蔡明雄

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shù)比較成熟，已經(jīng)完全替代了原來(lái)的CCFL光源.但還存在以下問(wèn)題：

第一方面，由于液晶的慣性，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)（約5ms），引起顯示運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)產(chǎn)生拖影現(xiàn)象（Motion Blur）；現(xiàn)有的解決方法是采用過(guò)驅(qū)動(dòng)（Overdrive）、插黑幀技術(shù)（Black Insert）、運(yùn)動(dòng)估算與補(bǔ)償技術(shù) (Motion Estimation and Motion Compensation，MEMC)和背光源點(diǎn)滅技術(shù)（Blinking B/L）等.這些技術(shù)都不能徹底解決拖尾現(xiàn)象，而且會(huì)帶來(lái)一定程度的負(fù)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(wú)論是直下式、側(cè)入式背光，或者是動(dòng)態(tài)區(qū)域背光、RGB場(chǎng)序背光，開(kāi)機(jī)后整個(gè)背光系統(tǒng)都一直亮著，所以背光功率仍然占整機(jī)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(shù)要求液晶單元小于4ms的響應(yīng)速度，但是由于液晶材料固有的特性，響應(yīng)速度難于進(jìn)一步突破.

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種LED背光掃描控制系統(tǒng)，將LCD面板像素寫(xiě)入時(shí)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(xiě)入時(shí)序，從而有效解決因液晶響應(yīng)速度慢而導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)圖像拖尾現(xiàn)象，并進(jìn)一步提高LCD顯示器的能效.

1 背光系統(tǒng)硬件改進(jìn)

設(shè)顯示器的水平分辨率有Q行，LED背光系統(tǒng)由N塊獨(dú)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(cè)入式導(dǎo)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(cè)入式導(dǎo)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(xiě)入時(shí)序

在背光系統(tǒng)中引入幀同步信號(hào)STV和行像素寫(xiě)入允許信號(hào)DE，像素寫(xiě)入時(shí)序與背光點(diǎn)亮?xí)r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(xiě)入到半幀時(shí)，啟動(dòng)背光，背光自屏幕最上方向下掃描像素；同時(shí)，下半幀的像素電壓繼續(xù)寫(xiě)入.這樣，當(dāng)背光照射到某行液晶單元時(shí)，該行液晶單元的像素電壓已經(jīng)寫(xiě)入并等待了約半個(gè)幀周期（-△t）的時(shí)間，已經(jīng)穩(wěn)定在與該灰度等級(jí)對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度.

具體時(shí)序控制過(guò)程如附圖3（a）所示.

圖3 像素與背光時(shí)序圖(a)

（1）檢測(cè)到幀同步信號(hào)STV有效時(shí)（此時(shí)解碼系統(tǒng)開(kāi)始向面板逐行寫(xiě)入像素電壓），啟動(dòng)幀延時(shí)計(jì)數(shù)器t0，計(jì)數(shù)值為，即延時(shí)半幀的時(shí)間（這個(gè)時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際機(jī)型的需要進(jìn)行微調(diào)）.

（3）當(dāng)?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(shí)，第2幀同步信號(hào)STV有效，計(jì)數(shù)器t0開(kāi)始計(jì)數(shù)（計(jì)數(shù)值為）.此時(shí)，解碼系統(tǒng)開(kāi)始寫(xiě)入第2幀的第1行像素信號(hào).

（4）當(dāng)?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(shí)，第2幀的像素信號(hào)已經(jīng)寫(xiě)到屏幕水平中間的第行.緊接著重復(fù)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(wèn)題

3.1.1 亮度降低問(wèn)題

在傳統(tǒng)常亮背光模式下，開(kāi)機(jī)后背光一直亮著；只要液晶開(kāi)始偏轉(zhuǎn)，就有光透出，直到下一幀像素寫(xiě)入之前，液晶完全關(guān)閉為止，透光時(shí)間約等于幀周期VT.而采用本設(shè)計(jì)的掃描背光，則背光透射時(shí)間只有，遠(yuǎn)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(bǔ)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(lái)非掃描背光時(shí)整個(gè)背光的亮度.

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

②如附圖3（b）所示，由于在原來(lái)非掃描背光系統(tǒng)中，雖然整個(gè)背光一直亮著，但是在幀掃描無(wú)效時(shí)間和液晶響應(yīng)時(shí)間（tr+tf）內(nèi)，液晶是關(guān)閉的，實(shí)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(dāng)降低.

圖3 像素與背光時(shí)序圖(b)

基于上述兩個(gè)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(wèn)題

現(xiàn)有的各種背光系統(tǒng)中，都有良好的背光散射機(jī)構(gòu)，背光均勻性良好.這個(gè)問(wèn)題不在本設(shè)計(jì)的討論范圍.

