LCD顯示屏出現閃爍的原因與解決

比較CRT與LCD兩類顯示屏時，其中一項最為普遍見到的差別是閃爍問題。一般都會以為CRT顯示屏有閃爍，而LCD則沒有，查實兩類顯示屏皆有某程度上的閃爍，機制上的差異和糾正方法影響到成功率。本文講述LCD顯示屏上出現閃爍的原因，并且提出避免閃爍的方法。

LCD顯示技術

??? 液晶體顯示屏（LCD）於1973年出現於計算器上，首個LCD是嵌入有七段字畫，讓數字得以被顯示。下一代LCD則於1980年面世，屬於點陣式（dot-matrix）顯示，除顯示數字外，還有字符和圖形，比如是簡單的單色電腦顯示屏或者流行的“電子寵物” 他媽哥池。這些矩陣設計藉著啟動陣中的行與列的像素作為控制，取代了每一像素需一條獨立的控制線。至1980年代末，彩色濾光片成功地嵌入LCD設計里面。自始以後，歷代產品皆集中於屏幕尺寸、顯示器重量，能量效益、視角等提升上。???????????????

??? 雖然不斷改良，但是LCD顯示屏的基本操作仍舊不變。LCD顯示屏的像素陣不斷地被背底光照耀，?久的光消除了在CRT發現的一類閃爍（磷點隨每一刷新周期作脈動閃光））。反之，LCD像素夾在上下兩塊帶有彼此垂直坑紋的玻璃板之間，如圖1所示。這些坑紋對準液晶體，組成通道，給背底光通過往屏幕的前方。透射的光量取決於液晶體的方位。并且與施加的電壓成比例。

??? 上下兩板是彼此垂直偏光的。兩板之間的電壓調校液晶體於扭曲模式中，以配合每一板的偏光。來自背底光的光線穿過已調校的液晶體。反之，當液晶體沒有被調校時，光線就被阻隔，調校的分量與施加電壓成比例，并且擔當為光度控制。

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????????表1. 列出各種不同視像格式的像素陣列大小

??? 外層板是濾色鏡片（RGB），紅、綠、藍區（每一稱為子像素）被納入於每一像素里，與每一原色相關的色區被分開尋址，故此能夠顯示全色彩和光度。像素數目決定了顯示屏的清晰度。表1列出各種不同視像格式的像素陣列大小。須注意像素陣列大小的數目不是直接轉為寬高比，因為像素不是呈典型的正方形。

LCD閃爍的原因

????????????????????????圖2. LCD顯示屏中閃爍的視覺例子。
???（a）（左圖）LCD經優化的閃爍。???????? （b）（右圖）LCD有過量閃爍

??? 在LCD顯示屏上的閃爍有別於CRT，LCD閃爍乃本身呈現褪色，而并非是脈動光。如圖2a及2b所示，圖2a是LCD顯示屏經己被調節至減少閃爍，而圖2b是LCD有過強閃爍，這是因為LCD的刷新率高達300Hz所致。
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?????????????????圖3. 單一LCD像圖之電路

??? 圖3所示為驅動單一LCD像素的電路。柵極電壓充電為一個開關，一般被放大至成為-5V至20V，視頻源極上一般電壓范圍由0V至10V，提供出現在像素上的亮度信息。像素下面是被連接到屏幕的底板，在這節點上的電壓為Vcom。

??? 這種布局方式雖發揮作用，但卻減低屏幕壽命，假定Vcom電壓在地。像素上的電壓變化由0V至10V，假定平均為5V，這就有重大的DC電壓在每一像素的兩端，這DC電壓造成電荷儲存。在長期來講，因著像素上的電極電鍍

??? 有離子雜質而令到像素惡化，這是導致影像殘留的原因，常見於舊的TFT-LCD屏板上顏色變淡。

??? LCD屏幕的結構是對稱的（圖1），正壓與負壓任一個都可利用來調校液晶體，其中可以充份利用這方面的是將公共電壓移到視頻信號的中點（5V），現在視頻信號上下擺動於公共電壓（Vcom）上，於是在像素上制造出一個“凈零效果”（net-zero effect）。這個發生在液晶體上的凈零效果消除了老化和影像殘留問題。這種技術要在清晰度上作出協調，因為視頻信號行走5V至全亮度，代替10V。

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圖4. 交替幀中對於三種反轉模式的LCD像素相位分布∶幀反轉、線反轉、點反轉。

