TFT-LCD技術的高度發(fā)展，已經(jīng)并繼續(xù)改變著現(xiàn)代社會人們的生活方式。TFT-LCD因其分辨率高，沒有閃爍，體小量輕，沒有用幾年的時間便在計算機終端顯示領域取代已經(jīng)有百年歷史的CRT顯示的壟斷地位，同時還創(chuàng)立了以筆記本電腦和手機為代表的新的移動顯示應用領域。TFT-LCD在以字符和圖表顯示為主要目標的計算機終端顯示領域取得的巨大成績，大大鼓舞了LCD工作者向顯示的最高領域——視頻圖像顯示乃至高清晰度視頻圖像顯示進軍的信心。一段時間以來，小尺寸液晶電視從商場貨架的角落里走了出來，開始了向CRT電視挑戰(zhàn)的進程。現(xiàn)在100＂、84＂的全高清LCD電視樣品已經(jīng)問世， 32＂、37＂和42＂的液晶電視正越來越受到消費者的歡迎。 niy@'  
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然而人們在贊賞液晶電視分辨率高，圖像精細的同時，也發(fā)現(xiàn)了液晶電視在顯示運動圖像時會出現(xiàn)拖影和模糊的情形，這是顯示視頻圖像所不能允許的。人們很容易聯(lián)想到液晶材料響應速度不夠高是引起模糊的主要原因。可是在把響應速度提到足夠高以后，上述現(xiàn)象有了改善，但仍不能消除。人們才轉而向更深入的方向進行研究。原來TFT-LCD工作在保持模式（Hold-Type）是產(chǎn)生運動圖像模糊的重要原因。 bk6$+T=>  
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TFT-LCD的保持模式及在顯示運動圖像方面的局限 o4~ft!>  
無源LCD由于液晶像素的雙向導通特性，動態(tài)矩陣選址時會出現(xiàn)串擾現(xiàn)象，掃描行數(shù)越多，串擾就越嚴重，因此無法實現(xiàn)大容量的信息顯示。于是人們在每個像素上串入一個薄膜晶體管，用TFT的通斷來控制像素的通斷。TFT的串入使像素雙向導通的特性變成了單向導通，矩陣選址的串擾消失了，掃描行數(shù)從理論上可以無窮多，可以實現(xiàn)大容量的信息顯示。為了提高TFT-LCD的顯示質(zhì)量，人們往往在串入TFT的同時，還設計一個與液晶像素并聯(lián)的存儲電容CS，如圖1所示，TFT打開時，信號電流給CS充電，在CS上形成一個與信號大小成正比的直流電壓。在TFT關閉期間，CS上的電壓在整個幀周期內(nèi)基本保持不變，并驅動該像素始終保持在相應的開啟狀態(tài)。這就是所謂的“保持”型工作狀態(tài)。存儲電容CS的引入使TFT-LCD的占空比提高到１，其對比度和顯示質(zhì)量達到了靜態(tài)驅動的水平，使得TFT-LCD很快在計算機終端顯示上獲得了巨大的成功。 k
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TFT-LCD在顯示運動圖像時出現(xiàn)的問題，使人們不禁想起了CRT。為什么CRT在顯示運動圖像時沒有類似的情況發(fā)生？經(jīng)過仔細比較和深入研究發(fā)現(xiàn)，CRT是工作在脈沖（impulse）發(fā)光的工作模式，和TFT的保持模式有很大的不同。 |!!E5osXq  
進一步的研究表明，矩陣顯示有以下幾種顯示形式： E 3I'3  
逐點脈沖發(fā)光，如CRT。 'dU$QO  
逐行順序顯示，如無源LCD，無源OLED，F(xiàn)ED等。 cWRB=`=qz  
逐幀順序顯示（即幀保持模式），如TFT-LCD，有源OLED等。 4`8.\  
子場顯示，如PDP。
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我們把CRT、PDP、TFT-LCD三種模式發(fā)光的情況示于圖2。圖2顯示了某一個像素在一幀時間內(nèi)發(fā)光隨時間的分布。這三種情況下，人眼所感覺到的平均亮度是相同的，但不同的顯示模式發(fā)光隨時間的分布是不同的。CRT只在很短的時間內(nèi)脈沖發(fā)光，LCD是在一幀的全部時間內(nèi)平均發(fā)光。PDP則處于二者之間，只在某些子場持續(xù)的時間內(nèi)有幾個到幾百個脈沖發(fā)光，按不同的灰度分布于一幀內(nèi)不同的時間點上。 &-b=gnT   
