（光学工程专业论文）液晶电光非线性效应校正技术研究.pdf

浙江大学硕士论文6 8 9 0 9 2 摘要 投影显示技术是九十年代兴起的一种大屏幕显示技术， 其优点在于屏幕大( 可 达4 0到数百英寸) 、输出亮度高 ( 最高可达上万流明) 、图像分辨率高等，已逐 步成为现代显示技术的主流。 液晶投影显示技术以其独特的优点， 发展迅速，己 经得到了广泛应用，而且正在逐步取代传统的c r t显示技术。但液晶投影显示 中， 液晶板固有的电光非线性效应导致显示图像的还原性差， 本论文就是围绕补 偿液晶 投影 显示中 这种非线性特性的g a m m a 校正 系统而 展开。 论文在简要介绍液晶的基础知识、液晶显示原理以及典型的液晶投影系统的 基础上， 重点论述了液晶的非线性电光特性以及一般的校正方案， 并总结液晶显 示中基色色品坐标不恒定的规律。 探讨了液晶投影显示中输出光强与输入信号之 间的理想响应函数形式， 为实现此目 标， 详细介绍了 采用查找表的技术来校正液 晶非 线性透过率的g a m m a 校正原理。 在此原理上， 提出 三种不同的 校正方 法， 并且通过数值方法模拟三种方法的校正效果。 模拟结果证明， 可以完全消除由于 基色色品坐标不恒定造成的影响，使液晶投影系统具有近似理想的输出。 研究并建 立了 一 个基于g a m m a 校正原 理的 实 用化g a m m a 校正系 统。论 述了 系统主要的硬件组成部分以及客户端软件部分。 应用该系统， 我们研究了液晶驱 动电 路中 通用信号处理环节a d对g a m m a 校正效果的影响，从理论上模拟影响 的程度， 并提出了解决的方法。 实际应用中的校正结果表明该系统速度快， 使用 方便，能适应工业生产的要求。 最后，本文对整个课题的工作进行了总结和展望。并提出了在液晶显示中实 现s r g b标准的信号处理流程， 并进行了数字仿真计算， 数字模拟的结果证明了 该流程的可行性。 关 键词: 液晶投影显示， g a m m a 校正， 颜色空间， 标准r g b ， 彩色再现 浙江大学硕士论文 ab s t r a c t p r o j e c t i o n d i s p l a y t e c h n i q u e h a s b e e n g r o w i n g u p r a p i d l y i n t h e 1 9 9 0 s . t h e m a j o r a d v a n t a g e s o f p r o j e c t i o n d i s p l a y a r e l a r g e s c r e e n d i s p l a y ( f r o m 4 0 t o s e v e r a l h u n d r e d s i n c h e s ) , h i g h b r i g h t n e s s ( e v e n m o r e t h a n 1 0 , 0 0 0 l u m e n s ) , h i g h c o n t r a s t a n d h i g h r e s o l u t i o n , e t c . p r o j e c t i o n d i s p l a y i s b e c o m i n g t h e m a i n s t r e a m i n th e m o d e r n d i s p l a y f ie l d . l i q u i d c ry s t a l p r o j e c t i o n d i s p l a y , o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t p r o j e c t i o n d i s p l a y t e c h n i q u e s , h a s s h o w n t h e t e n d e n c y f o r s u b s t i t u t i n g t h e c r t p r o j e c t i o n d i s p l a y i n t h e c o n v e n t i o n a l v i d e o d i s p l a y f i e l d . l i q u i d c r y s t a l h a s m a n y s p e c ia l a d v a n t a g e s , b u t t h e i m a g e re p r o d u c t i o n i s p o o r b e c a u s e o f t h e n o n l i n e a r e ff e c t o f l i q u i d c rys t a l . i n o r d e r t o c o m p e n s a t e t h e n o n l i n e a r e ff e c t , t h e g a m m a c o r r e c t i o n i n l i q u i d c r y s t a l d i s p l a y i