TFT-LCD画面闪烁影响因子及定量分析方法

朱海鹏，吴海龙，但 艺，冉 敏，周 欢，付剑波，周 焱，闵泰烨

(京东方科技集团股份有限公司 重庆京东方光电科技有限公司，重庆 400700)

1 引 言

随着当今社会的发展，各行各业如电视、笔记本电脑、手机等智能终端对显示屏的依赖越来越重，人们对显示产品画面品质的要求也越来越高，因此品质优异的显示屏显得格外重要。液晶显示屏(TFT-LCD)为当今社会最主流的显示产品，画面闪烁(Flicker)是衡量其显示品质的重要指标之一，如何降低甚至消除闪烁是业界研究人员一直追求的目标[1-4]。

液晶显示屏以交流电(直流会使液晶劣化)进行工作，工作时若正负帧像素电压与参考电压Vcom的差值不完全对称，会引起正负帧像素电压绝对值不一致，从而导致正负帧画面亮度不同，因此呈现出闪烁现象[5-7]。目前，业内多以闪烁_G127画面来进行评价或改善闪烁，实际工作中普遍采用调节共电极电压Vcom来改善正负帧电压对称性，从而达到改善闪烁目的。然而，不同灰阶闪烁水平不同，仅以闪烁_G127调节闪烁并不能将显示器调至最佳，目前业界还没有可预测不同灰阶闪烁水平的定量分析方法。另外，研究结果表明，随着VGH、VGL的变化，最佳闪烁及其对应的最佳Vcom也会跟着变化[8-10]。

本文针对闪烁发生机理，首先研究了Vcom对闪烁的影响，结果表明随着Vcom增加，闪烁先减小后增大。其次研究了不同灰阶最佳闪烁及对应Vcom关系，结果表明常白模式产品闪烁灰阶增加时，最佳闪烁及对应Vcom均呈减小趋势，而常黑模式产品闪烁灰阶增加时，最佳闪烁逐渐减小，但最佳闪烁对应Vcom逐渐增加。再次，研究了VGH对闪烁的影响，结果表明，随着VGH增加，闪烁先减小后增大，同一画面最佳闪烁几乎保持不变，但不同VGH最佳闪烁对应Vcom呈逐渐减小趋势。最后，研究了VGL对闪烁影响，结果表明随着VGL增加，闪烁先减小后增大，且同一画面最佳闪烁也逐渐减小，但最佳Vcom逐渐增大。另外，提出了一种可以预测不同灰阶闪烁水平的分析方法。结果表明，该分析方法计算所得闪烁与CA310(色彩分析仪)测试闪烁值趋势一致，常白模式与常黑模式产品计算值与实际测试值线性相关系数均达0.95以上，说明了该分析方法有一定的准确性，为定量分析不同灰阶闪烁水平提供了科学依据。

2 闪烁产生机理分析

2.1 ΔVp产生机理

决定TFT开关品质的一个重要因素是TFT栅极金属和源极金属之间的寄生电容Cgs，一般把TFT连接像素电极的一侧设定为源极。由于TFT的开关接近瞬态 ，当栅极电压Vgs从高电平的VGH瞬间下降到低电平的VGL时，Vgs的变化量ΔVgs被TFT寄生电容Cgs耦合到像素电极上，导致像素电压Vp跳变，跳变量为ΔVp，由于ΔVp的存在，像素电压变为(Vp-ΔVp)。

图1(a)与图1(b)分别为TFT关断前后瞬间的像素电极相关电压和电量的关系，其中，Vg1和Vg2分别对应像素上下相连的两根扫描线电压，Vd1和Vd2分别对应像素左右相连的两根数据线电压，Cdp1和Cdp2分别表示像素电极和左右相连两根数据线之间的耦合电容，Cst和Clc分别表示存储电容和液晶电容[11-12]。由于TFT关断后，像素电极与周边是独立的，像素电极在充放电时间内接收的总电荷被保存起来。

TFT关断瞬间的像素总电荷守恒，所以图1(a)所示的总电荷和图1(b)所示的总电荷相等：

Qst+Qlc+Qdp1+Qdp2，

(1)

Q′st+Q′lc+Q′dp1+Q′dp2.