??? 要在顯示屏上獲得一個凈零效果，可以在整個LCD畫面上使用各種不同的反轉模式（圖4）。最簡單類型是幀反轉（Frame Inversion），在這種驅動方法下，畫面上每一像素都在繼後每一幀中反轉了。幀反轉在像素上造出一個相對於時間的凈零效果。其他兩種方法都是納入於每一幀內的反轉，線反轉（line inversion）在每一水平線上交替改變相位。線反轉的交替方式施加在一對水平線的公共相位上（而非單一線），稱為線對反轉（line-paired inversion）。點反轉（dot inversion）是反轉每一相鄰像素的相位 好像西洋象棋的棋盤。三種方法也是在像素上造出相對於時間的凈零效果。反轉模式由廠方選擇，并將之嵌入在驅動電路里。在所有情況當中，每一顯示幀都是交替反相的。

??? Vcom電壓需準確放置在視頻信號中點上才能避免閃爍。當要說明為何顯示屏會閃爍，假定因為制造屏幕的關系。Vcom定在5.5V。倘若視頻信號擺動於0V與10V之間，滿度電壓就會在每一圖場有所差別，在一圖場上滿度電壓是4.5V，而在另一圖場的滿度電壓是5.5V，在滿度電壓中這個差異會轉化為光度差，於是出現閃爍。

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??????????????????? 圖5. 使用光敏傳感器EL7900測量屏幕的閃爍

??? 圖5示出有與無閃爍下的畫面光強差別，淺色波形有較大DC電平，錄得畫面沒有閃爍，是次測量利用一個EL7900光敏傳感器。光敏傳感器將光強轉變為電流，電流越大，在示波器上產生的電壓偏轉也越大。

??? 為了讓大家明白這些結果，首先需知道有兩種LCD畫面∶“白”畫面與“黑”畫面。白畫面在緩和狀態中（沒有電壓施加在液晶體上）給光通過液晶體，而黑畫面則在緩和狀態中阻隔全部光。當施加在液晶體上的電壓增加時，液晶體旋轉。此舉阻隔更多光（正如在白畫面的情況）或者讓更多光通過（正如在黑畫面的情況）。屏幕測試是白畫面，所以液晶體上施加的電壓越大，畫面就越暗。倘若Vcom電壓準確設定在中間（無閃爍），那麼，平均AC電壓便是零，畫面仍會是在其最亮點。倘若Vcom電壓不在中間。那麼，結果AC電壓就會更高，於是畫面亮度會較暗。

??? 圖2b中的褪色是由於Vcom電壓不平衡導致液晶體上錯誤電壓所造成，并非是整體光強問題。

消除LCD閃爍的方法

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? 圖6. （a）（左圖）使用機械式電位器調節VCOM。（b）（右圖）使用數控電位器調節VCOM。

??? 由於每一LCD顯示屏在結構上都有變化，最佳Vcom電壓值在LCD與LCD之間會有差異，所以，原設備制造商必須調節每一臺出廠的顯示屏，消除這種閃爍，對於小顯示屏來講，可視底板為一個低阻抗地，這樣可加添一個電位器作為公共電壓調節，一般來講，使用機械電位器及需要額外的工時。對於小屏幕來講

??? 這是可接受的，縱使在大屏幕方面。準確較低及在組裝期間很容易被破壞，需整個組件更換。超過19英寸的屏幕，底板再不能視作為單一的低阻抗節點，需在屏幕不同位置上作多重修正，也許要多至五個局部補償網絡，四個在角落,一個在中間，在這情況下∶數控電位器（Digitally Controlled Potentiometer, DCP）可以給制造商自動處理該項加工，對於大屏幕而又無法實行人手調校來講是有必要的。圖6a和圖6b示出機械與數控電位器的解決方案。

????????????圖7. DCP軟件可編程VCOM之應用電路

??? 從機械式電位器轉換到DCP和系統實行方法查實很簡單，圖7所示為DCP軟件編程Vcom驅動器的應用電路，ISL45042為電流輸出型、非易失性DCP，可操作於AVDD高達20V，ISL45042采用雙線、上下界面，是極之準確的7 bit器件，分辨率有128級，所需的Vcom值可儲存於板上的EEPROM。數字電路的電壓范圍由2.25V至3.6V。這使到它能與當今所采用的許多控制器接界。模擬電源施加於模擬電阻梯上，可操作於4.5V至20V，對於一般需少於10V模擬電源的小屏幕和需大於15V模擬電源的大屏幕來講這是一個重要特徵。DCP輸出電壓經緩沖及EL5111放大器（180mA輸出電流）往Vcom總線。

??? 與流行的看法完全相反，LCD顯示屏是存有閃爍的，不過簡單的電位器調節是可以減低該影響，因為LCD閃爍出現在公共電壓的偏移上，而并非在刷新信號上。

??? 隨著LCD越來越流行和屏幕尺寸不斷增大，在底板上的單一點人手調節不再可行了，使用ISL45042 DCP和EL5111 Vcom緩沖器便可在底板的多點上進行Vcom偏移自動修正，效果更為明顯。