比較CRT與LCD兩類顯示屏時，其中一項最為普遍見到的差別是閃爍問題。一般都會以為CRT顯示屏有閃爍，而LCD則沒有，查實兩類顯示屏皆有某程度上的閃爍，機制上的差異和糾正方法影響到成功率。本文講述LCD顯示屏上出現閃爍的原因，并且提出避免閃爍的方法。
LCD顯示技術
液晶體顯示屏(LCD)於1973年出現於計算器上，首個LCD是嵌入有七段字畫，讓數字得以被顯示。下一代LCD則于1980年面世，屬於點陣式(dot-matrix)顯示，除顯示數字外，還有字符和圖形，比如是簡單的單色電腦顯示屏或者流行的“電子寵物” 他媽哥池。這些矩陣設計藉著啟動陣中的(de)(de)行與列的(de)(de)像素作為控(kong)制，取(qu)代(dai)了每(mei)一(yi)像素需一(yi)條獨立的(de)(de)控(kong)制線。至1980年代(dai)末，彩色濾光片成功地(di)嵌入LCD設計里面。自始以後，歷代(dai)產品皆集中於(wu)屏幕(mu)尺寸、顯示器重量，能量效益(yi)、視角等提升上。
圖1. 通過施加電壓控制液晶體分子的垂直排列情況，光線可沿著分子穿過。
雖然(ran)不斷改(gai)良，但是LCD顯(xian)(xian)示屏的(de)基本操作(zuo)仍(reng)舊不變(bian)。LCD顯(xian)(xian)示屏的(de)像(xiang)素陣不斷地被背(bei)底光照(zhao)耀，?久的(de)光消除了(le)在CRT發現的(de)一(yi)類閃(shan)爍(磷點隨每一(yi)刷新周期(qi)作(zuo)脈(mo)動閃(shan)光))。反之(zhi)，LCD像(xiang)素夾在上下(xia)兩塊(kuai)帶(dai)有彼此垂直坑紋的(de)玻璃板之(zhi)間，如圖(tu)1所示。這些坑紋對(dui)準(zhun)液晶體，組成通道，給背(bei)底光通過往屏幕(mu)的(de)前方(fang)。透射的(de)光量取決於液晶體的(de)方(fang)位。并且與施加的(de)電壓成比例。
上下兩(liang)板是(shi)彼此垂(chui)直偏光(guang)的(de)(de)。兩(liang)板之間的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)調校(xiao)液晶(jing)體(ti)(ti)於扭(niu)曲模式中(zhong)，以配合每(mei)一(yi)板的(de)(de)偏光(guang)。來自背底光(guang)的(de)(de)光(guang)線(xian)穿過已(yi)調校(xiao)的(de)(de)液晶(jing)體(ti)(ti)。反之，當(dang)液晶(jing)體(ti)(ti)沒有被調校(xiao)時，光(guang)線(xian)就被阻隔，調校(xiao)的(de)(de)分量與施加電(dian)壓(ya)(ya)成(cheng)比(bi)例(li)，并(bing)且擔當(dang)為(wei)光(guang)度控制。
表1. 列(lie)出各(ge)種不(bu)同視像格式的(de)像素陣列(lie)大小
外(wai)層板是濾色(se)(se)鏡(jing)片(pian)(RGB)，紅、綠、藍(lan)區(每一(yi)(yi)稱為(wei)子像素(su)(su)(su))被納(na)入於每一(yi)(yi)像素(su)(su)(su)里(li)，與每一(yi)(yi)原色(se)(se)相關的(de)(de)色(se)(se)區被分(fen)開尋址，故此能(neng)夠顯示(shi)(shi)全色(se)(se)彩和(he)光度。像素(su)(su)(su)數目決定了顯示(shi)(shi)屏的(de)(de)清晰(xi)度。表1列(lie)出(chu)各種不同視像格式的(de)(de)像素(su)(su)(su)陣列(lie)大小(xiao)。須(xu)注意像素(su)(su)(su)陣列(lie)大小(xiao)的(de)(de)數目不是直接轉為(wei)寬高(gao)比，因為(wei)像素(su)(su)(su)不是呈典(dian)型的(de)(de)正方形。
LCD閃爍的原因
圖2. LCD顯示屏中閃爍的視(shi)覺例子。
(a)(左圖(tu))LCD經優化的閃爍。 (b)(右(you)圖(tu))LCD有過量閃爍
在(zai)LCD顯示(shi)屏(ping)上的(de)(de)閃爍(shuo)(shuo)有別(bie)於(wu)CRT，LCD閃爍(shuo)(shuo)乃本(ben)身(shen)呈現(xian)褪色，而并非(fei)是脈動光。如(ru)圖2a及2b所示(shi)，圖2a是LCD顯示(shi)屏(ping)經己被調節至減少閃爍(shuo)(shuo)，而圖2b是LCD有過強閃爍(shuo)(shuo)，這是因為LCD的(de)(de)刷新率(lv)高達300Hz所致。
圖(tu)3. 單一LCD像圖(tu)之(zhi)電(dian)路
