OLED电视残影消除和寿命提升

2020-08-05王俊生徐遥令宁洪龙邹建华吴为敬彭俊彪

液晶与显示 2020年8期

王俊生，徐遥令，王磊，宁洪龙，邹建华，吴为敬，彭俊彪

(1. 华南理工大学高分子光电材料及器件研究所，发光材料与器件国家重点实验室，广东广州 510640； 2. 创维集团，广东深圳 518053)

1 引言

有机发光二极管(Active Matrix Organic Light-Emitting Diode，AMOLED)具有自发光、响应速度快、对比度高、视角广等的特性，得到广泛应用[1-8]。AMOLED显示的发光亮度与流过OLED器件的电流大小呈正向比例关系。OLED电视是用AMOLED显示屏作为屏幕的电视机。实际使用中,其AMOLED显示屏驱动薄膜晶体管(Thin film transistor，TFT)将产生阈值电压漂移，使TFT在同样驱动电压下产生不同的驱动电流，导致显示灰阶亮度不一致；同时OLED会随着使用时间的增长产生退化、发光效率降低，不同颜色以及不同区域的OLED器件工作时间不一致，会导致OLED发光亮度不一致产生不可逆的残影，残影无法消除将严重缩短OLED使用寿命。为解决OLED残影及寿命问题，通常采用像素补偿电路来补偿OLED驱动TFT阈值电压(Vth)，使OLED驱动电流一致，以避免残影的产生[9-11]。然而采用像素补偿电路存在电路设计复杂、响应速度慢，集成难度高、影响OLED面板开口率等问题。

本文提出了残影消除和寿命提升两种方案，一是采用像素补偿方法，即对OLED电视图像驱动信号的各个像素显示数据进行不同的灰阶补偿，使OLED电视屏幕发光亮度均匀一致；二是采用电流补偿方法，即在OLED使用过程中的不同时间点来进行驱动电流补偿，消除或降低OLED显示残影，改善显示均匀性,提升图像显示质量和OLED电视屏幕使用寿命。

2 方案构成及关键技术原理

OLED电视残影消除和寿命提升方案如图1所示，由图像解码、图像补偿、测试序列生成、表集、列驱动、OLED电视屏、以及亮度计模块组成。其中， OLED电视屏具有M×N个OLED像素Pij，其中i=1，2，...，M,j=1，2，...，N；列驱动模块由M×N个TFT管组成，与电视屏幕M×N个像素一一对应。

OLED电视屏工作时，外部输入的视频图像信号Vsig经过图像解码、图像补偿后输出驱动信号Vcdata，并在控制信息的控制下驱动电视屏的OLED像素Pij发光，呈现视频图像。OLED电视残影消除和寿命提升方案的关键步骤与技术原理包含补偿表集生成、像素补偿和电流补偿3个方面内容。

图1 OLED电视残影消除和寿命提升方案示意图Fig.1 Schematic diagram of OLED TV image-retention elimination and lifetime extension

2.1 补偿表集生成的步骤与方法

补偿表集是像素补偿和电流补偿的基础，分为像素补偿表集和电流补偿表集两部分。利用测试序列生成模块产生各个标准灰阶信号Ax_Gray_s(x=1，2，...，Z)以及各个标准灰阶对应的参考亮度值Bref_Ax，补偿表集模块存储各个灰阶对应的补偿表LAx，每一个补偿表存储各个像素对应的驱动电压补偿值Lij_Ax，初始状态时各个Lij_Ax设置为0。

在像素补偿表集生成时，OLED电视不接收外部信号，测试序列生成模块依次产生各个标准灰阶信号灰阶Gs_Ax，图像解码模块将灰阶Gs_Ax解码为具有M×N个像素显示数据Vdata_ij_Ax的显示数据Vdata_Ax；接着图像补偿模块对Vdata_Ax进行补偿处理，即读取表集中该灰阶对应的像素补偿表LAx，并使得每个像素驱动电压数据Vcdata_ij_Ax等于该像素显示数据Vdata_ij_Ax与驱动电压补偿值Lij_Ax之和；紧接着，列驱动模块接收Vcdata_Ax后，在控制信息的控制下依次打开与电视屏幕像素对应的TFT管，使得具有M×N个像素的电视屏幕的像素Pij依次发光；同时在测量控制信号的控制下,使用亮度计测量电视屏幕各个像素Pij的实际亮度值Bij_Ax。最后，比较Bij_Ax与参考亮度值Bref_Ax的大小，并调整驱动电压补偿值Lij_Ax，使得实际亮度值Bij_Ax与参考亮度值Bref_Ax相等，用调整后的驱动电压补偿值Lij_Ax来更新像素补偿表LAx，并更新像素补偿表集。

2.2 像素补偿方案原理与实施过程

OLED电视屏工作时，像素补偿模块将自动根据图像解码后各像素的灰阶值读取补偿表集中对应的驱动电压补偿值，对OLED电视图像驱动信号的各个像素显示数据进行补偿，使得OLED电视屏幕发光亮度均匀一致。具体方法如下：

