（光学工程专业论文）平板显示器反射特性、亮室对比度及可读性的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 反射特性是平板显示器的重要特征参量之一，本课题着重研究了平板显示 器的镜面反射、朗伯漫反射和雾度漫反射特性，针对不同的反射特性提出测量 及评价方案，并建立了平板显示器双向反射分布函数的模型来分析其反射特性。 实验结果表明双向反射分布函数可以准确地表征平板显示器的所有反射特性， 对高品质健康型显示器的开发与发展有很好的研究意义。 基于平板显示器光谱反射因数及暗室测量结果，利用线性叠加原理和归化 方法可以计算平板显示器在室内、日光或其他任意照明条件下的亮室对比度， 对建立规范的平板显示器件的评价体系奠定了良好的基础。 平板显示器对比度的高低与可读性的大小并非一致的，其可读性还受观察 者的年龄、显示器亮度和对比度、可分辨字符大小等因素的制约，人类对字符 或图像的感知能力更加复杂，并且超出了本课题的研究范围。本课题根据 w e s t o n 所建立的简化视觉性能分析模型对平板显示器的可读性进行了研究。 论文第一章讲述了显示产业及光电检测技术的发展，介绍了平板显示器检 测尤其是反射特性检测的现状及参与研究的国际组织；第二章从平板显示器反 射特性的理论基础入手，引入了双向反射分布函数b r d f ( b i d i r e c ti o n al r e f l e c t a n c ed is t r i b u t i o nf u n c t i o n ) 模型来表征待测平板显示器表面对入射 光的空间反射特性及光谱特性；第三章针对不同的反射特性给出了测量方法， 建立了光学检测系统，并以液晶显示屏为例给出了测量结果；第四章介绍了平 板显示器亮室对比度的测量和评价方法，并就海峡两岸亮室对比度比对实验结 果给出了详细分析；第五章介绍了基于w e s t o n 视觉性能分析模型来评价显示器 可读性的方法；第六章对本课题的研究工作做了总结并提出了研究展望。 关键词：平板显示器、反射、双向反射分布函数、亮室对比度、可读性 l l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e f l e c t i o np e r f o r m a n c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so ff l a t p a n e ld i s p l a y i nt h i sp a p e rw em a i n l yf o c u s e d o nt h er e s e a r c ho ff l a tp a n e ld i s p l a y s r e f l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ：s p e c u l a r , i a m b e r t i o na n dh a z e ，a d v a n c e dm e a s u r e m e n ta n d e v a l u a t i o nm e t h o d sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，b u i l tf l a tp a n e ld i s p l a y s b i d i r e c t i o n a lr e f l e c t a n c ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o nf o r m a l i s mt oa n a l y z et h er e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s r e s u l t ss h o wt h a tw ec a l le x a c t l yc h a r a c t e r i z ef l a tp a n e ld i s p l a y s r e f l e c t a n c eb yu s i n gb i d i r e c t i o n a lr e f l e c t a n c ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ，a n di th a s s i g n i f i c a n tr e s e a r c hm e a n i n go nd e v e l o p i n gh i g h q u a l i t ya n dh e a l t h yd i s p l a y b a s e do nf l a t p a n e ld i s p l a y s s p e c t r a lr e f l e c t a n c e f a c t o ra n dd a r k r o o m m e a s u r e m e n tr e s u l t s ，t h ea m b i e n tc o