蔡 浩， 陈超平， 陈 捷， 程子垚

(1.昆山龙腾光电股份有限公司 产品研发中心，江苏 昆山 215300；2.上海交通大学 电子工程系 智能显示实验室，上海 200240)

1 引 言

日常生活中，笔记本电脑已经非常普及，在办公、娱乐或收发邮件的使用率越来越高，但在不同的场合使用，用户就会顾及个人隐私问题。当我们在观看或是撰写私人信息时候，并不想让周围的人看到。传统的解决方案是使用3M防偷窥膜片来达到防窥的目的。但当分享有趣的内容或是会议讨论时，就希望有广阔的视角让更多人看到。广窄视角技术可实现广视角(Wide Viewing Angle，WVA)与窄视角(Narrow Viewing Angle，NVA)一键切换，省去了额外贴附防窥膜的繁琐，其原理是基于广窄视角可切换TFT-LCD技术而实现[1-4]。

TFT-LCD是有源矩阵类型液晶显示器(Active Matrix LCD，AM LCD)中的一种。它具有低功耗、高对比度、高响应速度、适用范围广、易于集成化等特点，目前已成为面板显示产业主流技术之一。小到电子表、数码相机、智能手机，大到笔记本电脑、各种尺寸的显示器、平板电视，都在广泛使用TFT-LCD屏。TFT-LCD的主要原材料包括液晶、玻璃基板、背光模组、彩色滤光片、偏光片、驱动电路、化学气体与材料、外框、各类薄膜及其他材料。

2 背光模块

目前，不同于有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)的技术原理[5]，TFT-LCD模组的设计必需搭配背光单元来提供光源，如图1所示，其工作原理为由LED驱动点亮并控制条状的LED光源。现有的LED驱动所需的信号主要包括输入电压(VIN)、调光信号(Pulse Width Modulation，PWM)、使能信号(Chip Enable)等。对PWM的定义，还包括其调光频率及占空比，它们的取值有一定的范围及对应关系，调节占空比可对光源的强弱进行控制。

图1 背光模块原理图Fig.1 Schematic of backlight module

背光模块的调光方式有多种模式。表1、表2列出两种常见模式调光下PWM频率与占空比的对应关系。PWM调光技术为目前常用的LED调光技术。在进行脉冲宽度PWM调光时，需要提供一个额外的脉冲宽度调节信号源，通过改变输入的脉冲信号占空比来调制LED驱动芯片对功率场效应管的栅极控制信号，从而达到调节通过LED电流大小的目的。这种调光技术的优点在于应用简单、效率高、精度高，且调光效果好[6]。

表1 混合调光模式Tab.1 Mixed dimming mode

表2 PWM调光模式Tab.2 PWM Dimming Mode

3 广窄视角切换技术

3.1 广窄视角切换简介

广窄视角技术主要是在系统端通过按键来实现广窄视角之间的自由切换，可有效保护用户的个人隐私。图2展示了已应用该技术的代表性产品HP·EliteBook商用系列笔记本的广/窄视角模式(Elitebook显示屏的原始设计制造商为昆山龙腾光电股份有限公司)。

图2 HP EliteBook x360 1030 G2笔记本的广/窄视角模式Fig.2 Wide/narrow viewing angle modes of HP EliteBook x360 1030 G2

3.2 广窄视角切换原理

当彩色滤光片(Color Filter，CF)侧的公共(Common)电极施加偏压时，该偏压信号由STV信号触发同步产生，液晶分子在电场作用下沿电场方向排列，与基板之间的预倾角增大，倾角较大的液晶分子在斜视方向相位延迟与偏光板不再匹配，造成斜视漏光，对比度降低，视角缩小。其初始状态一般为宽视角，即CF侧不施加偏压，原理如图3所示。广视角模式下：TFT公共电极与CF公共电极用点银胶方式接在一起，直流电压驱动(DC-VCOM)；窄视角模式下：TFT公共电极等于DC-VCOM电压，CF公共电极等于AC-VCOM电压。

图3 广窄视角可切换技术的原理示意图Fig.3 Schematic of wide/narrow viewing angle switching mechanism

4 莫尔条纹的产生机理

莫尔是法语Moiré音译，原意是水面的波纹。从物理本质上解释，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象中的花纹就是莫尔条纹。对莫尔条纹的研究最早可以追溯到19世纪末期，20世纪50年代以后开始应用于实际测量，并逐步对莫尔条纹的形成机理展开了广泛的研究。深入研究它的形成机理、结构及其光强分布规律具有非常重要的意义。它能够指导如何改善莫尔条纹光电信号的质量以及光电位移传感器的结构设计。莫尔条纹的形成机理主要有以下3种理论：(1)基于阴影成像原理。认为由条纹构成的轨迹可表示莫尔条纹的光强分布。(2)基于衍射干涉原理。认为由条纹构成的新的光强分布可按衍射波之间的干涉结果来描述。(3)基于傅里叶变换原理。认为形成的莫尔条纹是由低于光栅频率项所组成[7-10]。本文所研究的莫尔条纹是从衍射光学角度描述的衍射干涉原理为理论依据。

在广视角模式下，随意调节背光亮度，其显示效果良好，并无莫尔条纹现象。当切换到窄视角模式，任意调节背光亮度时，莫尔条纹可见，尤其低亮度下表现明显。窄视角模式比广视角模式在彩色滤光片基板的氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)透明电极侧多加了一个偏压信号，因此可以断定液晶显示屏幕上的莫尔条纹与该交流偏压信号有关。以120 Hz刷新率为例，量测显示模组上的STV与PWM信号的波形，如图4所示，可看出其系统送出的PWM信号频率为1 kHz。