圖3所示為(wei)驅動單一(yi)(yi)LCD像(xiang)(xiang)素(su)的(de)電(dian)路。柵極電(dian)壓(ya)充(chong)電(dian)為(wei)一(yi)(yi)個開(kai)關，一(yi)(yi)般被(bei)放(fang)大至成為(wei)-5V至20V，視頻源極上(shang)一(yi)(yi)般電(dian)壓(ya)范(fan)圍由(you)0V至10V，提供出現在像(xiang)(xiang)素(su)上(shang)的(de)亮度信息(xi)。像(xiang)(xiang)素(su)下(xia)面是被(bei)連接到屏幕的(de)底板，在這節(jie)點上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)為(wei)Vcom。
這(zhe)(zhe)種(zhong)布局方式雖發揮作用(yong)，但卻減低屏幕(mu)壽(shou)命，假(jia)定Vcom電壓(ya)在(zai)地(di)。像素(su)(su)上的(de)(de)電壓(ya)變化(hua)由(you)0V至(zhi)10V，假(jia)定平(ping)均為5V，這(zhe)(zhe)就有重(zhong)大的(de)(de)DC電壓(ya)在(zai)每一像素(su)(su)的(de)(de)兩端，這(zhe)(zhe)DC電壓(ya)造成電荷儲存。在(zai)長期來講，因著像素(su)(su)上的(de)(de)電極電鍍(du)
有離子雜質而(er)令到像(xiang)(xiang)素惡化，這是(shi)導致影像(xiang)(xiang)殘(can)留的原因，常見於舊的TFT-LCD屏板上顏(yan)色(se)變淡(dan)。
LCD屏(ping)幕的(de)結構是(shi)對稱的(de)(圖1)，正壓(ya)(ya)與負(fu)壓(ya)(ya)任一(yi)個(ge)(ge)都可利用來(lai)調校液晶(jing)體(ti)，其中可以充份利用這(zhe)方面(mian)的(de)是(shi)將公(gong)共(gong)電(dian)壓(ya)(ya)移到視頻(pin)(pin)信(xin)號的(de)中點(5V)，現在(zai)(zai)視頻(pin)(pin)信(xin)號上下擺動於公(gong)共(gong)電(dian)壓(ya)(ya)(Vcom)上，於是(shi)在(zai)(zai)像素(su)上制造出(chu)一(yi)個(ge)(ge)“凈(jing)零效(xiao)果”(net-zero effect)。這(zhe)個(ge)(ge)發生在(zai)(zai)液晶(jing)體(ti)上的(de)凈(jing)零效(xiao)果消(xiao)除了(le)老化和影(ying)像殘留(liu)問題(ti)。這(zhe)種技術(shu)要在(zai)(zai)清晰度上作出(chu)協調，因為視頻(pin)(pin)信(xin)號行走5V至(zhi)全亮度，代替(ti)10V。
圖(tu)4. 交(jiao)替幀(zhen)中對於三種反轉(zhuan)模式的LCD像素(su)相位(wei)分布∶幀(zhen)反轉(zhuan)、線反轉(zhuan)、點(dian)反轉(zhuan)。
要在(zai)顯示(shi)屏上(shang)(shang)獲得一個凈(jing)零效(xiao)果，可以在(zai)整個LCD畫面上(shang)(shang)使(shi)用(yong)各(ge)種不同的反(fan)轉(zhuan)(zhuan)模式(圖4)。最簡單類(lei)型是幀(zhen)反(fan)轉(zhuan)(zhuan)(Frame Inversion)，在(zai)這(zhe)種驅動方(fang)(fang)法(fa)下，畫面上(shang)(shang)每(mei)(mei)一像素(su)都在(zai)繼後每(mei)(mei)一幀(zhen)中反(fan)轉(zhuan)(zhuan)了。幀(zhen)反(fan)轉(zhuan)(zhuan)在(zai)像素(su)上(shang)(shang)造出(chu)一個相(xiang)對(dui)於(wu)(wu)時間的凈(jing)零效(xiao)果。其他兩種方(fang)(fang)法(fa)都是納入於(wu)(wu)每(mei)(mei)一幀(zhen)內的反(fan)轉(zhuan)(zhuan)，線(xian)反(fan)轉(zhuan)(zhuan)(line inversion)在(zai)每(mei)(mei)一水平(ping)線(xian)上(shang)(shang)交(jiao)替改變(bian)相(xiang)位。線(xian)反(fan)轉(zhuan)(zhuan)的交(jiao)替方(fang)(fang)式施加在(zai)一對(dui)水平(ping)線(xian)的公(gong)共相(xiang)位上(shang)(shang)(而非(fei)單一線(xian))，稱為線(xian)對(dui)反(fan)轉(zhuan)(zhuan)(line-paired inversion)。點反(fan)轉(zhuan)(zhuan)(dot inversion)是反(fan)轉(zhuan)(zhuan)每(mei)(mei)一相(xiang)鄰像素(su)的相(xiang)位 好像西洋象棋(qi)的棋(qi)盤。三(san)種方(fang)(fang)法(fa)也是在(zai)像素(su)上(shang)(shang)造出(chu)相(xiang)對(dui)於(wu)(wu)時間的凈(jing)零效(xiao)果。反(fan)轉(zhuan)(zhuan)模式由廠方(fang)(fang)選擇，并將之(zhi)嵌(qian)入在(zai)驅動電路里。在(zai)所有(you)情況當中，每(mei)(mei)一顯示(shi)幀(zhen)都是交(jiao)替反(fan)相(xiang)的。
