LCD在发展过程中重要技术 ＴＦＴ－ＬＣＤ的过驱动技术及其发展

　　文章编号：1006-6268（2008）07-0033-04 　　 　　摘要：阐述了LCD响应时间的定义，介绍了衡量LCD响应速度的两种方法：传统的开关（ON/OFF）响应时间和Gray To Gray（GTG）响应时间。并且介绍了提高响应速度的方法之一――过驱动技术的原理以及该技术的发展，如倍频技术（DFR）、倍频+插黑技术、倍频+运动补偿技术、倍频+扫描背光源技术。
　　关键词： 响应时间；过驱动技术；倍频技术（DFR）
　　中图分类号：TN141.9 文献标识码：B
　　
　　Over Driving Technology for TFT-LCD and Its Development
　　GＵ Yun-yun1，2 LＩ Rong-yu1QＩＵ Yong-liang1，2
　　(1.School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,1954 Huashan Road, Shanghai，Shanghai 200030; 2.Shanghai SVA－NEC LCD Co., Ltd, 3388 Huaning Road, Minhang, Shanghai 201108)
　　Abstract: This paper presents the principle of LCD"s response time, and introduces two means of evaluating LCD"s response time: ON/OFF response time and GTG response time. Also it introduces the principle and the development of Over Driving technology which is one kind of methods to improve the response time, such as Double Frame Rate (DFR), DFR+Black Insertion, DFR+Motion Compensation, DFR+Scanning Backlight.
　　Keywords: response time；over driving technology；double frame rate(DFR).
　　
　　引言
　　
　　作为各种视频信号和计算机数据信息的终端显示器，平板化、大型化和高清晰度显示一直是它的发展方向。近年来，液晶显示器已经逐步取代了CRT。但是液晶显示器与CRT相比一直有着大家所公认的问题：响应时间长。由于液晶显示属于保持型（hold），因此液晶显示器的响应速度明显比CRT慢。但是随着对液晶材料、驱动原理的深入研究与理解，液晶显示器所存在的响应时间问题目前已经有了显著的改善。
　　
　　1响应时间的定义
　　
　　1.1TFT AM-LCD的结构
　　TFT有源矩阵液晶显示屏是在两块玻璃之间封入普通的扭曲向列（TN）型液晶材料构成的。如图1所示，下玻璃基板上制备了TFT器件、透明像素电极、存储电容、栅线、信号线等。上玻璃基板上制备了RGB三色彩色滤色膜、黑矩阵和透明公共电极。两玻璃基板内侧制备取向层，使液晶分子定向排列。两玻璃基板之间灌注液晶，散布衬垫（Spacer）以保证间隙均匀性；四周用封框胶粘接，起到密封作用；用点银胶方法将上下基板的公共电极连接。两玻璃基板的外侧分别贴有偏光膜。当像素电极与公共电极之间加上电压时，液晶分子会改变排列状态，从而使光的透过量也随之改变。 配合上液晶材料的旋光性便可实现显示。
　　
　　图 1TFT AM-LCD的结构
　　
　　１.2TN-LCD显示的条件
　　以扭曲向列型(TN) TFT-LCD为例。下面的图2表示的是TN液晶分子在电压ON和OFF时的状态。
