偏評價時，可用該體系中的色坐標距離表示[6]。CIE 1976 L*u*v*與CIE 1931XYZ色度系統的換算關系及色偏計算的數學表達式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：u’,v’表示色度，即從XYZ坐標系轉變為L*u*v*坐標系。ΔE表示色偏量。在ADS類產品實際設計中，討論相鄰子像素灰階狀態和偏光片本征模式對色偏的影響。

2.1 相鄰子像素灰階狀態

TFT-LCD的色彩表現基于彩膜基板的基本單元Red/Green/Blue 3個彩膜子像素。子像素的不同灰階狀態決定了畫面色彩。當觀察視角發生變化時，相鄰子像素的灰階狀態會影響目標子像素的灰階表現，宏觀上即目標子像素顏色“不純”從而形成色偏。此外以RGBW為子像素單元的彩膜層是近年來為滿足LCD超高透需求而出現的另一設計，W透明層的加入可提高彩膜層50%～70%透過率[7-8]，但與RGB類彩膜產品相比，色偏值整體較大。

圖1 彩膜類型、測試視角與色偏關系(L0畫面)Fig.1 Color shift with color filter and view angle (L0 pattern)

圖1為某TV RGB &RGBW 產品的色偏實測結果。對比可發現，隨著視角增大，面板色偏逐漸增大，且RGBW與RGB的色偏差異在大視角(θ>45°)下更為明顯。同時實測發現，當面板畫面為彩色時，兩種類型的色偏均進一步加大(圖2)。

圖2 彩色畫面下RGB與RGBW產品色偏情況(φ=30°)Fig.2 Color shift of RGB &RGBW in color pattern(φ=30°)

一般認為，當ΔE>0.02時即具有明顯的色偏。比較圖1、圖2可知，隨著觀察視角的增大，彩色畫面下面板色偏較L0畫面大，RGBW產品色偏較RGB產品大，色偏差異在大視角下更加明顯。

這一現象可以使用偏光片非正交狀態下像素漏光理論解釋。如圖3所示，正視狀態時，面板上下偏光片光軸方向處于完全正交狀態，兩層偏光片達到最佳起偏和檢偏效果。隨著視角的增大，兩層偏光片光軸處于非正交狀態，從這一視角觀察單色畫面時，盒內L0子像素區域液晶預傾角的存在會引起相位延遲，該子像素發生漏光，因此大視角觀察下面板色偏數值較大。

(a)

(b)圖3 大視角色偏觀察示意圖Fig.3 Schematic picture of color shift in large view angle. (a)Polarization schematic; (b)Color filter schematic.

為準確表征非正視下面板的色偏情況，對原L*u*v*坐標系統中ΔE的計算進行修正。根據CIE 1931 XYZ系統定義，可以通過三刺激值XYZ的疊加表征不同灰階相鄰子像素的相互影響，進而計算色偏公式為：

(6)

X′=XR+XG+XB+XW，

(7)

Y′=YR+YG+YB+YW.

(8)

使用該修正算法模擬的色偏結果與原算法、實測數據對比如圖4所示。當考慮相鄰子像素影響時，色偏模擬值與實測值較為接近，尤其在超大視角(θ=-80°，80°)下，ΔE模擬值與實測值的差值由現有方法的0.19和0.17降低至0.03和0.05，這表明新的計算方法可以提高色偏模擬的準確程度，有效表征不同視角下色偏的實際情況。

圖4 R255畫面下現有方法、本文方法與實測色偏值比較Fig.4 Color shift comparing of existing method, new method and actual measurement

2.2 偏光片本征模式的影響

偏光片的本征模式是影響面板色偏的另一重要因素。定義偏振光入射方向與下層液晶取向方向平行時稱為E-mode(extraordinary-ray mode)，垂直則稱為O-mode(ordinary-ray mode)[9]。本征模式對面板光學特性的影響見于不同研究中[10-11]，有觀點認為，單疇FFS模式中2ITO電極邊緣液晶光調制機理為偏光效應，而電極中心處為相位延遲，因此E-mode色偏情況較O-mode好[12]。對于目前業內普遍使用的雙疇或多疇設計，開態時疇之間液晶呈一定夾角，因自補償效應使得色偏水平較低。實測兩種本征模式L0色偏情況如圖5所示。

圖5 不同視角下偏光片本征模式實測色偏。(a)φ=0°; (b)φ=45°; (c)φ=90°; (d)φ=135°。Fig.5 Polarizer optical eigenmode impacts on color shift in different view angle.(b)φ=0°; (b)φ=45°; (c)φ=90°; (d)φ=135°.

結合圖6可知，偏光片本征模式對面板色偏有一定影響，0°，45°，90°，135°方位角下，O-mode均具有較好的色偏優勢。0°方位角下由于ΔE絕對值較小，直觀上兩種模式色偏宏觀表現相當。因此在實際產品設計中，用戶對色偏性能有較高的需求時，往往采用O-mode作為對應方案。

圖6 某TV產品實測L0畫面下色偏比較。上: O-mode； 下: E-mode。Fig.6 Color shift comparing of O/E mode in L0 image. Up: O-mode； Down: E-mode.

3 結 論

本文根據液晶面板設計的模擬與實測結果，比較了ADS產品中子像素狀態、偏光片本征模式對面板色偏的影響。結果表明，隨著視角增大，面板色偏逐漸增大，且相同測試條件下RGBW型彩膜產品色偏略大于RGB型。考慮大視角下，液晶面板上下兩層偏光片光軸處于非正交狀態，不同灰階相鄰子像素存在相互影響，本文提出的一種新色偏計算方法，克服了現有方法在模擬大視角色偏時與實測結果差異較大的問題，在超大視角(θ=-80°，80°)下，ΔE模擬值與實測值的差值由現有方法的0.19和0.17降低為0.03和0.05。同時比較了偏光片本征模式對面板色偏的影響：對于ADS雙疇模式而言O-mode相比E-mode具有較好的色偏表現。