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其實顯示運動圖像出現(xiàn)的圖像質(zhì)量下降的現(xiàn)象最先在PDP-TV上被發(fā)現(xiàn)，因為PDP比LCD較早進入了視頻顯示領域。最先提出TFT-LCD保持模式是產(chǎn)生運動圖像模糊的原因并用實驗驗證的T.Kurita和T.Yamamoto先前都是研究降低PDP偽輪廓現(xiàn)象的。1998年日本NHK科學和技術研究實驗室的T.Kurita首先提出了哪怕液晶材料的響應時間下降為零，具有保持型工作特性的TFT-LCD在顯示運動圖像時仍然會出現(xiàn)模糊現(xiàn)象的看法。緊接著T.Yamamoto設計了一套用儀器模擬人眼感知的設備，證實了T.Kurita的想法。從此降低運動圖像模糊的研究進入了全新的領域。保持型顯示產(chǎn)生運動圖像模糊的問題，主要是因為人眼跟蹤在屏幕上移動的物體時，看到的是一幅幅不同位置的圖像在視網(wǎng)膜上積累所形成的圖片。只要把圖上的子場換成充滿一幀的發(fā)光就可以，其結論也是相同的。 =JVRm 2#*  
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運動圖像模糊的測量和定量評價方法 }7.q[ ^oF  
為了證實Kurita提出的TFT-LCD的保持型工作方式是產(chǎn)生運動圖像模糊原因的看法，日立研究所的Yamamoto設計制作了一套可以模擬人眼積分效果的測量運動圖像質(zhì)量的裝置。Yamamoto認為人眼所感知的運動圖像是暫存的連續(xù)圖像在和運動圖像作同步移動的眼球上的積分，我們可以用暫存的分立圖片在和運動圖像作同步移動位置時的積分來重現(xiàn)。他所研制的時基圖像積分測量系統(tǒng)（TIM）的方塊圖如圖3所示，單幅黑條圖像在LCD屏幕上以水平方向移動，它的寬度、移動速度和色彩都可以調(diào)節(jié)。用CCD拍攝不同時刻運動黑條的照片。因不人眼不能在1/300秒以內(nèi)分辨物體亮度的變化，所以CCD拍照的頻率要大于300Hz（即每幀至少拍5張），而且快門的速度要小于3ms。最后人眼感知的圖像通過對不同時刻圖像照片的積分，同時考慮人眼一定程度的跟隨位移而得出。 GU[Cq=k  
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TIM系統(tǒng)所得結果如圖3所示，目標為白底上32像素寬度的黑條，每幀向右移動8個像素�？梢钥吹剑� f "&q~V4?  
黑條中間的黑度降低，也就是運動圖像的動態(tài)對比度下降。 ~!&[;EM<bm  
原來清晰的黑條前沿和后沿變成了一定寬度的模糊區(qū)域，這就是我們所關心的運動圖像的模糊現(xiàn)象。為了能定量地研究模糊的程度，進一步觀察A-A剖面的亮度分布。我們引入一個邊緣模糊寬度（blurred-edge-width.BEW）的概念，它可以定義為邊緣亮度變化在10％到90％之間的寬度。BEW顯然和液晶材料的響應時間，TFT-LCD的保持時間，以及物體運動的速度有關。 yPQ{tS*t  
Yamamoto得出幾點結論： \pzvoj7{  
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對于慢速響應的LCD，BEW主要決定于液晶材料的響應速度和液晶像素的響應時間，若CLC«Cs，液晶像素響應較快。 E,6E-9  
對于響應速度快的LCD，BEW決定于TFT-LCD的保持特性，幀頻提高，保持時間縮短，BEW成反比減少。 l&|{uk  
運動圖像模糊的解決方法 2~`dV_  
運動圖像模糊的解決方法是當前一項研究熱點。人們用不同的方法研究和模擬人眼感知運動圖像的情況。上節(jié)介紹的TIM系統(tǒng)是其中影響較大，為多數(shù)平板顯示工作者接受的方法。這一方法為解決運動圖像模糊問題奠定了良好的理論和實驗基礎。當前解決模糊問題主要從提高液晶像素的響應速度，改進TFT-LCD 所固有的保持特性，也就是模仿CRT的脈沖工作方式入手，已經(jīng)取得了良好的效果。 <=7)t.  
