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AM-OLED微型显示器在红外系统中的应用

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第34卷第4期 20l2年4月 红外技术 Infrared Technology Vl01.34 No.4 Apr.2012 <系统与设计> AM.OLED微型显示器在红外系统中的应用 李延东1,2杨俊彦 ,李亚文 ,一,周 琴 (1.云南北方奥雷德光电科技有限公司,云南昆明650223;2.昆明物理研究所,云南昆明650223) 摘要:AM.OLED微型显示器由于其优良的性能,在红外系统图像显示方面有着广泛的应用。由于红 外信号与显示图像的特殊性,需要对显示器的性能进行相关的优化,以达到优良的显示效果。通过相 关研究,有效提升了与红外系统相配套的微型显示器的显示效果,特别在伽马校正与温度补偿方面做 了深入研究,取得了较好的效果,具有良好的应用前景。 关键词:AM—OLED;红外系统;伽马校正;温度补偿 中图分类号:TN873 文献标识码:A 文章编号:1001—8891(2012)04—0200—05 Application of AM—OLED Microdisplay in Infrared Display Systems LI Yan.dong ’。,YANG Jun.yan ,LI Ya.wen ,ZHOU Qin f1.Yunnan North OLiGHTEK Opto-Electronic Technology Co.,Ltd,Kunming 650223,China 2.Kunming Institute of ics,Kunming 650223,China) Abstract:Because of the excellent performance of AM-OLED microdisplay,it is widely applied in the military infrared system.Due to the particularity of infrared signal and display image,it needs to optimize the performance for display in order to realize a better display effect.In this paper,with relevant research, some effective promotion of the display are improved.Especially in gamma correction and aotomatic temperature compensation,the study is satisfied,with good application prospect. Key words:AM-OLED;infrared System;gamma correction;temperature compensation 0引言 AM.OLED微型显示器(<1英寸)因为具有主 动发光、宽工作温度范围与宽视场角等优点Ll J,在红 外系统的近眼显示设备中有着广泛的应用。但是 AM—OLED的显示特性与传统的LCD/CRT有着较大 了相应的电路系统,完成了AM—OLED的增益控制, 伽马校正与温度补偿的功能。 1红外图像的特点 红外线本质是一种电磁波,具有与无线电波和可 见光一样的特性。红外成像技术可以将物体表面的温 度分布转换成人眼可见的图像。红外热像系统一般由 红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统或焦平面 列阵组成,探测器单元接受被测目标的红外辐射能 的不同,目前的AMOLED显示系统多基于原有显示 系统的改进,并没有充分考虑OLED的特性,不能充 分的发挥OLED的优势。红外图像由于其自身的特殊 性,必须对其显示器进行伽马校正l2】;同时红外图像 信号增益与探测器的性能有着较大的关系, AM—OLED显示器的输入信号必须进行相应的调整以 适应不同的红外系统:同时为了保证OLED在全温度 量,由光机扫描机构(焦平面热像仪无此机构)对被 测物体的红外热像进行扫描,并聚焦在单元或分光探 测器上,由探测器将红外辐射能转换成电信号,经放 大处理、转换或标准视频信号输出到相应的显示系 统。