在正常图像显示时，测试序列生成模块不再进行工作。外部输入的视频图像信号Vsig经过图像解码模块解码后得到图像显示数据Vdata，Vdata具有M×N个像素显示数据Vdata_ij；图像补偿模块获取像素显示数据Vdata_ij的灰阶值Vdata_ij_AK，从表集查询对应的像素补偿表LAK，获取像素驱动电压补偿值Lij_AK，用Lij_AK来补偿显示数据，即像素驱动数据VCdata_ij等于像素驱动电压补偿值Lij_AK与像素显示数据Vdata_ij之和，输出具有M×N个像素驱动数据的驱动数据VCdata；驱动数据VCdata通过电压驱动像素TFT产生电流，驱动OLED像素发光，使屏幕显示图像。

图2 OLED电视使用时间与亮度衰减曲线示意图Fig.2 Variation curve between using time and luminance attenuation

利用表集中补偿表LAK中的像素驱动电压补偿值来对像素显示数据进行补偿后，驱动OLED屏幕显示图像，使得在相同灰阶信号输入时， OLED屏幕各像素显示的亮度一样，避免各个像素因TFT阈值电压不一致产生在同一灰阶信号下的亮度不一致，防止或缓解了残影的产生，有效提升了OLED电视的图像显示质量。

2.3 电流补偿方案原理与实施过程

随着使用时间的增长，OLED会产生退化及发光效率衰减等，在相同的TFT驱动电流驱动下其亮度变化较大，影响OLED的使用寿命。如图2所示，如果OLED在T0，T1，T2，T3...等各个时间点TFT驱动电流不变，亮度将快速降低，导致显示屏亮度不均，产生显示屏残影现象。

为延长OLED使用寿命，本文提出的电流补偿的方法是，预先设定OLED屏幕的目标亮度衰减曲线，即在T0，T1，T2,...，Tt，等各个时间点时OLED显示亮度的目标值对应的电流值Id0，Id1...，Idt...；同时，自动检测在实际使用过程中，各个预设时间点的实际电流值UId0，UId1，...，UIdt，...；随后，自动改变驱动数据，调整TFT驱动电流，使得实际驱动电流达到目标值，即每一个时间点增加的电流值为ΔIdt=Idt-UIdt，从而补偿各个时间点的TFT驱动电流，提升OLED器件亮度，增加显示屏的亮度均匀性，提高OLED屏的使用寿命。

电流补偿表集的生成与前述像素补偿表集的生成过程相同，只是需要生成包括所预设的在时间点T0，T1，T2。...，Tt，...OLED像素在各灰阶下的目标亮度所对应的像素驱动电流Id_ref值的补偿表集，存储在补偿表集模块中。

电流补偿的实施是在像素补偿的基础上实现的，通过补偿模块在预设各时间点自动调取相应的电流补偿表集的像素驱动电流Id_ref数据进而相应调整像素补偿表集的驱动电压补偿数据来实现补偿。以T1时间点为例，OLED电视屏以T0为起点，当累计工作时间达到T1时间点时，自动启动T1时间点的电流补偿。具体过程为：测试序列生成模块依次产生各个标准灰阶信号灰阶Gs_Ax，像素补偿模块从电流补偿表中读取T1时点像素Pij在该灰阶时的目标电流值Id_ij_T1_ref_Ax，并检测该像素的实际驱动电流Id_ij_T1_Ax；调整驱动数据Vcdata_ij_Ax，直到该像素驱动电流Id_ij_T1_Ax值与目标电流值Id_ij_T1_ref_Ax值相等。然后用像素驱动数据Vcdata_ij_Ax在调整后和调整前的差值ΔVcdata_ij_Ax，来更新像素补偿表集中的相应电压补偿值Lij-AK，即新的电压补偿值Lij_AK_T1等于Lij_AK与ΔVcdata_ij_Ax之和。在T1时间点之后，补偿模块将以更新后的像素补偿表集实施像素补偿，直到累计工作时间达到T2时间点，则进行T2时点的电流补偿。后面依次类推。

3 验证分析

我们选取了3块受测OLED电视屏幕(分别编号为1号屏、2号屏、3号屏)进行测试，测试图像采用如图3(a)所示的白/绿/红/蓝差异色块图及图3(b)所示的纯色色块图，差异色块图和纯色色块图分别被分为1～8区域。根据对电视在家庭使用场景所播放视频的调查统计，OLED电视屏像素发光最大平均压力状态下纯白色、纯绿色、纯红色、纯蓝色的亮度值分别为101.5，36.1，12.5，5.7 cd/m2；而所有像素发光平均压力状态下相应颜色的亮度值分别为80.2，23.6，8.2，4.5 cd/m2。图3(a)所示的白/绿/红/蓝差异色块示意图中，每个色块分为像素最大平均压力状态亮度和像素平均压力状态亮度两个区域，1/2区域亮度分别为101.5，80.2 cd/m2，3/4区域亮度分别为36.1，23.6 cd/m2，5/6区域亮度分别为12.5，8.2 cd/m2，7/8区域亮度分别为5.7，4.5 cd/m2。图3(b)所示的白/绿/红/蓝纯色色块示意图中，每个色块分为同样都是像素平均压力状态亮度的两个区域：1/2区域亮度相同为80.2 cd/m2，3/4区域亮度相同为23.6 cd/m2，5/6区域亮度相同为8.2 cd/m2，7/8区域亮度相同为4.5 cd/m2。