s d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r . i n a d d i t i o n t o i n t r o d u c i n g t h e b a s i c k n o w l e d g e a b o u t l i q u i d c r y s t a l , t h e p r i n c i p l e o f l i q u i d c ry s t a l d i s p l a y a n d s o m e t y p i c a l s y s t e m s o f li q u i d c ry s t a l p r o j e c t i o n d i s p l a y , t h i s p a p e r l a y s s t r e s s o n a n a l y z i n g t h e n o n l i n e a r t r a n s m i t t a n c e p e r f o r m a n c e o f l i q u i d c ry s t a l a n d s o m e g e n e r a l c o r r e c t i o n m e t h o d s . t h e i d e a l t r a n s f e r f u n c t io n b e t w e e n t h e o u t p u tt i n g l u m i n a n c e a n d i n p u tt i n g s i g n a l i n l i q u i d c r y s t a l d i s p l a y i s p r o b e d i n t o , a n d t h e n t h e p a r t i c u l a r 州n c i p l e o f l o o k - u p - t a b l e w h i c h i s u s e d t o c o r r e c t t h e n o n l i n e a r t r a n s m i t t a n c e o f l i q u i d c rys t a l i s d e t a i l e d l y d i s c u s s e d i n o r d e r t o a c h i e v e t h e g o a l . b a s e d o n t h e p r i n c i p le o f g a m m a c o r r e c t i o n , t h r e e c o r r e c t i o n m e t h o d s a r e s e t f o r t h a n d s i m u l a t e d t h r o u g h n u m e r ic a l v a l u e c o m p u t i n g , t h e r e s u l t s o f s i m u l a t i o n p r o v e t h a t t h e i m p a c t c a u s e d b y t h e v a r i a b le c h r o m a t i c i t y o f t h e p r i m a r i e s c a n b e a v o id e d c o m p l e t e ly a n d t h e t r a n s f e r f u n c t i o n o f l i q u i d c r y s t a l p r o j e c t i o n s y s t e m i s c l o s e l y a c c o r d e d wi t h t h e i d e a l . f u r t h e r m o r e , a p r a c t i c a l g a m m a c o r r e c t i o n s y s t e m i s d e v e l o p e d b a s e d o n t h e p r i n c ip l e o f g a m m a c o r r e c t i o n , i n c l u d i n g t h e d e s i g n o f h a r d w a r e a n d s o ft w a r e o f t h e s y s t e m . me a n w h i l e , t h e i m p a c t o n t h e e ff e c t o f g a m m a c o r r e c t i o n o f g e n e r a l s i g n a l p r o c e s s a d i n l i q u i d c ry s t a l d r i v i n g c i r c u it i s c o n s i d e r e d b y u s i n g t h i s s y s t e m a n d s i m u l a t e d i n t h e o ry . t h e c o r r e c t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h i s s y s t e m i s r a p i d a n d c o n v e n i e n t a n d t h e s y s t e m s a t i s f i e s t h e r e q u i r e m e n t s i n i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n . 