ADS类面板色偏关键影响因素

宋 聪，林丽锋，宋文亮,刘 炫，张 鹏，张洪林，贠向南

(福州京东方光电科技有限公司，福建 福州，350300)

1 引 言

液晶显示器(TFT-LCD)以其体积小、重量轻、耗能少等优势成为当前市场主流。根据液晶的转动方式，可分为垂直电场式和水平电场式，前者包括扭曲向列相(Twisted Nematic, TN)和垂直配向(Vertical Alignment, VA)两种，后者以面内转动(In Plane Switching, IPS)和高级超维场转换(Advanced Super Dimension Switch, ADS)技术为主要代表。一般认为在没有额外补偿的情况下水平电场式液晶显示具有宽视野角优势，各视野角下色偏性能优于垂直电场式液晶显示[1-4]。这里所指色偏含义为：在相同条件下观看同一色彩，不同的TFT-LCD个体所表现出的颜色差异[5]。由于消费市场对于面板色彩表现能力需求越来越高，色偏因此成为评价面板性能的重要指标；同时窄边框、超高透、高充电率等要求在ADS类面板像素设计上引起的色偏差异有所不同，因此讨论影响色偏的关键因素对指导面板设计具有重要意义。

本文以实际面板设计为基础，通过比较不同视角下色偏变化，理论阐述了RGB&RGBW两种彩膜方案对面板色偏的影响，在此基础上提出一种新的ADS类产品色偏评价方法，克服了现有方法在模拟大视角色偏时与实测结果差异较大的问题。同时根据实际测试结果比较了偏光片两种本征模式对色偏的影响。

2 色偏的模拟方法和测试结果

由于人眼对不同色彩的敏感度不同，显示行业中普遍使用均匀色彩空间CIE 1976 L*u*v*表征色偏。当进行初步色偏评价时，可用该体系中的色坐标距离表示[6]。CIE 1976 L*u*v*与CIE 1931XYZ色度系统的换算关系及色偏计算的数学表达式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：u’,v’表示色度，即从XYZ坐标系转变为L*u*v*坐标系。ΔE表示色偏量。在ADS类产品实际设计中，讨论相邻子像素灰阶状态和偏光片本征模式对色偏的影响。

2.1 相邻子像素灰阶状态

TFT-LCD的色彩表现基于彩膜基板的基本单元Red/Green/Blue 3个彩膜子像素。子像素的不同灰阶状态决定了画面色彩。当观察视角发生变化时，相邻子像素的灰阶状态会影响目标子像素的灰阶表现，宏观上即目标子像素颜色“不纯”从而形成色偏。此外以RGBW为子像素单元的彩膜层是近年来为满足LCD超高透需求而出现的另一设计，W透明层的加入可提高彩膜层50%～70%透过率[7-8]，但与RGB类彩膜产品相比，色偏值整体较大。

图1 彩膜类型、测试视角与色偏关系(L0画面)Fig.1 Color shift with color filter and view angle (L0 pattern)

图1为某TV RGB &RGBW 产品的色偏实测结果。对比可发现，随着视角增大，面板色偏逐渐增大，且RGBW与RGB的色偏差异在大视角(θ>45°)下更为明显。同时实测发现，当面板画面为彩色时，两种类型的色偏均进一步加大(图2)。

图2 彩色画面下RGB与RGBW产品色偏情况(φ=30°)Fig.2 Color shift of RGB &RGBW in color pattern(φ=30°)

一般认为，当ΔE>0.02时即具有明显的色偏。比较图1、图2可知，随着观察视角的增大，彩色画面下面板色偏较L0画面大，RGBW产品色偏较RGB产品大，色偏差异在大视角下更加明显。

这一现象可以使用偏光片非正交状态下像素漏光理论解释。如图3所示，正视状态时，面板上下偏光片光轴方向处于完全正交状态，两层偏光片达到最佳起偏和检偏效果。随着视角的增大，两层偏光片光轴处于非正交状态，从这一视角观察单色画面时，盒内L0子像素区域液晶预倾角的存在会引起相位延迟，该子像素发生漏光，因此大视角观察下面板色偏数值较大。

(a)

(b)图3 大视角色偏观察示意图Fig.3 Schematic picture of color shift in large view angle. (a)Polarization schematic; (b)Color filter schematic.

为准确表征非正视下面板的色偏情况，对原L*u*v*坐标系统中ΔE的计算进行修正。根据CIE 1931 XYZ系统定义，可以通过三刺激值XYZ的叠加表征不同灰阶相邻子像素的相互影响，进而计算色偏公式为：

(6)

X′=XR+XG+XB+XW，

(7)

Y′=YR+YG+YB+YW.

(8)

使用该修正算法模拟的色偏结果与原算法、实测数据对比如图4所示。当考虑相邻子像素影响时，色偏模拟值与实测值较为接近，尤其在超大视角(θ=-80°，80°)下，ΔE模拟值与实测值的差值由现有方法的0.19和0.17降低至0.03和0.05，这表明新的计算方法可以提高色偏模拟的准确程度，有效表征不同视角下色偏的实际情况。

图4 R255画面下现有方法、本文方法与实测色偏值比较Fig.4 Color shift comparing of existing method, new method and actual measurement

2.2 偏光片本征模式的影响

偏光片的本征模式是影响面板色偏的另一重要因素。定义偏振光入射方向与下层液晶取向方向平行时称为E-mode(extraordinary-ray mode)，垂直则称为O-mode(ordinary-ray mode)[9]。本征模式对面板光学特性的影响见于不同研究中[10-11]，有观点认为，单畴FFS模式中2ITO电极边缘液晶光调制机理为偏光效应，而电极中心处为相位延迟，因此E-mode色偏情况较O-mode好[12]。对于目前业内普遍使用的双畴或多畴设计，开态时畴之间液晶呈一定夹角，因自补偿效应使得色偏水平较低。实测两种本征模式L0色偏情况如图5所示。

图5 不同视角下偏光片本征模式实测色偏。(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°.

结合图6可知，偏光片本征模式对面板色偏有一定影响，0°，45°，90°，135°方位角下，O-mode均具有较好的色偏优势。0°方位角下由于ΔE绝对值较小，直观上两种模式色偏宏观表现相当。因此在实际产品设计中，用户对色偏性能有较高的需求时，往往采用O-mode作为对应方案。

图6 某TV产品实测L0画面下色偏比较。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 结 论

本文根据液晶面板设计的模拟与实测结果，比较了ADS产品中子像素状态、偏光片本征模式对面板色偏的影响。结果表明，随着视角增大，面板色偏逐渐增大，且相同测试条件下RGBW型彩膜产品色偏略大于RGB型。考虑大视角下，液晶面板上下两层偏光片光轴处于非正交状态，不同灰阶相邻子像素存在相互影响，本文提出的一种新色偏计算方法，克服了现有方法在模拟大视角色偏时与实测结果差异较大的问题，在超大视角(θ=-80°，80°)下，ΔE模拟值与实测值的差值由现有方法的0.19和0.17降低为0.03和0.05。同时比较了偏光片本征模式对面板色偏的影响：对于ADS双畴模式而言O-mode相比E-mode具有较好的色偏表现。