TFT-LCD LED背光延迟扫描技术研究

蔡明雄

（湄洲湾职业技术学院，福建 莆田 351254）

现有TFT-LCD显示器采用LED背光，效果良好，技术比较成熟，已经完全替代了原来的CCFL光源.但还存在以下问题：

第一方面，由于液晶的惯性，响应时间较长（约5ms），引起显示运动图像时产生拖影现象（Motion Blur）；现有的解决方法是采用过驱动（Overdrive）、插黑帧技术（Black Insert）、运动估算与补偿技术 (Motion Estimation and Motion Compensation，MEMC)和背光源点灭技术（Blinking B/L）等.这些技术都不能彻底解决拖尾现象，而且会带来一定程度的负面影响.[1][2][3]

第二方面，现有的液晶显示器，采用LED背光之后，背光功率有较大下降.但无论是直下式、侧入式背光，或者是动态区域背光、RGB场序背光，开机后整个背光系统都一直亮着，所以背光功率仍然占整机功率很大的比重.

第三方面，3D显示和4K面板等新的显示技术要求液晶单元小于4ms的响应速度，但是由于液晶材料固有的特性，响应速度难于进一步突破.

针对上述问题，设计一种LED背光扫描控制系统，将LCD面板像素写入时序（TCON）引入背光扫描系统，并控制背光以固定相位滞后于像素写入时序，从而有效解决因液晶响应速度慢而导致的运动图像拖尾现象，并进一步提高LCD显示器的能效.

1 背光系统硬件改进

设显示器的水平分辨率有Q行，LED背光系统由N块独立的水平灯条 (BL1～BLN)组成.帧周期为VT（Vertical Total Time）,行周期为 HT（Horizontal Total Time）.

（2）每块水平灯条仍然可以采用直下式或侧入式导光方式，如附图1、2所示.

图1 液晶面板与水平背光灯条

图2 侧入式导光示意图

系统原理图如附图5所示.

2 背光扫描与像素写入时序

在背光系统中引入帧同步信号STV和行像素写入允许信号DE，像素写入时序与背光点亮时序如图3(a)、(b)所示.

总体思路是，延迟半帧扫描背光：在第1帧像素逐行写入到半帧时，启动背光，背光自屏幕最上方向下扫描像素；同时，下半帧的像素电压继续写入.这样，当背光照射到某行液晶单元时，该行液晶单元的像素电压已经写入并等待了约半个帧周期（-△t）的时间，已经稳定在与该灰度等级对应的偏转角度.

具体时序控制过程如附图3（a）所示.

图3 像素与背光时序图(a)

（1）检测到帧同步信号STV有效时（此时解码系统开始向面板逐行写入像素电压），启动帧延时计数器t0，计数值为，即延时半帧的时间（这个时间可以根据实际机型的需要进行微调）.

（3）当第1帧中间一块背光灯条BLN/2照亮屏幕水平中间的第块像素区域时，第2帧同步信号STV有效，计数器t0开始计数（计数值为）.此时，解码系统开始写入第2帧的第1行像素信号.

（4）当第一帧的最后一块背光灯条BLN照亮屏幕最下方的第N块像素区域时，第2帧的像素信号已经写到屏幕水平中间的第行.紧接着重复步骤（2）、（3）、（4）.

系统程序流程图如附图6所示.

3 系统性能分析

3.1 亮度问题

3.1.1 亮度降低问题

在传统常亮背光模式下，开机后背光一直亮着；只要液晶开始偏转，就有光透出，直到下一帧像素写入之前，液晶完全关闭为止，透光时间约等于帧周期VT.而采用本设计的扫描背光，则背光透射时间只有，远小于VT.所以，扫描背光总体亮度要比非扫描背光低得多.必须提高每块LED灯条的亮度，加以补偿.理论上，采用扫描背光的每一单块LED的亮度必须等于原来非扫描背光时整个背光的亮度.

①由于采用扫描背光时，任意时刻只有一块LED灯条亮着，所以背光功率并没有增加.

②如附图3（b）所示，由于在原来非扫描背光系统中，虽然整个背光一直亮着，但是在帧扫描无效时间和液晶响应时间（tr+tf）内，液晶是关闭的，实际并不透光.所以，扫描背光系统中的单块LED的亮度可以适当降低.

图3 像素与背光时序图(b)

基于上述两个原因，在保障同等亮度的条件下，扫描背光比非扫描背光的功率还要更低一些.

