TFT-LCD畫面閃爍影響因子及定量分析方法

朱海鵬，吳海龍，但 藝，冉 敏，周 歡，付劍波，周 焱，閔泰燁

(京東方科技集團股份有限公司 重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400700)

1 引 言

隨著當今社會的發展，各行各業如電視、筆記本電腦、手機等智能終端對顯示屏的依賴越來越重，人們對顯示產品畫面品質的要求也越來越高，因此品質優異的顯示屏顯得格外重要。液晶顯示屏(TFT-LCD)為當今社會最主流的顯示產品，畫面閃爍(Flicker)是衡量其顯示品質的重要指標之一，如何降低甚至消除閃爍是業界研究人員一直追求的目標[1-4]。

液晶顯示屏以交流電(直流會使液晶劣化)進行工作，工作時若正負幀像素電壓與參考電壓Vcom的差值不完全對稱，會引起正負幀像素電壓絕對值不一致，從而導致正負幀畫面亮度不同，因此呈現出閃爍現象[5-7]。目前，業內多以閃爍_G127畫面來進行評價或改善閃爍，實際工作中普遍采用調節共電極電壓Vcom來改善正負幀電壓對稱性，從而達到改善閃爍目的。然而，不同灰階閃爍水平不同，僅以閃爍_G127調節閃爍并不能將顯示器調至最佳，目前業界還沒有可預測不同灰階閃爍水平的定量分析方法。另外，研究結果表明，隨著VGH、VGL的變化，最佳閃爍及其對應的最佳Vcom也會跟著變化[8-10]。

本文針對閃爍發生機理，首先研究了Vcom對閃爍的影響，結果表明隨著Vcom增加，閃爍先減小后增大。其次研究了不同灰階最佳閃爍及對應Vcom關系，結果表明常白模式產品閃爍灰階增加時，最佳閃爍及對應Vcom均呈減小趨勢，而常黑模式產品閃爍灰階增加時，最佳閃爍逐漸減小，但最佳閃爍對應Vcom逐漸增加。再次，研究了VGH對閃爍的影響，結果表明，隨著VGH增加，閃爍先減小后增大，同一畫面最佳閃爍幾乎保持不變，但不同VGH最佳閃爍對應Vcom呈逐漸減小趨勢。最后，研究了VGL對閃爍影響，結果表明隨著VGL增加，閃爍先減小后增大，且同一畫面最佳閃爍也逐漸減小，但最佳Vcom逐漸增大。另外，提出了一種可以預測不同灰階閃爍水平的分析方法。結果表明，該分析方法計算所得閃爍與CA310(色彩分析儀)測試閃爍值趨勢一致，常白模式與常黑模式產品計算值與實際測試值線性相關系數均達0.95以上，說明了該分析方法有一定的準確性，為定量分析不同灰階閃爍水平提供了科學依據。

2 閃爍產生機理分析

2.1 ΔVp產生機理

決定TFT開關品質的一個重要因素是TFT柵極金屬和源極金屬之間的寄生電容Cgs，一般把TFT連接像素電極的一側設定為源極。由于TFT的開關接近瞬態 ，當柵極電壓Vgs從高電平的VGH瞬間下降到低電平的VGL時，Vgs的變化量ΔVgs被TFT寄生電容Cgs耦合到像素電極上，導致像素電壓Vp跳變，跳變量為ΔVp，由于ΔVp的存在，像素電壓變為(Vp-ΔVp)。

圖1(a)與圖1(b)分別為TFT關斷前后瞬間的像素電極相關電壓和電量的關系，其中，Vg1和Vg2分別對應像素上下相連的兩根掃描線電壓，Vd1和Vd2分別對應像素左右相連的兩根數據線電壓，Cdp1和Cdp2分別表示像素電極和左右相連兩根數據線之間的耦合電容，Cst和Clc分別表示存儲電容和液晶電容[11-12]。由于TFT關斷后，像素電極與周邊是獨立的，像素電極在充放電時間內接收的總電荷被保存起來。

TFT關斷瞬間的像素總電荷守恒，所以圖1(a)所示的總電荷和圖1(b)所示的總電荷相等：

Qst+Qlc+Qdp1+Qdp2，

(1)

Q′st+Q′lc+Q′dp1+Q′dp2.