(2)

TFT开启时，Gate电压为VGH，各电容的电荷分布分别表示为：

Qst=Cst(Vp-VGL)，

(3)

Qlc=Clc(Vp-Vcom)，

(4)

Qdp1=Cdp1(Vp-VdH)，

(5)

Qdp2=Cdp2(Vp-VdL)，

(6)

(a)TFT关断前瞬间(a)Moment before TFT turn-off

(b)TFT关断后瞬间(b)Moment after TFT turn-off图1 TFT关断前后瞬间的像素电极相关电压和电量的关系Fig.1 Relation ship between the voltage and power of pixel electrode before and after TFT turn-off

Qgs=Cgs(Vp-VGH).

(7)

TFT关闭时，Gate电压为VGL，各电容电压分布分别表示为：

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)

将公式(3)～(12)带入公式(1)和公式(2)，得：

(13)

上式中：Cdp1+Cdp2远小于Cst+Clc，实际计算时可忽略，一旦产品设计生产完成Cst也为定值，则变化量为Cgs、Clc、VGH、VGL，本文后续研究工作基于Clc、VGH、VGL以及Vcom展开。

2.2 闪烁产生机理

LCD以电压大小来控制液晶站起角度从而来控制亮度，且液晶以交流方式驱动，如图2所示，若Vcom值未调好，由于ΔVp的存在，相当于在液晶层内施加直流电压，则Vp+≠Vp-，导致正负帧亮度存在差异，从而发生闪烁等现象，进而缩短液晶寿命，因此，有抵消突变电压ΔVp的必要。为了抵消突变电压ΔVp那一部分，把公共电压Vcom变成变量(可以调节)。

图2 像素电压变化示意图Fig.2 Diagram of pixel voltage change

2.3 闪烁评价方法

TFT-LCD 闪烁评价首先要根据产品驱动模式选择相应的闪烁画面，如采用1 Dot或者1+2 Dot，显示画面同一帧只显示同一极性的像素，这样可以保证正负帧像素极性相反，使正负帧亮度差异最大。研究人员通常会选择人眼比较敏感的绿色画面和亮度变化较敏感的L127灰阶进行闪烁评价。

视频电子标准协会VESA(Video Electronics Standards Association)标准中闪烁测试方法一般有两种：JEITA测试法和FMA测试法[13]。

JEITA测试法是将显示屏的刷新频率调整到工作状态时的频率，采用频谱仪和光电转换设备，测试一帧内亮度随时间的变化曲线F(t)，通过快速傅里叶变换，将其转换为亮度随频率的变化曲线F(ω)。接着，取与被测样品相同频率下的F(ω)，如取F60Hz和直流下的F0Hz，再对F(ω)/F0Hz取对数，结果即为闪烁值，公式表达为

(14)

(15)

FMA(Flicker Modulation Amplitude，FMA)测试法的测试条件同JEITA法一样，通过光电转换器将亮度转换为调幅的电信号，读取电压波形最大值Vmax和最小值Vmin，并定性认为(Vmax-Vmin)为交流成分，(Vmax+Vmin)/2为直流成分，则闪烁的表达式为

(16)

本文实验研究需要外灌Vcom、VGH、VGL，为方便操作，本文采用CA310用FMA法测试闪烁值。

3 实 验

3.1 样品与设备

试验样品：14.0FHD TN(常白模式)1 pcs、32HD ADS(常黑模式)1 pcs；

实验设备：台式电脑、精测点灯机、CA310、直流电源、数字万用表、电烙铁、导线若干。

3.2 实验过程

本文所选样品包括常白模式和常黑模式产品。由于低灰阶时(如Flicker_G0、Flicker_G4)亮度太低，CA310无法采集到闪烁值，本文实验研究均从32灰阶开始。