图4 PWM频率为1 kHz与STV信号的波形Fig.4 Waveform of STV and PWM with 1 kHz frequency

当不断调节PWM频率时，发现莫尔条纹现象的程度也在不断变化。在调节PWM频率时，STV信号固定不变，变化的只是两者的相位差。因此可以推断，其产生机理为：由于背光模组的调光信号PWM信号与施加在CF ITO侧的交流信号两者相位差不断变化，导致了人眼可见的干涉的花纹，因此产生了莫尔条纹。这会严重影响NVA模式下的画面显示效果。如图5所示，方框标识区域内，莫尔条纹明显可见。

图5 PWM频率1 kHz占空比49.8%下可见的莫尔条纹区域Fig.5 Visible area of moire under PWM with 1 kHz frequency and 49.8% duty

5 实 验

5.1 实验方法

断开由连接器端输入的PWM输入信号(PWMI)，使用函数信号发生器连接，将PWMI信号接入，规律性地调节PWM信号的频率及占空比，实际观测不同PWM频率及占空比下液晶显示屏在窄视角模式下的莫尔条纹现象。

5.2 实验结果

以31.75 cm(12.5 in)全高清(Full HD)(分辨率为1 920×1 080)液晶显示屏为实验对象，表3为不同占空比下，验证不同频率有无莫尔条纹现象所得的数据。数据表明：低灰阶、低频率、低占空比下莫尔条纹明显可见。

表3 PWM不同占空比及频率下的莫尔条纹状况Tab.3 Performance of moire under different PWM duty and frequency (Hz)

6 结果与讨论

6.1 解决方案

目前，绝大部分笔记本电脑使用的PWM频率为1 kHz。针对莫尔条纹问题，现有的解决方案为：拉高PWM信号的频率，如图6所示，使其与窄视角模式下施加在CF ITO侧的交流信号之间的相位差足够小，尽量避开人眼可见的范围。但此方案会引起占空比可调控精度低等问题。

图6 PWM频率为3.1 kHz与STV的波形Fig.6 Waveform of STV and PWM with 3.1 kHz frequency

对比传统的方案，本文的解决方案如下：图7为新的原理模块框图，无论前段系统送入的PWMI的频率为多少，使PWMI信号经连接器进入时序控制器(Timing Controller，TCON)后，产生PWM输出信号(PWMO)。为防止PWMO信号在一帧内的完整性，避免造成背光亮度上的差异，同步产生为STV频率倍数的PWMO信号进行输出，PWMO的占空比跟随PWMI的占空比，其TCON内部实现原理如图8所示[11]。电源开启后，STV经过计时器(Timer)计算两个上升沿的时间T，T参数反馈于PWM模块产生倍频(n/T，n的取值根据需求设定ROM code)的PWM信号输出，再通过STV上升沿触发PWM信号产生PWMO信号，并送至LED驱动。

图7 驱动模块框图Fig.7 Block diagram of driving module

图8 TCON内部功能原理框图Fig.8 Block diagram of embedded function in TCON

依据嵌入式显示端口(Embedded Display Port，简称eDP)协议的时序规格，如图9所示，电源开启后至少200 ms(该应用定义T8 min值为200 ms)后，背光才会点亮，其2个STV的周期远小于200 ms。STV与PWMO信号间的时序对应关系如图10所示。

图9 eDP的时序规格Fig.9 Timing specifications of eDP

图10 STV与PWMO对应时序关系Fig.10 Timing relation between STV and PWMO

6.2 实测结果

如图11所示，使用函数信号发生器，将液晶显示屏的STV信号引出接入设备，作为触发源，然后产生与STV同步的PWM信号后输入至LED驱动。

图11 使用函数信号发生器通过STV触发PWM验证示例Fig.11 Verified example of PWM signal triggered by STV with function signal generator

以31.75 cm(12.5 in)液晶显示屏为例，其刷新率为120 Hz，即STV的频率为120 Hz。如图12波形所示，通道一为STV信号，通道二为PWM信号，实际观测如图13所示，未观察到明显的莫尔条纹现象。使用色彩分析仪CA-310量测64灰阶下莫尔条纹中心区域的闪烁度，其值由68.5%～72.3%之间的循环跳变，变成稳定的69.9%，如图14所示。

图12 通过STV触发PWM信号的波形Fig.12 Waveforms of both STV and PWM signals

图13 无莫尔条纹现象图Fig.13 Image free from moire effect

图14 使用色彩分析仪CA-310量测莫尔条纹中心区域的闪烁度Fig.14 Flicker value in the center area of moire measured by CA-310

7 结 论

在广视角模式下并没有莫尔条纹，只有当切换到窄视角模式下并且背光亮度较低时才可见。而窄视角模式下比广视角模式在彩色滤光片的透明电极侧多加了一个交流偏压信号。从莫尔条纹产生的机理和实验数据的结果可知，其产生机理为脉冲宽度调制信号与窄视角模式下施加在彩色滤光片的透明电极侧的交流面板信号之间的相位差不断变化所造成。本文通过将脉冲宽度调制信号与每帧的起始信号相同步，经过实际验证，本文的方案可有效解决莫尔条纹的问题。在1 kHz、49.8%占空比的脉冲宽度调制信号下，使用色彩分析仪量测64灰阶下莫尔条纹中心区域的闪烁度由68.5%～72.3%之间的循环跳变，变为稳定的69.9%。考虑到所产生的脉冲宽度调制信号的频率需为起始信号频率的倍数，其有效地防止了脉冲宽度调制信号在一帧内不完整而造成背光亮度上的损失。对比传统的只是单纯拉高脉冲宽度调制信号频率的方案，本文提出的方案在解决莫尔条纹上的效果具有明显优势，在窄视角模式下给用户更好的视觉体验。