图3 W/G/R/B纯色色块及测试点示意图Fig.3 Diagram of W/G/R/B pure color blocks and test point

这里采用的色彩分析仪为日本柯尼卡美能达CA310，实验时环境温度为25 ℃，湿度为45%。

根据我们对OLED电视屏在显示图像时的主观评价，当屏幕显示像素发光平均压力状态下的纯白色时，如屏上不同区域间平均亮度差异达到5%，观看者视觉上会开始感觉到明显色差；而当显示像素发光平均压力状态下的纯绿色、纯红色、纯蓝色时，则亮度差异达到10%时，观看者视觉上才会开始感觉到明显色差。

实验采用常规测试方法，开始时间点为T1。即：(1)T1时，OLED电视开始并持续播放图3(a)所示差异色块图像；(2)每隔一段时间间隔t时，切换播放图3(b)所示纯色色块图像，用色彩分析仪测试白/绿/红/蓝纯色色块1～8区域的亮度；(3)当W色块的1区域和2区域亮度差异达到5%时，时间记为Tn，则认为残影产生，则白色块残影时间为Tn～T1；否则继续上述过程直至残影产生。同理可以得到其他色块的残影时间，所不同的是将绿/红/蓝三色的亮度差异达到10%时认为是残影产生。

然而，这种常规测方法一般要达到上万小时，在实际检测中，采用加速老化进行测试来缩短检测时间。加速测试的白/绿/红/蓝差异色块图如图4所示。

图4 加速测试的W/G/R/B色块示意图 Fig.4 Diagram of accelerated tested W/G/R/B color blocks

图4差异色块图与图3(a)差异色块图的区别在于亮度，其中：1/2区域亮度分别为322.2，254.6 cd/m2，3/4区域亮度分别为260.3，170.2 cd/m2，5/6区域亮度分别为66.2，43.4 cd/m2，7/8区域亮度分别为33.9，26.8 cd/m2。

图3(a)差异色图各区域的亮度标记为Lref,图4差异色块图各区域的亮度标记为Lacc。根据实践中积累的经验值，把加速系数facc定义为：

(1)

例如W色块加速系数为：

(2)

由此，可以计算出白色块的加速系数约为8，绿色块加速系数约为35，红色块加速系数约为20,蓝色块加速系数约为25。

实验过程中，3块OLED屏同时播放图4所示的差异色块图，进行加速老化。实验过程与常规测试方法基本相同。当残影产生后无法采用补偿措施消除时，则停止实验。在实验过程中各显示屏的具体条件设置如下：

1号屏在加速老化实验过程中不进行像素补偿，也不进行电流补偿，但一旦检测出现残影，则进行电流补偿，补偿完毕后继续老化，如此循环。

2号屏在加速老化实验过程中不进行像素补偿，也不进行电流补偿，但一旦检测出现残影，则进行像素补偿，补偿完毕后继续老化，如此循环。

3号屏在加速老化实验过程中同时进行像素补偿和电流补偿，进行补偿的周期为24 h。

测试3个屏在不同时间点时白/绿/红/蓝纯色色块相邻区域的亮度差(或亮度差异率)，结果显示如表1。其中，T1～T10对应老化时间为192 h；并每隔24 h测试一次亮度变化率，T11～T16如表1所示。

从表1可以看出，OLED屏在绿色区域(3/4测量区域)的残影时间最短，图5中显示了1、2、3号显示屏的绿色块老化趋势曲线。从图可以看出，1号屏和2号屏在T11时间点开始，即老化216 h，绿色亮度差超过10%，出现残影；通过在T11时间点进行电流补偿或者像素补偿，可以看到在随后的工作时间段，亮度差减小，残影减弱；继续老化至T14时间点，残影再次出现，但此后通过电流补偿或者像素补偿可以缓减残影，但不能消除残影。而3号屏在一开始加速老化时就进行电流补偿和像素补偿，显示屏色块相邻区域的亮度差相比于1号和2号显示屏，亮度差一直较小，到测试T16时间点都未出现残影，显示屏的寿命得到了较大程度的提升。

表1 测试样屏亮度差异率Tab.1 Brightness change rate of test sample screens

图5 1、2、3号显示屏加速测试绿色区域的亮度差变化趋势图。Fig.5 Trend chart of measurement difference change in green areas of accelerated tested No. 1, 2 and 3 screens, respectively.

更进一步，1号屏加速老化的残影时间约为216 h，换算得到对应的常规老化的残影时间为7 560 h，通过电流补偿将残影时间延长至10 080 h，残影时间延长率达33%；2号屏采用像素补偿，对残影时间的影响与电流补偿基本相同；而同时采用电流补偿和像素补偿的3号屏残影时间提升至13 340 h以上，相比于没有补偿的显示屏，残影时间延长率提升近80%。

基于上述实验验证及对比分析表明，电流补偿和像素补偿能够有效消除或缓解OLED电视屏残影的产生，提高其使用寿命。