第三章 平板显示面板设计(一)
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色序法（color sequential）
3.2 α-Si:H TFT LCD显示技术
3.2.1 LCD的驱动技术基础
1、LCD显示的基本原理
2、液晶交流驱动
3、均方根电压
4、电光响应
5、无源矩阵驱动 6、有源矩阵驱动
■ LCD Display 分类
1、LCD显示的基本原理
Liquid Crystal Display
为了减小交叉效应，获得良好对比度的图象，必须(常黑模式）
Von Vsat ,
Voff Vth
定义一个表示工作电压范围的裕度：
Vsat是显示像素透 光率刚好达到饱和 的电压
Von b 2 ( N 1) Voff (b 2) 2 ( N 1)
因为行数N已给定，必有一个b值使= max。
（2）
脉冲灰度调制
调制数据脉冲的宽度，即可实现一个个像素上的灰度调
制。由于液晶对过窄脉冲不能响应，所以一般限于以4位移
位寄存器调制16级灰度，即列信号的宽度有16种组合。
二值图像与灰度图像
不同灰度级的图像
4 、 颜色
• 彩色化方式
– 亚像素法
– 色序法
彩色的正确重现
景物→摄像器件→彩色分量→处理传输→显象器件→彩色景物重现
的关系曲线）。
T T Von T Vth cos4 K V Vth Von Vth 2
Vth=1.2V，Von=4.06V，K=1.09， T(Vth)=0.985,T(Von)=0.001
电光特性的几个参量
透过光量 T 100% 入射光量
• Sub Pixel (dot ) : 320 × 3 × 240 = 230,400
分辨率指构成图像的像素和，一般表示为水平分辨率和垂直分辨率 的乘积。
平板显示器规格一览表
规格 QCIF QVGA CIF VGA SVGA XGA WXGA SXGA SXGA+ UXGA HDTV-I HDTV-EI QXGA QSXGA QUXGA Quarter CIF Quarter VGA Common Image Format Video Graohic Array Super VGA Extended Graphic Array Wide XGA Super XGA Stretched XGA Ultra XGA Interlace Scan HDTV Extended Interlace Scan HDTV Quadruple XGA Quadruple SXGA Quadruple UXGA 分辨率 176×144 320×200 352×288 640×480 800×600 1024×768 1365×768 1280×1024 1400×1050 1600×1200 1920×1080 1920×1200 2048×1536 2560×2048 3200×2400 长宽比 11:9 4:3 11:9 4:3 4:3 4:3 16:9 5:4 4:3 4:3 16:9 16:10 4:3 4:3 4:3 像素（百万） 0.03 0.06 0.1 0.31 0.48 0.79 1.04 1.31 1.47 1.92 2.07 2.30 3.15 5.24 7.68
液晶的排列，会由其所受到的力矩 在时间上的平均值来决定
average t dt / T
T 0
而力矩与电压的平方成正比
Vrms
V
0
T
2
(t )dt / T
4、LCD的电光响应
• NW TN LCD的相对透过 率随着施加在液晶盒上 的数据电压的变化关系 曲线（T与电压均方根值Vrms之间
（1）选择点与半选择点电压接近，当外加电压超过Vth后，半选择点也会逐渐呈 显示状态，使对比度下降； （2）半选择点与非选择点上电压不一样，如果它们由于交叉效应而变明（或变暗） 状态不一样，则造成图面不均匀。
抑制交叉效应的措施: 在非选择点上施加适当电压，达到提高非选择点的电压， 降低半选择点的电压，则结果是拉开了选择点与半选择点间的 电压差，而同时又缩小了半选择点与非选择点间的电压差。
LTPS
Low Temperature Poly Si TFT
A light valve（灰度实现）
Light valve
Light source
LCD基本操作
亮态
解偏板 出射光之 极化状态 液晶分子
常白和常黑模式
暗态
电场
偏光板 液晶是受电场影响 而扮演光阀的角色 背光源 那电场是如何产生 未加电场状态 的呢……….
