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场发射平板显示器件显示性能测试与 评估方法研究 专业：微电子学与固体电子学 学生：覃璐 指导老师：邓少芝教授 摘要 近些年来，随着平板显示技术的迅猛发展，相关的测试技术逐渐成为显示技 术领域的研究热点，一系列的国际行业测试标准也应运而生。作为新型平板显示 器件成员之一的场发射显示器( f e d ) 因兼具传统阴极射线管( c i 盯) 的图像显 示质量和平板显示器( f p d ) 低功耗、轻薄的特点而倍受人瞩目。本文在分析场 发射显示器件的工作原理和显示特点之后，横纵向详细对比了国内外针对各显示 器件的现行标准中所定义的测试参数、信号和方法。以此为鉴，针对在研场发射 显示器件，本文创新的设计了一种回型纹测试信号，定义了合适的测试参数描述 其显示特点，并提出了包括条件、设备、方法、步骤和评价的测试方案。 此外，本文还将平板显示面板均匀性的测试方法引入在研场发射显示器阴极 基板发射均匀性测试方法中，通过与常规九区发射址统计法的对比，验证了所发 展的2 5 区均匀性测量法的可行性和优点。 关键词：场发射平板显示器；测试标准：测试方法；阴极发射均匀性。 s t u d y o n d i s p l a yc h a r a c t e r i s t i c sm e a s u r i n g a n d e v a l u a t i n gm e t h o d f o rf i e l de m i s s i o n d i s p l a y m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s n a m e ：q i nl u s u p e r v i s o r ：p r o d e n gs h a o z h i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ff l a tp a n e ld i s p l a yt e c h n o l o g y , t e s t i n gt e c h n o l o g yo f d i s p l a yh a sb e e no n eo ft h eh o t t e s ts u b j e c t so fi n t e r n a t i o n a lm v a n c e dr e s e a r c hf i e l di n r e c e n ty e a r sa n das e r i e so ft e s ts t a n d a r d se m e r g e ds i m u l t a n e o u s l y a san c wm e m b e r o f t h ef l a tp a n e ld i s p l a y s ，f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ( f e d ) w a sf a m o u sf o ri t sg r e a ti m a g e q u a l i t ya st h et r a d i t i o n a lc a t h o d er a yt u b e ( c r t ) d i s p l a ya n 0l o w - p o w e r , t h i nf e a t u r e s a sf l a tp a n e ld i s p l a y ( f p d ) t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dd i s p l a y c h a r a c t e r i s t i c so ff e da n dc o m p a r e dt e s tp a r a m e t e r s ，s i g n a l sa n dm e t h o d so ff p d h o r i z o n t a l l ya n dv e r t i c a l l yi nt h ec u r r e n ts t a n d a r d s t om e e tt h er e a ld i s p l a ys i t u a t i o n o ft h es p e c i f i e df e d ，w ed e s i g