Vcom電(dian)壓(ya)需準確放置在視頻(pin)信號(hao)中(zhong)點(dian)上才能避免閃(shan)(shan)爍。當要(yao)說明為(wei)何顯(xian)示(shi)屏會(hui)閃(shan)(shan)爍，假定因為(wei)制造(zao)屏幕的關系(xi)。Vcom定在5.5V。倘若視頻(pin)信號(hao)擺(bai)動於0V與10V之間，滿度電(dian)壓(ya)就會(hui)在每一圖(tu)場有所差別，在一圖(tu)場上滿度電(dian)壓(ya)是4.5V，而在另一圖(tu)場的滿度電(dian)壓(ya)是5.5V，在滿度電(dian)壓(ya)中(zhong)這個差異會(hui)轉(zhuan)化為(wei)光度差，於是出(chu)現閃(shan)(shan)爍。
圖5. 使(shi)用光敏傳感器EL7900測量屏(ping)幕的閃爍
圖5示出(chu)有(you)與無閃爍下的(de)畫面光強差別(bie)，淺色波(bo)形(xing)有(you)較大DC電(dian)(dian)平(ping)，錄得畫面沒有(you)閃爍，是次測量利用一個EL7900光敏傳感器(qi)。光敏傳感器(qi)將光強轉(zhuan)變為(wei)電(dian)(dian)流，電(dian)(dian)流越大，在示波(bo)器(qi)上產生的(de)電(dian)(dian)壓偏(pian)轉(zhuan)也越大。
為了讓大家(jia)明白這些(xie)結(jie)果(guo)，首先需知道有兩(liang)種LCD畫(hua)面∶“白”畫(hua)面與“黑”畫(hua)面。白畫(hua)面在緩和(he)狀態中(沒有電壓施加在液(ye)晶(jing)
體(ti)上(shang))給光通過液(ye)(ye)晶(jing)(jing)體(ti)，而黑(hei)畫(hua)(hua)(hua)面(mian)(mian)(mian)則在(zai)緩和狀態中(zhong)(zhong)阻隔全部光。當施加在(zai)液(ye)(ye)晶(jing)(jing)體(ti)上(shang)的電壓增加時，液(ye)(ye)晶(jing)(jing)體(ti)旋轉。此舉阻隔更(geng)多光(正如(ru)(ru)在(zai)白畫(hua)(hua)(hua)面(mian)(mian)(mian)的情(qing)況)或(huo)者讓更(geng)多光通過(正如(ru)(ru)在(zai)黑(hei)畫(hua)(hua)(hua)面(mian)(mian)(mian)的情(qing)況)。屏(ping)幕(mu)測試是(shi)白畫(hua)(hua)(hua)面(mian)(mian)(mian)，所以液(ye)(ye)晶(jing)(jing)體(ti)上(shang)施加的電壓越大(da)，畫(hua)(hua)(hua)面(mian)(mian)(mian)就越暗。倘(tang)若Vcom電壓準確(que)設定在(zai)中(zhong)(zhong)間(jian)(無閃爍)，那麼(ma)，平均(jun)AC電壓便是(shi)零(ling)，畫(hua)(hua)(hua)面(mian)(mian)(mian)仍(reng)會是(shi)在(zai)其最亮(liang)點。倘(tang)若Vcom電壓不(bu)在(zai)中(zhong)(zhong)間(jian)。那麼(ma)，結果AC電壓就會更(geng)高(gao)，於是(shi)畫(hua)(hua)(hua)面(mian)(mian)(mian)亮(liang)度(du)會較暗。
圖2b中的褪色是(shi)(shi)由於Vcom電壓(ya)不平衡導致液(ye)晶(jing)體(ti)上錯誤電壓(ya)所造成，并非是(shi)(shi)整體(ti)光強問題。
消除LCD閃爍的方法
圖(tu)6. (a)(左圖(tu))使用機械式(shi)電(dian)位(wei)器調節VCOM。 (b)(右圖(tu))使用數控電(dian)位(wei)器調節VCOM。