(2)

TFT開啟時，Gate電壓為VGH，各電容的電荷分布分別表示為：

Qst=Cst(Vp-VGL)，

(3)

Qlc=Clc(Vp-Vcom)，

(4)

Qdp1=Cdp1(Vp-VdH)，

(5)

Qdp2=Cdp2(Vp-VdL)，

(6)

(a)TFT關斷前瞬間(a)Moment before TFT turn-off

(b)TFT關斷后瞬間(b)Moment after TFT turn-off圖1 TFT關斷前后瞬間的像素電極相關電壓和電量的關系Fig.1 Relation ship between the voltage and power of pixel electrode before and after TFT turn-off

Qgs=Cgs(Vp-VGH).

(7)

TFT關閉時，Gate電壓為VGL，各電容電壓分布分別表示為：

Q′st=Cst(V′p-VGL)，

(8)

Q′lc=Clc(V′p-Vcom)，

(9)

Q′dp1=Cdp1(V′p-VdH)，

(10)

Q′dp2=Cdp2(V′p-VdL)，

(11)

Q′gs=Cgs(V′p-VGL).

(12)

將公式(3)～(12)帶入公式(1)和公式(2)，得：

(13)

上式中：Cdp1+Cdp2遠小于Cst+Clc，實際計算時可忽略，一旦產品設計生產完成Cst也為定值，則變化量為Cgs、Clc、VGH、VGL，本文后續研究工作基于Clc、VGH、VGL以及Vcom展開。

2.2 閃爍產生機理

LCD以電壓大小來控制液晶站起角度從而來控制亮度，且液晶以交流方式驅動，如圖2所示，若Vcom值未調好，由于ΔVp的存在，相當于在液晶層內施加直流電壓，則Vp+≠Vp-，導致正負幀亮度存在差異，從而發生閃爍等現象，進而縮短液晶壽命，因此，有抵消突變電壓ΔVp的必要。為了抵消突變電壓ΔVp那一部分，把公共電壓Vcom變成變量(可以調節)。

圖2 像素電壓變化示意圖Fig.2 Diagram of pixel voltage change

2.3 閃爍評價方法

TFT-LCD 閃爍評價首先要根據產品驅動模式選擇相應的閃爍畫面，如采用1 Dot或者1+2 Dot，顯示畫面同一幀只顯示同一極性的像素，這樣可以保證正負幀像素極性相反，使正負幀亮度差異最大。研究人員通常會選擇人眼比較敏感的綠色畫面和亮度變化較敏感的L127灰階進行閃爍評價。

視頻電子標準協會VESA(Video Electronics Standards Association)標準中閃爍測試方法一般有兩種：JEITA測試法和FMA測試法[13]。

JEITA測試法是將顯示屏的刷新頻率調整到工作狀態時的頻率，采用頻譜儀和光電轉換設備，測試一幀內亮度隨時間的變化曲線F(t)，通過快速傅里葉變換，將其轉換為亮度隨頻率的變化曲線F(ω)。接著，取與被測樣品相同頻率下的F(ω)，如取F60Hz和直流下的F0Hz，再對F(ω)/F0Hz取對數，結果即為閃爍值，公式表達為

(14)

(15)

FMA(Flicker Modulation Amplitude，FMA)測試法的測試條件同JEITA法一樣，通過光電轉換器將亮度轉換為調幅的電信號，讀取電壓波形最大值Vmax和最小值Vmin，并定性認為(Vmax-Vmin)為交流成分，(Vmax+Vmin)/2為直流成分，則閃爍的表達式為

(16)

本文實驗研究需要外灌Vcom、VGH、VGL，為方便操作，本文采用CA310用FMA法測試閃爍值。

3 實 驗

3.1 樣品與設備

試驗樣品：14.0FHD TN(常白模式)1 pcs、32HD ADS(常黑模式)1 pcs；

實驗設備：臺式電腦、精測點燈機、CA310、直流電源、數字萬用表、電烙鐵、導線若干。

3.2 實驗過程

本文所選樣品包括常白模式和常黑模式產品。由于低灰階時(如Flicker_G0、Flicker_G4)亮度太低，CA310無法采集到閃爍值，本文實驗研究均從32灰階開始。