n e dan o v e lb a c k s h a p e dt e s tp a t t e r n , d e f h l e d a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sa n dp r o p o s e d at e s t s y s t e mi n c l u d i n g t h ec o n d i t i o n s ， e q u i p m e n t , m e t h o d s ，p r o c e d u r e sa n d e v a l u a t i o n i na d d i t i o n , t h eu n i f o r m i t yt e s tm e t h o do ff p dw a su s e di nu n i f o r m i t ym e a s u r i n g f o rf l a tp l a n ec o l dc a t h o d e as c h e m eo fu n i f o r m i t ym e a s u r i n gf o rf l a tp l a n ec o l d c a t h o d ew a sa p p r o a c h e dt h r o u g hac o m p a r i s o nb e t w e e nt h el u m i n e s e e mp i x e l s s t a t i s t i c sa n dt w e n t y f i v es u b - a r e a sm e t h o d k e y w o r d s ：f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ；t e s ts t a n d a r d ：m e a s u r e m e n tm e t h o d ；f l a t p l a n ec o l dc a t h o d e ；u n i f o r m i t y 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印，缩印或其他方法保存学位论文 学位论文作者签名：霉鸲导师签名： 日期：卅。年。月口7 日 日期：h 他 日 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：虱穆 日期：加o 年oo r 月r o 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程 技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任 何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其 它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：军牡 日期：年口月r 日 引言 随着科学技术的发展，传统的彩色显像管( c l 玎) 器件逐步让步于当今主流 的液晶显示器件( l c d ) 和等离子体( p d p ) 显示器件。此外，有机电致发光显 示器( o l e d ) 、发光二极管( l e d ) 、薄膜电致发光显示器件( e l ) 、场发射显 示器件( f e d ) 等一批新型显示器件近年来也得到了极大的发展。为了能更加精 准直观地描述各显示器件的性能优劣，准确地定义相应的特征参数，测试和评价 的方法至关重要。然而，对于不同的显示器件，其工作原理不同，对应的测试参 数、测试信号、方法和评价方式也不相同。本论文涉及场发射平板显示器件的显 示性能表征方法的研究。 场发射平板显示器的研究已经有4 0 多年的历史，目前仍然是当前显示领域 关键的新型平板技术。2 0 世纪6 0 年代，k e ns h o u l d e r 提出了基于场发射阴极 阵列( f i e l de m i s s i v ea r r a y s , f e a s ) 电子束微型装置的设想【1 1 。1 9 6 8 年，c a p p s p i n d t 制造出第一台f e a s 装置【2 l ，于是研究利用f b 钰设计和制造平板显示器 ( f l a tp a n e ld i s p l a y , f p d ) 引起了人们的极大兴趣。