n t r a s tr a t i oo fad i s p l a ym o d u l eu n d e rd e f m e d i l l u m i n a t i o nc a l lb ec a l c u l a t e du s i n gl i n e a rs u p e r p o s i t i o na n ds c a l i n gp r i n c i p l e s u c h a si n d o o r ，d a y l i g h to ro t h e ri l l u m i n a t i o nc o n d i t i o n s ，w h i c hb u i l tag r e a tf o u n d a t i o nt o t h ee v a l u a t i o ns y s t e mf o rf l a tp a n e ld i s p l a y c o n t r a s ta n dr e a d a b i l i t yo ff l a tp a n e ld i s p l a ya r en o tc o n s i s t e n t i t se v i d e n tt h a t r e a d a b i l i t yi s a l s or e s t r i c t e db yv i e w e r sa g e ，d i s p l a y sl u m i n a n c ea n dc o n t r a s t ， r e s o l u t i o no fd e t a i l s ，e t c b e s i d e s ，p e o p l e sa p p e r c e i v ea b i l i t yt oc h a r a c t e ro ri m a g e i sv e r yc o m p l i c a t e d ，a n db e y o n dt h ea r e ao fo u rr e s e a r c h i nt h er e s e a r c h ，b a s eo nt h e m o d e lo fw e s t o nv i s u a lp e r f o r m a n c e ，r e a d a b i l i t yo ff l a tp a n e ld i s p l a yw a sa n a l y z e d k e y w o r d s ：f l a tp a n e ld i s p l a y ( f p d ) ，r e f l e c t i o n ，b i d i r e c t i o n a lr e f l e c t a n c ed i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ( b r d f ) ，a m b i e n tc o m r a s t ，r e a d a b i l i t y 。一1 1 1 。一 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：杏雨 签字日期： 2 d f o 年3 月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：存韵 签字日期：加o 年3 月7 日 导师签名： 签字日期：爰i ，年 ；月fq 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 在此毕业论文完成之际，首先我要向牟同升导师表示衷心的感谢，感谢他 两年多来对我的悉心指导和谆谆教诲。牟同升教授以其渊博的学术造诣、强烈 的责任心、孜孜不倦的求是创新精神自始至终指导着我的科研课题，在整个研 究生学 - - j 的过程中，牟同升老师言传身教给我留下了深刻的印象，使我不仅积 累了大量光电检测方面的基础知识，自己的科研实践能力、分析问题和解决问 题的能力都有了很大的提高，牟老师的教诲必将使我受益终身。此外，牟老师 在生活、职业选择及规划等方面也给了我莫大的帮助，使我更加积极、乐观、 自信、从容地面对未来。 同时感谢杭州浙大三色仪器有限公司的虞建栋、孙浙辉、李俊凯等技术工 程师，感谢他们在我实验过程中的热心指导。 另外，在研究生生活结束之际，我要感谢光电子技术研究所的所有老师和 同学，使他们使我的研究生生活变得丰富多彩；同时也要感谢在整个科研过程 中给我极大地支持和帮助的实验室其他同学及师弟们，是他们让我感觉到身在 异乡却倍感温馨。 最后，我还要深深地感谢生我养我的父母，感谢他们在物质和精神生活上 对我的一贯支持和鼓励，使我顺利地完成我的学业，为将来的人生之路做了很 好的铺垫。 再次感谢我的大学和所有一直帮助、关心、支持、鼓励我的老师、同学和 朋友们，谢谢你们! 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 2 0 世纪以来，显示技术作为人机交互和信息展示的窗口已经成功应用于医 疗、航空航天、卫星遥感、交通、工业及娱乐等各个方面，显示产业是我国电 子信息工业的支柱产业之一，对国民经济有着举足轻重的影响，作为一个经济 大国，我们应该重视显示产业的发展。 