韋海成
(北方民族大學 電氣與信息工程學院,寧夏 銀川750021)
等離子顯示器(Plasma Display Panel,PDP)通過調(diào)整維持期氣體放電數(shù)量實現(xiàn)顯示圖像亮度變化[1]。在此過程中,顯示單元內(nèi)持續(xù)的氣體放電會引起局部圖像亮度異常,形成殘像(Image Stick)[2]。與液晶的殘像不同[3-5],PDP的殘像主要由于氣體放電引起,這種持續(xù)氣體放電對于顯示單元內(nèi)部介質(zhì)保護膜性能有著極大影響,不僅會導(dǎo)致顯示圖像出現(xiàn)遲滯,嚴重時還會影響維持電壓裕度,造成誤放電現(xiàn)象。因此需要研究氣體放電對PDP顯示單元理化性能的改變及其對殘像的影響。
已有研究中,Han等人研究了短時間殘像的形成原因以及殘像出現(xiàn)后顯示圖像亮度的變化,提出顯示單元內(nèi)部溫升對殘像形成具有較大影響[6];Park 等人研究了氣體壓強對殘像的作用,認為顯示屏內(nèi)工作氣體壓強和形成殘像過程密切相關(guān),工作氣體壓強減小會增加長期性殘像,減小瞬時性殘像[7-8];Lee等人研究了介質(zhì)保護膜中摻雜Si對輪廓性殘像的作用[9];Jeon等人研究了氣體放電過程中壁電荷對殘像的影響,提出了通過調(diào)整復(fù)位波形改善殘像的方法[10];Park 等人還研究了顯示單元中有機雜質(zhì)以及驅(qū)動波形對殘像的影響,并利用真空封排工藝和新的復(fù)位波形改善了瞬時性殘像[11]。
然而,以上研究對氣體放電和PDP殘像的形成之間的關(guān)系并沒有進行較為系統(tǒng)深入的分析,所使用改善方法也很難直接應(yīng)用生產(chǎn)實際。本文將系統(tǒng)研究氣體放電對顯示單元光學性能影響,分析氣體放電過程和PDP殘像形成之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,通過調(diào)整顯示過程中氣體放電的強度,補償氣體放電引起的顯示單元光學性能變化來改善殘像,提高顯示畫質(zhì)。實驗結(jié)果表明,該方法能夠縮短殘像的恢復(fù)時間,有效改善殘像現(xiàn)象,且具有方法簡潔、易于實施的特點。
PDP通常采用增加工作氣體放電強度的方法提高發(fā)光效率,但隨著放電強度的提高,PDP殘像現(xiàn)象也會加劇。特別是在使用了高電子發(fā)射效率的氧化鎂鈣復(fù)合介質(zhì)保護膜后,PDP殘像更為明顯,其殘留時間增加約50%,嚴重影響觀看時的視覺效果,降低了顯示圖像的品質(zhì)。因此,研究PDP殘像產(chǎn)生的原因,改善殘像現(xiàn)象,對于實現(xiàn)低功耗高畫質(zhì)的PDP 顯示技術(shù)具有重要的意義。
PDP殘像的形成與其采用的驅(qū)動方法密切相關(guān)。PDP通過氣體放電產(chǎn)生真空紫外光激發(fā)熒光粉發(fā)出可見光。在此過程中,氣體放電使得工作氣體電離成為離子,離子轟擊到介質(zhì)保護膜表面后,引起其光學特性變化,從而形成殘像。
為了研究氣體放電形成殘像對顯示屏光學特性的影響,特選用127cm(50in)高清PDP 模組進行殘像形成過程顯示單元光學性能變化實驗。實驗選用VG835 信號源、CA-100Plus色彩分析儀和PDP模組搭建了兩個對比測試平臺。實驗中PDP模組的維持脈沖數(shù)量固定,通過信號源分別向模組輸出IEC 標準顯示質(zhì)量測試方法中的4%窗口白、全屏黑和全屏白等靜態(tài)圖像,再通過色彩分析儀測試顯示單元的亮度變化情況[12],具體步驟如下:
(1)兩個屏顯示全白、全黑圖像各15 min確保顯示屏恢復(fù)到原始狀態(tài),不受以往顯示內(nèi)容的影響;(2)1 號屏顯示IEC 標準4%窗口白信號1min,2號屏顯示同樣圖像15 min,通過顯示不同時長的靜態(tài)圖像形成兩類殘像;(3)兩個屏均顯示全白信號,每隔1min測試兩個顯示屏殘像區(qū)域亮度變化情況,測試結(jié)果見圖1。