浙江大学硕十论文 f in a l l y , t h e w h o l e p r o j e c t i s s u m m a r i z e d a n d p r o s p e c t e d . a n d t h e n t h e s i g n a l p r o c e s s fl o w w h i c h c a n r e a l i z e t h e s r g b s t a n d a r d i n l i q u i d c r y s t a l d i s p l a y i s p r o p o s e d a n d s i m u l a t e d t h r o u g h n u m e r i c a l v a l u e c o m p u t i n g , t h e s i m u l a t io n r e s u lt s h o w s t h a t t h i s fl o w i s f u l l y f e a s i b l e . k e y w o r d s : l i q u i d c rys t a l p r o j e c t i o n d i s p l a y ; g a m m a c o r r e c t i o n ; c o l o r s p a c e ; s t a n d a r d r g b ( s r g b ) ; c o l o r r e p r o d u c t i o n 浙江大学硕士论文 第一章 绪论 人类生存离不开信息，正如控制论创始人 n维纳所说: “ 要有效地生活， 就要有足够地信息”。 人们随时随地通过眼、耳、鼻、舌、身体从外部世界获得 信息， 但视觉信息占 所有获得信息的7 0 %以 上( 0 。 因 此， 人类长久以 来一直致力 于将各种信息转换为视觉信息。 这种将各种信息转化为视觉信息再传达给他人的 过程， 称之为“ 显示”。 随着电子技术的发展和液晶生产工艺的提高， 近年来液 晶显示发展十分迅速。多媒体液晶投影显示以大屏幕、 高亮度、高清晰度、 无辐 射、 无闪烁、 重量轻、体积小等优点越来越广泛地应用于教育、商务、军事等不 同 领域。 现在液晶 投影显示系统有各种不同的 类型2 .3 1 ，前景十分看好。 1 . 1液晶显示基础 互 1 . 1 . 1液晶基本知识 一般认为物质有固体、 液体、 气体等三种状态， 但某些物质却具有介于固体 和液体之间的状态， 因而称之为介晶相或液晶态。 液晶具有晶体的光学特性 ( 布 拉格反射、 衍射、旋光性以及折射率、电导率、 弹性系数等各向异性) 和晶体的 导电性 ( 介电或磁导各向异性、电导各向异性、 压电效应等)， 液晶的许多物理 性质对外界的 刺激是灵敏的4 1 。电 场、 磁场、 热能和声能都能用来引发液晶的 光 学效应。 根据分子排列形态， 液晶分成向列型、 近晶型、 胆川型三种; 根据形成的环 境条件，分为热致液晶和溶致液晶两种。 y yb 一弘 号衬 xxx 身; 刊身-丫 图 1 . 1液品的分子结构 显示用液晶材料要求有宽的工作温度范围、 低工作电压、 快速响应、 化学稳 浙江大学硕士论文 定等性能， 所以用几种液晶的混合物来实现。 所有的液晶材料都有细长棒状分子 结构，如图1 . 1 所示。 如图1 . 1 ，连接苯环或联苯环的具有双键的甲亚胺、偶氮、酉 旨 等功能团a 或 b ，与两侧的苯环形成共辘，提高整个分子定额刚性;末端结合有烷基、狡基、 硝基、 氮基的x 或 y 基的链长及种类影响液晶的相变温度、 分子极性和分子取向。 与热致液晶不同， 溶致液晶内有疏水、 亲水性分子结构， 最终根据浓度不同 形成有水分子介入的液晶态棒状分子结构。 公， .jllj.，.d. f训l曰叮r 1111 图 1 . 2相列相液品分子排布示意图 氏十 .曰州“州 !iij.! 渊 图1 . 3近晶相液晶分子排布示意图 图 1 .4胆幽相液晶分子排布示意图 浙江大学硕士论文 向列型液晶的分子重心在空间随机分布， 但分子长轴向一个方向排列， 如图 1 . 2 ;近晶型液晶的分子排列特点是分子长轴方向一致，而且分子排列成层状结 构，如图1 . 3 ;月 旦 幽型液晶分子的排列是具有向列型的有序性，并在二维取向层 中，向左或向右以相同的螺旋角，从上至下呈螺旋状的重叠，如图1 . 4 a 互 1 . 1 . 