平板显示器件以其体积小、重量轻、耗能低、显示质量高等诸多优点逐步 取代了传统的阴极射线管c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 显示器，主要包括液晶显示 器l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 、等离子体显示器p d p ( p l a s m ad is p l a y p a n e l ) 、发光二极管l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 显示器、有机发光二极管 o l e d ( o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e ) 等，是现代光学和微电子技术结合的产 物，已深入到人们的日常生活中，如手机、电脑、电视机、车载显示等n 2 1 。基 于人们对显示器件显示性能要求的不断提升，显示技术不断更新，开发与研制 高品质健康型平板显示器是未来显示产业发展的主要方向。 目前评价平板显示器性能典型要素包括分辨率、亮度、亮度均匀性、对比 度、视角、响应时间等。其中，分辨率又有物理分辨率和实际分辨率，前者标 明了每l m m 可显示的像素点个数，后者是对于人眼来说可分辨的像素数量，也 称有效分辨率，由于输入信号分辨率太低或显示器自身像素缺陷等会造成后者 可能小于前者；也可用显示容量来表示，即显示器可显示的总的像素数。亮度 是表征显示屏显示画面的明暗程度，包含客观的亮度及人眼可感知的亮度指标， 客观的亮度一般是在标准测量条件下，将平板显示器背光源的输出调至最大测 量屏幕中心点的亮度，多次测量取平均值作为最大亮度，一般以单位面积的亮 度来表示；人眼可感知的亮度是指在亮室环境中，显示屏表面传递到观察者眼 中的光通量，包括显示器自身产生的光量及周围的环境光经显示器反射进入 人眼的光量。亮度均匀性是指屏幕各处的亮度保持一致的性质；测量样板具有 代表性的几个点，其中最小亮度与最大亮度的比值即为亮度均匀性。传统意义 上的对比度一般是指显示器在暗室中可显示的最大亮度和最小亮度的比值，一 般对比度越大，图像越清晰醒目，色彩表现也越丰富且鲜明而亮丽；对比度小 一1 一 浙江大学硕上学位论文 则整个显示画面都会灰蒙蒙的。但由于显示屏的使用通常都处在一定的照明环 境中，所以，本文提出的亮室对比度的评价方法，将环境光经平板显示器反射 的影响考虑在内，即在一定的亮室环境中屏幕显示金白时的亮度与全黑时亮 度的比值。视角即为显示器件的显示质量符合显示基本要求的上下左右可视 角度范围，传统的c r t 产品是主动发光，基本上不存在视角问题，而液晶是 光调制器件，属于被动发光，它通过调节液晶分子的排列来实现对光偏振状 态的改变，配合偏振片实现显示导致显示装置有视角问题，通常在5 0 。左 右。响应速度是像素开关时间的参数，其大小影响显示器件对动态图像的显 示能力，响应时间越短，显示动态图像时就不会出现残影、拖影现象。显示 色数是指显示器能够显示颜色的总数，一般用每个基色的灰度等级数之积来 表示。 此外，功耗、可靠性、运动伪像、云纹等也是平板显示器产品性能检测 的指标d ，们。本课题主要涉及平板显示器反射特性、亮室对比度及可读性的 检测与评价。 通常的镜面反射、朗伯漫反射已经不足以全面表征平板显示器的反射特性， 雾度( h a z e ) 是介于二者之间的第三种反射特性，且人眼很容易观察出来。显示 器所表现出的反射特性可以是其中某一特性或几个特性的组合，因此，本课题 利用双向反射分布函数b r d f ( b i d i r e c t i o n a lr e f l e c t a n c ed is t r i b u t i o n f u n c ti o n ) 来描述平板显示器的空间反射分布特性，并介绍了其测量和评价方 法。双向反射分布函数可以有效地描述目标表面与环境背景的空间光散射及光 谱特性。 显示器行业所指的对比度一般是指暗室对比度，而平板显示器一般处在一 定照明环境中，因而，亮室对比度更能反映显示器工作状态时的显示性能。显 示器在亮室环境中工作时进入观察者人眼的亮度包括两部分，一部分是指显示 器自身发光或背光源透射光，另一部分是照明环境光经显示器表面反射的光。 因此，平板显示器的反射特性直接影响其亮室对比度的大小。 对比度并非越高越好，当对比度达到一定程度时，显示图案的色彩表现强 烈，会引起人眼的不舒适，容易产生视觉疲劳。可读性是平板显示器显示性能 好坏的一个综合指标，其亮度、对比度、分辨率及观察者自身视力因素都会影 一2 一 浙江大学硕士学位论文 响显示器件的可读性。要想提高显示设备的可读性，就必须具有足够的亮度 和良好的对比度。对t f t - l c d 来说，为提高其对比度可以提高背光源亮度， 具体方法可增加背光源数量，但这样会导致显示器功耗和体积的增大，也可 以考虑提高光路上材料的透过率来实现。但并非显示器的对比度越高其可读 性越好，跟周围环境光的照度有非常大的关系。