通過非對稱伽馬調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

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

所謂“殘像”即影像殘留，其根據實際情況通常分為“面殘像”和“線殘像”。不論哪種分類，兩者產生的本質原因一致，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[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動導致的，可由變更驅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果，對伽馬電壓與面殘像的關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 伽馬調整的意義和方法

2.1 伽馬曲線和伽馬值

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

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，即伽馬值。

當圖像與信號正確地出現在顯示屏上時，將呈現不同的灰階與亮度的關系曲線，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。為使顯示產品達到最佳觀感，根據人眼特性的要求，通常顯示產品的伽馬值為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,液晶面板隨著驅動電壓的不同，透過率會隨之發生變化。驅動電壓和面板透過率關系呈現一條對稱的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(包括正反反轉驅動用的正負電壓)。圖3為實際產品的電壓-灰階曲線。TFT-LCD中伽馬電壓產生電路的設計通常采用14組伽馬電壓，其中V1～V7對應正極性驅動，V8～V14對應負極性驅動。

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

3 伽馬電壓調整相關機理分析

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所示為單一像素結構的等效電路示意圖，其中掃描信號線控制TFT開關的開啟與關閉，數據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 極性反轉時序圖Fig.6 Timing sequence diagram in polarity inversion frame

圖6為各個信號在極性發生變化時的時序圖。圖中Vgh、Vgl為掃描信號線上高電平和低電平電壓，Vdh、Vdl為數據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動的方式，因此在正負極性信號反轉時無法避免會出現閃爍(Flicker)的問題。在實際工藝生產過程中，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)。根據閃爍發生機理，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。根據液晶分子的基本特性，由于不同灰階下液晶分子的偏轉狀態不同所對應的介電常數也不同，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過程中由于不能每個灰階都進行最佳化Vcom的調整，調整閃爍時使用的是灰階127的最佳化Vcom。因此在面板調整最佳化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模擬結果 Fig.7 Simulation result of ΔVpunder different gray scale

通常在工藝生產過程中調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中的模擬結果相近。

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

3.3 灰階伽馬電壓調整的思路說明

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整的思路和優勢。

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整結果對比

4.1 對稱伽馬電壓設定及殘像結果

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]，此產品評價使用的圖像如圖9所示，為5×5黑白格圖形。此產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。按照此產品的品質要求，殘像水平需小于等于Level 2。

表1為此產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。綁點的選取會根據不同產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、長期殘像結果請參考表2。其中數字代表殘像等級，數字越大殘像越嚴重。

表2 初始版對稱伽馬殘像結果

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品畫面品質的要求。

4.2 非對稱伽馬電壓設定及殘像結果

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，殘像結果如表4所示。結果顯示，殘像結果有大幅改善，尤其是短、中期殘像。結果充分說明，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果

4.3 結果分析

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。結果充分說明，通過非對稱伽馬調整的方式可有效改善直流殘留引起的殘像。

5 結 論

本文對顯示面板非對稱伽馬調整對殘像影響的理論和相關機理進行分析，通過實際面板的殘像評價驗證了非對稱伽馬調整對殘像的影響。通過實際的驗證結果發現，相較于灰階127，通過調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。結果充分表明，通過非對稱伽馬調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品中以降低殘像發生的風險和等級。