（2）增加了微细加工的成本，以牺牲分辨率为代价； （3）增加驱动、控制电路数量。
2．时间灰度调制
在一个时间单位内，控制显示选通、截止的时间长短，从而 实现灰度显示。
（1） 帧灰度调制 以数帧为一时间单元，控制显示像素选通的帧数，即可实现 灰度调制。例如取4帧为一时间单位，从全部选通到全部不选通 可以实现5个灰度级别。 缺点:会引起灰度级别的闪烁，由于液晶响应时间速度慢， 不可能用增加帧频来解决，所以必然导致活动图象显示变慢。
3.1.1 平板显示器的构成
1．显示尺寸:对角线 2. 宽高比 3. 像素与像素节距 4.开口率
17" 15" 14" 12"
像素
• 显示画面由像素 （pixel）组成 • 像素的精致程度
– 观察距离
液晶显示器主流宽高比为16：9
– 像素大小：ppi – 像素数目
3.1.2 平板显示器的性能参数
PM LCD
AM LCD
Super Twisted Nematic
TN
Twisted Nematic
STN
AFLCD
Antiferroelectric
a-Si TFT
Poly-Si TFT
TFD
Thin Film Diode
Amorphous Si TFT
HTPS
High Temperature Poly Si TFT
一串扫描脉冲电压。与X电极同步，在Y电极上分
别输入选通电压波形和非选通电压波形，使该行 上若干像素点被选通。
假设一帧的扫描行数为N， 扫描一帧的时间为Tf，那么一 行所占有的选通时间为一帧 时间的Tf /N（占空比系数）。 在同等电压下，扫描行数的
扫描 （行） 电极
增多将使占空比下降，从而
引起液晶像素上的交变电场 电压的有效值下降，降低了
第三章 平板显示面板设计（一）
3.1 平板显示器的构成与性能参数 3.2 LCD的驱动技术基础 3.3 α-Si:H TFT LCD 显示面板技术 3.4 LTPS TFT LCD 显示面板技术
3.1 显示器的构成与性能参数
3.1.1 平板显示器的构成 3.1.2 平板显示器的性能参数 1. 亮度及亮度均匀性 2. 对比度 3. 灰阶 4. 颜色 5. 分辨率
显示质量。
信号（列）电极
（2）交叉效应(crosstalk)
在动态驱动方式下，某一液晶像素(选择点)呈显示效果是由施加在 行电极上的选择电压与施加在列电极上的选择电压的合成来实现的。 与该像素不在同一行和同一列的像素(非选点)都处在非选状态下，
与该像素在同一行或同一列的像素均有选择电压加入，称之为半选择点。
空间混色
Triads and color mixing
亚像素法
SMPTE color bars
closeup on a Sony Trinitron monitor
The Society of Motion Picture and Television Engineers
场序（pico-projector)
U
Advanced television systems committee
不同分Biblioteka Baidu率下的图像
1024 ×1024 → 512 × 512 → 256 × 256 → 128 × 128 → 64 × 64 → 32 × 32
2、亮度与对比度
• 定义 – 亮度：指光源在某个方向的单 位投影面积，单位立体角中辐 射的光通量。 – 对比度：最亮情况下的亮度与 最暗情况下的亮度之比
抑制交叉效应 • 最佳偏压法
由于液晶显示器在电场作用下的响应时间总是大于每行的作用时间， 并且经常大于一帧时间，所以要使液晶显示需要数帧电压作用的积累， 电压的作用不取决于电压的瞬时值，而是在数帧时间的有效值(rms值）。 如要知道液晶显示器的对比度，就要求出某像素点作为全选择点的 电压有效值和作为非选择点电压的有效值，它们的比正比于选通状态下
该点的电场电压处于液晶的阈值电压附近时，屏上将出现不应有的半显 示现象，使得显示对比度下降，这种现象叫做“交叉效应”。
交叉效应的主要原因:
（1）液晶器件具有双向(通导)特征，外加电压只根据阻抗大小来 分配电压。
（2）电光特性不陡。
假定所有像素开始时都处于暗态(不透明)。先在电极X1上加电压Va，
并让Y1电极接地，而让其它电极开路。 当外加电压Va足够高时，像素P12、
由b=0可求得： 这时，
b N 1
N 1 N 1
max
所以，对于每一个最佳偏压比，使 Von
加电场状态
2、液晶交流驱动
• 为什么必须要有交流驱动
– 取向膜的直流阻隔效应 – 可移动离子与直流残留-引入内部电场
•液晶必须以交流信号驱动 • 长时间维持某一极性,液晶分子可能受到破坏
3、驱动电压的均方根
• 在电场作用下引起透过率变化的特性 • 液晶器件的透过率在宽频率范围内只与驱动电压的有效值有 关，而与电压波形无关。 – 如果V（t）是加在液晶盒上的随时间周期性改变的电压， 则透光率只是电压均方根Vrms的函数
2 on
作为非选择点时，在一帧时间内，总有一行的时间处于 半选择点，施加的电压为（b-2）V0/b，其余N-1行时间内 施加的电压为- V0/b，所以：
V
2 off
V0 2 1 b2 2 2 1 V02 [( ) V0 ( N 1) ( ) ] 2 ( N (b 2) 2 1) N b b N b
1. Resolustion (分辨率)
QVGA : 320×RGB×240 #1 #2 #3
..........