不同Vcom對閃爍影響實驗需要根據電路圖將Vcom外接直流電源，利用電腦自動控制Vcom值變化(Step為0.01 V)，并實時采集每個Vcom對應的閃爍值，根據測試結果可以找到閃爍與Vcom對應關系，通過測試不同灰階閃爍與Vcom關系曲線，可以得到各灰階最佳閃爍與對應Vcom的關系。不同VGH、VGL對閃爍影響實驗，需要將VGH、VGL(Step為0.01 V)分別外接直流電源，進行單因子實驗分析，根據結果，可以分別得出閃爍與VGH、VGL對應關系。另外，VGH、VGL調整時，通過調節Vcom使閃爍達到最佳，可以得到不同VGH、VGL對應最佳閃爍與Vcom關系。

不同灰階閃爍水平分析方法需要結合產品V-T(電壓-透過率)曲線及不同灰階實際ΔVp進行計算，計算結果與CA310實測閃爍值線性相關性分析結果可以驗證分析方法的準確性。

4 實驗結果與討論

4.1 Vcom對閃爍影響

實驗分別基于14.0FHD TN與32HD ADS兩種不同顯示模式產品，分別將Vcom外灌連接至直流電源，通過軟件控制Vcom變化并實時采集每個Vcom下的閃爍值，實驗結果如圖3所示。

圖3 閃爍與Vcom關系曲線Fig.3 Flicker vs.Vcom

實驗結果表明，隨著Vcom的增加，閃爍先減小后增大(呈“V”型關系)。這是因為隨著Vcom增加，正負幀電壓中心與Vcom差值先減小后增大，當正負幀電壓中心與Vcom差值最小時閃爍達到最佳(曲線最低點)。

4.2 不同灰階最佳閃爍與Vcom關系

實驗分別測試了兩種顯示模式產品不同灰階最佳閃爍隨Vcom變化關系，結果如圖4所示。實驗結果表明，常白模式產品隨著灰階升高最佳閃爍及對應Vcom均逐漸減小，而常黑模式產品最佳閃爍逐漸減小，但對應Vcom逐漸增加。

常白模式產品ΔVp隨著灰階增大逐漸增大(Vcom負移)，從而引起正負幀亮度差增大，但畫面平均亮度隨灰階增加也呈增加趨勢(主要因素)，綜合導致最佳閃爍減小；而常黑模式產品灰階增加時ΔVp逐漸減小(Vcom正移)，從而引起正負幀亮度差逐漸減小，且由于畫面平均亮度也呈增加趨勢，故最佳閃爍逐漸減小。

圖4 不同灰階最佳閃爍及對應VcomFig.4 Optimum flicker and corresponding Vcom with different gray level

4.3 VGH對閃爍影響

實驗中將VGH電壓外接至直流電源，VGL與Vcom保持不變，分別測試常白模式及常黑模式產品不同VGH電壓下的閃爍值，結果如圖5所示，表明VGH對閃爍有顯著影響。分析原因為：第一階段，VGH較低時，一方面ΔVp隨VGH增加而增大，另一方面VGH較低時，像素未完全充滿，正負幀亮度差較大(主要因素)，隨著VGH增加，像素逐漸充滿，正負幀亮度差減小，此階段閃爍隨VGH增加而減小；第二階段，VGH增大到一定程度，像素已完全充滿，此時ΔVp隨著VGH增加而增大，從而引起正負幀亮度差增大，即閃爍增大。

圖5 閃爍與VGH關系曲線Fig.5 Flicker vs.VGH

實驗還研究了兩種模式產品不同VGH電壓最佳閃爍及對應Vcom關系，圖6所示實驗結果表明VGH增加，最佳閃爍幾乎不變，但對應Vcom逐漸減小，故VGH電壓變化時，可以通過調節Vcom使閃爍達到最佳。

圖6 不同VGH最佳閃爍及對應VcomFig.6 Optimum flicker and corresponding Vcom with different VGH

4.4 VGL對Flicker影響

實驗中將VGL電壓外接至直流電源，VGH與Vcom保持不變，分別測試常白模式及常黑模式產品不同VGL電壓下的閃爍值，結果如圖7所示，表明VGL對閃爍有顯著影響。分析原因為：第一階段，VGL從-2 V逐漸減小至最低點(約-8 V)時，雖然ΔVp逐漸增大，但此時TFT的Ioff逐漸減小(主要因素)，像素電壓具有更好的保持特性，從而引起正負幀亮度差逐漸減小，即閃爍逐漸減小；第二階段，VGL繼續減小，ΔVp及TFT的Ioff均逐漸增大，兩者共同作用使正負幀亮度差逐漸增大，即閃爍逐漸增大。

