TFT-LCD LED背光延遲掃描技術研究

蔡明雄

（湄洲灣職業(yè)技術學院，福建 莆田 351254）

現(xiàn)有TFT-LCD顯示器采用LED背光，效果良好，技術比較成熟，已經(jīng)完全替代了原來的CCFL光源.但還存在以下問題：

第一方面，由于液晶的慣性，響應時間較長（約5ms），引起顯示運動圖像時產(chǎn)生拖影現(xiàn)象（Motion Blur）；現(xiàn)有的解決方法是采用過驅(qū)動（Overdrive）、插黑幀技術（Black Insert）、運動估算與補償技術 (Motion Estimation and Motion Compensation，MEMC)和背光源點滅技術（Blinking B/L）等.這些技術都不能徹底解決拖尾現(xiàn)象，而且會帶來一定程度的負面影響.[1][2][3]

第二方面，現(xiàn)有的液晶顯示器，采用LED背光之后，背光功率有較大下降.但無論是直下式、側入式背光，或者是動態(tài)區(qū)域背光、RGB場序背光，開機后整個背光系統(tǒng)都一直亮著，所以背光功率仍然占整機功率很大的比重.

第三方面，3D顯示和4K面板等新的顯示技術要求液晶單元小于4ms的響應速度，但是由于液晶材料固有的特性，響應速度難于進一步突破.

針對上述問題，設計一種LED背光掃描控制系統(tǒng)，將LCD面板像素寫入時序（TCON）引入背光掃描系統(tǒng)，并控制背光以固定相位滯后于像素寫入時序，從而有效解決因液晶響應速度慢而導致的運動圖像拖尾現(xiàn)象，并進一步提高LCD顯示器的能效.

1 背光系統(tǒng)硬件改進

設顯示器的水平分辨率有Q行，LED背光系統(tǒng)由N塊獨立的水平燈條 (BL1～BLN)組成.幀周期為VT（Vertical Total Time）,行周期為 HT（Horizontal Total Time）.

（2）每塊水平燈條仍然可以采用直下式或側入式導光方式，如附圖1、2所示.

圖1 液晶面板與水平背光燈條

圖2 側入式導光示意圖

系統(tǒng)原理圖如附圖5所示.

2 背光掃描與像素寫入時序

在背光系統(tǒng)中引入幀同步信號STV和行像素寫入允許信號DE，像素寫入時序與背光點亮時序如圖3(a)、(b)所示.

總體思路是，延遲半幀掃描背光：在第1幀像素逐行寫入到半幀時，啟動背光，背光自屏幕最上方向下掃描像素；同時，下半幀的像素電壓繼續(xù)寫入.這樣，當背光照射到某行液晶單元時，該行液晶單元的像素電壓已經(jīng)寫入并等待了約半個幀周期（-△t）的時間，已經(jīng)穩(wěn)定在與該灰度等級對應的偏轉角度.

具體時序控制過程如附圖3（a）所示.

圖3 像素與背光時序圖(a)

（1）檢測到幀同步信號STV有效時（此時解碼系統(tǒng)開始向面板逐行寫入像素電壓），啟動幀延時計數(shù)器t0，計數(shù)值為，即延時半幀的時間（這個時間可以根據(jù)實際機型的需要進行微調(diào)）.

（3）當?shù)?幀中間一塊背光燈條BLN/2照亮屏幕水平中間的第塊像素區(qū)域時，第2幀同步信號STV有效，計數(shù)器t0開始計數(shù)（計數(shù)值為）.此時，解碼系統(tǒng)開始寫入第2幀的第1行像素信號.

（4）當?shù)谝粠淖詈笠粔K背光燈條BLN照亮屏幕最下方的第N塊像素區(qū)域時，第2幀的像素信號已經(jīng)寫到屏幕水平中間的第行.緊接著重復步驟（2）、（3）、（4）.

系統(tǒng)程序流程圖如附圖6所示.

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 亮度問題

3.1.1 亮度降低問題

在傳統(tǒng)常亮背光模式下，開機后背光一直亮著；只要液晶開始偏轉，就有光透出，直到下一幀像素寫入之前，液晶完全關閉為止，透光時間約等于幀周期VT.而采用本設計的掃描背光，則背光透射時間只有，遠小于VT.所以，掃描背光總體亮度要比非掃描背光低得多.必須提高每塊LED燈條的亮度，加以補償.理論上，采用掃描背光的每一單塊LED的亮度必須等于原來非掃描背光時整個背光的亮度.

①由于采用掃描背光時，任意時刻只有一塊LED燈條亮著，所以背光功率并沒有增加.

②如附圖3（b）所示，由于在原來非掃描背光系統(tǒng)中，雖然整個背光一直亮著，但是在幀掃描無效時間和液晶響應時間（tr+tf）內(nèi)，液晶是關閉的，實際并不透光.所以，掃描背光系統(tǒng)中的單塊LED的亮度可以適當降低.