　　当液晶两端没有施加电压时，上下的液晶分子呈90°扭曲状态。垂直入射的线偏振光的偏振面随着液晶扭曲方向旋转90°，光线可以通过液晶盒。当液晶两端施加一定大小的电压时，形成垂直基板方向的电场，液晶分子将随电场方向排列，扭曲结构消失，导致旋光作用消失，此时光不能通过液晶盒。光通过量取决与施加电压的大小。
　　
　　图2TN液晶分子在电压ON（右图）/OFF（左图）时的状态
　　
　　1.3响应时间的公式
　　下面是计算液晶响应时间的公式：
　　
　　这里γ1是液晶材料的黏滞系数；d是液晶盒厚度 ；V是液晶盒驱动电压；Δε是液晶材料的介电系数。
　　1.4传统的开关(ON/OFF)响应时间
　　因为每一个像素DOT不同灰阶之间的转换过程是长短不一、非常复杂的，很难用一个客观的精确尺度来表示。所以业界以"Ton+Toff"作为面板整体响应时间的缩影，来反映液晶面板响应速度，通常又可称之为开关（ON/OFF）响应时间。
　　通常，液晶显示器以不加驱动电压时的状态可分为两类，常白（NW）模式和常黑（NB）模式。以TN为例，亮→暗(施加电压，液晶盒亮度从90%变化到10%时液晶所需的变化时间，也称开启时间Turn-on time，简称"Ton")和暗→亮(不施加电压，液晶盒亮度从10%变化到90%时液晶所需的回复时间，也称关闭时间Turn-off time，简称"Toff")。所谓的响应时间就以两者的和"Ton+ Toff"为标准（见图3）。
　　
　　图 3TN型显示器的响应时间
　　
　　1.5GTG响应时间概念的引入
　　事实上，当液晶材料和它所处的环境如预倾角、盒厚、温度等既定时，液晶分子的转换速度及扭转角由施加电压的大小来决定。从全黑到全白，液晶分子对应的是最大的扭转角度，此时需要加上较大的电压，液晶分子扭转速度较快；然而处于中间阶调的较小幅度的灰阶变化，则需要施加较小的电压进行精细的角度控制，液晶分子扭转速度要慢一些。一般而言，液晶显示器黑白间的响应时间最快，而中间灰阶之间的响应时间，要比黑白间响应时间慢得多。所以说，用传统的ON/OFF响应时间表示LCD的响应时间，无法精确地表示LCD整体响应时间。在日常应用中，无论看电视、玩游戏还是其他，人们看到的都是色彩斑斓的彩色画面，或深浅不同的层次变化，这些都是灰阶间的转换。一般消费者用到全黑或全白画面的比例微乎其微，因此尽可能缩短中间灰阶间的转换时间才更有意义，也就是说用Gray To Gray（GTG）响应时间来作为LCD整体响应时间的尺度比较合理。但是到目前为止，业界并没有定义GTG响应时间，普遍使用的还是开关（ON/OFF）响应时间。
　　
　　2提高响应速度的方法
　　
　　2.1液晶显示器模糊现象（blurring）的产生
　　当图像产生的速度超过25帧/s时，人眼将会感觉到是连续的画面。在现代家用娱乐设备中，譬如电子游戏或高清晰DVD，快速运动画面的速度一般超过60帧/s。也就是说，帧的间隔时间是1/60=16.67ms。如果液晶的响应时间大于帧的间隔时间，人们观看快速运动的画面时就会感觉到画面有模糊。可用图4来模拟。
　　
　　图4TFT-LCD模糊现象产生的原理
　　
　　2.2提高液晶响应速度的方法
　　我们可以发现提高液晶响应速度可以从四个方面考虑：(1)减小液晶材料的黏滞系数；(2)减小液晶盒厚；(3)增大液晶盒驱动电压；(4)增大液晶材料的介电系数。
　　其中液晶材料的黏滞系数和介电系数都是与液晶材料本身的特性相关的，所以在设计新的产品时要选择一种满足快速响应要求的液晶材料。另外，我们也可以尽量减小液晶盒的厚度以提高响应速度。但是由于液晶材料本身的特性，我们无法无限度地减小液晶材料的黏滞系数、增加介电系数和减小液晶盒厚度。在这种情况下，通过增加驱动电压来提高响应速度变得相对容易。基于这个原理，过驱动技术的发明，有效地提高了TFT-LCD的响应速度。