圖7 閃爍與VGL關系曲線Fig.7 Flicker vs.VGL Curve

另外，本文還研究了兩種模式產品不同VGL電壓最佳閃爍及對應Vcom關系，實驗結果如圖8所示，表明隨著VGL的減小，兩種顯示模式產品最佳閃爍均呈逐漸增大趨勢，但最佳閃爍對應Vcom逐漸減小。分析原因為VGL減小引起ΔVp增大，從而使最佳Vcom負移；另外VGL減小像素漏電流先減小后增加，漏電流的存在會使像素電壓保持特性變差，從而使正負幀亮度差逐漸增大，即最佳閃爍逐漸增大。

圖8 不同VGL最佳閃爍及對應VcomFig.8 Optimum flicker and corresponding Vcom with different VGL

5 閃爍分析方法

對單獨的一個像素而言，理想的光學波形應該是一個60 Hz的波動形狀，但實際的TFT-LCD存在Vcom漂移、漏電流、電容耦合等原因的影響，引起兩幀的像素電壓不同，畫面亮度明暗交替，導致實際的亮度波形為30 Hz的波形(對人眼而言，50 Hz以下的波動容易識別)，如圖9(a)所示，實線表示理想亮度波形，虛線表示實際亮度波形。為方便分析，可以用亮度均值表示正負幀亮度，示意圖如圖9(b)所示，其亮度變化周期為30 Hz。

圖9 面板亮度波形Fig.9 Brightness waveform of panel

如前所述，VESA標準FMA測試法是用光電探測器采集到的電壓波形最大值Vmax和最小值Vmin的差值與二者的均值作為閃爍值。電壓波形最大值與最小值可以簡單地理解為亮度最大值與最小值，即正幀與負幀亮度，則正負幀亮度差與正負幀亮度的平均值的比值即為該顯示屏的閃爍，表達式如公式(17)所示。

(17)

5.1 電壓-透過率曲線分析

由于閃爍是灰階正負幀亮度差的直接反映，而正負幀亮度差與正負幀像素電壓有關，故可通過分析電壓-透過率(V-T)曲線，得到正負幀亮度與電壓的關系，進而得到正負幀亮度差與電壓的關系。

圖10為常白模式與常黑模式V-T曲線，其中橫軸為源極數據線電壓(亦可看做像素電壓)，由外接直流電源提供給面板，縱軸為各電壓下的歸一化亮度(亮度最大值為100%)。

圖10 不同顯示模式V-T曲線Fig.10 V-T curve with different display mode

分析各灰階閃爍水平，需要從Gamma曲線上找出灰階對應亮度百分比，根據亮度百分比在V-T曲線上找出正負幀對應電壓V+與V-。以TN模式產品為例，由于ΔVp的存在，實際的正負幀電壓會負移，從而使正幀亮度增大負幀亮度減小，即正負幀亮度不再一致，亮度差的變化率即可表征閃爍水平。

5.2 不同灰階ΔVp分析

根據ΔVp計算公式，由于不同灰階液晶翻轉程度不一樣，即不同灰階液晶電容(Clc)不一樣，故不同灰階ΔVp并不是一個定值。圖11為常白模式和常黑模式透過率-Clc曲線。圖中，橫坐標均為源極電壓，主要縱坐標軸表示歸一化亮度，次要縱坐標軸表示各電壓下的Clc，即各灰階的Clc。由于常白模式的Clc變化量遠大于常黑模式Clc變化量，故常白模式ΔVp變化量大于長黑模式ΔVp變化量。