但直到1 9 8 5 年才由法国 l a b o r a t o i r ed e l e c tr o n i q u ed et e c h n o l o g i ce td i n s tr u c tu m e n t a t i o n 皿e t i ) 的 r o b e r tm e y e r 及其研究组制成了第一台场发射显示器( f i e l de m i s s i v ed i s p l a y , f e d ) 样机【3 】。经过三十多年的发展，f e d 的研制取得了较大的进展，特别是近 几年，各大公司推出了样机。例如，美国p i x t e c h 展示了1 5 英寸碳纳米管场发射 显示器( c n t f e d ) 样机；m o t o r a l a 开发出1 2 8 0 x 7 2 0 像素的5 英寸彩色f e d 面 板【4 】：日本s e d 公司在d i s p l a y2 0 0 5 上展出了3 6 英寸分辨率为1 2 8 0 x 7 2 0 的表 面传导电子发射( s e d ，s u r f a c e - c o n d u c t i o ne l e c t r o n e m i t t e rd i s p l a y ) 显示器样机 i s l ；t o s h i b a 公司在c e a t e cj a p a n2 0 0 6 展会上展出了5 5 英寸分辨率为 1 9 2 0 x 1 0 8 0 的s e d 显示器样机嘲；索尼子公司f e t 在2 0 0 7 年4 月展示了4 0 0n i t 亮度、2 0 0 0 0 ：l 对比度、6 0 h z 刷新率、1 2 8 0 x 9 6 0 分辨率的s p i n & 型阴极f e d 显示器样机；中国的福州大学2 0 0 5 报道了2 5 英寸分辨率为6 4 0 x 4 8 0 的印刷冷阴 极彩色f e d 显示器样机 r l ，中山大学报道了双栅纳米冷阴极f e d 显示器件的成 果i s l 。 显示器件显示性能的表征和测试方法是技术研究的重要内容。目前建立的平 板显示器件显示性能测试标准主要是针对液晶显示器和等离子显示器，作为在研 阶段的场发射显示器，没有建立相关的测试和评估方法。本论文研究f e d 显示 性能的测试参数、信号和方案，探索f e d 显示器显示参数的测试与评估方法， 并对显示样机的显示参数进行实际测量，验证测试技术的实际可行性。 本论文由五章组成： 第一章介绍场发射平板显示器件的结构、显示原理以及显示理论基础。 第二章介绍测试条件对平板显示器件显示性能的影响和适用于场发射显示 器件的测试条件。 第三章比较分析了现行主流标准定义的不同平板显示器件的测试参数和方 法，创新的引入了一套新的测试信号，并总结出各种显示器测量的特性参数以及 一般测量标准中典型的光学参数及其测试方法。 第四章介绍所定的f e d 显示器若干可量度的特性参数，以及定义的具体测 试方法。 第五章将介绍显示面板的均匀性测量方法引入介绍场发射阴极电子发射均 匀性的思路及实验验证与评价。 2 第一章场发射平板显示基础性原理 场发射显示器( f i e l de i i l i 站i o nd i s p l 7 ，f e d ) 是一种基于场致电子发射理 论发展而来的新型显示器件。因兼具c r t ( c a t h o d er a y rt u b e ) 高亮度、商对比 度、快速响应时间和f p d ( f l a tp a 眦ld i 刚a y ) 轻薄、太尺寸、高分辨率的特点， 场发射显示器自有样机出现以来就备受人瞩目。 1 1 场发射平板显示器件的结构及其显示原理 1 1 1 场发射显示器的结构 f e d 内部处于真空状态，靠电子轰击荧光粉发光，荧光屏采用周期分布的 三基色荧光粉点结构。在f e d 中，电于是由与荧光屏大小相同的场发射阴极阵 列发出的，每个荧光粉发光点对应一个场发射阴极。阴极发射电流由行和列电极 上的电压控制，发光是逐行发生的。 如图l 一1 示出的是典型的f e d 显示器结构示意图，主要由阴极板、阳极扳、 真空隔离层和相关驱动电路组成。阴极板以玻璃为衬底，上有可以行列寻址的场 发射阴极阵列( f e a ) ；阳极板上有红、绿、蓝三基色荧光粉条，通常它们之间 用黑矩阵踽开，黑矩阵可以适当减小环境光的反射，提高对比度，同时降低混色 的可能性。两者之间有支撑结构，用以抵抗大气压，两个玻璃极板之间用低熔点 玻璃进行封接。