圖3 像素與背光時序圖(b)

基于上述兩個原因，在保障同等亮度的條件下，掃描背光比非掃描背光的功率還要更低一些.

3.1.2 亮度均勻性問題

現(xiàn)有的各種背光系統(tǒng)中，都有良好的背光散射機構，背光均勻性良好.這個問題不在本設計的討論范圍.

3.2 畫面閃爍問題

文獻[2]、[3]中所提出的，采用背光掃描后，屏幕會出現(xiàn)閃爍的問題，但沒有指出產(chǎn)生閃爍的機理是什么.如附圖4所示，文獻[4]、[5]、[6]中所提出的背光掃描，是背光系統(tǒng)以一個固定的頻率fB自上而下掃描照亮屏幕.只要這個頻率fB與像素電壓寫入的行同步信號DE的頻率有微小的差異，在fB與DE之間就會存在一個相位差ΔФ，而且這個相位差ΔФ每一行、每一幀都在變化的，變化范圍為（0～2л）.這個變化的相位差ΔФ，就說明在同一幀的不同行之間，以及在前后幀之間，背光照亮像素時，液晶的偏轉角度是不同的，所以透過的光亮度也不同，因此導致了屏幕上出現(xiàn)條紋滾動或閃爍現(xiàn)象.

而本設計所采用的背光掃描，不會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，原因如下：（1）控制燈條的計數(shù)器由幀同步信號STV啟動，由行同步信號DE觸發(fā)計數(shù).實際是一個數(shù)字鎖相控制，背光與像素狀態(tài)之間的相位差是固定不變的，所以不會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象.（2）每個燈條都是在對應的像素液晶單元偏轉到穩(wěn)定狀態(tài)時才開啟的，如附圖3(a)(b)所示，前后幀之間只有像素本身的灰度變化，沒有背光引起的灰度變化，所以不會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象.

圖4 行像素掃描與背光掃描之間的相位差

3.3 進一步提高了LCD的對比度.由于每行像素在未達到相應的灰度等級時，背光是關閉的，所以能有效克服漏光現(xiàn)象，從而提高液晶畫面的對比度.[4]

4 實例

本設計做了一個實例應用，采用某型號的液晶電視機，運用本設計對其背光系統(tǒng)進行重新設計.該電視機標稱規(guī)格：對角線94cm，面板物理分辨率1366×768，幀頻60Hz，額定消耗功率45W；側入式LED背光，采用72顆7020白光LED.

改進后的背光系統(tǒng)，如附圖1所示，采用64塊水平LED燈組（N=64），每塊LED燈組由63顆7020白光LED組成.采用直下式導光設計，如附圖2所示.

圖5 LED背光延遲掃描控制原理圖

背光控制電路如附圖5所示，程序流程圖如附圖6所示.背光地址計數(shù)器由8051單片機內(nèi)部定時/計數(shù)器T0、T1組成，幀同步信號STV作為T0的門控信號，行像素寫入允許信號DE作為T0、T1的計數(shù)脈沖.由P0口的P0.1～P0.5輸出6位的背光地址信號.背光地址解碼器由4塊CD4514(4-16)解碼器構成，共輸出64線開關信號.開關陣列由8塊M54562P達林頓陣列構成，輸出64路驅(qū)動電流.電源采用該電視機原有的12V穩(wěn)壓電源.

圖6 延遲掃描背光程序流程圖

經(jīng)實際運行測試，觀測不到運動圖像的拖影現(xiàn)象，畫面對比度與原機有較大改善，平均功率損耗略有下降，達到預期目標.

5 結論

通過上述設計、分析與實例驗證，在TFT-LCD顯示器中，采用LED背光延遲掃描技術，能夠消除因液晶本身響應速度慢而引起的運動圖像拖影的缺陷，克服了為提高液晶響應速度而減小液晶盒厚度的矛盾，從而使液晶顯示更能適應3D顯示、4K顯示對液晶響應速度更高的要求.消除了采用背光掃描帶來的畫面閃爍的問題.進一步提高了LCD畫面的對比度以及背光系統(tǒng)的能效.

而且完全兼容其它方面的背光改善技術，如動態(tài)區(qū)域調(diào)光、RGB場序背光等技術.因此，在4K、3D和大屏幕掌上設備等新技術中，對液晶響應速度要求更快的情況下，本設計將有更廣闊的應用前景.

〔1〕徐益勤.液晶顯示動態(tài)清晰度的研究[D].東南大學，2009.

〔2〕宋文.高動態(tài)圖像質(zhì)量和低功耗液晶顯示器的研究[D].東南大學，2004.

〔3〕戚益科.LCD運動模糊的仿真、評估及改進[D].東南大學，2007.

〔4〕Seyno Sluyterman，代永平.動態(tài)掃描背光使 LCD 電視呈現(xiàn)活力[J].現(xiàn)代顯示，2006（5）.

〔5〕劉杰.掃描式等離子體平板背光源的制備及改善LCD圖像質(zhì)量的研究[D].東南大學，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.