彩色液晶显示器件色差补偿优化

占红明，徐 征，董 学，陈 明，金 雄，布占场，邵喜斌，李成圭

（1.北京交通大学 光电子技术研究所，北京 100044；2.京东方科技集团股份有限公司 产品开发中心，北京 100176；3.北京交通大学 发光与光信息技术教育部重点实验室，北京 100044）

1 引 言

彩色液晶显示（LCD）技术由于其具有轻薄化、低功耗、无辐射、低成本等诸多优点已广泛应用在各种显示类产品中［1－3］。LCD器件中彩色的实现主要是通过彩膜基板上RGB三色或多基色颜料，利用阵列基板上薄膜晶体管（TFT）来控制液晶对光的调制，从而调节RGB各基色的比重，在空间混色后实现不同的颜色［4］。

为了便于定量地评价显示器件对颜色的再现性能力，人们提出了诸如色度、亮度、色域及色差等概念，并进行了相关的研究［5－7］。针对色差的评价，也有如CIE Lab、CEI LCH、CMC和等不同的表征和评价方法［8－9］，其中容差公式以一个数值代表总色差，是目前较常采用的容差公式。

目前，在改善LCD器件的色差方面，主要采用的方法有背光调节、彩膜颜料调节或电路调节等［10－11］，对LCD器件的整体显示效果影响较大。本文利用液晶层厚与RGB三色透过率的关系，通过颜料厚度的调节，达到非一致的RGB三色液晶层厚，从而实现对RGB三色Gamma的分别调节，优化特定图形下的色差。

2 色差定义与现象

2.1 色差的定义

CIE1976 L＊a＊b＊空间由CIEXYZ系统通过数学方法转换得到，转换后的空间用笛卡儿直角坐标体系来表示，形成了对立色坐标表述的心理颜色空间，L＊来表示心理明度，a＊、b＊为心理色度。在这一坐标系统中，＋a＊表示红色、－a＊表示绿色、＋b＊表示黄色、－b＊表示蓝色，颜色的明度由L＊的百分数来表示。

色差是指用数值的方法表示两种颜色给人色彩感觉上的差别。若两个色样样品都按L＊、a＊、b＊标定颜色，则两者之间的总色差以及各项单项色差可用下列公式计算［8］：

表1 CIE1976标准色差图形Tab.1 Standard chromatic aberration pattern in CIE 1976

2.2 色差现象及原因

如图1所示为普通液晶显示结构Gamma曲线。从图中可以看出，白光的Gamma曲线与标准的2.2可以较好重合，但R、G、B三色的Gamma曲线却存在一定的偏移，尤其是R和B。从而导致对于青色画面（128，192，192），其色度坐标和色差如下表2所示。

图1 普通液晶显示结构RGB Gamma曲线Fig.1 RGB Gamma curves in normal LCD

表2 （128，192，192）灰阶图形色差现象Tab.2 Chromatic aberration at（128，192，192）pattern

可以看出，由于B的Gamma曲线偏2.2上方，其相对强度偏大，青色画面的坐标从标准的A（－20.28，－6.5）偏移到了B（－19.9，－26.9），发生了Blue shift，如图2所示样品在CIE1976 L＊a＊b＊空间的色度情况，此时色差达14.1，色差Margin较小。

3 模拟与实验

液晶显示器件中不同颜色的获得通常是通过液晶对R、G、B三色像素强度比例的调制来实现［4］。为了改善（128，192，192）图形下 ΔE＊，我们对该图形下ΔE＊与三色像素透过率的关系进行了模拟，如图3所示。

图3 （128，192，192）图形下 ΔE＊与三色像素透过率的关系模拟Fig.3 Relation betweenΔE＊ and transmittance of RGB at（128，192，192）pattern

从图中可以看出，G和B透过率的变化对（128，192，192）图形下色差 ΔE＊影响较大，其中G透过率与该图形下样品色差成反比，相反，B透过率则与之成正比。因此，（128，192，192）图形下色差的优化可以通过增大G的透过率或减小B的透过率来实现。