#320
#1 #2 #3 ..........
• column : 320 × 3 (R/G/B) • row : 240 • 分辨率 : 320 × 240 = 76,800
#240
1 T0
T0 2 V ( t ) dt 0
T——相对透过率
Vrms
Vrms——电压均方根 T0——周期
V90 p V10
p——电光陡度
5、无源驱动
（1）无源矩阵驱动原理 （2）交叉效应与对比度 （3）提高扫描行数和对比度的方法
在X电极（扫描电极）上按时间顺序施加上
（1）无源矩阵驱动原理
K K Bmax (无环境光时） Bmin Bmax B0 (有环境光时） B min B0
B
SA
: 光通量
：单位立体角 SA：某方向的投影面积
当Bmin B0时，忽略环境光的影响
3、灰阶（灰度等级）
• 定义
– 亮暗间不同的明亮程度叫灰阶
• 灰阶的分级方法
– 以亚像素分级灰阶-空间灰度调制
– 以像素发光时间比例分级灰阶-时间灰度调制
– 以像素发光强度分级灰阶
灰度等级： 一般6－8级 显示屏 256级
1．空间灰度调制
将一个像素划分为若干个单独可控的“子像素”，控制子像 素被选通数量，可实现灰度显示。这种方法是不需要特殊的驱动、 控制技巧，其缺点： （ 1 ）不可能将一个像素分割成很多个子像素，因此不可能产生 很多的灰度级；
P2l和P22上也会有Va/3电压，所以这些像素也会逐渐转变为亮态。随着行、 列电极数日的增大，交叉效应的程度会加剧。
X1
Va
X1 X2
P11
P12
P11：全选点 P12，P21：半选点
R
R Y2 R X2 R Y1
P21
P22 P22：非选点
Y1
Y2
22矩阵液晶显示屏及其等效电路
交叉效应的主要表现：
的透过率。
帧频 25Hz，场频50Hz，行频15625Hz
作为全选择点时，在一帧时间内， 只有一行的时间施加的电压为V0，其余 N-1行时间内施加的电压为- V0/b，所 以作为全选择点的均方电压为：
b为偏压比
V0 2 1 1 V02 2 V [V0 ( N 1) ( ) ] 2 (b 2 N 1) N b N b
3.2 α-Si:H TFT LCD显示技术
3.2.1 LCD的驱动技术基础
1、LCD显示的基本原理
2、液晶交流驱动
3、均方根电压
4、电光响应
5、无源矩阵驱动 6、有源矩阵驱动
■ LCD Display 分类
1、LCD显示的基本原理
Liquid Crystal Display
为了减小交叉效应，获得良好对比度的图象，必须(常黑模式）
Von Vsat ,
Voff Vth
定义一个表示工作电压范围的裕度：
Vsat是显示像素透 光率刚好达到饱和 的电压
Von b 2 ( N 1) Voff (b 2) 2 ( N 1)
因为行数N已给定，必有一个b值使= max。
（2）
脉冲灰度调制
调制数据脉冲的宽度，即可实现一个个像素上的灰度调
制。由于液晶对过窄脉冲不能响应，所以一般限于以4位移
位寄存器调制16级灰度，即列信号的宽度有16种组合。
二值图像与灰度图像
不同灰度级的图像
4 、 颜色
• 彩色化方式
– 亚像素法
– 色序法
彩色的正确重现
景物→摄像器件→彩色分量→处理传输→显象器件→彩色景物重现
的关系曲线）。
T T Von T Vth cos4 K V Vth Von Vth 2
Vth=1.2V，Von=4.06V，K=1.09， T(Vth)=0.985,T(Von)=0.001
电光特性的几个参量
透过光量 T 100% 入射光量
• Sub Pixel (dot ) : 320 × 3 × 240 = 230,400
分辨率指构成图像的像素和，一般表示为水平分辨率和垂直分辨率 的乘积。
平板显示器规格一览表
规格 QCIF QVGA CIF VGA SVGA XGA WXGA SXGA SXGA+ UXGA HDTV-I HDTV-EI QXGA QSXGA QUXGA Quarter CIF Quarter VGA Common Image Format Video Graohic Array Super VGA Extended Graphic Array Wide XGA Super XGA Stretched XGA Ultra XGA Interlace Scan HDTV Extended Interlace Scan HDTV Quadruple XGA Quadruple SXGA Quadruple UXGA 分辨率 176×144 320×200 352×288 640×480 800×600 1024×768 1365×768 1280×1024 1400×1050 1600×1200 1920×1080 1920×1200 2048×1536 2560×2048 3200×2400 长宽比 11:9 4:3 11:9 4:3 4:3 4:3 16:9 5:4 4:3 4:3 16:9 16:10 4:3 4:3 4:3 像素（百万） 0.03 0.06 0.1 0.31 0.48 0.79 1.04 1.31 1.47 1.92 2.07 2.30 3.15 5.24 7.68
