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快速光学反应电子技术为液晶显示电视机的发展开辟一条新路

时间:2003-09-01 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:
多年来业界一直研究改良主动式矩阵液晶显示技术,许多这方面的应用技术问题都已获得了解决。目前笔记型计算机及个人计算机都普遍改用液晶显示器,液晶显示技术更成为加速市场发展的重要技术。随着技术的改良,液晶显示器的屏幕变得越来越大,观看角度也越趋稳定,使液晶显示监视器市场有进一步的发展。对于轻巧纤薄的电子产品来说,主动式矩阵液晶显示器技术的出现为手持式彩色电视机开辟一个全新的市场,同时也推动了全彩色屏幕行动电话市场的发展。

此外,业界终于解决了阻碍大屏幕液晶显示家庭电视机发展的最后两个技术问题。第 5、6 及 7 代生产技术的出现使厂商可以生产 40 吋以上的大型平面显示器。对于开发这类大型显示器来说,最新推出的反应时间电子技术也发挥同样重要的作用,因为这种电子技术可以加快电光反应,使这种观看角度较宽阔的显示器更适合显示影像。

可能有人会不加思索便轻率下判断,认为以液晶显示器的运行速度足以支持视讯应用方案。多年来,家用 DVD 播放机、手持式电视机、液晶显示监视器、笔记型计算机、机舱影音系统等设备都一直采用液晶显示器播放影音制作。但这些液晶显示器大部分都属于扭转向列应用方案。扭转向列技术的观看角度不大稳定,不适合大屏幕电视采用。对于摆放在客厅的大型电视机来说,它们都需要采用不同的 IPS 技术或专为大屏幕液晶显示监视器而设的不同版本纵向对齐 (VA) 技术 (例如 MVA、ASV、PVA)。这些采用液晶 (LC) 模式的技术虽然可以确保观看角度的稳定性及更理想的光暗对比,但总体来说始终会拖慢反应时间,这是它的缺点。

有一点应该指出的是,TFT-LCD型显示器的反应时间只能仅仅满足视讯应用方案的基本要求。未经补偿的扭转向列型显示器若与阴极射线管 (CRT) 监视器并列一起作比较,前者播放快速移动影像时,画面品质效果较差的影像会显得更为模糊不清。
当然,为了满足电视机画面的要求,例如较高的亮度、带蓝色的白点以及较多的颜色选择,液晶显示器必须解决其它的技术问题。但这些问题其实只属于设计上的偏好,而不是技术问题。

框定界符是业界需要进一步研究的技术。这种技术有时称为黑框插入技术。这是由于主动式矩阵液晶显示器的作业方式与人类视觉系统观看不停转动的定框的感应方式不同,因此需要采用框定界符作出配合。每一视讯框其实是一个冻结在某一时点上的影像图样。每一个定框的影像在极短的瞬间映照在视网膜上,但以速度而言,这种一瞬间的闪烁比视觉系统感应影像的速度更快,这些不停闪烁的框格影像便在视网膜上熔合成为连续的动作。影院的影片投影机在作业上近似这种脉冲表达方法,播映时依次序先关闭快门,将影片框格向前推进一格,再打开快门,如是者以每秒 24 框的速度不断重复。阴极射线管及等离子显示器也同样采用近似这种表现方法,因为磷光体图素的发光亮度在大约半个图框时段内会渐渐消失,直至变为黑色。

事实上,主动式矩阵液晶显示器图素的亮度在整个框时段内都保持恒定。由于液晶显示器采用顺序的扫描方式,因此每一刻新旧框都会在屏幕上留下部分可见的影像,由上至下进行扫描时影像的边缘会有撕裂的迹象。由于液晶显示器有这种逐行更新及保持的特性,因此最适合播放静态划面的呈现如利用计算机制作的电子表格及文字处理文件,因此产生的闪烁远比阴极射线管显示器为少,但以播放视频讯号的应用方案来说,这样的视觉效果并不理想。