此外，为了维持器件的真空度，还需放置适量的消气剂。在上述 结构基础上配上相应的电路，就组成一台f e d 显示嚣系统哪。 图1 - 1 f e d 显示器结构图 1 1 2 场发射显示器的显示原理 f e d 显示器由矩阵排列的显示单元组成。如图1 2 所示，大小相等的发光 单元在纵、横方向作等距排列成m 列n 行的矩阵，即n 个行电极与m 个列电 极垂直交叉放置，每对电极交叉点就构成了一个显示单元，形成n xm 像素点阵。 f e d 显示器采用矩阵寻址驱动方法【l o 】。矩阵寻址方法又分为逐点扫描和逐行扫 描两种方式。与l c d 和p d p 显示器一样，f e d 主要采用逐行扫描方式，原因是 采用逐行扫描方式占空比大，有利于发光显示，提高显示亮度。这种寻址方式是 在某一时刻对y i 行上的所有显示单元同时寻址，在这一时刻所有列上的信号同 时从一行存贮器释放给相应的列电极显示，然后移动到y 卜。行的显示单元进行下 一次寻址。当逐行扫描的频率足够高时，人眼感受到显示在f e d 显示器上的是 一幅完整的图像。 ) c lk ) ix ixk x _ 1k 单稚pr rrrppl p9 - rrr 。rpp _ 一一 _ 一一 pp中铲9 -铲9 - p pprrr- r铲p 一一一一一一 p印9 -9 -铲 o ppp l p伊9 -9 -r铲pp l - pprrrrrr 图1 2f e d 像素阵列图 1 2 光度学与色度学基本原理 1 2 1 光度学基本概念【1 l 】 1 、辐射通量 光是能量存在的一种形式，也是宽广的电磁波谱中的一部分。发光体在单位 时间内辐射出来的光( 包括红外线、可见光和紫外线) 的总能量就是光源的辐射 4 通量。辐射通量是一个辐射度学中的纯客观物理量，它具有功率的量纲，常用单 位是瓦特( w ) 。 2 、视见函数 相等的辐射通量，由于波长不同，人眼的感觉也不相同。c i e ( 国际发光照 明委员会) 测定了大量人类样本的亮适应数据，汇编进c i e 标准光度函数，主要 包括两组特性：明视觉曲线- 正常状态下的色彩感觉特性，暗视觉曲线一低照度情 况下的非彩色感知特性，如图1 - 3 所示。 。 ； 芦 、i ，i l ： 、l 驯 l j i 垂： i l x k 。誊* ( 。r 。”“ 厂f i i 矿一i 广j i 3 、光通量 图l - 3 人眼的视见函数 光通量表示光源表面的客观辐射通量对人眼引起的视觉强度，是对发射或是 某表面接收光能流量的测定。逶过估算与标准眼睛相对应的光度效率的辐射，从 辐射通量得到光通量的数值，单位是流明( i m ) 。 4 、发光强度 发光强度描述了光源在某方向上的强度，定义为发射到单位立体角内的光通 量值，单位是坎德拉( c d ) 。 5 、照度 照度是表征受照面被照明程度的物理量，它可用落在受照物体单位面积上的 光通量数值来量度，单位是勒克斯( 1 x ) 。 5 6 、亮度 亮度表征发光面发光强弱并与发光表面特性有关的物理量，可以用单位面积 的光源表面在法线方向的单位立体角内传送出的光通量数值来量度，单位是坎德 拉平方米( c d m 2 ) 。 1 2 2 色度学基本概念 颜色是光的一种特性，取决于光的光谱成分和人眼的交互作用。在一定的光 强下改变光的频率会带来颜色的变化，而在波长一定时，随着光强的不同，颜色 也会产生变化，这种现象叫做贝楚德朴克效应( b e z o l d b r u c k ee f f e c t ) 1 2 1 。 1 、颜色匹配 将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官，便会产生不同于原来颜色 的新颜色感觉，1 9 5 4 年格拉斯曼总结出颜色混合的定性性质，称为格拉斯曼定 律【1 3 1 ，是现代色度学的基础。 人的眼睛只能分辨颜色的三种变化：即亮度、色调、饱和度。 由两个成分组成的混合色，如果其中一个成分连续地变化，混合色的外貌 也连续变化。 颜色外貌相同的光，不管他们的光谱组成是否相同，在颜色混合中具有相 同的效果。 混合色的亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度之和，称之为亮度相加 定律。 将格拉斯曼定律用数学的语言表示出来，就是颜色匹配方程。 