3.1.2 亮度均匀性问题

现有的各种背光系统中，都有良好的背光散射机构，背光均匀性良好.这个问题不在本设计的讨论范围.

3.2 画面闪烁问题

文献[2]、[3]中所提出的，采用背光扫描后，屏幕会出现闪烁的问题，但没有指出产生闪烁的机理是什么.如附图4所示，文献[4]、[5]、[6]中所提出的背光扫描，是背光系统以一个固定的频率fB自上而下扫描照亮屏幕.只要这个频率fB与像素电压写入的行同步信号DE的频率有微小的差异，在fB与DE之间就会存在一个相位差ΔФ，而且这个相位差ΔФ每一行、每一帧都在变化的，变化范围为（0～2л）.这个变化的相位差ΔФ，就说明在同一帧的不同行之间，以及在前后帧之间，背光照亮像素时，液晶的偏转角度是不同的，所以透过的光亮度也不同，因此导致了屏幕上出现条纹滚动或闪烁现象.

而本设计所采用的背光扫描，不会出现闪烁现象，原因如下：（1）控制灯条的计数器由帧同步信号STV启动，由行同步信号DE触发计数.实际是一个数字锁相控制，背光与像素状态之间的相位差是固定不变的，所以不会出现闪烁现象.（2）每个灯条都是在对应的像素液晶单元偏转到稳定状态时才开启的，如附图3(a)(b)所示，前后帧之间只有像素本身的灰度变化，没有背光引起的灰度变化，所以不会出现闪烁现象.

图4 行像素扫描与背光扫描之间的相位差

3.3 进一步提高了LCD的对比度.由于每行像素在未达到相应的灰度等级时，背光是关闭的，所以能有效克服漏光现象，从而提高液晶画面的对比度.[4]

4 实例

本设计做了一个实例应用，采用某型号的液晶电视机，运用本设计对其背光系统进行重新设计.该电视机标称规格：对角线94cm，面板物理分辨率1366×768，帧频60Hz，额定消耗功率45W；侧入式LED背光，采用72颗7020白光LED.

改进后的背光系统，如附图1所示，采用64块水平LED灯组（N=64），每块LED灯组由63颗7020白光LED组成.采用直下式导光设计，如附图2所示.

图5 LED背光延迟扫描控制原理图

背光控制电路如附图5所示，程序流程图如附图6所示.背光地址计数器由8051单片机内部定时/计数器T0、T1组成，帧同步信号STV作为T0的门控信号，行像素写入允许信号DE作为T0、T1的计数脉冲.由P0口的P0.1～P0.5输出6位的背光地址信号.背光地址解码器由4块CD4514(4-16)解码器构成，共输出64线开关信号.开关阵列由8块M54562P达林顿阵列构成，输出64路驱动电流.电源采用该电视机原有的12V稳压电源.

图6 延迟扫描背光程序流程图

经实际运行测试，观测不到运动图像的拖影现象，画面对比度与原机有较大改善，平均功率损耗略有下降，达到预期目标.

5 结论

通过上述设计、分析与实例验证，在TFT-LCD显示器中，采用LED背光延迟扫描技术，能够消除因液晶本身响应速度慢而引起的运动图像拖影的缺陷，克服了为提高液晶响应速度而减小液晶盒厚度的矛盾，从而使液晶显示更能适应3D显示、4K显示对液晶响应速度更高的要求.消除了采用背光扫描带来的画面闪烁的问题.进一步提高了LCD画面的对比度以及背光系统的能效.

而且完全兼容其它方面的背光改善技术，如动态区域调光、RGB场序背光等技术.因此，在4K、3D和大屏幕掌上设备等新技术中，对液晶响应速度要求更快的情况下，本设计将有更广阔的应用前景.

〔1〕徐益勤.液晶显示动态清晰度的研究[D].东南大学，2009.

〔2〕宋文.高动态图像质量和低功耗液晶显示器的研究[D].东南大学，2004.

〔3〕戚益科.LCD运动模糊的仿真、评估及改进[D].东南大学，2007.

〔4〕Seyno Sluyterman，代永平.动态扫描背光使 LCD 电视呈现活力[J].现代显示，2006（5）.

〔5〕刘杰.扫描式等离子体平板背光源的制备及改善LCD图像质量的研究[D].东南大学，2010.

〔6〕Shih-Chang Hsia and Jung-M ing Kuo，Cost Effective Design and Implem－entation of Scanning-Based LED Backlight for LCD Module, Contributed Paper,IEEE2010.