红外热成像图与物体表面的热分布场相对应,实 质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图, 由于信号非常弱,与可见光图像相比,缺少层次和立 范同(--40℃~60℃)其亮度、灰度等显示特性达到 使用要求,还需对其亮度进行相应的温度补偿。本文 基于对AM.OLED微型显示器特性的分析研究,设计 收稿日期:2012.03—15. 作者简介:李延东(1986.),男,云南墨江人,硕士,工程师,tz要从事AMOLED驱动电路的研究] 作. 基金项目:科技部火炬高技术产业开发中心资助项目(项目批准号编号:2011GHO11928);云南省科技计划项目重点新产品开发汁划(编号:2009BA001) 200 第34卷第4期 2012年4月 Vb1.34 NO.4 李延东等:AM.OLED微型显示器在红外系统中的应用 Apr.2012 体感,因此,在实际应用中为了有效地判断被测目标 的红外热分布场,常采用后端的数字成像系统对红外 图像信号处理之后再输出到显示器单元,不同系统的 输出信号有着明显区别,在输入AM.OLED显示器时 需要对其信号增益进行调整与控制,才能实现显示器 与红外系统的匹配。同时,红外图像主要有黑白图像 显示,单色绿光显示与伪彩色显示等几种主要类型。 不同的图像显示也需要显示器进行相对应的伽马校 正才能获得优良的显示效果。 图1 实验驱动电路结构 Fig.1 Circuit Stucrture 2 AM—OLED的增益控制与伽马校正 2.1 AM.OLED的增益控制 为1 V,可以对输入信号进行增益控制;解码器输出 信号为标准8 bit ITU.R BT.656 YCrCb 4:2:2的制式, 满足SVGA系列微型显示器的要求。 红外探测器系统前端的图像必须经过相应的数 字图像处理才能表现出较为优良的显示效果,目前的 红外系统输出多为复合视频信号(PAL TSC)。而本 文所采用的AM—OLED微型显示器为云南北方奥雷德 针对显示器与红外系统的匹配,通过对微型显示 器与解码器的深入了解与研究,确定了不同输入信号 条件下,显示器与解码器最佳的匹配。 光电科技股份有限公司的SVGA系列,接收的视频信 号为标准际电信联盟BT656/601标准制式数字信号。 结合目前较为主流的红外系统,设计了相应的配套驱 动电路,实现了AM.OLED在红外显示系统当中的优 良的显示效果。 主要需要配置的几个寄存器如表1、表2所示。 根据需要的功能,通过单片机对I2C总线上连接的显 示器与解码器进行配置。在研究中发现,不同红外系 统的输出增益对显示效果影响较大,一些信号增益较 大的红外系统在解码器与显示器默认配置下显示效 果出现图像失真的现象,在温度较高的物体图像周边 出现明显的阴影,影响了正常的红外观测,而一些信 为了实时对显示器与解码器进行配置,驱动电路 (图1)采用单片机作为控制单元。针对红外信号的特 点,驱动电路采用了ADI公司的ADV7081作为视频 解码单元,该解码器具备优良的可配置性能,输入信 号支持NTSC/PAL/SECAM等多种制式,支持红外系 统中几种主流的视频信号;支持输入信号的最大幅度 表1 ADV7180主要的寄存器 Table 1 The crucial register ofADV7180 号增益较小的红外系统则出现了显示细节不清晰造 成的观测效果失真。因此必须针对特定的红外系统修 改解码器的默认设置才能实现红外图像信号与显示 器接受信号的匹配。经过实验对比,实现了显示器与 解码器的最佳匹配设置,需要注意的是视频信号输入 表2 SVGA显示器主要的寄存器 Table 2 The crucial register of SVGA AM・OLED 寄存器地址 0x00 寄存器功能 输入信号设置 信号自动侦测设置 寄存器地址 0x01 0x19 0xlD 寄存器功能 输入信号模式设置 屏幕亮度调节(负压控制器) 温度传感器读数(只读) 9位伽玛校正查找表 0x08 输入信号增益调节 0x20 ̄0x41 表3 ADV7180的寄存器优化配置Table 3 Registerconfiguration ofADV718O 2Ol 第34卷第4苴』J 20l2年4月 红外技术 Infrared Technology Vb1.34 NO.4 Apr.2012 农4 AM—OLED显示器的寄存器优化配置Table 4 Register configuration ofAM.OLED 为SECAM制式时,信号识别功能会出现判断错误的 情况,凶此针对SECAM制式图像,需要更改0x00 寄仔器为F0,强制解码器识别信号。