（南京观海微电子）—

（南京观海微电子）——Gamma调试

1.什么是Gamma？

Gamma的概念源自于CRT响应曲线，最开始是用于反映显像管的图像亮度与输入电子枪的信号电压之间，非线性关系的一个参数。对于CRT显示器而言，电子流大小影响显示的图像亮度大小，而电子流大小与输入电压间成指数关系，图1所示：

图1

因此，简单地说，Gamma是用来表征显示器亮度响应特性的一个参数。通常CRT显示器的显示亮度与输入电平的关系接近一条曲线，图2所示；水平方向表示输入的电平，纵向表示显示的亮度。

图2

对图2进行归一化处理后，得到图3所示的曲线，该曲线与函数y=xⁿ（n=2.2）非常接近。这个就是显示屏的亮度响应曲线，指数2.2就是Gamma值。

图3

CRT显示屏的Gamma值为2.2是因为这样的显示特性比较符合人眼视觉特性：

①Gamma偏大：整体图像偏暗，暗场景中的细节容易丢失；

②Gamma偏小：整体图像偏亮，图像变得朦胧，层次感变差。

图4左边是不同Gamma的响应曲线，右边是16灰阶图像的对比。

图4

从图中可以看到：

①γ=1.8时，整体偏亮，层次感较差

②γ=2.6时，整体偏暗，最左边两个暗阶已经无法分辨开

只有γ=2.2时，各灰阶的整体层次感较好。

TFT—LCD面板的高级Gamma校准系统介绍

随着市场竞争日益激烈，LCD产品的上市时间成为制约产品市场销量的关键因素。过去，工程设计人员需要一个星期才能获得特定TFT-LCD面板的最佳Gamma电压和VCOM电压，而利用AGCS可以将Gamma电压和VCOM电压的优化过程缩短到几秒钟以内。

液晶显示屏的Gamma是什么样的？

由于发光原理的不同，液晶显示屏的亮度响应曲线与CRT的不同，是一条“S”形曲线，Gamma值较大，图5所示；

为了使它接近理想的CRT亮度响应特性曲线，符合人眼视觉特性，就要进行Gamma调整。

　　LCD面板的用户对于面板的Gamma规格要求非常严格，因此，LCD制造商必须针对每个面板模块建立Gamma曲线，而生产过程中不同面板Gamma电压的差异超出了用户对Gamma参数的要求。LCD模块厂商可以借助AGCS在生产线上对每块面板进行微调。本文介绍了一个闭环反馈系统，能够在工程试验中对TFT-LCD面板进行Gamma和闪烁校准，最终目标是将高级Gamma校准系统(AGCS)嵌入到TFT-LCD生产线。AGCS软件运行在个人计算机，执行以下操作：

　　液晶显示模块(LCM)的显示测试模板;利用Konica Minolta
CA-210测量亮度和闪烁;利用快速算法软件建立Gamma曲线，抑制闪烁;将Gamma和VCOM代码烧录到Maxim的MAX9669
16通道可编程Gamma芯片，同时提供可编程VCOM。

　　AGCS最终可以在一定的灰度等级范围内(而不仅仅是在一个灰度等级)降低闪烁。

　　图1：AGCS系统框图。

　　图1所示为AGCS系统原理框图，软件指令控制计算机通过数字视频接口(DVI)发送视频测试模板。TFT-LCD面板随后显示测试模板。接下来，软件通过USB接口向Konica
Minolta CA-210
(LCD彩色分析仪)发送指令，测量面板的亮度和闪烁(CA-210的远端光学探头应该置于面板前方)。AGCS软件计算Gamma和VCOM代码，并通过USB和I2C接口将其装载到MAX9669的数/模转换器(DAC)寄存器。

　　MAX9669具有16个可编程Gamma缓冲通道和1路可编程VCOM放大器。此外，器件内部提供多时间编程(MTP)存储器(图2所示)。利用MTP存储器能够将Gamma和VCOM代码写入非易失存储器，并在上电时装载到DAC寄存器。