假设适当的红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b - - 个线性无关的原色相混合后能够与某种颜 色c 相匹配，那么可用下式来表示： c - c ( c ) - r ( r ) + g ( g ) + b ( b ) ( 1 - 1 ) 式中，“暑表示视觉上相等，即颜色匹配；r ，g ，b 为与c 颜色相匹配所 需要的三个原色的刺激量，称为c 颜色的三刺激值，为数字量。c 为c 的色量 值，( c ) 为其单位，( r ) ，( g ) ，( b ) 各为三个原色的单位。令c = r + g + b ，即 颜色c 的色量值等于其三刺激值的和。则上式变为： 6 ( c ) ；i ：斋( r ) + i 而g ( g ) + i 彘( 口) ( 1 2 ) 取r = 而”而丽g ，b = r + g l + b ，则 c ( c ) = “r ) + g ( g ) + b ( b )且r + g + b = l ( 1 - 3 ) 式i 一3 中r ，g ，b 称为色品坐标，由于r 卜g + b = l ，所以实质上只有两个是独 立变量。 i 艇。 一“r ! n i m仙 i m 图1 - 4c i er g b 色品图上的光谱轨迹 2 、c i e 标准色度系统i 4 1 2 1 图i - 5 c i e x y 色品图上的光谱轨迹 a 1c l e r g b 色度系统 1 9 3 1 年国际照明委员会简称c i e ) 在菜特与吉尔德的实验基础上定出匹配等 能光谱色的r g b 三刺激值( ；，i ，i ) ，代表人眼2 。视场的平均颜色视觉特 性，这一系统叫做c i e l 9 3 1 r g b 系统。光谱三刺激值与光谱色色品坐标的关系 为： ! ：e 一一 ( 1 - 4 ) ”r + g + b 舻南 。 图1 _ 4 是根据1 9 3 1 年c i er g b 系统标准观察者三刺激值绘出的色品图，在 色品图中偏马蹄形曲线是所有光谱色色品点连接起来的轨迹成为光谱轨迹。 b 、c i ex y 标准色度系统 由图可视，g ，b 光谱三刺激值和光谱轨迹的色品坐标有很大一部分出现 负值，这样在使用上会带来不便且不易理解。因此，c i e 虚拟了三个理论上的原 色x ，y ，z 建立了c i e l 9 3 1 x y 色度系统。 虚拟的三原色x ，y ，z 主要依据两个原则： 1 ) 要使( x ) ( y ) ( z ) 所形成的三角形内包括整个光谱色轨迹，并且使所 包含的虚色尽量少，以便使全部光谱色和自然界中的每一种颜色都能以正的三刺 激值和色品坐标来表示； 2 ) 设定颜色( y ) 的亮度用量y 来体现，设假定的另两个原色( x ) 和( z ) 的亮度为0 ，即( x ) 和( z ) 两个原色处在无亮( y _ 0 ) 线上。 由此，可得到x y z 系统和r g b 系统三刺激值之间的转换关系 x = 2 7 6 8 9 r + 1 7 5 1 7 g + 1 1 3 0 2 b y = 1 0 0 0 0 r + 4 5 9 0 7 g + 0 0 6 0 2 b( 1 5 ) z = 0 0 0 0 0 r + 0 0 5 6 5 g + 5 5 9 4 38 以及色品坐标转换关系式： 0 4 9 0 0 0 r + 0 310 0 0 9 + 0 2 0 0 0 0 b 0 6 6 6 9 7 r + 1 1 3 2 4 0 9 + 1 2 0 0 6 3 b 0 1 7 6 9 6 r + 0 8 1 2 4 0 9 + 0 0 1 0 6 3 b ，、 7 0 6 6 6 9 7 r + 1 1 3 2 4 0 9 + 1 2 0 0 6 3 b 0 0 0 0 0 r + 0 0 10 0 0 9 + 0 9 9 0 0 0 b 0 6 6 6 9 7 r + 1 1 3 2 4 0 9 + 1 2 0 0 6 3 b 根据式1 5 可以由；，i g ，否求得x y z 系统的光谱三刺激值；，一y ，；。直 接用光谱三刺激值求得光谱色在珂坐标系统中的各坐标值，将光谱色的坐标点 连成马蹄形曲线，即为如图1 5 可示的c i ex y 色品图的光谱轨迹。 c ) c i e l 9 6 4 补充标准色度系统 c i e l 9 3 1x y z 色度系统适用于2 。视场的中央视觉观察条件，当观察视场增 大到4 。以上时，三刺激值在波长3 8 0 - - - 4 6 01 1 1 1 1 区间内数值偏低。为了适应大视 场的色度测量，c i e 在1 9 6 4 年根据泰尔丝和伯奇以及斯柏林斯卡娅的实验基础 上规定了一组“c i e l 9 6 4 补充标准色度观察者光谱三刺激值一，简称为“c i e l 9 6 4 补充标准色度系统 。