2 液晶显示原理 在外电场的作用下，液晶分子可以改变其排列状态，从而引起其光学特性的 变化， 这 称为液晶的电 光效 应5 .6 。以 基本的 液晶 显示器一 扭曲向 列 ( t n ) 液晶 显示器为例， 如图1 . 5 ， 这种显示器里的液晶排列成螺旋状， 可把偏振光扭转9 0 。 。 液晶置于两个透明的i t o 导电层之间并穿过线偏振片。 光源置于显示器背面。 不通电时， 入射光进入显示器， 只有垂直偏振光能穿过前偏振片，当光穿过后水 平偏振片出射时，光的偏振性旋转了 9 0 。通电时，即透明电极上加电压时， 在液晶层中形成一个电场，由于分子有一定的移动自由度，而且存在电偶极矩， 会与电场排列一致。 在这种状态下， 液晶传递光线而不旋转其偏振方向。 后水平 偏振片不再传输垂直偏振光，因而就没有光线出射。 人.免城 偏峨愧 .，栩 拍月妇无 城泊，峨 贫舫究残 装魔 翻) r 叮 暗加 图1 .5扭曲向 列液晶工作原理示意图 图1 . 5 也示出了液晶显示器的三大基本部件:1 ) 玻璃基板，是一种表面极 其平整的浮法生产薄玻璃片。2 ) 液晶，是液晶显示器件的主体，要求每种液晶 显示器件必须使用和保存在ts-t1之间的一定温度范围内， 如果使用或保存温度 过低， 结晶会破坏液晶显示器件的定向 层: 而温度过高， 液晶会失去液晶态， 也 就失去了液晶显示器件的功能。3 )偏振片，是由塑料a材料制戌 浙江人学硕十论文 液晶 显示器件分为电 场效应型、 电 流效应型、 电 热效应型等。 电场效应型分 子排列取向 变化主要由介电各向异性效应引起的， 而电流效应型与介电各向异性 和电导率各向异性有关。在显示中得到应用的电光效应主要有扭曲向列型效应 ( t n )，超扭曲向列型效应 ( s t n )，宾主型效应 ( g h )，相变型效应 ( p c )， 铁电型效应 ( f e )，电控双折射型效应 ( e c b )，动态散射型效应 ( d s )。 利用液晶的电光效应， 可以改变外光源的反射， 投射和散射而构成图形， 图 像的显示， 所以lcd显示是一种被动式发光显示器件， 通过驱动电路对液晶光 学特性的改变， 对背景光进行调制， 从而实现从电子图像到光学图像的转换。 液 晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制， 不同的显示像素按照驱动 信号的“ 指挥” 在显示屏上合成出各种字符、数字及图像。如下图 ( 1 . 6 ) 所示: l c d四湘 图1 .6 l c d显示原理示意图 液晶的显示效果是由于在显示像素上施加了电 场的缘故， 而这个电场则由显 示像素前后两电极上的电 位信号差所产生。 在显示像素上建立直流电场是非常容 易的事， 但直流电场将导致液晶材料的化学反应和电极老化， 从而迅速降低液晶 材料的寿命， 因此必须建立交流驱动电场， 并要求在这个交流电 场中的直流分量 越小越好，通常要求直流分量小于5 0 mv 。由此要求液晶驱动器的驱动输出必 须是交流驱动。 现在液晶显示驱动器是全数字化集成电路， 所以这种交流驱动是 以脉冲电压形式产生的。 液晶显示的驱动方式有许多种， 常用于液晶显示器件上的驱动方法有静态驱 动和动态驱动两种。 1 )静态驱动方式:该方式适用于字段型的液晶显示器件。每个显示段都是 通过单独的电极引出， 所有各位显示段共用一个背电极， 这与 l e d 显示器的共阴 或共阳结构相似。在多位数字组合显示时，各位的背电极 b p 是连接在一起的。 振荡器的脉冲信号经分频后直接加到液晶显示器件的背电极b p 上，该时序脉冲 与显示选择信号 a经“ 异或” 逻辑合成产生的段电极脉冲信号 s e g送往各段电极 浙江大学硕十论文 上。在该驱动方式中只要适当调整脉冲电压的幅度就可以改变显示的对比度。 2 ) 动态驱动方式：当液晶显示器件上显示像素很多时，如点矩阵型液晶显 示器件，其显示是由一个个小的矩形点电极按行和列排布成一个大的矩形显示面 实现的，一个小矩形点电极相当于一个显示像素，若采用静态驱动的方式，由于 电极数量太多，实现起来是很困难的。因此点矩阵形显示器件的电极采取了矩阵 型结构，即把水平一组显示像素的电极按行连接在一起引出，称为行电极，把垂 直一组显示像素的电极按列连接在一起引出，称为列电极。每个显示像素都由其 所在的行与列的位置唯一确定。在驱动方式上采用了类似于c r t 的光栅扫描方 法，循环地给行电极加选择脉冲，同时给列电极加相应的选择或非选择的驱动脉 冲，从而实现某行所有显示像素的显示功能。这种逐行顺序进行的扫描，循环周 期很短，因此在液晶屏上呈现出稳定的图像。 1 1 3 液晶显示的优点 与发光二极管( l e d ) 、荧光( v f d ) 、( c r t ) 阴极射线管、等离子体( p d p ) 等显示器件相比，液晶显示器件l c d 具有以下七个独特的优点： ( 1 ) 低电压微功耗。液晶显示器件的工作电压一般为2 v 6 v ，功耗在1 h w c m 2 以下，因此可以与c m o s 电路直接匹配。 ( 2 ) 显示效果好。液晶显示器本身不发光，而是靠外界光进行显示，属于被 动显示型器件。