　　2.3过驱动(OD)的原理
　　过驱动技术由硬件实现并且对于动态图像进行实时处理。过驱动回路需要一个帧储存器用来储存前一帧的数据。这个帧储存器一般包含有很多个DRAMs（dynamic random access memory）。实现框图如图5：
　　
　　图5OD 回路的框图
　　
　　图5是一个使用OD的传统驱动系统。包含有一种信号处理方法：预先计算和测量所有灰阶亮度对应的最佳OD电压值，该最佳OD电压值与前一帧所呈现的灰阶值以及现有帧所要呈现的灰阶值相关，具有一一对应关系，由此建立一OD表，处理后形成LUT（look up table）。时钟控制（TCON）从影像数据源接收到一帧影像数据，从帧缓存器中接收到前一帧影像数据后，比较这两帧的影像数据，对应于它们数据的变化，对照LUT在现有的基础上对数据进行比特加减运算，然后通过驱动输出，实现了±ΔV。施加在液晶盒上的过驱动电压如图6所示。
　　
　　图6过驱动的原理
　　
　　图6所示曲线③表示正常情况液晶分子加电压后的反应过程，相应的电压情况由下面的直线④表示。曲线①则表示液晶追求的理想响应。我们可以看到，为了让液晶分子达到更快的反应速度，在初始阶段施加比一般状态高的激励电压，响应如曲线②，待到液晶分子方向趋于目标方向时，激励电压恢复目标灰阶水平。通过这种方法，液晶分子的响应时间减小了。使用过驱动技术前后响应时间的对比如图7所示。
　　
　　(a)使用前
　　
　　(a)使用后
　　图7使用过驱动技术前后响应时间的对比
　　
　　2.4过驱动技术的发展
　　基于过驱动技术，随着对卓越显示画质的追求，有很多新的技术被开发出来，但它们的实现都离不开过驱动技术。以下是相关的改善动态画质的几种方法。
　　(1)倍帧技术（double frame rate，DFR）
　　倍帧技术也采用过驱动方式，并将帧频由原来的60Hz增加到120Hz。帧的频率越高，人眼看到的动态画面的模糊现象越不明显。
　　(2)倍帧+插黑技术（DFR+ Black Insertion）
　　该技术采用的帧频也为120Hz。它的目的是模拟Impulse Driving方式，但是由于插入黑画面，LCD的亮度和对比度都会减小。所以在插黑技术的基础上，人们又发明了插灰技术，也就是在连续两帧画面之间根据上一个画面的平均亮度来插入一定灰阶的全画面。
　　
　　图8倍帧技术的原理
　　
　　(3)倍帧+运动补偿技术（DFR+ Motion Compensation）
　　该技术也采用120Hz帧频，通过图像处理的手段根据连续两帧画面的数据按照一定的算法形成一个过渡画面，插入到该两帧画面之间。
　　 (4)倍帧+扫描背光源（DFR+ Scanning Backlight）
　　该技术将图像显示与背光源扫描相结合起来。当TFT-LCD对应区域背光源为亮时，对应区域的栅极打开，图像信号可以输入并显示。这种方法的缺点是亮度减少。为了尽可能达到标准的亮度，如果是以1/3区域扫描时，就需要3倍数量的背光源灯管。所以选择高亮度灯管就成为该方法必须使用的手段，目前业界一般会使用LED背光源，因为它具有高亮度，高发光效率。
　　
　　图9倍帧+插黑技术的原理
　　
　　图10倍帧+运动补偿技术的原理
　　
　　图11倍帧+扫描背光源技术的原理
　　
　　3结论
　　
　　通过过驱动技术和在过驱动技术基础上实现的相关显示技术，TFT-LCD动态画面显示时的模糊现象不再阻碍它的市场。但是有些技术还是比较复杂，成本也很高。随着高清HDTV的发展，人们将在这个领域做更深入的研究。相信在不久的将来，更有效、更简单、更低成本的技术将会出现。TFT-LCD的品质在大家的共同努力下将变得更加杰出。
　　
　　参考文献
　　[1] 应根裕等.平板显示技术[M].北京：人民出版社，2002.
　　[2] 高鸿锦等.液晶与平板显示技术[M].北京：北京邮电大学出版社.省略。