3.2 畫(huà)面閃爍問(wèn)題

文獻(xiàn)[2]、[3]中所提出的，采用背光掃描后，屏幕會(huì)出現(xiàn)閃爍的問(wèn)題，但沒(méi)有指出產(chǎn)生閃爍的機(jī)理是什么.如附圖4所示，文獻(xiàn)[4]、[5]、[6]中所提出的背光掃描，是背光系統(tǒng)以一個(gè)固定的頻率fB自上而下掃描照亮屏幕.只要這個(gè)頻率fB與像素電壓寫(xiě)入的行同步信號(hào)DE的頻率有微小的差異，在fB與DE之間就會(huì)存在一個(gè)相位差ΔФ，而且這個(gè)相位差ΔФ每一行、每一幀都在變化的，變化范圍為（0～2л）.這個(gè)變化的相位差ΔФ，就說(shuō)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(shí)，液晶的偏轉(zhuǎn)角度是不同的，所以透過(guò)的光亮度也不同，因此導(dǎo)致了屏幕上出現(xiàn)條紋滾動(dòng)或閃爍現(xiàn)象.

而本設(shè)計(jì)所采用的背光掃描，不會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，原因如下：（1）控制燈條的計(jì)數(shù)器由幀同步信號(hào)STV啟動(dòng)，由行同步信號(hào)DE觸發(fā)計(jì)數(shù).實(shí)際是一個(gè)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(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象.（2）每個(gè)燈條都是在對(duì)應(yīng)的像素液晶單元偏轉(zhuǎn)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)才開(kāi)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(méi)有背光引起的灰度變化，所以不會(huì)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(jìn)一步提高了LCD的對(duì)比度.由于每行像素在未達(dá)到相應(yīng)的灰度等級(jí)時(shí)，背光是關(guān)閉的，所以能有效克服漏光現(xiàn)象，從而提高液晶畫(huà)面的對(duì)比度.[4]

4 實(shí)例

本設(shè)計(jì)做了一個(gè)實(shí)例應(yīng)用，采用某型號(hào)的液晶電視機(jī)，運(yùn)用本設(shè)計(jì)對(duì)其背光系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì).該電視機(jī)標(biāo)稱規(guī)格：對(duì)角線94cm，面板物理分辨率1366×768，幀頻60Hz，額定消耗功率45W；側(cè)入式LED背光，采用72顆7020白光LED.

改進(jìn)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(dǎo)光設(shè)計(jì)，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(jì)數(shù)器由8051單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1組成，幀同步信號(hào)STV作為T(mén)0的門(mén)控信號(hào)，行像素寫(xiě)入允許信號(hào)DE作為T(mén)0、T1的計(jì)數(shù)脈沖.由P0口的P0.1～P0.5輸出6位的背光地址信號(hào).背光地址解碼器由4塊CD4514(4-16)解碼器構(gòu)成，共輸出64線開(kāi)關(guān)信號(hào).開(kāi)關(guān)陣列由8塊M54562P達(dá)林頓陣列構(gòu)成，輸出64路驅(qū)動(dòng)電流.電源采用該電視機(jī)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(shí)際運(yùn)行測(cè)試，觀測(cè)不到運(yùn)動(dòng)圖像的拖影現(xiàn)象，畫(huà)面對(duì)比度與原機(jī)有較大改善，平均功率損耗略有下降，達(dá)到預(yù)期目標(biāo).

5 結(jié)論

通過(guò)上述設(shè)計(jì)、分析與實(shí)例驗(yàn)證，在TFT-LCD顯示器中，采用LED背光延遲掃描技術(shù)，能夠消除因液晶本身響應(yīng)速度慢而引起的運(yùn)動(dòng)圖像拖影的缺陷，克服了為提高液晶響應(yīng)速度而減小液晶盒厚度的矛盾，從而使液晶顯示更能適應(yīng)3D顯示、4K顯示對(duì)液晶響應(yīng)速度更高的要求.消除了采用背光掃描帶來(lái)的畫(huà)面閃爍的問(wèn)題.進(jìn)一步提高了LCD畫(huà)面的對(duì)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(shù)，如動(dòng)態(tài)區(qū)域調(diào)光、RGB場(chǎng)序背光等技術(shù).因此，在4K、3D和大屏幕掌上設(shè)備等新技術(shù)中，對(duì)液晶響應(yīng)速度要求更快的情況下，本設(shè)計(jì)將有更廣闊的應(yīng)用前景.

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

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

〔3〕戚益科.LCD運(yùn)動(dòng)模糊的仿真、評(píng)估及改進(jìn)[D].東南大學(xué)，2007.

〔4〕Seyno Sluyterman，代永平.動(dòng)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(xué)，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.