在实际应用中，平板显示器 所处环境光线的跨度非常大，照明条件从1 - 1 0 0 l x ( 室内昏暗的光线条件) 、 1 0 0 - 5 0 0 l x ( 晴朗夏日在采光良好的室内照度) 到5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 l x ( 正午露天 地面的照度) 扩展，因此，显示器要想在如此宽的照度范围内保持良好的可 读性，就必须将背光光源调整得够强才行。但是，随着环境光强度的增加， 较强的环境光提高了黑屏的亮度并降低了对比度，这也是我们无法在阳光直 射的情况下看清显示器上文字的原因。 在开发研究高性能显示技术同时，必然伴随信息检测技术的进步。光电子 技术作为检测手段，具有无损、无接触、受环境影响小、检测速度快等优点， 随着z - 元光学及微光学的发展，光学系统向微型化、集成化、经济化方向发展， 是未来检测技术的主要发展方向。从产业发展的角度来讲，在其迅速发展的今 天，对平板显示器各生产阶段质量检测设备市场还有相当的潜力可以挖掘，尤 其在国内，高精度、高稳定性、全方位的检测设备还不多；从国家战略发展的 角度看，在平板显示领域的基础性研究上加大资金投入，攻克技术难题，制定 国家标准并积极参与国际标准制定，对规范显示产业的健康发展至关重要弘1 。 1 2 课题研究现状 近年来随着l c d 、p d p 、l e d 、o l e d 等各种类型平板显示器件的出现和发展， 显示屏光电性能的评价和测量方法也越来越受到关注。众所周知，检测的结果 易受检测设备、环境、装置等条件的影响，为了使显示器件的性能检测能够有 良好的可再现性，需要使测量方法规范化、标准化。目前国际上关于平板显示 器测量标准制定等方面比较有影响的组织有i e c 、v e s a 、s e m i 、s p w g 、i c d m 、 j e i t a ，n i s t 等。 国际电工委员会i e c 与国际标准化组织i s o ( i n t e r n a ti o n a lo r g a n i z a ti o n f o rs t a n d a r d i z a ti o n ) 在平板显示领域紧密合作，i e c 下设技术委员会t c 负责 标准的制定与审核，其中t c l l 0 即为平板显示技术委员会。 一3 一 浙江大学硕士学位论文 视频电子标准协会v e s a ( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r d sh s s o c i a ti o n ) 对 平板显示器的研究较早，是目前有关平板显示标准发布最快、应用最广泛的组 织，发布的主要是器件和终端显示设备产品的接口和测试方法，主要包括：对 比度、功耗、视角、响应时间等指标的测量原理及方法；反射比、亮度及均匀 性、色度、机械性能、电性能指标的测量原理及方法。v e s a 的f p d m ( f l a tp a n e l d is p l a ym e a s u r e m e n t ) 提供了全面而通用的平板显示器的测量方法，其制定的 标准从v e s af p d m1 到现在的f p d m 3 。 半导体设备与材料国际组织s e m i ( s e m i c o n d u c t o re q u i p m e n ta n d m a t e r i a lsi n t e r n a ti o n a l ) 是半导体行业的国际化组织，在平板显示方面主要 对生产过程中应用的材料及设备制定相关标准。 显示屏标准化工作组s p w g ( s t a n d a r dp a n e lw o r k i n gg r o u p ) 由d e “公司 在1 9 9 9 年发起并与h p 、i b m 、t o s h i b a 、c o m p a q 共同组织成立的工作组，目的 在于规范笔记本电脑用显示屏的尺寸、机械、电气接口等，关于测试方法基本 与v e s a 标准相同。 信息显示学会s i d ( s o c i e t yf o ri n f o r m a t i o i ld is p l a y ) 是显示领域的顶级 会议，一年一次，最新的，顶级的平板显示器测量文章都发表在该会议里。 美国国家标准技术研究院( n is t ) ( n a tio n a1 i n stit u teo fs t a n d a r d s a n dt e c h n o1o g y ) 是属于美国商业部的技术管理部门，从1 9 9 6 年开始就致 力于平板显示器反射、云纹、均匀性等测量标准的制定。 显示计量国际委员会i c d m ( i n t e r n a ti o n a lc o m m i t t e ef o rd is p l a y m e t r o l o g y ) 是显示领域声望较高的组织，也是信息显示学会s i d ( s o c i e t yf o r i n f o r m a ti o nd is p l a y ) 的一个分支机构。