液晶的排列，会由其所受到的力矩 在时间上的平均值来决定
average t dt / T
T 0
而力矩与电压的平方成正比
Vrms
V
0
T
2
(t )dt / T
4、LCD的电光响应
• NW TN LCD的相对透过 率随着施加在液晶盒上 的数据电压的变化关系 曲线（T与电压均方根值Vrms之间
（1）选择点与半选择点电压接近，当外加电压超过Vth后，半选择点也会逐渐呈 显示状态，使对比度下降； （2）半选择点与非选择点上电压不一样，如果它们由于交叉效应而变明（或变暗） 状态不一样，则造成图面不均匀。
抑制交叉效应的措施: 在非选择点上施加适当电压，达到提高非选择点的电压， 降低半选择点的电压，则结果是拉开了选择点与半选择点间的 电压差，而同时又缩小了半选择点与非选择点间的电压差。
LTPS
Low Temperature Poly Si TFT
A light valve（灰度实现）
Light valve
Light source
LCD基本操作
亮态
解偏板 出射光之 极化状态 液晶分子
常白和常黑模式
暗态
电场
偏光板 液晶是受电场影响 而扮演光阀的角色 背光源 那电场是如何产生 未加电场状态 的呢……….
（2）增加了微细加工的成本，以牺牲分辨率为代价； （3）增加驱动、控制电路数量。
2．时间灰度调制
在一个时间单位内，控制显示选通、截止的时间长短，从而 实现灰度显示。
（1） 帧灰度调制 以数帧为一时间单元，控制显示像素选通的帧数，即可实现 灰度调制。例如取4帧为一时间单位，从全部选通到全部不选通 可以实现5个灰度级别。 缺点:会引起灰度级别的闪烁，由于液晶响应时间速度慢， 不可能用增加帧频来解决，所以必然导致活动图象显示变慢。
3.1.1 平板显示器的构成
1．显示尺寸:对角线 2. 宽高比 3. 像素与像素节距 4.开口率
17" 15" 14" 12"
像素
• 显示画面由像素 （pixel）组成 • 像素的精致程度
– 观察距离
液晶显示器主流宽高比为16：9
– 像素大小：ppi – 像素数目
3.1.2 平板显示器的性能参数
PM LCD
AM LCD
Super Twisted Nematic
TN
Twisted Nematic
STN
AFLCD
Antiferroelectric
a-Si TFT
Poly-Si TFT
TFD
Thin Film Diode
Amorphous Si TFT
HTPS
High Temperature Poly Si TFT
一串扫描脉冲电压。与X电极同步，在Y电极上分
别输入选通电压波形和非选通电压波形，使该行 上若干像素点被选通。
假设一帧的扫描行数为N， 扫描一帧的时间为Tf，那么一 行所占有的选通时间为一帧 时间的Tf /N（占空比系数）。 在同等电压下，扫描行数的
扫描 （行） 电极
增多将使占空比下降，从而
引起液晶像素上的交变电场 电压的有效值下降，降低了
第三章 平板显示面板设计（一）
3.1 平板显示器的构成与性能参数 3.2 LCD的驱动技术基础 3.3 α-Si:H TFT LCD 显示面板技术 3.4 LTPS TFT LCD 显示面板技术
3.1 显示器的构成与性能参数
3.1.1 平板显示器的构成 3.1.2 平板显示器的性能参数 1. 亮度及亮度均匀性 2. 对比度 3. 灰阶 4. 颜色 5. 分辨率
显示质量。
信号（列）电极
（2）交叉效应(crosstalk)
在动态驱动方式下，某一液晶像素(选择点)呈显示效果是由施加在 行电极上的选择电压与施加在列电极上的选择电压的合成来实现的。 与该像素不在同一行和同一列的像素(非选点)都处在非选状态下，
与该像素在同一行或同一列的像素均有选择电压加入，称之为半选择点。
空间混色
Triads and color mixing
亚像素法
SMPTE color bars
closeup on a Sony Trinitron monitor
The Society of Motion Picture and Television Engineers
场序（pico-projector)