如图1 6 是c i e l 9 3 1 色品图与c i e l 9 6 4 补充标准色品图的 3 比较，二者的光谱轨迹在形状上很相似，但是，相同波长的光谱色在各自的光谱 轨迹上的位置有相当大的差异。 & 3 z r d 、 c 瑾l 白l 标准1至品围 0 4 - c i e1 9 6 补充j季准色舌旧 1 5 0 0 沁 5 。弋 互 弋 心 沁 夕 ) 5 6 0 5 0 - 锚烈f夕 乡 ；越移 乡 o 4 x 图1 - 6c i e l 9 3 1 色品图与c i e l 9 6 4 补充标准色品图比较 3 、均匀色空间及色差公式【1 5 1 1 1 6 1 色度学系统解决了用数量描述颜色的问题，却不能很好的描述颜色在人眼中 的直觉差异色差。因此，需要寻找一个均匀色空间，在这个三维空间中，每 个点代表一种颜色，空间中两点之间的距离代表两种颜色的色差，空间中相等的 距离代表相同的色差。由于目前国际上存在多种色度空间和色差公式，这里我们 仅介绍几种c i e 推荐的色空间和色差公式。 a ) c i e l 9 7 6 l 让均匀色空间及色差公式 ( 1 ) c i e l 9 7 6 l u * v * 均匀色空间 c i e l 9 7 6 l 甜均匀色空间的三维坐标l ，甜。，1 ，是： = 1 1 6 f ( y y n ) - 1 6 = 1 3 e ( u _ 。) ( 1 - 7 ) 1 ，= 1 3 l * ( v 一1 ，。) 式中，如果y y n ( 2 4 1 1 6 ) 3 ，则f ( y y n ) = ( y 仳) 1 3 ； 如果y y n 弋 ( 而2 4 ) 3 ，贝, l j f ( x x ) = ( x 鼍) v 3 ； 如果x x ( 而2 4 ) 3 ，贝j j f ( x x ) = ( 8 4 1 1 0 8 ) ( x x ) + 1 6 1 1 6 ； 如果j ，p ( 而2 4 ) 3 ，贝l j f ( 】，艺) = ( 】，) v 3 ； 1 0 如果】，r ( 而2 4 ) 3 ，则厂( 】，匕) = ( 8 4 1 1 0 8 ) ( y ) + 1 6 1 6 1 6 ： 如果z 乙 ( 而2 4 ) 3 ，n f ( z z ) = ( z 乙) v 3 ； 如果z 乙( 雨2 4 ) 3 ，则厂( z 乙) = ( 8 4 v 1 0 8 ) ( z 乙) + 1 6 1 1 6 。 上述六式中，咒lz 为颜色样品的三刺激值；五，匕，磊为指定的白色刺 激的三刺激值。 ( 2 ) c i e l 9 7 6l a * b 的色差公式 c i e l 9 7 6l * a b 色空间中求两个颜色的色差公式为 峨= ( 应) 2 + ) 2 + ( 劬) 2 v 2 ( 1 - 1 1 ) 式中，业：是两个颜色的色差；是n 4 颜色相应量的差。 第二章平板显示器件显示特性测试条件概述 在平板显示器件显示特性的测量过程中，保持一个稳定的测试环境很重要。 尤其对于反射型器件的光学参数测量来说，环境光照的控制显得尤其重要。对于 不同的显示器件，所选用的测量设备也有所不同，而测量设备的精度和准确度和 测量距离的不同都会给测量结果带来很大的影响。本章主要探讨了测试环境、设 备和距离对于测量结果的影响。 2 1 测试环境的选择 在过去的数十年间，平板显示器性能评价标准一直跟随着平板显示技术的进 步而持续发展。对平板显示性能评价标准来说，目前国际主流标准有四种，它们 分别是：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 sa s s o c i a t i o n ) f p d m 工作小组于2 0 0 1 年6 月发表的v e s a f p d m 2 0 、i s o ( 国际标准化组织委员会) 于2 0 0 1 年1 2 月发表 的i s o1 3 4 0 6 - 2 、t c o ( 瑞典专业员工联盟) 于2 0 0 6 年颁布的t c o 0 6 以及 s p w g ( 标准面板工作联盟) 于2 0 0 7 年3 月发布的s p w g3 8 。国内现行的标准是 2 0 0 6 年出台的s j 厂r1 1 3 4 8 2 0 0 6 数字电视平板显示器测量方法。