主要负责撰写显示计量标准 d m s ( d is p l a ym e t r o l o g ys t a n d a r d ) ，旨在一方面为显示工业的设计计量与特性 表征提供最顶级参考标准，同时为消费者选购显示器提供的评价质量指标。i c d m 的d m s 标准涉及显示计量的各个方面，主要包含全屏测量、三维显示、灰度等 级、瞬态特性( 响应时间) 、运动伪像、均匀性、反射测量、物理及电特性测量 等。 此外还有日本电子和信息技术产业联合会( j e i t a ) 等组织口“1 。目前，通常 采用的标准有v e s af p d m ，i s o13 4 0 6 - 2 ，t c o 0 5 及s p w g 3 5 ，其中受到国际 一4 一 浙讧太学硕上学位诗文 广泛认可的平板显示器测量标准是v e s f p 州标准。 关于反射特性的测量目前上述组织还没有形成统一的国际标准，反射 特性的测量方法需满足：可靠性，印测量结果不受测量几何结构的微小瑕疵、 不规则性及测量设备选择的影响；可再现性，即相同的待测显示器在不同时问、 不同地点测量应获得的结果一致；明确性，印测量设备的结祷及参数要求霸明 确规定；所测印所见，通过探测器所测量的结果能够真正反映人眼的观察特性， 这样的测量结果才会有意义；可扩展性，测量方案可以适用于不同平板显示器 在不同条件下的测量。 囤卜1n i s t 实验室采取的f p d 反射特性利量方法 图卜1 是各显示器评价刹量机构所考虑的8 种测量方法并根据所选照明光 源的类型及位置关系而命名剥量方法是毗所采用照明光源的类型及几何结构 命名的，a - h 分别为环形光琢法、侧面小光源法、侧面大光源法、采样积分球 法、小光源镜面法、大光源镜面法、大光苏近距商镜面法、墁反射积分球涪。 根据n i s t2 0 0 6 平扳显示器测量会议上的报告对上述方法在测量反射参量、 c 一 浙 i = 大学硕士学位论文 可靠性及对称性方面进行了分析。分析结果表明：a 环形光源法，f 大光源镜面 法、h 漫反射积分球法三种方法的对称性很好，光源旋转任意角度都不会影响 测量结果，可靠性较好，设备参数的微小变化影响不大，h 所测反射参量包含 了反射三要素，且不同的探测角度得到的测量结果一致，可靠性最高。其他测 量方法存在无对称性，或探测器准直性及光源角度的微小变化会引起测量结果 的巨大差异，所测反射参量都没有雾度的峰值及镜面反射参量等问题。 目前针对平板显示器反射特性的测量与评价这一课题已经在世界范围内开 展了对比测量，印r o u n d - r o b i nt e s t ，参与对比测量的有美国国家标准实验室、 韩国三星等，待测样品由n i s t 提供，该对比测量实验包括必要的和可选两部分， 必要部分是漫反射比及方向光源照明下的亮度因数的测量，可选部分是平面内 双向反射分布函数的测量，所有的测量都应明确测量装置的整体几何结构，包 括积分球直径、采样端口直径( 对采样积分球) 、探测器测量区域大小、与样板 间的距离、偏离样板法线的角度、照明光源的类型及具体参数等，对比测量的 结果将直接影响到产业的发展及标准的制定。 双向反射分布函数可全面而有效地描述待测表面的空间反射特性和光谱特 性，目前，众多学者对不同材料或待测样品表面的可见光及激光红外双向反射分 布函数进行了理论和实验分析，并已扩展到微波、红外光散射等方面伸1 。其测量 包括相对测量和绝对测量两种方法，绝对测量是指不使用任何参考标准下进行的 测量，相对测量是指利用反射特性已知的参考标准与样品进行的比对测量。美国 亚利桑那州立大学f 0 b a r t e ll 等人于1 9 8 0 年发表的论文中详细介绍了b r d f 绝对 测量原理，给出了测量数学表达式，指出了测量中待测样品尺寸、实测光束大小、 探测器的接收视场等方面的问题，由于光源干涉程度、辐射参量精度、信号测量 水平、转台转角精度等因素的影响，系统误差和随机误差都较大，测量精度不高。 相对测量法不但可以减小测量系统误差，而且对杂散光的控制也有较好的抑制作 用n 一0 1 。此外，在测量精度要求不高时也可以利用数码相机，结合计算机图形处 理技术来粗略获得待测表面的双向反射分布函数u 1 1 。近年来，国外一些计量机构 已经将b r d f f f 寸研究从测量扩展到了软件模拟与仿真，实现了从值到物和从物到值 的相互转化，同时也扩展了其应用。 目前国内关于双向反射分布函数测量系统的研究工作也在逐步进行，参与研 一6 一 浙江大学硕上学位论文 究的单位有中国计量科学研究院、航天工业总公司2 0 7 所、安徽光学精密机械研 究所、长春光机所等，主要应用于目标与环境光学检测，用双向反射分布函数提 取目标表面的空间光反射特性数值，然后采用遗传算法对双向反射分布函数参量 反演，从而为目标探测、跟踪及识别等提供一定的参考依据n 2 q5 1 。 第五届海峡两岸信息产业技术标准论坛一平板显示分论坛针对平板显示器 检测行业达成共识，并展开了两岸检测比对实验，检测项目包括：合作开展功 耗标准的研究，就模块功耗的定义与标准进行讨论，以期符合节能减碳的环保 要求；合作开展显示器图像质量测试方法的研究，就动态图像与静态图像的测 试参数进行标准研究；合作开展在亮室对比度的测试技术和标准研究上进行的 深入的探讨并合作开展两岸异地实验等。