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1、提高液晶像素的響應速度 ;XtDz  
液晶像素的響應速度對運動圖像的影響可以分為2種情況。若響應時間大于幀周期，則前后二幀的圖像出現(xiàn)重疊，嚴重影響運動圖像質(zhì)量。若響應時間小于幀周期，則由于TFT的保持特性運動圖像產(chǎn)生模糊現(xiàn)象。提高液晶像素的響應速度可以從以下幾個方面入手： rSJ}qRXwU  
從液晶材料的角度看，LC的粘度越低，它的響應速度就越快。LC的△ε越大，上升的響應速度越快。通過降低液晶材料的粘度和提高△ε，現(xiàn)在新型含氟液晶材料響應速度可以達到8ms以下。 P)\f\yb  
從液晶盒設計的角度看，液晶材料的下降響應時間正比于盒厚的平方，即τf∝d2。減少盒厚可以有效地提高響應速度，但盒厚的降低影響到對比度，同時增加工藝難度�，F(xiàn)在的盒厚最薄可以做到4µm左右。 Xj@Kt|&`k  
從TFT像素設計的角度看，像素電容遠遠小于存儲電容，即CLC«Cs，可以提高像素的響應速度。這已經(jīng)是TFT陣列設計的一項準則。 F Qk;  
從驅動的角度看，過驅動（over-drive）是提高響應速度的有效方法，如圖4所示。液晶分子在響應外電場的作用改變其排列方向時需要能量。如果在上升沿和下降沿加上比正常驅動電源高一些的電壓，則液晶分子在比較強大的電場作用下很快達到所要求的排列方式，從而縮短了響應時間。需要指出的是下降沿由于是一個無場或低場下的弛豫過程，它的響應時間往往比上升沿長，過驅動在這部分尤其有效。對于不同的TN、VA、IPS等液晶模式，在具體實施過驅動時還有一些不同的形式。 H~~(v52wD  
以上討論的都是液晶從開到關的總的響應時間。其實在實際應用中不同灰度等級之間的轉換（GtoG）更為重要。尤其在較暗的灰度等級之間轉換，其時所加的電壓較低，響應比較緩慢，必需予以特別重視。 ?Jr<gn^D  
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2、改進TFT-LCD的保持特性 `q@~78`  
（1）提高幀頻 .N'UnKz  
提高幀頻可以改善運動圖像的效果在TIM系統(tǒng)中已經(jīng)得到實驗證實。它可以理解為縮短了 TFT的保持時間。如果幀頻無窮大，它就成了脈沖顯示。圖5示出了在相同LC響應時間下提高幀頻對模糊的改善情況。多家公司報道了用120Hz幀頻對運動圖像模糊的明顯改善，到250Hz時可以完全消除模糊現(xiàn)象。但是提高幀頻涉及整個顯示系統(tǒng)的諸多問題，如：功耗，帶寬，干擾等。代價較高，成本上升，大家都慎重采用。 fZ376Z:S$  
（2）脈沖驅動（impulsedrive） <QkfvK]Q  
既然CRT脈沖顯示的模式完全沒有運動圖像模糊的問題，人們自然會想，能不能在TFT-LCD的保持模式下摹仿或部分實現(xiàn)脈沖顯示的方式，從而改善運動圖像的質(zhì)量呢？答案是肯定的�，F(xiàn)在發(fā)展起來的多種驅動方式都根據(jù)這個思路而來，而且在不同程度上改善了運動圖像的質(zhì)量。是當前TFT-LCD驅動技術研究的熱點。 [`b{eLCFX]  
A.背光源閃爍（blinkingbacklight）法 C=b5[, UCB  
LCD是通過調(diào)制背光源的光來實現(xiàn)顯示的，通常的LCD背光源是一直開著，連續(xù)發(fā)光。既然TFT-LCD的保持特性無法改變，如果控制背光源的發(fā)光，使它從連續(xù)發(fā)光變成只在一幀的某個時間段內(nèi)發(fā)光，TFT的保持特性就有所改善，就有了些類似于脈沖發(fā)光的成分，則運動圖像的模糊就可以明顯改善。圖6 示出了一組CCFL燈管在一幀的60％的時間內(nèi)同時打開（占空比為60％），在余下的時間內(nèi)同時關閉的情況。檢測表明，在背光的占空比為70％以上時，運動圖像質(zhì)量的沒有明顯改善，而占空比50％~60％時效果明顯，但占空比太小時容易產(chǎn)生閃爍（flicker）現(xiàn)象。圖7示出了占空比為50％時運動圖像質(zhì)量的改善情況。 r9t{/})A  
用背光源的閃爍來改善運動圖像的質(zhì)量，可能導致亮度的下降。但研究表明，由于背光源以一定的占空比工作，燈管表面溫度降低，發(fā)光效率得到提高，如圖 8所示。另一方面，還可以適當提高CCFL的工作電流以提高它的亮度，但一般認為50％的占空比還是會引起亮度的下降，60％的占空比是一個比較恰當?shù)倪x擇。 W ,U'hk%  