　　图2：MAX9669可编程Gamma缓冲器，带有MTP。

　　下列式(1)、(2)和(3)给出了Gamma曲线、亮度和亮度误差的表达式。

　　式中，T(j)为LCD在灰度等级j的能见度，对于8位面板，j =
1至255;L(j)为灰度等级j的亮度，ε(j)为亮度误差，LT(j)是由式(2)计算得到的目标亮度。当亮度误差在用户定义的容限范围以内时，即可进行成功的Gamma校准。从图3
Gamma校准曲线可以看出，利用AGCS能够将最大亮度误差从42%降至23%。本文介绍的测试平台能够在13秒内完成Gamma校准。

　　图3：Gamma曲线和误差函数。

　　为了降低残余直流电压(该电压可能导致图像残留)，像素两端的电压需要逐帧在正极性和负极性之间交替转换。但是，由于寄生电容的存在仍然会驻留直流成分，从而导致亮度在从正极性变换到负极性时发生变化。这种亮度变化称为闪烁，为减小闪烁，可以在生产线上调整每个面板的共模电压(VCOM)，以消除像素上残留的直流电压。操作人员可以在生产线上观察显示屏，调整机械电位器的抽头来改变VCOM电压。

　　图4：针对MAX9669的10位DAC和8位灰度等级优化VCOM DAC码与灰度等级特性。

　　可编程VCOM缓冲器可以实现自动校准，无需机械电位器。AGCS利用快速跟踪算法进行闪烁修正，针对某个灰度等级的校准操作可以在2秒钟内完成，图4给出了VCOM针对不同灰度等级的优化。AGCS可以均衡VCOM，通过调整Gamma电压获得整个灰度等级范围内的最佳VCOM电压。图5(a)所示是对40”LCD面板进行VCOM均衡的校准结果，校准后的VCOM
DAC码如图中绿点所示，目标VCOM值为粉色圆圈，初始VCOM值为蓝色圆圈。校准后的VCOM与目标VCOM的差异不会超出?2LSB，而10位DAC的初始误差为?6LSB
(1LSB约等于16mV)。

　　图5 AGCS图像用户界面

　　图5所示AGCS GUI包含四个标签：Hardware、Equalized
VCOM、Flicker和Gamma。Hardware标签提供手动编程Gamma和VCOM电压的函数;Flicker标签包含闪烁测量功能，具有不同的测试模板和白色、绿色彩色选择。Gamma标签允许用户测量并校准Gamma曲线;
Equalized VCOM标签提供一系列的Gamma校准和VCOM均衡。

　　在Gamma标签中点击Calibrate按键开启Gamma校准，AGCS画出一条红色曲线，代表用户定义的必须满足的Gamma曲线。AGCS测量显示板的Gamma曲线，用蓝色显示。如果Gamma值不能满足容限要求，AGCS将利用跟踪算法校准Gamma电压，已获得所要求的Gamma曲线。绿色曲线显示是否完成校准。

　　闪烁测量包括以下过程：设置闪烁模板、编程VCOM电压、读取闪烁电平、启动快速算法计算降低闪烁电平的最佳VCOM电压。

　　VCOM均衡将执行一系列AGCS和均衡VCOM
(或EVCOM)校准过程。EVCOM中，通过调节Gamma电压、测量闪烁电平使闪烁降至最小。目标VCOM电压如粉色圆圈所示，校准后的VCOM电压如蓝色圆圈所示，最终得到的VCOM电压用绿色圆圈表示。AGCS和EVCOM可能需要几次重负过程得到最终结果。由此，AGCS软件允许用户定制AGCS和EVCOM过程。由于绝大多数LCD面板只能设置一个VCOM电平，Equalized
VCOM标签的功能可确保获得最佳的Gamma和闪烁指标。