由此可见，节能减排及健康显示是显 示领域当前较为热门的发展方向。其中参与亮室对比度的测试比对实验的负责 人为台湾工业技术研究院的蓝玉平教授及浙江大学光电信息工程学系的牟同升 教授，本人参与了实验装置的搭建及数据的采集、分析及处理，本文第四章给 出了比对实验的详细过程及结果分析。 平板显示器可读性与亮度、对比度、分辨率等因素密切相关，且受观察者 自身因素的影响。h c w e s t o n 、r e a 、o u e l l e t t e 等专家建立了视觉模型，我们 对其视觉性能数据进行了对比。其中，r e a 和o u e ll e tt e 给出的模型是基于响 应时间来计算视觉系统在执行特性任务时的视觉性能值；在1 9 4 5 年h c w e s t o n 开始的研究过程中，他采用辨识目标可探测的速度和可辨识准确性为基准；m u c k 和b o d m a n n 采用同样的基准并加入探测时间及准确性，与h c w e s t o n 研究结果 相比得到了一致的结果。r e a 和w e s t o n 模型的区别9 3 因于所采用的不同视觉性 能测量标准：r e a 模型是当目标在尺寸和对比度一定时响应时间的倒数；在 w e s t o n 模型中，考虑了视觉灵敏度、时间及错误率的影响，后者与前者的最大 区别在于对目标对比度的灵敏度较高n 卅。因此，本课题基于w e s t o n 视觉性能分 模型，建立了平板显示器可读性的分析方法。 1 3 课题研究内容和目标 本课题着重研究平板显示器镜面反射、朗伯漫反射、雾度的测量，利用双 向反射分布函数的来描述平板显示器的空间反射分布特性；分别介绍了全积分 球法和采样积分球法测量平板显示器在漫射光源照明条件下的光谱漫反射比， 一7 一 浙江大学硕士学位论文 平板显示器在方向光源照明条件下的光谱辐亮度系数，通过对不同显示器样品 的实验，验证测量方案的可行性，并参与了海峡两岸亮室对比度测量结果比对 实验；最后，利用w e s t o n 模型分析平板显示器的可读性。 围绕这个主题，本课题的主要内容如下： ( 1 ) 平板显示器反射特性镜面反射、朗伯漫反射、雾度漫反射特性的介绍； ( 2 ) 提出利用双向反射分布函数b r d f 表征显示器反射特性的方法，建立测 量系统，并利用n i s t 实验室提供的反射样板进行实验； ( 3 ) 平板显示器反射参量及双向反射分布函数的测量，包括测量原理、测量 方法及结果分析； ( 4 ) 分别建立漫反射照明及方向光源直接照明两种环境光照明条件，分别测 量平板显示器的光谱漫反射比及光谱辐亮度系数，结合显示器的暗室测量结果， 利用线性叠加和归化原理计算得到平板显示器在任意给定照明条件下的亮室对 比度，并参与了海峡两岸平板显示器亮室对比度比对实验。 ( 5 ) 综合影响平板显示器可读性的亮度、目标对比度、观察者年龄、可分辨 字符大小等因素，利用w e s t o n 视觉模型对其可读性进行了分析与评价。 一8 一 浙江大学硕上学位论文 第2 章平板显示器反射特性理论基础 平板显示器通常都在一定的亮室照明环境下使用，显示器散射进入人眼的 光与照明光源探测器的位置关系及显示器的反射特性有关。因此，为确定显示 器在一定照明环境下的性能，需要表征显示器的反射特性。反射特性一旦获得， 结合显示器自身的发光特性即可计算显示器的亮室对比度及亮室色域。 本课题从光度学和辐射度学两方面对平板显示器的反射及反射因数进行了 分析。 2 1 平板显示器反射特性介绍 平板显示器的反射特性，包括镜面反射( s p e c u l a r ) 和漫反射，漫反射又包含 朗伯漫反射( l a m b e r t i o nd i f f u s e ) 、雾度( h a z e ) 漫反射n 7 1 。 物体表面的反射特性通常用反射比r e f l e c t a n c e 来表示，是指对给定光源 探测器几何结构，待测表面反射辐射( 光) 通量与入射辐射( 光) 通量辐射之 比，符号记为p ： p = 乳。帅( 2 1 ) 镜面反射又称规则反射，是指当辐射入射到待测物体表面时反射辐射和入 射点处法线的夹角与入射角相等，且入射辐射与反射辐射在法线的两侧，三者 均在同一平面上，这就是几何光学中的反射定律，用镜面反射比表示。镜面反 射比s p e c u l a rr e f l e c t a n c e 是指对给定光源探测器几何结构，待测表面镜面 反射的光通量与入射总辐射通量之比，符号记为 9 5 9 7 9 9 9 5 亮度量测设备t o p c o nt o p c o n s e n s i n gs p r - 3 0 0 0 美能达 s r - u l l rb m - 5 a t o p c o nb m - 7 a c s - 2 0 0 0 视角 2 0o 2 。 2 0 l o 0 2 。0 1 。0 2 。 照度量测设备 p h o t op h o t o m e t e l s p r - 6 0 0 自制照度计 d c t e c t o r 量测距离 7 0c m9 0c m 10 0 c m 9 01 2 0c m 环境条件 ( 2 5 土( 2 5 ( 2 52 ) o c( 2 2 2 ) 。 