B．背光源掃描（scanningbacklight）法 ;C{_T:LS  
除了控制背光源的占空比以外，控制背光源發(fā)光的相位也是有效的方法。圖9示出了一種理想的避開液晶像素的上升和下降沿，在液晶像素完全開和完全關的相位上點亮背光源的方法。采用這種方法要求液晶的上升和下降時間之和小于2/3幀周期，即小于10ms，而背光只在后1/3幀周期的相位點亮。由于液晶像素的開啟是屏面從上至下順序的掃描的，用整個背光源閃爍的方法在全畫面上實現(xiàn)這樣的相位關系是不可能的。唯一的方法是背光源和顯示屏同步掃描點亮，如圖 10所示，可以基本上實現(xiàn)這樣的相位關系。但是采用了背光源掃描以后，屏的亮度降低了。以上述1/3幀周期照亮而言，需要3倍的背光燈管才能補償。有人建議用熱陰極熒光燈(HCFL)，因為它的亮度比CCFL高不少，同時發(fā)光效率也高。 N-Z 9  
背光源掃描還容易引起圖像的閃爍，尤其在大片亮場的區(qū)域。有人提出在一幀內(nèi)增加一個光脈沖，二個光脈沖相隔半個幀周期，這就是雙光脈沖掃描背光源。但雙光脈沖掃描容易引起雙邊緣輪廓，可以根據(jù)圖像的情況在雙光脈沖掃描和單光脈沖掃描之間切換，以達到既消除圖像的閃爍，又不產(chǎn)生雙邊緣輪廓的結果。 2kgm)-z  
當然，無論是背光源閃爍，還是背光源掃描，LED背光是最好的選擇，因為LED背光除了響應快，易控制外，它的色域寬，溫度特性好，沒有汞污染。但是目前LED背光成本還高，發(fā)熱較多，均勻性還有待改進。相信幾年以后LED背光將逐步進入商品領域。 vOj$-A--qU  
C.插入黑場（Blackframeinsertion，BFI）法 Hb$q}1+y  
插入黑場是從信號處理的角度模擬脈沖驅動的一種方法，如圖11和圖12所示，它在一幀的某一時段消除整個顯示屏各像素的信號，成為一個黑場，從信號處理的角度縮短了TFT-LCD的保持時間，從而改善運動圖像的質(zhì)量。但是由于插入黑場時LCD的漏光現(xiàn)象，對比度會明顯下降。如圖13所示�？刂撇迦氲暮趫鲂∮趲�周期的20％，可以使對比度下降不很明顯。另一方面，黑場的插入使顯示部分的每行掃描時間縮短，會大大增加對數(shù)據(jù)速率和帶寬的要求，從而增加技術的難度和成本。黑場的插入會明顯降低顯示屏的亮度，有人建議插入和圖像亮度平均值相應的灰場，以兼顧亮度和運動圖像質(zhì)量二個方面。 <qy+@t  
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3、采用圖像處理技術 DVS7N_cx2o  
圖像處理技術可以在采用上述技術的基礎上進一步縮小運動圖像的模糊現(xiàn)象，采用的方法各異，效果也不盡相同。例如，通過預先計算出運動圖像的位置，用內(nèi)插值顯示圖像的準確位置，可以減少視網(wǎng)膜上感知圖像的移動。另有運動補償法，這里介紹一種正弦波調(diào)制法。通過對人眼感知運動物體的積分模擬的研究發(fā)現(xiàn)，如果對一個亮度均勻的物體，其亮度用正弦波進行調(diào)制，它的空間周期等于物體移動速度的值，那這個物體在以該速度運動時，它的模糊不容易被人所覺察，如圖 14所示。圖14還示出了背光不作閃爍和作50％閃爍的模擬結果�？梢娺\動補償法的效果還是比較明顯的。 n$?oZ*;  
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結論 ( 0h]<7  
由于TFT-LCD，包括其它使用TFT陣列的平板顯示技術，是工作在保持型模式下，顯示運動圖像時出現(xiàn)模糊是不可避免的。通過提高液晶響應速度，采用脈沖驅動法改善TFT-LCD的保持特性，也就是縮短保持時間，可以在很大程度上減小模糊現(xiàn)象。綜合采用這些方法已經(jīng)可以使模糊現(xiàn)象達到人眼不易感知的程度。但這些方法大都比較復雜，有些還成本較高。隨著顯示向高清晰度方向發(fā)展，進一步提高運動圖像質(zhì)量的工作還會進一步深入發(fā)展，人們期待著有效，簡單，低成本方法的進一步出現(xiàn)。 8`~]9ej  
回想已經(jīng)100年歷史的CRT，它只用了8根引線和相應的電路就能掃出整個光柵和顯示視頻圖像，而且沒有運動圖像的問題，真是感慨不已。感謝當今高度發(fā)展的電子技術和IC產(chǎn)業(yè)，沒有它們的支持和配合，TFT-LCD的發(fā)展是很難想象的。