图4 彩色液晶显示结构图Fig.4 Schematic structure of color LCD

如图4所示为传统彩色液晶显示结构图［4］。阵列基板（TFT substrate）和彩膜基板（CF substrate）之间通过柱状隔垫物支撑（PS）维持一定的液晶盒厚，中间充满液晶，其中CF基板上通过R、G、B三色像素实现彩色，两相邻像素间通过黑矩阵（BM）分割防止混色。设R、G、B三色颜料厚度分别为TR、TG、TB，三色像素对应的液晶层厚（Cell gap）分别为dR、dG、dB。则通常情况下

由于在一定的相位延迟区间内液晶的光效与其层厚有正比关系［2］，为了增加G像素和降低B像素在三色像素间的相对强度，进而调节各单元Gamma，使RGB Gamma曲线向白光Gamma靠近。我们设定

如表3所示，我们采用LCD master软件对三像素液晶层厚与ΔE＊的关系进行了优化模拟。从模拟结果可以看到，当保持R像素的层厚基本不变，G像素的层厚从3.38μm增加到3.5μm，B像素的层厚从3.4μm分别减小到3.35μm和3.25μm 时，预测的 ΔE＊可以从14.1降低到12.5和11.3。

表3 优化结构中ΔE＊模拟Tab.3 ΔE＊ simulation for optimized structure

4 结果与讨论

如表4和图5所示为通过R、G、B三色像素彩膜膜厚调节，实验得到的三色液晶层厚和色差ΔE＊数据。相比于普通设计，优化的三色液晶层厚设计，R、G、B 三色像素液晶层厚从（3.47，3.38，3.4）μm分别调整到（3.5，3.45，3.36）μm和（3.5，3.44，3.28）μm 时，（128，192，192）图形下色差ΔE＊呈下降的趋势，其样品色差平均值从13.8分别降低到12.8和12，优化的样品1与模拟结果基本符合，而样品2比模拟结果稍偏大，其原因是样品2的实际G和B的液晶层厚分别较设计值偏小和偏大。

表4 不同彩膜膜厚在样品（128，192，192）图形下ΔE＊实验结果Tab.4 ΔE＊ of different samples at（128，192，192）pattern

图5 不同样品（128，192，192）图形下ΔE＊实验结果Fig.5 ΔE＊ of different samples at（128，192，192）pattern

为了分析色差改善原因，我们对比了普通和优化结构下RGB的Gamma曲线及其放大图，如图6所示。从图中可以看到，由于R、G、B三色液晶层厚的优化，进而调节了各单元的液晶光效，实现了调整R、G、B三色强度的比重，即在R、G、B三色中，G的强度增强，B的强度相对减弱。相对于普通Gamma，优化的RGB Gamma曲线向标准Gamma 2.2靠近，从而改善了（128，192，192）图形下色差。

图6 RGB Gamma曲线Fig.6 Comparison of RGB

实际设计过程中，考虑到R、G、B三色像素彩膜膜厚差异（像素段差）过大可能带来的工艺不稳定性，我们进一步研究了当彩膜膜厚不变的情况下，通过液晶量的调节，来同时改变三色像素的液晶层厚对色差的影响。如图7所示为实验的（128，192，192）图形下色差与液晶量的关系。从实验数据拟合的直线来看，色差与液晶量（液晶层厚）呈正比关系，液晶盒层厚每减小1%时，色差约有0.2的降低。可以解释为，低的液晶层厚意味着在其它条件不变的情况下，更低的RGB三色像素透过率，相应低的RGB透过率差异，即小的RGB Gamma差异。因此，通过降低液晶层厚也可以一定程度上改善色差。

图7 （128，192，192）图形下不同液晶量ΔE＊实验结果Fig.7 ΔE＊ of different LC amount at（128，192，192）pattern

5 结 论

针对特定图形下色差的问题，对色差产生机理进行了分析，模拟分析了RGB透过率对色差的影响，通过调整RGB三色膜厚相对调整了液晶盒层厚，进而调整三色透过率比重，改善了RGB Gamma曲线特性，对色差进行了优化补偿。模拟和实验结果表明，增加G的盒厚和减小B的盒厚，对色差有改善效果，（128，192，192）图形下样品色差平均值从13.8分别降低到12.8和12。同时，色差与液晶量（液晶盒层厚）呈正比关系，液晶层盒厚每减小1%时，色差约有0.2的降低。

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