反应时间获得补偿、一致的灰阶至灰阶反应时间以及可调变背光或插入黑框的设计等将会成为视讯应用方案的基本功能特色,确保这类应用方案可以采用脉冲的表现方式。框脉冲是一种远比慢速光学反应更难以察觉的人为假像,主要用于第二代液晶显示电视的显示器。反应时间补偿是其中最重要的问题,也是最新一代液晶显示电视机必须解决的问题。


液晶显示器的反应时间理论

无论液晶显示器采用 TN、IPS 还是VA 模式,液晶体都会呈现向列特性。换言之,液晶体之中部分地区的分子全部都按照同一方向排列。向列液晶显示器内任何两个灰阶值之间的转变时间受多个不同的因素左右,而这些因素又可分为两类:与外加转矩 (即试图移动分子的转矩) 有关的因素以及与抗拒移动阻力有关因素如流体动力学、黏滞度等。与抗拒移动阻力有关的引力完全取决于液晶体的内在结构及其周围环境,例如预先倾斜度 (pre-tilt)、Cell Thickness、温度、导引器 (director) 的导向分布等。

外加转矩是两个反向转矩的最终结合。外加转矩由输入电压产生的电场所感生。复原转矩则因物料有长距离向列倾向而受其弹性常数 (spring constant) 所感生。分子由一个状态 (分子导向) 转为另一状态所需的反应时间取决于上述两个因素。

液晶分子所感生的转矩与电场大小的正方有关,而电场大小则与输入电压有直接关系。虽然转矩与电场同步出现,但所感生的分子移动及相关光学反应则会滞后于电场。若加于当下的一框的转矩比加于先前一框的转矩大,反应时间大致与输入电压的平方成反比。若加于当下的一框的转矩比加于先前一框的转矩小,反应时间大致与输入电压成线性反比。

由于整个过程涉及两个不同机制的相互作用,因此我们可以利用两个不同的补偿方法加快转变。但两个相反方向的补偿都采用相同的补偿机制。图 1 显示RTC (RTC) 机制的简单方块图,事实上所有最近公布的“过驱动”方法都采用这种RTC的机制。这种机制的基本作业原理如下:RTC区块首先截取数字视讯数据流,然后将先前提供予每一图素的灰阶值指令与当前的灰阶值指令加以比较,再从对照表之中选择另一早已设定的灰阶值。由于对照表有齐每一对先前及当前指令的数据,因此可为两个方向提供补偿 (升压过度及不足),但每一方向的升压幅度则不尽相同。
若对照表显示先前的灰阶值与当前的灰阶值不同,便会提供一个预先设定的补偿值。根据实验证明,这个补偿值可以在每一框完结后将亮度提高至目标值。

图 2 显示RTC功能在展示前及展示后的实际表现。有一点需要强调的是,上升及下降时间的背后都有不同的机制,因为其中的一个机制由指定用来驱动显示器的电压所控制,而另一机制则受液晶体的物料特性所影响。换言之,较高的驱动电流会产生更快的驱动反应时间。但事实上我们无法将电场完全消除以补偿松弛转变时间。业界对液晶体进行了大量的研究,希望可以改善松弛转变时间。这方面的研究已取得多个重大的突破,例如在RTC的配合下,液晶体会产生非常理想的视讯反应速度,而另一方面又确保观看角度更为广阔。

系统设计

以功能来说,RTC区块可存在数字视讯数据流的任何位置。但由于RTC区块的输出与显示器的非线性特性有直接的关系,因此将RTC区块放于任何影像处理区块的上游是一个错误。换言之,虽然撤消RTC的升压过高或不足值都以灰阶值编码,但其作用只在于为目标的灰阶值指令提供正确的电压。RTC区块出现后才调校数字式亮度可能会令转变时出现错误。对照表指定了数值之后才调校行驱动器的电压同样会容易产生错误。