U
Advanced television systems committee
不同分Biblioteka Baidu率下的图像
1024 ×1024 → 512 × 512 → 256 × 256 → 128 × 128 → 64 × 64 → 32 × 32
2、亮度与对比度
• 定义 – 亮度：指光源在某个方向的单 位投影面积，单位立体角中辐 射的光通量。 – 对比度：最亮情况下的亮度与 最暗情况下的亮度之比
抑制交叉效应 • 最佳偏压法
由于液晶显示器在电场作用下的响应时间总是大于每行的作用时间， 并且经常大于一帧时间，所以要使液晶显示需要数帧电压作用的积累， 电压的作用不取决于电压的瞬时值，而是在数帧时间的有效值(rms值）。 如要知道液晶显示器的对比度，就要求出某像素点作为全选择点的 电压有效值和作为非选择点电压的有效值，它们的比正比于选通状态下
该点的电场电压处于液晶的阈值电压附近时，屏上将出现不应有的半显 示现象，使得显示对比度下降，这种现象叫做“交叉效应”。
交叉效应的主要原因:
（1）液晶器件具有双向(通导)特征，外加电压只根据阻抗大小来 分配电压。
（2）电光特性不陡。
假定所有像素开始时都处于暗态(不透明)。先在电极X1上加电压Va，
并让Y1电极接地，而让其它电极开路。 当外加电压Va足够高时，像素P12、
由b=0可求得： 这时，
b N 1
N 1 N 1
max
所以，对于每一个最佳偏压比，使 Von
加电场状态
2、液晶交流驱动
• 为什么必须要有交流驱动
– 取向膜的直流阻隔效应 – 可移动离子与直流残留-引入内部电场
•液晶必须以交流信号驱动 • 长时间维持某一极性,液晶分子可能受到破坏
3、驱动电压的均方根
• 在电场作用下引起透过率变化的特性 • 液晶器件的透过率在宽频率范围内只与驱动电压的有效值有 关，而与电压波形无关。 – 如果V（t）是加在液晶盒上的随时间周期性改变的电压， 则透光率只是电压均方根Vrms的函数
2 on
作为非选择点时，在一帧时间内，总有一行的时间处于 半选择点，施加的电压为（b-2）V0/b，其余N-1行时间内 施加的电压为- V0/b，所以：
V
2 off
V0 2 1 b2 2 2 1 V02 [( ) V0 ( N 1) ( ) ] 2 ( N (b 2) 2 1) N b b N b
1. Resolustion (分辨率)
QVGA : 320×RGB×240 #1 #2 #3
..........
#320
#1 #2 #3 ..........
• column : 320 × 3 (R/G/B) • row : 240 • 分辨率 : 320 × 240 = 76,800
#240
1 T0
T0 2 V ( t ) dt 0
T——相对透过率
Vrms
Vrms——电压均方根 T0——周期
V90 p V10
p——电光陡度
5、无源驱动
（1）无源矩阵驱动原理 （2）交叉效应与对比度 （3）提高扫描行数和对比度的方法
在X电极（扫描电极）上按时间顺序施加上
（1）无源矩阵驱动原理
K K Bmax (无环境光时） Bmin Bmax B0 (有环境光时） B min B0
B
SA
: 光通量
：单位立体角 SA：某方向的投影面积
当Bmin B0时，忽略环境光的影响
3、灰阶（灰度等级）
• 定义
– 亮暗间不同的明亮程度叫灰阶
• 灰阶的分级方法
– 以亚像素分级灰阶-空间灰度调制
– 以像素发光时间比例分级灰阶-时间灰度调制
– 以像素发光强度分级灰阶
灰度等级： 一般6－8级 显示屏 256级
1．空间灰度调制
将一个像素划分为若干个单独可控的“子像素”，控制子像 素被选通数量，可实现灰度显示。这种方法是不需要特殊的驱动、 控制技巧，其缺点： （ 1 ）不可能将一个像素分割成很多个子像素，因此不可能产生 很多的灰度级；
P2l和P22上也会有Va/3电压，所以这些像素也会逐渐转变为亮态。随着行、 列电极数日的增大，交叉效应的程度会加剧。
X1
Va
X1 X2
P11
P12
P11：全选点 P12，P21：半选点
R
R Y2 R X2 R Y1
P21
P22 P22：非选点
Y1
Y2
22矩阵液晶显示屏及其等效电路
交叉效应的主要表现：
的透过率。
帧频 25Hz，场频50Hz，行频15625Hz
作为全选择点时，在一帧时间内， 只有一行的时间施加的电压为V0，其余 N-1行时间内施加的电压为- V0/b，所 以作为全选择点的均方电压为：
b为偏压比
V0 2 1 1 V02 2 V [V0 ( N 1) ( ) ] 2 (b 2 N 1) N b N b