2 )。c2 )。c c 温湿度 ( 4 5 f 5 5 士 ( 6 5 5 ) 3 i( 4 5 l o ) 1 0 ) lo ) 暗室照度 0 0 5l x 1l x 0 3 5人眼分辨角a 1 5 的情况： 即= 0 5 3 8 4 - 1 4 9 9 ) x ( 1 0 9 l b + o 0 9 1 9 6 ) y ( c - 0 2 5 3 4 ) z 么， ( 5 8 ) 一5 l 一 浙r i ：大学硕上学位论文 式中，x = o 1 1 9 4 o o g l b + 1 9 2 3 ) o 嗍( c + 1 5 1 6 ) o 6 5 4 9 y = 0 8 1 3 5 ( a - 1 1 8 2 ) 卸7 8 3 1 ( c + 1 0 5 4 ) 3 0 6 2 z = o 5 7 4 5 ( 1 0 9l b + o 2 6 6 9 ) 。03 9 0 2 ( a - 0 8 3 0 2 ) 加7 6 3 7 ( 2 ) 针对低目标对比度c o 3 5 的情况： ( 5 9 ) ( 5 1 0 ) ( 5 1 1 ) 阡= 0 6 5 7 7 ( a - 1 4 9 9 ) 石( 1 0 9 l b + o 0 3 5 ) 7 ( c - 0 0 8 5 2 1 ) z a f 式中，x = 0 0 8 2 ( 1 0 9 l b + o 11 3 3 9 ) _ o 6 3 7 8 7 ”( c + o 0 2 2 4 3 ) _ o 2 3 y = 0 1 4 5 2 ( 口一0 0 0 4 1 ) 卸1 8 4 5 1 ( c 一0 0 9 9 ) 0 1 1 6 8 z = 1 2 9 1 ( 1 0 9 l b + 0 2 6 4 ) 卸3 8 6 7 5 ( a - o 2 1 8 ) 卸5 2 3 c ：一a l ：l b l t a r g e t ( 5 16 ) l 一一 、j 厶厶 ( 5 1 2 ) ( 5 13 ) ( 5 1 4 ) ( 5 1 5 ) 其中，l b = b a c k g r o u n dl u m i n a n c ec d m 2 ，为背景画面亮度；在显示器正 向设置中，l 。= k ；c = t a r g e tc o n t r a s t ，为目标对比度；a 为以弧度为单位的目 标尺寸：a f 为年龄的影响因数。 a f ：缸舭= f ( a g e ，c ) = 1 一【1 3 1 7 1 0 。4 ( a g e 一2 0 ) e 】 ( 5 1 7 ) e = ( c + 0 1 9 9 ) 。0 1 4 8 + 1 0 2 4 ( 5 1 8 ) 其中：a g e 为年龄；c 为目标对比度；l 。为背景光亮度。 则： v p = 嘤o a f ( 5 1 9 ) 上式反映了基于w e s t o n 视觉性能评价模型的v p 表达方法，为将视觉性能 与视觉系统所能达到的最高值相关联，我们采用相对视觉性能r v p ( r e l a t i v e v i e wp e r f o r m a n c e ) ，r v p 值大小介于0 - 1 之间并规定：2 0 岁视力正常年轻人 观察细节的分辨角为4 5 、对比度为0 9 、背景光平均亮度为10 0 0 c d m 2 的画 面时其相对视觉性能值为1 ，此时认为可读性为1 0 0 正确。 则， 从而： 后：r v p a g e ：型堡：上：1 7 2 8( 5 2 0 ) 喝弘 喝。缇。 尺功巴黟= 七阳曩影= 1 7 2 8 形已髟 ( 5 2 1 ) 根据c l e1 4 5 规定的不同年龄段成年人在某一分辨时，基于不同对比度和 一5 2 浙江大学硕上学位论文 平均亮度的r v p ，可以得到不同条件下相对视觉性能。图5 - 1 和5 - 2 分别是2 0 岁和5 0 岁观察者分辨率为4 5 时的r v p 曲线。 - c 司9 - 4 日- - c = 0 5 - - z t - - c 司3 1 6 f - c = o 2 e c = 时1 i1 0l 1 0 0 01 0 0 0 0 j e 度( c d , l n 、2 ) 图5 - 12 0 岁观察者随f p d 平均亮度和目标对比度变化的r v p 曲线 亮整( c d 抽1 2 ) 图5 - 25 0 岁观察者随f p d 平均亮度和目标对比度变化的r v p 曲线 由上图分析得：观察者年龄、分辨率和显示亮度相同时，显示器目标对比 度越高，其相对视觉能力也越高，即可读性越好，相反可读性变差；观察者年 龄、分辨率和目标对比度相同时，显示器的显示亮度越高其相对视觉能力也越 高，相反可读性变差；其他因素均相同时，年龄越小，其视觉能力也越高。 5 2 2 分析结果 本课题以奇美的l e d 背光源液晶平板显示器为例，在照度为5 0 0 1 x 的2 8 5 6 k a 光源照明条件下，显示器全白亮度为1 8 2 c d m “2 ，显示器全黑亮度为 1 2 1 c d m 2 ，则根据w e s t o n 分析模型，正向设置( 白底黑字) 时目标对比度为： c ： 0 7 5 k w - o 7 5 k k ：堕二纠：o 9 1 2 l = 一= 一= i ，v lz o 7 5 k w + 0 2 5 k t k 。