圖1 殘像恢復(fù)過程中的光學特性Fig.1 Optical characteristics of image stick recovery
圖1中,1 號顯示屏經(jīng)過1 min 的殘像產(chǎn)生時間后進入全白場的恢復(fù)過程。在恢復(fù)過程開始后,圖像殘像區(qū)域亮度高于常規(guī)白場亮度,之后迅速下降并在7 min內(nèi)恢復(fù)到初始亮度水平;2 號屏經(jīng)過15min的殘像產(chǎn)生時間進入全白場恢復(fù)過程。在恢復(fù)過程開始后,圖像殘像區(qū)域亮度低于常規(guī)白場亮度,隨即亮度開始上升,逐步向初始亮度水平恢復(fù),但整個恢復(fù)過程比1號屏慢,而且在7min的恢復(fù)時間內(nèi)無法達到初始亮度值。測試表明,由于PDP通過持續(xù)的氣體放電實現(xiàn)亮度顯示,顯示靜態(tài)圖像時間越長,放電次數(shù)就會越多,顯示單元的光學性能受到的影響就會越大,也越難以恢復(fù)。
此外,采用15min IEC 標準4%窗口圖像生成殘像后,形成殘像顯示單元的紅、綠、藍三基色圖像亮度也較原始值有所差異,見表1。表中可以看出,殘像對白色圖像亮度影響最大,為5.63%,而對綠色圖像亮度影響最小,只有1.16%。三基色形成殘像后亮度改變的差異性表明殘像能夠影響圖像的顯示亮度和顏色,使顯示圖像出現(xiàn)失真。
表1 三基色殘像亮度差異Tab.1 Comparison of tricolor image stick luminance difference
為了更深入了解殘像對顯示單元光學特性的影響,還進行了長時間顯示靜態(tài)圖像顯示單元的光學性能測試。該過程仍使用IEC標準4%窗口全白圖像,在靜態(tài)顯示100h后,分析放電區(qū)域形成殘像及其對顯示單元光學性能的影響。
圖2 PDP顯示屏4%窗口的殘像現(xiàn)象(局部放大)Fig.2 Image stick phenomenon of PDP 4%window pattern(partial enlarged)
圖2為實驗結(jié)果,圖中截取IEC 4%窗口測試圖像的中心區(qū)域進行放大,其中區(qū)域A 為放電核心區(qū)域,區(qū)域B 為放電鄰近區(qū)域,區(qū)域C 為未參與放電的區(qū)域。實驗表明,A 區(qū)域顯示單元在持續(xù)放電作用下,亮度降低為137.04cd/m2,相對于未參與放電區(qū)域C的亮度141.12cd/m2,下降了2.89%。區(qū)域B 雖然沒有參與氣體放電過程,但受A 區(qū)域持續(xù)氣體放電過程影響,該區(qū)域的亮度變?yōu)?43.15cd/m2,相對于未放電區(qū)域上升了1.44%。
PDP的殘像形成與其他顯示器件有所不同,主要受到顯示單元內(nèi)部氣體放電過程的影響。
維持期間持續(xù)放電引起的顯示單元內(nèi)部溫升是導(dǎo)致殘像形成的一個重要原因。由于顯示單元內(nèi)部溫度升高,引起氣體放電所需的著火電壓出現(xiàn)變化,使得顯示單元發(fā)光亮度有所不同,就會形成殘像。
隨著維持期間氣體放電過程的持續(xù),PDP顯示單元空間內(nèi)帶電粒子濃度增加是導(dǎo)致殘像形成的另一個重要原因。帶電粒子附著在顯示單元內(nèi)壁上成為單元的壁電荷。壁電荷分布受放電過程影響,在顯示不同圖像時,各個顯示單元內(nèi)部壁電荷的分布并不均勻,這種壁電荷的不均勻會引起顯示單元的壁電壓變化,導(dǎo)致氣體放電所需外加電壓也有所不同,最終影響到維持放電的正常進行,出現(xiàn)放電區(qū)域亮度與正常顯示區(qū)域有所差異,形成殘像[10]。