具体的寄存器设 输出结果。理想的伽马校正就是通过相反的非线性转 换把该 一 传输特性反转为接近于 1的伽马曲线。 2)不同显示图像的伽马校正 置如表3和表4所示。 2.2 AM.OLED伽马校正 1)伽马校正的原理 伽马校正的概念源于CRT的响应曲线,即其亮 度与输入电压的非线性关系【jJ: = f1) 式中:艟是伽马曲线幂函数。伽马曲线是一种特殊 的输出亮度的曲线,当艟等于l的时候,曲线为与 标轴成45。的直线,这个时候表示输入和输出密度 相同。高于1的堪将会造成输出亮化,低于1的值 将会造成输…暗化,伽马校正还会影响显示图像的与 亮度,同时也可能造成显示效果失真。总之,理想显 示器的要求是输入和输出比率尽可能地接近于1 j。 在显示器中这是一个相当常见并且比较重要的 概念。显示器的 曲线校正就是通过一定的方法来校 示图像的这种偏差。伽马校正的目的就是为了使 明暗扩展的过渡变得平滑自然。cd/m 图2显示的足AM—OLED微型显示器的亮度响应 曲线,町以看到其输入与输出亮度明显呈非线性的关 系,而是‘个指数关系,这样输出的图像发生了输出 亮化的现象,未经过伽马校正的OLED显示器其借 是大干1的。 毒 蔷 VoltogelV 2 OLED,_ 曲线Fig.2 I-Vcurve ofOLED 为了补偿这方面的不足,需要使用反效果补偿曲 线来让显示器尽可能地输出同输入图像相同的图像, 所以这个时候显示器的输入信号应该按照图所示的 曲线进行补偿,这样才能在显示器上得到比较理想的 202 AM—OLED微型显示器内置了0×2O~0×41共 17组9位寄存器对显示器进行伽马校正。伽马校正通 过17段分段线性函数来实现,通过分段函数的没簧 将输出B.V关系翻转过来,使图像输出亮度的v接近 于线性变换。伽马校正输入为8位,经转换后通过对 17组9位寄存器进行查表来得到输出,叶1问数值利用 查找表中最近的数值,通过c语言算法计算得出,算 法表达式为: Vo =LUT[Vi /16J+ %16 (LUT[V ̄ /16+1]一, LuT[ /l6])/l6 式中:“/”表示整除去余数:“ ’表示乘法:“%”表 示整除取余数。 每个查找表LUT[X]的值由两个8bit寄存器组成, 以LUT[01为例表示方式如表4、表5所示。 表5 LUTIx]寄存器说明Table 5 LUT’ register 寄存器地址 7 6 5 4 3 2 l O 21H 未用 LUT[8] 默认 0 20H LUT[7:0] 默认 0 0 l 0 0 0 0 0 表6伽马校 寄存器的配 表 Table 6 Register configuration of Gamma conection 第34卷第4期 2012年4月 ^ _/p ∞∞ 红外技术 Infrared Technology V0I.34 NO.4 Apr.2012 蕾 .∞静∞∞黔0 1.6 £ \ 1 4 、 世 0 e 扩 —r  .舶 忸] - 0.6 0.4 0.2 -t-囊崔 靳 翰 0 铀 ∞ ∞ O0 6.D。 7.。O 8。0 十亮度 滋度c ) t吨墩 电压(V) 5 OLED显示器的 电流密度 特性曲线 图4 OLED显示器的曰一,. 特性曲线 Fig.4 B一/-TCurve ofOLED Display ig.5 B一/-VCurve ofOLED Display 自动温度补偿实现的流程:温度传感器实时监测 OLED器件的工作温度,单片机通过I2C总线读取到 温度传感器的值,单片机根据算法对读取到的值进行 判断后,再通过总线反馈到AM.OLED的负压控制模 n \ 。) 块,输出相应的负电压到显示器的阴极,使亮度补偿 后找到对应的负压发生器的值,通过通讯总线反馈到 负压发生器,对AM.OLED显示器亮度进行自动温度 补偿。 自动温度补偿的最终测试结果显示亮度稳定在 150cd/m2左右,亮度波动值的A 为8cd/m ̄,优:于.预 计的AB<10 cd/m 。 在一一个稳定的值。 0 ∞加∞0 0 0∞ ∞0 ∞∞∞O 0 0 加 0 0 f 垂 垂 250 z。。,、 垂 赠 40 —20 0 20 40 蠡蚕 8腽 4结论 本文针对红外信号与显示图像的特殊性,研究了 不同红外图像在AM.OLED显示当中需要注意的信号 增益,图像制式匹配的问题,通过相关的电路设计与 软件,有效地解决了红外系统与AM.OLED显示器匹 配的问题。同时针对不同种类的红外图像,对显示器 的伽马校正进行了深入的研究,得出了对应的优化伽 嬲5喜 50 +温度传感器值 60。.