不同Vcom对闪烁影响实验需要根据电路图将Vcom外接直流电源，利用电脑自动控制Vcom值变化(Step为0.01 V)，并实时采集每个Vcom对应的闪烁值，根据测试结果可以找到闪烁与Vcom对应关系，通过测试不同灰阶闪烁与Vcom关系曲线，可以得到各灰阶最佳闪烁与对应Vcom的关系。不同VGH、VGL对闪烁影响实验，需要将VGH、VGL(Step为0.01 V)分别外接直流电源，进行单因子实验分析，根据结果，可以分别得出闪烁与VGH、VGL对应关系。另外，VGH、VGL调整时，通过调节Vcom使闪烁达到最佳，可以得到不同VGH、VGL对应最佳闪烁与Vcom关系。

不同灰阶闪烁水平分析方法需要结合产品V-T(电压-透过率)曲线及不同灰阶实际ΔVp进行计算，计算结果与CA310实测闪烁值线性相关性分析结果可以验证分析方法的准确性。

4 实验结果与讨论

4.1 Vcom对闪烁影响

实验分别基于14.0FHD TN与32HD ADS两种不同显示模式产品，分别将Vcom外灌连接至直流电源，通过软件控制Vcom变化并实时采集每个Vcom下的闪烁值，实验结果如图3所示。

图3 闪烁与Vcom关系曲线Fig.3 Flicker vs.Vcom

实验结果表明，随着Vcom的增加，闪烁先减小后增大(呈“V”型关系)。这是因为随着Vcom增加，正负帧电压中心与Vcom差值先减小后增大，当正负帧电压中心与Vcom差值最小时闪烁达到最佳(曲线最低点)。

4.2 不同灰阶最佳闪烁与Vcom关系

实验分别测试了两种显示模式产品不同灰阶最佳闪烁随Vcom变化关系，结果如图4所示。实验结果表明，常白模式产品随着灰阶升高最佳闪烁及对应Vcom均逐渐减小，而常黑模式产品最佳闪烁逐渐减小，但对应Vcom逐渐增加。

常白模式产品ΔVp随着灰阶增大逐渐增大(Vcom负移)，从而引起正负帧亮度差增大，但画面平均亮度随灰阶增加也呈增加趋势(主要因素)，综合导致最佳闪烁减小；而常黑模式产品灰阶增加时ΔVp逐渐减小(Vcom正移)，从而引起正负帧亮度差逐渐减小，且由于画面平均亮度也呈增加趋势，故最佳闪烁逐渐减小。

图4 不同灰阶最佳闪烁及对应VcomFig.4 Optimum flicker and corresponding Vcom with different gray level

4.3 VGH对闪烁影响

实验中将VGH电压外接至直流电源，VGL与Vcom保持不变，分别测试常白模式及常黑模式产品不同VGH电压下的闪烁值，结果如图5所示，表明VGH对闪烁有显著影响。分析原因为：第一阶段，VGH较低时，一方面ΔVp随VGH增加而增大，另一方面VGH较低时，像素未完全充满，正负帧亮度差较大(主要因素)，随着VGH增加，像素逐渐充满，正负帧亮度差减小，此阶段闪烁随VGH增加而减小；第二阶段，VGH增大到一定程度，像素已完全充满，此时ΔVp随着VGH增加而增大，从而引起正负帧亮度差增大，即闪烁增大。

图5 闪烁与VGH关系曲线Fig.5 Flicker vs.VGH

实验还研究了两种模式产品不同VGH电压最佳闪烁及对应Vcom关系，图6所示实验结果表明VGH增加，最佳闪烁几乎不变，但对应Vcom逐渐减小，故VGH电压变化时，可以通过调节Vcom使闪烁达到最佳。

图6 不同VGH最佳闪烁及对应VcomFig.6 Optimum flicker and corresponding Vcom with different VGH

4.4 VGL对Flicker影响

实验中将VGL电压外接至直流电源，VGH与Vcom保持不变，分别测试常白模式及常黑模式产品不同VGL电压下的闪烁值，结果如图7所示，表明VGL对闪烁有显著影响。分析原因为：第一阶段，VGL从-2 V逐渐减小至最低点(约-8 V)时，虽然ΔVp逐渐增大，但此时TFT的Ioff逐渐减小(主要因素)，像素电压具有更好的保持特性，从而引起正负帧亮度差逐渐减小，即闪烁逐渐减小；第二阶段，VGL继续减小，ΔVp及TFT的Ioff均逐渐增大，两者共同作用使正负帧亮度差逐渐增大，即闪烁逐渐增大。