圖11 不同顯示模式透過率與Clc關系 Fig.11 Relation between T and Clc in different display mode

對于TN型產品，根據電容計算公式C=ε0εS/d，因為考慮的是同一個液晶電容體，ε0S/d不變，可以看為常數。當ε=ε⊥時液晶電容最小，此時顯示亮態(L255)；當ε=ε∥時液晶電容最大，顯示暗態(L0)，即TN產品低灰階到高灰階變化時，液晶電容逐漸減小，結合ΔVp計算公式，可得ΔVp逐漸增大。而對于ADS型產品，Clc是像素ITO與VcomITO之間的耦合電容，無法通過交疊面積計算直接得到，需要模擬獲得(模擬得出Clc+Cst，減去Cst可以得到Clc)，當液晶處于ON(L255)時，液晶電容最大Clcmax(ε=ε∥)，此時ΔVp最小；當液晶處于OFF(L0)時，液晶電容最小Clcmin(ε=ε⊥)，此時ΔVp最大，即常黑模式低灰階到高灰階變化時ΔVp逐漸減小。

5.3 閃爍分析方法

根據前述分析結果，由于ΔVp的存在，實際工作時會對Vcom進行補償，為方便后續計算，假設補償量為ΔVpmin，則閃爍可用公式(18)表征：

(18)

計算步驟為：

(1)求出不同灰階實際ΔVpl相對ΔVpmin變化量Ωl；

(2)根據V-T曲線找出正負幀灰階電壓V+、V-；

(3)根據Ωl在V-T曲線上找出V-’、V+’；

(4)在V-T上找出ΔL+、ΔL-，并求出ΔL(%)。

其中：ΔVpl為某灰階實際ΔVp，ΔVpmin為ΔVp最小值，Ωl=ΔVpl-ΔVpmin；V+、V-分別為灰階對應V-T曲線上正負幀電壓；V+’=V+-Ωl，V-’=V--Ωl，分別為正負幀實際電壓；ΔL+、ΔL-分別為V-T曲線上透過率變化量；L為灰階對應V-T曲線上透過率；α為修正因子。

根據上述分析步驟，得到TN型產品亮度變化量計算結果如表1所示。從表1可知，低灰階到高灰階變化時，ΔL(%)逐漸減小，實測閃爍值也逐漸減小，二者規律一致。

表1 常白模式正負幀亮度變化量計算結果Tab.1 Calculate results of brightness variation of positive and negative frames of TN mode

將計算結果ΔL(%)與實測閃爍值進行相關性分析，結果如圖12所示。計算結果實測值變化趨勢一致，且線性相關系數達0.95以上，說明了該分析方法具有較高的準確性。

圖12 常白模式計算結果與實測值分析Fig.12 Analysis of calculation results and measured values of TN mode

同理，得到ADS型產品亮度變化量結果如表2所示，ΔL(%)計算結果與測試閃爍值均隨灰階增加而減小。

將ΔL(%)計算結果與實測閃爍值進行相關性分析，結果如圖13所示。計算結果與實測值變化趨勢一致，且線性相關系數達0.95以上，再次驗證了該分析方法的準確性。說明此方法可以用來表征不同灰階閃爍水平。

表2 常黑模式正負幀亮度變化量計算結果Tab.2 Calculate results of brightness variation of positive and negative frames of ADS mode

圖13 常黑模式計算結果與實測值分析Fig.13 Analysis of calculation results and measured values of ADS mode

6 結 論

本文結合ΔVp及閃爍產生機理，首先研究了Vcom對閃爍影響，結果如下：閃爍隨Vcom增加先減小后增大，且常黑模式產品隨著閃爍灰階增加最佳閃爍逐漸減小，但對應Vcom逐漸增加，而常白模式產品隨著閃爍灰階增加最佳閃爍及其對應Vcom均呈下降趨勢；其次，實驗研究了VGH對閃爍影響，結果如下：閃爍隨VGH增加先減小后增大，且最佳閃爍不隨VGH增加而變化，但對應Vcom隨VGH增加呈減小趨勢；再次，研究了VGL對閃爍影響，實驗結果如下：閃爍隨VGL增加先減小后增大，且最佳閃爍隨VGL增加逐漸減小，但其對應Vcom逐漸增大；最后，提出了一種可以預測不同灰階閃爍水平的定量分析方法，分別對常白模式和常黑模式產品進行了分析計算，并將計算結果與VESA標準下FMA測試法閃爍實測值進行相關性分析，結果表明計算所得閃爍值與實測閃爍值相關性系數均達0.95以上，證明了分析方法的可行性與正確性，為預測產品不同灰階閃爍水平提供了分析思路。