人通过视觉所接受的外部信息中，9 0 o 以上是l h 夕i - 部物体对光的 反射，而不是来自物体发光。因此，被动显示更适合人的视觉习惯，不会引起疲 劳。这在大容量、高密度显示和长时间观看时尤为重要。被动显示的另一个特点 是不怕光冲刷。所谓光冲刷，是指当环境光较亮时，被显示的信息被冲淡，使其 不易被察觉。而被动显示由于本身不发光，所以外界光照越强被调制后的光 信息的对比度就越大，显示也越清晰，故液晶显示可以用于室外、强环境光下。 当然。被动显示在黑暗的环境下是无法显示的，这时可以为液晶显示配上外光源。 ( 3 ) 平板型结构。液晶显示器件的基本结构是由两片玻璃组成的夹层盒。采 用这种结构有两个优点：一是在使用上方便，无论大型、小型、微型都很适用， 而且可以在有限的面积上容纳尽可能多的信息量；二是在工艺上适于大批量生 产，目前液晶生产线大都采用集成化生产工艺。 浙江大学硕士论文 ( 4 ) 显示清晰，信息量大。与c r t 显示相比，液晶显示不受荫罩限制，像素 可以做得很小，便于实现高清晰度显示。 ( 5 ) 无色彩失真。液晶彩色化的方法很多，实现也很容易。更可贵的是液晶 显示所复现的色彩在色谱上非常准确，因此不会产生色彩失真。 ( 6 ) 无辐射污染。与c r t 工作时产生x 射线和电磁辐射形成鲜明的对比，液 晶显示器件工作时不会产生这类问题，因此不会对环境和人体造成任何污染和伤 害。 ( 7 ) 长寿命。液晶显示器件本身几乎没有什么劣化问题，因此工作可靠性高， 使用寿命长。 1 1 4t f t - l o d 有源矩阵液晶显示器是一种新型液晶器件，可以大幅度提高图像分辨率。有 源矩阵液晶显示器的代表是薄膜晶体管液晶显示器( t h i nf i i mt r a n s i s t o r l i q u i dc r y s t a ld e v i s e ，t f t l c d ) ，它每一个像素有一个薄膜晶体管( t f t ) 与 之对应，该t f t 允许电压交替加到该液晶像素单元上。它在大屏幕液晶投影显示 应用十分广泛【7 1 ，图l _ 7 是t f t l c d 结构示意图。 图17t f t l c d 结构示意图 无电压时，光在通过该像素液晶层时其方向偏振方向偏转90 。，而在加电压( 超 过阈值) 时，则不偏转。第二偏振片( 检偏器) 在不加电压时透光，成亮态，加 浙江大学硕十论文 电压时，不透光，成暗态。允许有中间状态，提供了灰度。t f t 克服了晌应速度、 灰度调制等方面的限制，实现了视频图像显示。现在液晶平板显示器的三大难题： 视角，色饱和度，亮度，已经获得了解决。采用垂直排列模式( v a ) 和面内切换 模式( i p s ) 使液晶平板显示器的水平视角和垂直下视角都达到了1 7 0 度。在采 用光学补偿弯曲技术( o c b ) 的基础上发展起来的场序列全彩色( f s f c ) l c d 技 术不仅取消了占成本三分之一的彩色滤光膜( c f ) ，还可使分辨率提高3 倍， 透过率提高5 倍。彩膜技术、背光源技术的发展使t f t l c d 的彩色再现能力达到 甚至超过了c r t 。 1 2 液晶投影系统介绍 大屏幕显示是显示技术发展的一个方向，无论从制造成本还是技术能力而 言当前实现大屏幕显示的最佳方法是投影显示( p r o j e c t i o nd i s p l a y ) 技术m 】。 投影显示技术是九十年代兴起的一种大屏幕显示技术，其优点在于屏幕大( 可达 4 0 到数百英寸) 、输出亮度高( 最高可达上万流明) 、图像分辨率高等，已逐 步成为现代显示技术的主流。近年来，小型t f t l c d 投影显示技术获得了极大的 发展，显示性能得到了很大的改善，液晶投影仪的市场占有率正在逐步扩大f 9 1 。 投影显示技术的竞争逐渐从l c d 、d l p 等技术与c r t 技术间的竞争向液晶投影技 术与d l p 投影技术间的竞争转变【1 0 】。因此，本小节简单介绍典型的液晶投影系 统的光学结构。 1 2 1 透射式液晶投影显示系统的组成 常见的t f t l c d 投影显示系统大致有以下几个部分构成：( 1 ) 照明部分， 包括光源，光收集器，光束准直整形等； ( 2 ) 成像部分，包括驱动电路和视频 控制电路，可对入射光进行调制获得出射图像： ( 3 ) 偏振和分色、合色部分， 这部分由p b s 和t p a 组成： ( 4 ) 投影物镜部分。这些是l c d 投影系统的基本组 成部分。图1 8 为两种典型的透射式三片l c d 投影系统光学结构图i i , 1 9 1 。 浙江大学硕士论文 ( a ) x 一棱镜台色 ( b ) 双色镜台色 图1 8l c d 透射式投影的光学系统 透射式的液晶投影显示系统是利用光源穿过l c d 做调制，因此会有高能量的 光照射在l c d 上。要有高透射率才能使投影亮度提高，但是受限于l c d 本身结构 设计问题，偏光片、液晶、玻璃等都会吸收透射光能量；而作为象素点开关控制 的晶体管被镶嵌在液晶板的相应位置上，晶体管本身要阻挡部分入射光线，因此 开口率( 有效显示区域) 不可能很高，约为5 0 左右。