图7 闪烁与VGL关系曲线Fig.7 Flicker vs.VGL Curve

另外，本文还研究了两种模式产品不同VGL电压最佳闪烁及对应Vcom关系，实验结果如图8所示，表明随着VGL的减小，两种显示模式产品最佳闪烁均呈逐渐增大趋势，但最佳闪烁对应Vcom逐渐减小。分析原因为VGL减小引起ΔVp增大，从而使最佳Vcom负移；另外VGL减小像素漏电流先减小后增加，漏电流的存在会使像素电压保持特性变差，从而使正负帧亮度差逐渐增大，即最佳闪烁逐渐增大。

图8 不同VGL最佳闪烁及对应VcomFig.8 Optimum flicker and corresponding Vcom with different VGL

5 闪烁分析方法

对单独的一个像素而言，理想的光学波形应该是一个60 Hz的波动形状，但实际的TFT-LCD存在Vcom漂移、漏电流、电容耦合等原因的影响，引起两帧的像素电压不同，画面亮度明暗交替，导致实际的亮度波形为30 Hz的波形(对人眼而言，50 Hz以下的波动容易识别)，如图9(a)所示，实线表示理想亮度波形，虚线表示实际亮度波形。为方便分析，可以用亮度均值表示正负帧亮度，示意图如图9(b)所示，其亮度变化周期为30 Hz。

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

如前所述，VESA标准FMA测试法是用光电探测器采集到的电压波形最大值Vmax和最小值Vmin的差值与二者的均值作为闪烁值。电压波形最大值与最小值可以简单地理解为亮度最大值与最小值，即正帧与负帧亮度，则正负帧亮度差与正负帧亮度的平均值的比值即为该显示屏的闪烁，表达式如公式(17)所示。

(17)

5.1 电压-透过率曲线分析

由于闪烁是灰阶正负帧亮度差的直接反映，而正负帧亮度差与正负帧像素电压有关，故可通过分析电压-透过率(V-T)曲线，得到正负帧亮度与电压的关系，进而得到正负帧亮度差与电压的关系。

图10为常白模式与常黑模式V-T曲线，其中横轴为源极数据线电压(亦可看做像素电压)，由外接直流电源提供给面板，纵轴为各电压下的归一化亮度(亮度最大值为100%)。

图10 不同显示模式V-T曲线Fig.10 V-T curve with different display mode

分析各灰阶闪烁水平，需要从Gamma曲线上找出灰阶对应亮度百分比，根据亮度百分比在V-T曲线上找出正负帧对应电压V+与V-。以TN模式产品为例，由于ΔVp的存在，实际的正负帧电压会负移，从而使正帧亮度增大负帧亮度减小，即正负帧亮度不再一致，亮度差的变化率即可表征闪烁水平。

5.2 不同灰阶ΔVp分析

根据ΔVp计算公式，由于不同灰阶液晶翻转程度不一样，即不同灰阶液晶电容(Clc)不一样，故不同灰阶ΔVp并不是一个定值。图11为常白模式和常黑模式透过率-Clc曲线。图中，横坐标均为源极电压，主要纵坐标轴表示归一化亮度，次要纵坐标轴表示各电压下的Clc，即各灰阶的Clc。由于常白模式的Clc变化量远大于常黑模式Clc变化量，故常白模式ΔVp变化量大于长黑模式ΔVp变化量。