由于(yu)每一(yi)(yi)LCD顯(xian)示(shi)屏(ping)(ping)在結構上都(dou)有變化(hua)，最佳(jia)Vcom電(dian)(dian)(dian)(dian)壓值在LCD與(yu)LCD之間會(hui)有差異(yi)，所(suo)以，原(yuan)設備制造(zao)商必須(xu)調節每一(yi)(yi)臺出廠的顯(xian)示(shi)屏(ping)(ping)，消除這種閃爍，對(dui)於(wu)小顯(xian)示(shi)屏(ping)(ping)來(lai)講(jiang)，可視底板為一(yi)(yi)個低阻抗地，這樣可加添一(yi)(yi)個電(dian)(dian)(dian)(dian)位器(qi)作(zuo)為公(gong)共電(dian)(dian)(dian)(dian)壓調節，一(yi)(yi)般(ban)來(lai)講(jiang)，使用機械電(dian)(dian)(dian)(dian)位器(qi)及需要額(e)外(wai)的工時。對(dui)於(wu)小屏(ping)(ping)幕來(lai)講(jiang)
這是可接受的，縱使在(zai)(zai)大屏幕(mu)方面(mian)。準(zhun)確較低(di)及在(zai)(zai)組裝期間很容易被(bei)破壞，需(xu)整個(ge)組件更換(huan)。超過(guo)19英(ying)寸的屏幕(mu)，底板再不(bu)能視作為單一的低(di)阻抗節點，需(xu)在(zai)(zai)屏幕(mu)不(bu)同位置上作多(duo)重(zhong)修(xiu)正，也(ye)許(xu)要多(duo)至五個(ge)局部補償網絡，四個(ge)在(zai)(zai)角落(luo),一個(ge)在(zai)(zai)中(zhong)間，在(zai)(zai)這情況(kuang)下(xia)∶數控電位器(qi)(qi)(Digitally Controlled Potentiometer, DCP)可以給制造商自(zi)動處(chu)理該項加(jia)工，對於大屏幕(mu)而又無法實行人手調校來講是有必要的。圖6a和圖6b示出機械與數控電位器(qi)(qi)的解(jie)決(jue)方案。
圖7. DCP軟件可編程VCOM之應用(yong)電路
從機械式電(dian)(dian)(dian)(dian)位器(qi)(qi)轉換到DCP和(he)系統(tong)實(shi)行方法查(cha)實(shi)很簡單，圖7所示為DCP軟(ruan)件編程Vcom驅(qu)動器(qi)(qi)的(de)(de)應用電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，ISL45042為電(dian)(dian)(dian)(dian)流輸出型、非易失性DCP，可操(cao)作於(wu)AVDD高(gao)達20V，ISL45042采用雙線(xian)、上(shang)下界面，是(shi)極(ji)之準確的(de)(de)7 bit器(qi)(qi)件，分辨率有128級，所需的(de)(de)Vcom值可儲存於(wu)板上(shang)的(de)(de)EEPROM。數字(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓范圍由2.25V至3.6V。這使(shi)到它能與當今所采用的(de)(de)許多(duo)控(kong)制器(qi)(qi)接界。模擬(ni)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)施加於(wu)模擬(ni)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻梯上(shang)，可操(cao)作於(wu)4.5V至20V，對(dui)於(wu)一(yi)般需少於(wu)10V模擬(ni)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)小屏幕(mu)和(he)需大於(wu)15V模擬(ni)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)大屏幕(mu)來(lai)講(jiang)這是(shi)一(yi)個重要特徵(zhi)。DCP輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓經緩沖(chong)及EL5111放大器(qi)(qi)(180mA輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)流)往Vcom總線(xian)。
與流(liu)行的(de)(de)看法完全相反，LCD顯(xian)示屏是存有閃爍的(de)(de)，不(bu)過(guo)簡單的(de)(de)電位器調節是可以減低(di)該影響(xiang)，因(yin)為LCD閃爍出現在公共電壓的(de)(de)偏移(yi)上，而并(bing)非在刷(shua)新信號上。
隨著LCD越(yue)來越(yue)流行(xing)和屏幕尺寸不斷增大(da)，在(zai)底(di)板上的(de)單一點(dian)人手調節不再可(ke)行(xing)了，使用ISL45042 DCP和EL5111 Vcom緩沖(chong)器便可(ke)在(zai)底(di)板的(de)多點(dian)上進(jin)行(xing)Vcom偏移自動修(xiu)正(zheng)，效果(guo)更(geng)為明顯。
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