+ ( k 3 ) 则对比度0 9 1 2 ，分辨率1 5 ，可读性随亮度或观察者年龄变化。 一5 3 一 l 9 5 7 6 5 4 ； 2 1 o o o o o o o o o o 霞疆毂举麓霉 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o o o n o o o o o o 文籍糕器1f零 浙江大学硕士学位论文 二一 一： ：1 _ _ 。：- - - _ - - - ：、，、- ? ，一 图5 - 3f p d 显示不同亮度下r v p 随观察者年龄的变化 图5 - 4 不同年龄观察者r v p 随f p d 平均亮度的变化 由图5 - 3 及5 - 4 的分析结果知：在目标对比度和分辨率不变时，液晶显示 器在显示不同平均亮度下相对视觉性能值随观察者年龄的增加不断降低；对一 个观察者，显示器显示目标对比度和分辨率一定时，相对视觉性能值随着显示 亮度的增大而增大，且亮度越大，不同年龄间相对视觉能力相差越大。 由上述分析知，显示器的可读性会随着亮度的增加而提高，但由于人的 眼睛能够适应的最高亮度约为3 0 0 0 c d m 2 ，该数值与白天天空的亮度以及阳光下 比较深色物体的亮度( 如土地、植物) 是相符合的，是人类在地球上生存逐渐进 化而形成的。超过这个亮度，人眼就无所适从，长时间暴露在高亮度的环境下 会对眼睛造成伤害。因此，当亮度过高时，人眼会感到刺眼而无法分辨物体。 同理，对比度过高时由于黑白差异过高也会使观察者感到刺眼，从而影响可 读性。 5 4 2 l 8 6 4 2 o l o o o o 茎一_皇凸蠕嚣山意11篇o皂葛凹 _二二。 ；= q2是_l云oj19山趸曩口葛互星 浙江大学硕上学位论文 5 3 本章小结 本章介绍了基于w e s t o n 视觉性能分析模型来评价平板显示器可读性的方 法，综合显示器亮度、目标对比度、观察者年龄及可分辨字符大小的影响。以 2 0 岁视力正常德年轻人在观察细节分辨率为4 5 ，对比度为0 9 ，背景光平均 亮度为10 0 0 c d m 2 的画面时的视觉性能值为基准，即认为可读性为10 0 正确， 分析了各影响因素取不同值时的相对视觉能力。 一5 5 浙江大学硕上学位论文 6 1 课题总结 第6 章总结与展望 本课题综述了平板显示器的产业发展及其检测领域的国际行情，重点描述了 平板显示器的镜面反射、朗伯漫反射和雾度漫反射三种反射特性及当前的检测现 状，并根据不同的特性分析了其测量方法，鉴于雾度漫反射特性的特殊性，本文 运用双向反射分布函数全面地表征了平板显示器反射特性，并运用美国国家标准 实验室提供的样板进行实验，给出了测量及分析结果，结果验证了测量系统的可 靠性。平板显示器反射特性的研究对高品质健康型显示器的开发与发展提供了一 定的研究基础。 结合当前市场上平板显示器对比度评价存在的问题，本课题提出了亮室对比 度的分析方法。分别获得漫射照明光源和方向光照明光源照明条件下的平板显示 器光谱反射因数，结合暗室测量结果即可通过计算获得任意光源或组合光源照明 条件下的平板显示器亮室对比度，这对规范平板显示市场有很好的研究意义。 针对平板显示器对比度是否越高越好的问题，本课题提出了其可读性的分 析方法。显示器的可读性受显示器亮度和对比度、观察者的年龄、可分辨字符 大小等因素的综合制约，本课题结合w e s t o n 所建立的简化、近似的视觉性能分 析模型对平板显示器的可读性进行了研究。 总结本论文的创新点，主要体现在以下几个方面： 1 通过建立双向反射分布函数模型的方法，表征平板显示器的反射特性，包含 了镜面反射、朗伯漫反射，雾度漫反射三种反射特性。 2 利用全积分球法测量平板显示器的双向反射分布函数，可靠性高，可重复性 好。基于实验空间及成本的考虑，提出积分球法的另外一种结构，即采样积分 球法，在保证测量可靠性及重复性的基础上解决了平板显示器尺寸大对积分球 尺寸的要求。 4 利用光谱法测量平板显示器的光谱反射因数，利用线性叠加及9 3 化的方法可 以计算平板显示器在任意照明环境下的亮室对比度，与传统的光度法测量相比， 其通用性更强，更符合实际。 5 利用w e s t o n 视觉系统简化模型对平板显示器的可读性进行了分析，综合了 一5 6 浙江大学硕上学位论文 影响平板显示器可读性的亮度、对比度、观察者年龄等因素，使得人们对显示 器显示性能的评价更客观。 6 2 课题展望 本文从理论和实践两方面对平板显示器的反射特性、亮室对比度及可读性 进行了一系列的研究，在这一研究过程中，我们取得了一定的研究成果，但还 有很多工作可以继续开展，下面结合自己工作中的不足谈一下该项目的展望， 主要体现在以下几点： 1 平板显示器表面双向反射分布函数测量过程中未考虑照明光源偏振状态 的影响，光入射到材料表面时有可能会和材料表面发生相互作用，从而使经显 示器表面反射光的偏振特性改变，如表现为衰减、相位延迟等b6 1 ，希望在以后 的工作中能够将偏振考虑在内。 2 目前国际各显示器检测组织对雾度漫反射的界定没有形