图11 不同显示模式透过率与Clc关系 Fig.11 Relation between T and Clc in different display mode

对于TN型产品，根据电容计算公式C=ε0εS/d，因为考虑的是同一个液晶电容体，ε0S/d不变，可以看为常数。当ε=ε⊥时液晶电容最小，此时显示亮态(L255)；当ε=ε∥时液晶电容最大，显示暗态(L0)，即TN产品低灰阶到高灰阶变化时，液晶电容逐渐减小，结合ΔVp计算公式，可得ΔVp逐渐增大。而对于ADS型产品，Clc是像素ITO与VcomITO之间的耦合电容，无法通过交叠面积计算直接得到，需要模拟获得(模拟得出Clc+Cst，减去Cst可以得到Clc)，当液晶处于ON(L255)时，液晶电容最大Clcmax(ε=ε∥)，此时ΔVp最小；当液晶处于OFF(L0)时，液晶电容最小Clcmin(ε=ε⊥)，此时ΔVp最大，即常黑模式低灰阶到高灰阶变化时ΔVp逐渐减小。

5.3 闪烁分析方法

根据前述分析结果，由于ΔVp的存在，实际工作时会对Vcom进行补偿，为方便后续计算，假设补偿量为ΔVpmin，则闪烁可用公式(18)表征：

(18)

计算步骤为：

(1)求出不同灰阶实际ΔVpl相对ΔVpmin变化量Ωl；

(2)根据V-T曲线找出正负帧灰阶电压V+、V-；

(3)根据Ωl在V-T曲线上找出V-’、V+’；

(4)在V-T上找出ΔL+、ΔL-，并求出ΔL(%)。

其中：ΔVpl为某灰阶实际ΔVp，ΔVpmin为ΔVp最小值，Ωl=ΔVpl-ΔVpmin；V+、V-分别为灰阶对应V-T曲线上正负帧电压；V+’=V+-Ωl，V-’=V--Ωl，分别为正负帧实际电压；ΔL+、ΔL-分别为V-T曲线上透过率变化量；L为灰阶对应V-T曲线上透过率；α为修正因子。

根据上述分析步骤，得到TN型产品亮度变化量计算结果如表1所示。从表1可知，低灰阶到高灰阶变化时，ΔL(%)逐渐减小，实测闪烁值也逐渐减小，二者规律一致。

表1 常白模式正负帧亮度变化量计算结果Tab.1 Calculate results of brightness variation of positive and negative frames of TN mode

将计算结果ΔL(%)与实测闪烁值进行相关性分析，结果如图12所示。计算结果实测值变化趋势一致，且线性相关系数达0.95以上，说明了该分析方法具有较高的准确性。

图12 常白模式计算结果与实测值分析Fig.12 Analysis of calculation results and measured values of TN mode

同理，得到ADS型产品亮度变化量结果如表2所示，ΔL(%)计算结果与测试闪烁值均随灰阶增加而减小。

将ΔL(%)计算结果与实测闪烁值进行相关性分析，结果如图13所示。计算结果与实测值变化趋势一致，且线性相关系数达0.95以上，再次验证了该分析方法的准确性。说明此方法可以用来表征不同灰阶闪烁水平。

表2 常黑模式正负帧亮度变化量计算结果Tab.2 Calculate results of brightness variation of positive and negative frames of ADS mode

图13 常黑模式计算结果与实测值分析Fig.13 Analysis of calculation results and measured values of ADS mode

6 结 论

本文结合ΔVp及闪烁产生机理，首先研究了Vcom对闪烁影响，结果如下：闪烁随Vcom增加先减小后增大，且常黑模式产品随着闪烁灰阶增加最佳闪烁逐渐减小，但对应Vcom逐渐增加，而常白模式产品随着闪烁灰阶增加最佳闪烁及其对应Vcom均呈下降趋势；其次，实验研究了VGH对闪烁影响，结果如下：闪烁随VGH增加先减小后增大，且最佳闪烁不随VGH增加而变化，但对应Vcom随VGH增加呈减小趋势；再次，研究了VGL对闪烁影响，实验结果如下：闪烁随VGL增加先减小后增大，且最佳闪烁随VGL增加逐渐减小，但其对应Vcom逐渐增大；最后，提出了一种可以预测不同灰阶闪烁水平的定量分析方法，分别对常白模式和常黑模式产品进行了分析计算，并将计算结果与VESA标准下FMA测试法闪烁实测值进行相关性分析，结果表明计算所得闪烁值与实测闪烁值相关性系数均达0.95以上，证明了分析方法的可行性与正确性，为预测产品不同灰阶闪烁水平提供了分析思路。