宋 聰，林麗鋒，宋文亮,劉 炫，張 鵬，張洪林，贠向南

(福州京東方光電科技有限公司，福建 福州，350300)

1 引 言

液晶顯示器(TFT-LCD)以其體積小、重量輕、耗能少等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前市場(chǎng)主流。根據(jù)液晶的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，可分為垂直電場(chǎng)式和水平電場(chǎng)式，前者包括扭曲向列相(Twisted Nematic, TN)和垂直配向(Vertical Alignment, VA)兩種，后者以面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)(In Plane Switching, IPS)和高級(jí)超維場(chǎng)轉(zhuǎn)換(Advanced Super Dimension Switch, ADS)技術(shù)為主要代表。一般認(rèn)為在沒(méi)有額外補(bǔ)償?shù)那闆r下水平電場(chǎng)式液晶顯示具有寬視野角優(yōu)勢(shì)，各視野角下色偏性能優(yōu)于垂直電場(chǎng)式液晶顯示[1-4]。這里所指色偏含義為：在相同條件下觀看同一色彩，不同的TFT-LCD個(gè)體所表現(xiàn)出的顏色差異[5]。由于消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)于面板色彩表現(xiàn)能力需求越來(lái)越高，色偏因此成為評(píng)價(jià)面板性能的重要指標(biāo)；同時(shí)窄邊框、超高透、高充電率等要求在ADS類面板像素設(shè)計(jì)上引起的色偏差異有所不同，因此討論影響色偏的關(guān)鍵因素對(duì)指導(dǎo)面板設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文以實(shí)際面板設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過(guò)比較不同視角下色偏變化，理論闡述了RGB&RGBW兩種彩膜方案對(duì)面板色偏的影響，在此基礎(chǔ)上提出一種新的ADS類產(chǎn)品色偏評(píng)價(jià)方法，克服了現(xiàn)有方法在模擬大視角色偏時(shí)與實(shí)測(cè)結(jié)果差異較大的問(wèn)題。同時(shí)根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果比較了偏光片兩種本征模式對(duì)色偏的影響。

2 色偏的模擬方法和測(cè)試結(jié)果

由于人眼對(duì)不同色彩的敏感度不同，顯示行業(yè)中普遍使用均勻色彩空間CIE 1976 L*u*v*表征色偏。當(dāng)進(jìn)行初步色偏評(píng)價(jià)時(shí)，可用該體系中的色坐標(biāo)距離表示[6]。CIE 1976 L*u*v*與CIE 1931XYZ色度系統(tǒng)的換算關(guān)系及色偏計(jì)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：u’,v’表示色度，即從XYZ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)*u*v*坐標(biāo)系。ΔE表示色偏量。在ADS類產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)中，討論相鄰子像素灰階狀態(tài)和偏光片本征模式對(duì)色偏的影響。

2.1 相鄰子像素灰階狀態(tài)

TFT-LCD的色彩表現(xiàn)基于彩膜基板的基本單元Red/Green/Blue 3個(gè)彩膜子像素。子像素的不同灰階狀態(tài)決定了畫面色彩。當(dāng)觀察視角發(fā)生變化時(shí)，相鄰子像素的灰階狀態(tài)會(huì)影響目標(biāo)子像素的灰階表現(xiàn)，宏觀上即目標(biāo)子像素顏色“不純”從而形成色偏。此外以RGBW為子像素單元的彩膜層是近年來(lái)為滿足LCD超高透需求而出現(xiàn)的另一設(shè)計(jì)，W透明層的加入可提高彩膜層50%～70%透過(guò)率[7-8]，但與RGB類彩膜產(chǎn)品相比，色偏值整體較大。

圖1 彩膜類型、測(cè)試視角與色偏關(guān)系(L0畫面)Fig.1 Color shift with color filter and view angle (L0 pattern)

圖1為某TV RGB &RGBW 產(chǎn)品的色偏實(shí)測(cè)結(jié)果。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，隨著視角增大，面板色偏逐漸增大，且RGBW與RGB的色偏差異在大視角(θ>45°)下更為明顯。同時(shí)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)面板畫面為彩色時(shí)，兩種類型的色偏均進(jìn)一步加大(圖2)。

圖2 彩色畫面下RGB與RGBW產(chǎn)品色偏情況(φ=30°)Fig.2 Color shift of RGB &RGBW in color pattern(φ=30°)

一般認(rèn)為，當(dāng)ΔE>0.02時(shí)即具有明顯的色偏。比較圖1、圖2可知，隨著觀察視角的增大，彩色畫面下面板色偏較L0畫面大，RGBW產(chǎn)品色偏較RGB產(chǎn)品大，色偏差異在大視角下更加明顯。

這一現(xiàn)象可以使用偏光片非正交狀態(tài)下像素漏光理論解釋。如圖3所示，正視狀態(tài)時(shí)，面板上下偏光片光軸方向處于完全正交狀態(tài)，兩層偏光片達(dá)到最佳起偏和檢偏效果。隨著視角的增大，兩層偏光片光軸處于非正交狀態(tài)，從這一視角觀察單色畫面時(shí)，盒內(nèi)L0子像素區(qū)域液晶預(yù)傾角的存在會(huì)引起相位延遲，該子像素發(fā)生漏光，因此大視角觀察下面板色偏數(shù)值較大。

(a)

(b)圖3 大視角色偏觀察示意圖Fig.3 Schematic picture of color shift in large view angle. (a)Polarization schematic; (b)Color filter schematic.