图1 8 的( a ) 和( b ) 所示的两个液晶投影系统的分光系统相同，都是利用二向色镜把光源的光谱分成 r 、g 和b 三路基色，不同的是他们的合色方式。图( a ) 是以x 一棱镜合色，( b ) 是以双色镜合色。图( b ) 系统所做成的液晶投影机体积较大，且在合色时由于 图像信息光源通过具有一定厚度且两面为镜面的平板玻璃，图像容易产生偏穆现 浙江大学硕士论文 象，影响投影图像r 、g 、b 三色混合的准确性，造成色彩偏移。且需要较精密的 机械装置，以保证红、绿、蓝三色在屏幕上的成像重叠。因此如图( b ) 所示显 示系统的成本高。图( a ) 所示的系统，使用x 一棱镜方式合色，投影图像重叠 准确，同时由于只需一个，投影镜头设计相对较简单，系统体积较小，因此一般 三片式液晶投影机大都使用x 一棱镜作为合色装置。l c d 透射式投影系统与反射 比较，优点在于两片互相正交的偏振片之间仅有l c d 板，没有l c o s 所遇到的复 杂的偏振问题，而且其制造工艺相当成熟i l “，应用相当普遍。 1 2 2 反射式液晶( l c o s ) 投影显示系统的组成 l c o s 反射式和t f t l c d 投射式投影显示的工作原理基本类似，它结合了液 晶显示技术和c m o s 传统半导体技术，让液晶工作在反射模式下，半导体开关隐 藏在金属反射电极下，开口率可超过9 0 。图1 9 是三片式l c o s 投影系统，它 采用采用二向色镜和x - c u b e 结构。l c o s 投影仪的特点是：光能利用率离，反射 式成像，开口率很高，与d l p 投影仪相当：清晰度高，每个象素可以约为l o u m ， 为投影显示分辨率最高的一种技术；图像质量高，由于象素间距很小，因此可以 产生非常细腻、清晰和柔滑的图像，得到比l c d 液晶投影仪更鲜亮、彩色更逼 真、灰度层次和对比度更高的无噪声图像【1 3 】。 图1 9l c o s 投影系统 l c o s 投影机使用反射式l c d ，因此必须要在反射面下制造驱动晶体管，由于 晶体管不会阻挡反射光，也就是l c d 能使用两倍于透射式投影机的面积，所以能 提高开口率、亮度与精度。但是光路前后来回在光学系统中，系统的结构必须比 浙江大学硕士论文 透射式l c d 投影机多出透射式所没有的光控制部分，同时l c d 的安装也需要更高 的准确性。因此，与透射式相比，反射式l c o s 投影系统整体成本要高。 1 3 问题的提出 液晶板是液晶投影显示系统中最为核心的的成像器件，它的电光特性直接制 约投影显示的效果。液晶投影显示的基础是借助外电场使液晶分子从特定的初始 排列状态转换为其它指定的排列状态，从而引起液晶盒发生透过率变化。液晶分 子排列状态与液晶板所加电压的关系十分复杂 1 ，5 】，在宏观上体现为液晶板的透 过率与加在液晶板两端的电压成非线性关系，这是由液晶材料的性质决定【i 川。 图1 1 0 所示是液晶板透过率曲线的典型示意图【1 4 】。 0 0 9 0 5 耋弋：引ideo薹捻1100 tti i , - - 4 i 舭 ， 1 0 8蠢毫蒜嚣囊世 浙江大学硕士论文 透射式l c d 投影机多出 透射式所没有的光 控制部分， 同时l c d 的安装也需要更高 的准确性。因此，与透射式相比，反射式l c o s 投影系统整体成本要高。 1 . 3问题的提出 液晶板是液晶投影显示系统中最为核心的的成像器件， 它的电光特性直接制 约投影显示的效果。 液晶投影显示的基础是借助外电场使液晶分子从特定的初始 排列状态转换为其它指定的排列状态， 从而引起液晶盒发生透过率变化。 液晶分 子排列状态与液晶板所加电 压的关系十分复杂n ,5 1 ， 在宏观上体现为液晶板的 透 过率与加在液晶 板两端的电压成非线性关系， 这是由 液晶 材料的性质决定 1 ,4 1 图1 . 1 0 所示是液晶板透过率曲线的典型示意图 1 4 1 0090 ，罗。9 v 9 0 处 0v坦 功p 健v o n a tg e v 图1 . 1 0液晶板透过率 特性 从图1 . 1 0 看出， 中间约3 0 %的电压范围对应8 0 %的透过率范围， 而高、 低电 压 信号端对应的透过率范围很小。 实际应用中， 液晶驱动电路里面有一个功能模块 把信号电压倒转，使投影系统最终输出的光强随输入信号增大而增大。 此外， 液晶投影显示中r g b 三基色色品坐标不恒定， 而在最暗状态时， 仍有 少 量 光强 透 过 液晶 板1 5 ,16 1 ， 与c r t 显 示 设 备的 特性 17 ,1 8 1有很 大 不同 。 液晶 投 影 显示中，透过率非线性、基色色品坐标不恒定等特性严重影响投影显示的效果。 由 于生产过程中不可避免的不稳定因素，不同液晶板的透过率 ( 反射率)与 电压关系曲 线会有不同程度的差异， 所以每一个液晶显示系统原则上都需要进行 各自 的校正。这样，工程生产上就要浪费大量的时间，而且成本也比较高。 增加必要的信号处理环节来自 动而又快速地补偿液晶的非线性电光特性以 使液晶投影显示达到良好的效果，这就是我课题主要的研究内容。 浙江大学硕士论文 1 . 4本课题研究的内容 目 前， 因为c r t 广泛的应用和许多历史原因， 使得c r t 被公认为标准的显示 系统。 