RTC区块在系统内的最理想位置是作为最后的计时控制器。这样RTC区块不但免受下游影像处理流程的影响,而且更可将采用同一RTC的显示屏幕及对照表置于同一模块内。这样的耦合可确保有关模块的接口拥有共同的边界。图 3 显示系统的方块图。
当目前的灰阶值指令到达后,RTC逻辑便会从外置全图框内存内取回送至该处的前一灰阶值。与此同时,RTC逻辑会将内存内的目前的灰阶值储存起来,以供下一个框使用。外置式框缓冲存储器基本上属于同步动态随机存取内存 (SDRAM),但由RTC逻辑控制,作为先进先出的内存使用。随后,RTC控制器会利用不同的对照表按照红、绿及蓝等基本颜色将目前的指令及先前的一个指令加以比较。对照表的数值可为每一可能配对的目前及先前的指令提供一个独特的替代灰阶值。

这个系统比没有RTC的系统明显多了两个新的元素,亦即对照表及图框缓冲存储器。而添加这两种内存可能会大幅增加系统成本。对照表一般都预先加载静态随机存取内存 (SRAM) 内,以便可以按照不同客户的要求设定显示屏幕的参数。正因如此,对照表需要占用更多计时控制器的晶粒面积。此外,由于框缓冲存储器必须同时储存及取回 24 位的图素,因此可能需要两个 32 位的 SDRAM 才可支持 48 位的数据交换。开发创新的RTC技术需要解决很多问题,而避免令内存的成本大幅增加是其中一个重要的考虑因素。

简单一点来说,每一对先前及当前的灰阶值都应该独立储存在对照表内。但这样便需要一个较大的内存,即每一种颜色需要 256 x 256 x 8 位的储存量。由于对照表所储存的都是显示升压驱动与输入指令之间关系的平滑曲线,因此实际上 256 x 256 x 8 表所载的所有数据都可储存在远比想象中小得多的对照表内,并可通过线性内插方式进行存取。这个方法获业界普遍采用,但实际应用时不同的应用方案会有或多或少的分别。

目前 有几个方法可以将 SDRAM 的容量减至最低。首先,并非先前灰阶码的所有最低有 效位都要储存在框缓冲存储器内才可发挥理想的效能。举例来说,假设由 23 的先前灰阶值转为 198 的目前灰阶值的升压值为 220,这个升压值与将 25 转为 198 灰阶值所需的升压值相同,亦即大致为 220。根据过往经验显示,先前的 24 位图素数据可以通过修整改为 16 位图素数据,方便以 16 字节构的现成 SDRAM 储存。这些 16 位的图素数据可以作为 5R、5G 及 5B 分配,而其中一个位还没有用。但 6R、6G 及 4B 是较佳的选择,因为可确保精确度与人类视觉系统一致。人类的视觉系统在衡量影像素质时最着重绿色的光波,其次才是红色的光波。蓝色的光波主要提供颜色方面而非空间方面的讯息,因此转变时颜色的精确度较为次要。这个方法是能够同时兼顾价格与效能的极佳方案。

另一个方法是先将 24 位图素数据流压缩才储存在 SDRAM 内,然后再由内存取回以便进行解压。采用这个方法可以达到 1:3 的压缩比例,比简单截断方式的 2:3 压缩比例优胜,但缺点是会令压缩/解压电路的设计更为复杂,而且所需功率也较大。这两个方法都需要添加一个外置的 SDRAM。

不管如何将电路优化,设有RTC功能的平面显示控制器已成为液晶显示电视机的关键性组件,而且这种平面显示控制器更具备多种不同功能特色。宽屏幕的大型液晶显示器若添加反应时间补偿的功能,液晶显示技术的优势便能尽显,液晶显示电视机便会更为普及,甚至进入寻常百姓家,而且在液晶显示器的发展过程中,这次是首次透过崭新电子技术的应用而非倚靠显示器本身的改良而取得重大突破。由此可见,大型的液晶显示器正开始进入一般消费者的家中,而创新的电子技术将会继续在这个市场上扮演一个重要的角色。

(责任编辑:admin)
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