此外,氣體放電產(chǎn)生的帶電粒子會不斷轟擊顯示單元介質(zhì)保護膜表面。介質(zhì)保護膜在帶電粒子轟擊下,本身會有Mg、Ca離子析出并與在制備過程中吸附的水合物、有機雜質(zhì)再次結(jié)合后形成新的水合物、碳酸根、氫氧根、鈣、鎂等物質(zhì)。這些物質(zhì)不僅會嚴重影響光致熒光粉的光電轉(zhuǎn)化效率,而且會導(dǎo)致介質(zhì)保護膜電子發(fā)射效率下降。再加上介質(zhì)保護膜的表面在粒子轟擊過程中會出現(xiàn)表面形貌的改變,進一步改變了顯示單元的正常亮度,見圖3[13]。
殘像相鄰區(qū)域的顯示單元雖然本身沒有經(jīng)歷形成殘像所需的持續(xù)放電過程,但殘像核心區(qū)域顯示單元放電產(chǎn)生的各種離子會擴散到該區(qū)域,致使該區(qū)域顯示單元會在擴散離子作用下出現(xiàn)光電性能的變化。由于顯示單元本身的介質(zhì)保護膜沒有受到轟擊,這種差異會在殘像恢復(fù)過程中迅速縮小并回到初始狀態(tài)[14]。
圖3 殘像形成機理示意圖Fig.3 Schematic model describing image stick
PDP殘像主要由氣體放電引起,因此消除殘像也必須從減輕維持過程氣體放電的強度,補償顯示單元內(nèi)部損傷兩方面考慮。
PDP采用尋址顯示分離的驅(qū)動方法,通過維持期間的氣體放電過程形成圖像亮度顯示。在此過程中,氣體放電會在參與放電的顯示單元內(nèi)部產(chǎn)生放電電流。放電電流和顯示單元內(nèi)氣體放電所產(chǎn)生的帶電粒子密切相關(guān):電流增大就會使帶電粒子的能量和濃度增加,電流減小會導(dǎo)致帶電粒子的能量和濃度減小。
在殘像形成過程中,改善殘像可以調(diào)整維持波形減輕顯示單元內(nèi)的氣體放電強度,進而減小顯示屏放電電流,減輕氣體放電過程中帶電離子轟擊介質(zhì)保護膜的強度;在殘像恢復(fù)過程中,改善殘像可以調(diào)整維持波形增加氣體放電強度,促進顯示單元溫度升高,帶電粒子能量增加,進而促進壁電荷分布更為均勻,加速殘像的自恢復(fù)過程。
此外,當圖像靜止時間過長時,還會出現(xiàn)因顯示單元中介質(zhì)保護膜或熒光粉受損出現(xiàn)難以自恢復(fù)的殘像。這種殘像通過調(diào)整維持波形很難得到有效改善。對于此類殘像,考慮到氣體放電對材料灼傷隨時間加重的同時,其亮度變化的增速也會逐步降低,可以采用數(shù)據(jù)補償?shù)姆椒▽@種殘像造成的灰度和色彩失真進行彌補,達到改善殘像的目的。
綜上所述,改善PDP 殘像的方法主要包括:(1)檢測顯示圖像處于殘像形成還是殘像恢復(fù)過程;(2)如果是殘像形成過程則需要判斷該圖像形成的殘像是否具有自恢復(fù)性;(3)根據(jù)顯示圖像所處不同情況進行不同方式的處理。
圖4為改善PDP 殘像方法的流程圖。該方法首先通過圖像所處狀態(tài)進行檢測,這種檢測主要通過時間軸上前后幀的灰度變化來實現(xiàn),主要選用每幀圖像的平均圖像水平(Average Picture Level,APL)值進行比較來確認。判斷時,首先預(yù)設(shè)置時間閾值T1、T2以及APL 變化閾值a 值,并初始化計時器T。
方法:先對T 進行計數(shù),計算多幀圖像APL變化量Δapl,將Δapl和預(yù)設(shè)的APL 變化閾值a 進行比較。
當Δapl大于設(shè)置的APL 變化閾值a 時表明當前幀圖像已經(jīng)進入殘像恢復(fù)過程,可以調(diào)整維持波形,加強維持放電,加速殘像恢復(fù)過程,并將T 置零。
當T 計時到達T1且整個計時周期內(nèi)Δapl一直小于設(shè)置的APL變化閾值a,表明當前幀圖像進入殘像形成過程,可以調(diào)整維持波形,減輕維持放電,減緩殘像的產(chǎn)生過程。在實際操作中,維持波形的調(diào)整主要通過驅(qū)動波形的能量恢復(fù)時間tapl來進行。
圖4 殘像改善算法流程圖Fig.4 Flowchart of image stick improving algorithm