為準(zhǔn)確表征非正視下面板的色偏情況，對(duì)原L*u*v*坐標(biāo)系統(tǒng)中ΔE的計(jì)算進(jìn)行修正。根據(jù)CIE 1931 XYZ系統(tǒng)定義，可以通過(guò)三刺激值XYZ的疊加表征不同灰階相鄰子像素的相互影響，進(jìn)而計(jì)算色偏公式為：

(6)

X′=XR+XG+XB+XW，

(7)

Y′=YR+YG+YB+YW.

(8)

使用該修正算法模擬的色偏結(jié)果與原算法、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。當(dāng)考慮相鄰子像素影響時(shí)，色偏模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近，尤其在超大視角(θ=-80°，80°)下，ΔE模擬值與實(shí)測(cè)值的差值由現(xiàn)有方法的0.19和0.17降低至0.03和0.05，這表明新的計(jì)算方法可以提高色偏模擬的準(zhǔn)確程度，有效表征不同視角下色偏的實(shí)際情況。

圖4 R255畫面下現(xiàn)有方法、本文方法與實(shí)測(cè)色偏值比較Fig.4 Color shift comparing of existing method, new method and actual measurement

2.2 偏光片本征模式的影響

偏光片的本征模式是影響面板色偏的另一重要因素。定義偏振光入射方向與下層液晶取向方向平行時(shí)稱為E-mode(extraordinary-ray mode)，垂直則稱為O-mode(ordinary-ray mode)[9]。本征模式對(duì)面板光學(xué)特性的影響見于不同研究中[10-11]，有觀點(diǎn)認(rèn)為，單疇FFS模式中2ITO電極邊緣液晶光調(diào)制機(jī)理為偏光效應(yīng)，而電極中心處為相位延遲，因此E-mode色偏情況較O-mode好[12]。對(duì)于目前業(yè)內(nèi)普遍使用的雙疇或多疇設(shè)計(jì)，開態(tài)時(shí)疇之間液晶呈一定夾角，因自補(bǔ)償效應(yīng)使得色偏水平較低。實(shí)測(cè)兩種本征模式L0色偏情況如圖5所示。

圖5 不同視角下偏光片本征模式實(shí)測(cè)色偏。(a)φ=0°; (b)φ=45°; (c)φ=90°; (d)φ=135°。Fig.5 Polarizer optical eigenmode impacts on color shift in different view angle.(b)φ=0°; (b)φ=45°; (c)φ=90°; (d)φ=135°.

結(jié)合圖6可知，偏光片本征模式對(duì)面板色偏有一定影響，0°，45°，90°，135°方位角下，O-mode均具有較好的色偏優(yōu)勢(shì)。0°方位角下由于ΔE絕對(duì)值較小，直觀上兩種模式色偏宏觀表現(xiàn)相當(dāng)。因此在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，用戶對(duì)色偏性能有較高的需求時(shí)，往往采用O-mode作為對(duì)應(yīng)方案。

圖6 某TV產(chǎn)品實(shí)測(cè)L0畫面下色偏比較。上: O-mode； 下: E-mode。Fig.6 Color shift comparing of O/E mode in L0 image. Up: O-mode； Down: E-mode.

3 結(jié) 論

本文根據(jù)液晶面板設(shè)計(jì)的模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果，比較了ADS產(chǎn)品中子像素狀態(tài)、偏光片本征模式對(duì)面板色偏的影響。結(jié)果表明，隨著視角增大，面板色偏逐漸增大，且相同測(cè)試條件下RGBW型彩膜產(chǎn)品色偏略大于RGB型?？紤]大視角下，液晶面板上下兩層偏光片光軸處于非正交狀態(tài)，不同灰階相鄰子像素存在相互影響，本文提出的一種新色偏計(jì)算方法，克服了現(xiàn)有方法在模擬大視角色偏時(shí)與實(shí)測(cè)結(jié)果差異較大的問(wèn)題，在超大視角(θ=-80°，80°)下，ΔE模擬值與實(shí)測(cè)值的差值由現(xiàn)有方法的0.19和0.17降低為0.03和0.05。同時(shí)比較了偏光片本征模式對(duì)面板色偏的影響：對(duì)于ADS雙疇模式而言O(shè)-mode相比E-mode具有較好的色偏表現(xiàn)。