c r t 显示系统的输出光强与输入信号的响应特性近似为一个幂函数。因而 液晶显示技术中， 把补偿液晶的非线性电光特性， 使系统具有类似c r t 响应特性 的技术称为液晶的g a m m a 校正。 本课题主 要就是围 绕液晶投影显示的g a m m a 校正 系统而展开的，包括理论分析和实验两大部分。论文的主要内容如下: 第二章介绍现在液晶显示中常用的g a m m a 校正方案， 并比较他们的优劣， 同 时分析三基色色品坐标不恒定的规律。第三章提出了g a m m a 校正的一般性原理， 并针对基色色品坐标不恒定的规律， 采用相应的校正方法， 使系统的输出光强与 输入信号具有理想的响应函数。 第四章， 在g a m m a 校正一般性原理上， 设计出实 用化系统，以适应工业生产的高效率要求。并且还分析液晶投影驱动电路中 a d 转换部分对投影显示效果的影响。第五章介绍s r g b 标准的内容和实现该标准的 意义，并提出在液晶投影显示中实现该标准的信号处理流程。 综合以上说明，本论文的特色和创新点有一下几方面: ( 1 )总结液晶投影中三基色色品坐标的规律， 并且提出新的g a m m a 校正方法， 能 消除由于基色色品坐标不恒定造成的影响; ( 2 )设计出实用化的g a m m a 校正系统，满足工业生产要求; ( 3 )提出了在液晶投影显示中实现 s r g b 标准的信号处理流程。 浙江大学硕士论文 参考文献: 1 李维提，郭强。液晶显示应用技术，电子ti 业出版社，2 0 0 0 2 1 c h u i g e o r g e , u a n g t a i , y a n g k h . p r o j e c t i o n d i s p l a y s , s p i e , 1 9 9 8 , v o 1 . 3 5 6 0 : 1 3 - 1 9 3 k a k n f j . p r o j e c t i o n d i s p l a y t e c h n o l o g i e s f o r t h e n e w m i l l e n n i u m ，s p i e ， 2 0 0 0 , v o l . 3 9 5 4 : 1 2 一1 8 4 施善定。液晶与显示应用，华东化工学院出版社，1 9 9 3 5 n目乞p 花 0 芯几贪岌户 0 0 0 图2 .2灰度au v 和色温 从图2 . 1 中可以看出，低 5 0 %和高2 0 %的阶层信号，他们对应的透过率基 浙江大学硕七论文 第二章液晶电光特性 第一章序论中我们指出了液晶投影显示技术是大屏幕显示最具有竞争力的 技术，而液晶板的一些电光特性严重影响了投影显示的效果。其中尤其是非线性 透过率特性，它与现在视频系统要求的特性【l 】相差太大，必须校正。本章将详细 介绍液晶非线性的透过率特性以及现在常用的校正方案。同时还将分析液晶透过 率的光谱特性与三基色色品坐标不恒定的关系，并将详细总结基色色品坐标不恒 定的规律。 2 1 液晶板非线性的透过率特陡 在投影显示输入计算机信号时，控制计算机先后输出从o 到2 5 5 的三种单色 信号，同时测量投影输出的光强，得到液晶投影显示输出光强与输入信号之间的 传输函数，如图2 1 所示。测量时，液晶驱动电路中只有a d 和d a 等线性环节， 所以数字信号大小与加在液晶板上的电压成正比，图2 1 也可以视为液晶板透过 率特性曲线。 絮 图2 1 液晶板透过率曲线 咚 n 图2 2 灰度u v 和色温 从图2 1 中可以看出，低5 0 和高2 0 的阶层信号，他们对应的透过率基 1 3 浙江大学硕士论文 本上都不变，而中间3 0 的阶层信号范围对应着大概9 0 的透过率范围。这样 投影出来的图像在暗、亮的灰度信号区都没有层次性，而中间灰度层次变化太快。 而且由于三基色的透过率特性曲线不一致( 如图2 1 ，r 、6 、b 三条曲线没重合 在一起) ，会导致图像的灰度颜色相差很远。图2 2 是液晶投影机输入灰度信号 时其输出灰度与它本身参考白点在c i e l 9 6 0 均匀色品图【1 】下的颜色差u v 以及 色温曲线。可见仅仅在2 0 0 到2 5 5 的灰度信号范围内有接近的颜色，而参考图 2 1 可知，这一段信号对应着投影系统的最大输出。 图2 3c r t 显不与没有g a n l r n a 校止的l c d 投影显示效果比较 计算机输出从暗到亮的亮度均匀递增的1 6 个等级灰度信号，c r t 显示与没 有g a m m a 校正的液晶投影显示效果分别对应图2 3 所示的左、右图。可见液晶投 影出来的图像不但缺少层次性，而且色彩失真非常大。 2 2 液晶显示常用的非线性校正方案 液晶投影显示中，液晶板的非线性透过率可以在液晶驱动电路中采用不同的 方案来校正。现在投影用的l c d 最终都是模拟驱动的【2 ，在驱动电路中，信号处 理部分有的采用模拟方法，但大多数采用数字方法。驱动电路形式不同，所能采 用的校正方案也不相同，下面将对三种常用的校正方案分别作简单介绍。 2 2 1 采用电阻网络分段校正 当液晶驱动采用模拟方法处理信号的时候，可以利用电阻网络分段线性化来 补偿液晶透过率与电压关系，以此达到液晶g a m m a 校j 下的目的。