當計時到達T2,且整個計時周期內(nèi)Δapl一直小于設(shè)置的APL變化閾值a時,表明當前幀圖像已經(jīng)進入到數(shù)據(jù)補償狀態(tài),必須對顯示圖像進行數(shù)據(jù)補償。
補償算法主要通過低通濾波器提取靜態(tài)圖像低頻部分,對該低頻信息取反并乘以補償因子,形成殘像補償函數(shù)。在算法執(zhí)行過程中,殘像補償函數(shù)的數(shù)據(jù)主要來自3個方面:(1)實時像素變化經(jīng)過算法處理后形成的補償數(shù)據(jù)矩陣;(2)在實時圖像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,針對三基色的差異化補償因子矩陣;(3)一幀圖像處理完成后,按單元累計到幀存儲器中的歷史補償數(shù)據(jù)矩陣。
通過上述算法可以對因持續(xù)氣體放電引起光學性能變化的顯示單元進行相應(yīng)補償,改善該單元殘像現(xiàn)象,提高顯示質(zhì)量。
為了驗證論文所述的算法的實際效果,使用PDP模組對其進行驗證。實驗共分為殘像恢復(fù)和殘像補償兩方面。
殘像恢復(fù)實驗主要選用1min標準殘像測試圖案進行對比測試。
實驗先采用傳統(tǒng)驅(qū)動方法,即不分圖像的狀態(tài),維持期驅(qū)動波形的上升時間均采用450ns,保持在殘像形成和恢復(fù)過程中氣體放電強度不變。測試表明,殘像引起的測試點亮度變化為8.0cd/m2,殘像的恢復(fù)時間為440s;
改進算法將顯示圖像分殘像形成過程和殘像恢復(fù)過程兩種狀態(tài),維持波形的上升時間分別采用500ns、425ns,以減輕殘像形成過程的氣體放電并加強殘像恢復(fù)過程中的氣體放電。測試表明,殘像引起的測試點亮度變化減少了28.75%。殘像恢復(fù)時間縮短了約38.61%。
殘像補償實驗主要采用標準調(diào)色板圖像作為靜態(tài)測試圖像產(chǎn)生不具有自恢復(fù)性的殘像,進行對比測試。
實驗表明,標準調(diào)色板圖像引起的不能自恢復(fù)的殘像導(dǎo)致后續(xù)顯示的視頻圖像畫質(zhì)受到嚴重影響,見圖5(a)。圖中可以看出,圖像中存在的殘像現(xiàn)象影響了顯示亮度,并使得圖像中出現(xiàn)了暗條,這種暗條在圖像灰度變化較小的區(qū)域更為明顯。
圖5 算法前后的殘像比較.(a)殘像改善后的視頻測試圖像;(b)殘像改善前的視頻測試圖像.Fig.5 Comparison of image stick for before and after algorithm test video.(a)Before image stick improving.(b)Test video after image stick improving.
使用殘像補償算法后,經(jīng)過對顯示圖像的歷史數(shù)據(jù)及現(xiàn)有參數(shù)統(tǒng)計和分析基礎(chǔ)上,計算出殘像的補償函數(shù)矩陣,并利用該函數(shù)對圖5(a)進行數(shù)據(jù)補償。經(jīng)過算法的補償后,圖像因殘像引起的失真得到了抑制,由殘像引起的無法自恢復(fù)的暗條基本上被消除,畫面的顯示效果得到了提升,見圖5(b)。
研究了PDP維持期的持續(xù)氣體放電對殘像形成和恢復(fù)過程的影響,分析了PDP殘像形成的主要原因,提出了一種基于調(diào)整PDP維持期氣體放電強度,補償氣體放電引起亮度差異的殘像改善方法。該方法通過判斷顯示圖像所處狀態(tài),在此基礎(chǔ)上對殘像形成和恢復(fù)過程的氣體放電強度進行控制,并通過補償函數(shù)減緩氣體放電引起的亮度變化,改善殘像形成,加速殘像恢復(fù)。實驗結(jié)果表明,該方法能夠減少殘像對顯示的影響,提高顯示畫質(zhì),具有較高的實用性和適應(yīng)性。
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