-VcoIl控制哥存罄 温度(℃) ∞ ∞ ∞ 肋 0 值 图6温度与寄存器的变化曲线 Fig.6 T-Reg curves of OLED Display 马曲线校正方法,使红外图像显示质量取得了明显的 提升。最后通过对OLED温度特性的研究,对微型显 示器一40℃~60℃工作范围内的亮度特性进行了补 偿,修正了不同温度条件下亮度漂移的问题,得到了 相应的算法与自动温度补偿软件。最后通过实验测试 根据人眼对于近眼显示器的适应性,以全白光亮 度为150 cd/m 为标定值 ],将显示器及测试系统置于 温箱之中,在一40℃ ̄60 ̄C内工作。亮度与温度传感 器对工作温度与亮度实时监测,通过负压发生器控制 阴极电压,得到不同温度条件下亮度恒定在l50 cd/m 时,温度(0xlD寄存器)与阴极电压(Ox19寄存器) 两者的对应关系,得出的结果如图6所示。温度传感 器在全温度范围内线性度较好;随着温度的升高, OLED显示器在温度较高的区间内(25℃~60℃)需 要补偿的电压变化值AV的变化非常小。 证明,上述研究实现了AM.OLED显示器与红外系统 在不同输入信号与全温度工作范围的匹配,满足了军 事、科研等领域对于高质量红外观测效果的要求。 参考文献: [1]黄春辉,李富友,黄维有机电致发光材料与器件导论[M].上海:复 旦大学出版社,2005. 【2]Zhou X,He J,Liao L S,et a1.Real・time observation of temperature rise and thermal breakdown proces'ses in organic LEDs using in IR imaging 根据测量出的0x19寄存器与OxlD寄存器的对应 关系进行拟合。采用高斯函数作为拟合函数,经过迭 代逼近,得到最佳拟合函数如下: REG19H=17.78+102-315exp[--0.5(REGIDH-- 195.82)/140.7] and nnlaysis system[J].Advanced Material,2000,12(4):265—269 [4】Yoo J S,Jung S H,Kim Y C,et a1.Highly flexible AM—OLED display with integrated gate driver using amorphous silicon_rFT on ultrathin 通过之前设计的驱动控制电路,在单片机软件中 采用了的查表法,根据拟合函数建立全温度范围内查 找表;每隔10 S对读取温度传感器的值,单片机判断 204 metal foil[J].Journal ofDisplay Technology,201O 6(1 11:565—570. (下转第223页) 第34卷第4期 2012年4月 蔺素珍等:双色中波红外成像融合技术的研究进腱 Vo1.34 No.4 Apr.2012 (上接第204页) [5】Mutsumi K,Daisuke S,Masamichi K,et al Pulsewidth modulation with current uniormizatifon for AMZOLEDs[J].IEEE Transactions OH Electron Devices,2010 [8】Garditz C,Winnacker A,Schindler F,et a1.Impact ofJoule heating on the brightness homogeneity of organic light emitting device[J] AppliedPhysics Letters,2007,90(10):103506 [6] Wang Longyan,Liao Congwei,Liang Yinan,et a1.A New Four—Transistor Poly—Si Pixel Circuit for AMOLED[C]..20 1 0 [9]Kuixue Liu,Lihua Chen,Shuxin Liu.Organic Light—Emitting Diodes Life Expectancy Assessment Device[J].Chinese Journal of scientfc i护“me f,2009,30(6):335—337 f7] 张雷,吴华夏,胡俊涛,等. .种OLED显示器参数温度自适应设 计【JJ.光电工程,2011,3(2):127—131. 223 

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