2 0 0 3 年，t o p p e r ， r o b e r tj o s e p h 在他们的专利u s 2 0 0 3 0 1 6 0 9 0 1 中就阐明的这样一种方法。图2 3 是电阻网络的功能示意图，横坐标是输入，纵坐标是校正后的输出。 浙江大学硕士论文 9 ； 善 量 窖 童 ； f l 白1 l - 崎” 。 守砷 ke 粕。盘* l i f 0 图2 3 电阻网络功能示意图 示意图中，输入电压信号被分为四段，每一段可以设定不同的斜率，下图2 4 是这个专利中提供的一个具体实现电路。 图2 4 电阻网络分段线性化的电路框图 这个电路主要由三部分组成，电压判断部分( 3 0 ，3 2 ，3 4 ，3 6 ，3 8 ) ，用于判断输入 的信号属于那一个线性段里；分段的线性电压变换部分，根据设定的斜率变换输 入的电压；输出电压选择器( 2 0 ，2 6 ，2 2 ) ，根据电压判断部分的结果选择相应的输 出。这种方案缺点比较多。电阻网络的分辨率太低，只能作近似的校正。电路中 浙江大学硕士论文 器件种类多，参数的选取受到的限制也很多，校正功能实现不灵活。而且网络中 电阻受温度，寿命的影响，使校正的效果不能保持恒定。因此，这种方法一般只 用在纯模拟电路中，作近似的校正。 2 2 2 采用开关电容网络校正 当信号处理采用数字方法的时候，实现非线性校正的方案比较多。可以在模 拟信号转化为数字信号时候实现非线性校正，也可以在数字信号转换成输入l c d 的模拟信号时候实现【3 】。图2 5 是采用电容开关网络进行非线性d a 转换的示意 图【州，数字信号b o 、b 1 等决定开关的位置，控制相应电容的作用。 出l 图2 5 开关电容d a c 结构示意图 、r 蚍= v f m + g 曲! 文：坚趣：垦b 些l ：l 。! k 受立 ( c o + c l l l 一+ c n ( 2 一1 ) 公式( 2 1 ) 是这样的非线性d a 的转换关系，选择合适的电容值，能得到特定 的转换特性，以补偿液晶的非线性透过率。这中方法的缺点与电阻网络相似，功 能实现不够灵活，只实用小规模的系统中。 2 2 3 采用数字查找表校正 液晶g a m m a 校f 最为普遍的方式是在数字信号处理环节中以查找表的方式 实现。这种查找表的功能就是把输入的n b i t 的信号根据相应寄存器里的值转换 成相应的埘一b i t 输出信号。这种查找表一般都是存放在高速的随机存取存储器 ( r a n d o m a c c e s sm e m o r y ，r a m ) 中，它结合软件编程具有很强的实用性，现在 许多集成芯片都具有这样的功能模块。 1 6 浙江大学硕士论文 器件种类多， 参数的 选取受到的限制也很多， 校正功能实现不灵活。 而且网 络中 电阻受温度， 寿命的影响， 使校正的效果不能保持恒定。因此， 这种方法一般只 用在纯模拟电路中，作近似的校正。 夸 2 . 2 . 2采用开关电容网络校正 当信号处理采用数字方法的时候， 实现非线性校正的方案比较多。 可以在模 拟信号转化为数字信号时候实现非线性校正， 也可以在数字信号转换成输入l c d 的 模拟信号时候实现3 。图2 . 5 是 采用电 容开关网 络进行非线性d a 转换的 示意 图 4 )， 数字信号b 0 , b 1 等决定开关的 位置， 控制相应电 容的作用。 v n n v a 图2 . 5开关电容d a c 结构示意图 v . = v , , + ( v . n - 矶 呱 ) 俩.伪r q * b n 黝 ( q cl 一 十 + 以动 ( 2一 ll 公式 ( 2 一1 )是这样的非线性d a的转换关系，选择合适的电容值，能得到特定 的转换特性，以补偿液晶的非线性透过率。 这中方法的缺点与电阻网络相似， 功 能实现不够灵活，只实用小规模的系统中。 2 实现 . 2 . 3采用数字查找表校正 液晶 g a m m a校正最为普遍的方式是在数字信号处理环节中以查找表的方式 。 这种查找表的功能就是把输入的n - b i t 的信号根据相应寄存器里的值转换 成相应的 m - b i t输出信号。 ( r a n d o m - a c c e s s m e m o r y , 这种查找表一般都是存放在高速的随机存取存储器 r a m )中，它结合软件编程具有很强的实用性，现在 许多集成芯片都具有这样的功能模块。 浙江大学硕士论文 许多的查找表有8 b i t 的输入数字信号， 表中 有2 5 6 个寄存器。 对于输入的 每一个数字信号，由对应编号寄存器的值来决定其输出的数字信号。而图 2 . 6 是一个 1 0 - b i t输入、1 0 - b i t输出查找表的功能示意 图。输入值 0 , 4 , 8 . . . 4 n . . . 1 0 1 6 , 1 0 2 0 , ( 1 0 2 4 ) 其对 应的 输出 就是 对应编号寄 存器里设定的 值， 而其他的输入值对应的输出由插值确定。 在液晶投影系统中合理设定每一个寄存 器的值，使查找表输出与输入满足需要的关系，就能补偿液晶的非线性透过率。 一般是在r g b