这些标准的侧重 点各有不同，v e s a 系列标准注重填补平板显示度量学的缺口；i s o 相关标准以 人体的反映为关注点，对于显示器的测量采用明确的人体工学方法来达成；t c o 制定的各类标准属于认证标准，是目前显示器行业中公认最为通行、最严格的认 证之一；s p w g 标准中定义的各种测量方法是行业内通用的测量方法。正因为此， 各标准中对测试环境的要求不同，对同一显示特性的参数定义、测量和评价方法 也有较大不同。 2 1 1 温度、湿度和大气压力的选择 环境温度、湿度和大气压力的选择要考虑两个方面的因素，一个是待测器件 的实际使用环境，另一个是测量设备出厂时标定的设备适用环境。各标准中规定 的测试自然环境一般包括温度、相对湿度和大气压力，范围也略有不同。表2 1 给出了现行的几种平板显示器件测试标准中规定的测试条件。 1 2 表2 1 现行平板显示器件标准中规定的测试环境范围 s jv e s a i s ot c o 1 5 0 cn 3 5 。c 温度 2 0 。c 士5 。c2 3 0 c4 - 4 0 c2 3 。c4 - 3 0 c 优选2 0 0 c 相对 2 5 7 5 2 5 一8 5 l o 岛5 2 0 ，7 5 湿度 大气 8 6k p a 1 0 6k p a8 6k p a 1 0 6 k p a7 0k p a - - 1 1 0k p a 压强 2 1 2 环境照度的选择 测量亮度、色度时应该在暗室中进行，避免内饰、设备、衣物等反射的杂散 光影响测量结果。一般规定杂散光照度必须小于或等于l l x 。 2 2 测试设备的选择 显示器件的显示特性测试系统如图2 1 可视，主要由三部分组成：信号发生 器、光学测试设备和响应时间测试设备。 图2 1 显示器件显示特性测试系统方框图 其中最重要的是光学测试设备，目前市面上的光学测试设备多种多样， 根 据测量内容分类，主要分为亮度计、色度计和照度计。按照工作原理分类，主要 分为分光光度计、光谱辐射度计、图像光度计。分光光度计以p h o t or e s e a r c h 公 司的p r8 1 0 8 1 0 l 、美能达公司的c s2 0 0 1 0 0 a 为代表，光谱辐射计以美国p h o t o r e s e a r c h 公司的p r6 8 0 6 8 0 l 和日本美能达公司的c s2 0 0 0 2 0 0 0 a 为代表，图像 1 3 光度计以p h o t or e s e a r c h 公司的p r9 2 0 9 0 5 和美国r a d i a n ti m a g i n g 公司的p m 系 列为代表。 不同的光学测量设备由于工作原理的不同在测量内容和测量精度等方面各 有着重，一般来说，光谱辐射计在亮度测量方面更有优势，而分光光度计在色度 的测量方面更胜一筹，图像光度计则着重于二维均匀性的测量。为了获得更精确 地数据，在现行各标准中一般会对测试设备做出要求。 我国行业标准s j t 1 1 3 4 8 2 0 0 6 要求能够亮度计测量屏幕上小面积的亮度，其 范围至少满足0 2c d m 2 2 0 0 0c d m 2 ；色度计应能够在亮度低于2c d m 2 时，测量 屏幕上小面积色度坐标( x ，y ) 或( u ，v ) 。推荐使用分光型色度计。 i s o 中推荐使用光点式光度计进行亮度方面的测量，使用色度计进行色度 方面的测量，所有设备的重复率必须小于1 0 ，在亮度为1 0c d m 时可以读出 至少三位有效数字。 v e s a 标准针对各种类型的测量设备进行了详细的规定。对于亮度计，必 须满足亮度相关扩展精度”必须小于或等t + 5 ，测量重复率叮必须小于或等于 o 5 ；对于色度计，在亮度大于1 0c d m 2 针对g i e 标准a 光源的色度坐标精 度必须小于或等于士o 0 0 2 ；参与测量的设备的测量角必须小于或等于2 。此外， v e s a 还对阵列式光探测器和近光傅里叶转换器件进行了规定，这里不多描述。 s p w g 应用于笔记本显示屏的测量，规定测试设备必须提供小于或等于 2 的亮度精度，小于或等于o 0 0 1 5 的色度精度。推荐的测试设备是p h o t o r e s e a r c hp r6 5 0 8 0 0 和t o p c o nb m 5 a 。 尽管各标准对测量设备的要求不同，但都默认了测试设备必须通过权威测 试认证机构测试认证，在用于测试之前还需要进行校准。 2 3 测试距离的选择 测试的距离的远近也会对测量结果造成影响。各个标准对于测量距离的规定 不一而同。v e s a 中推荐的测试距离是5 0 0m m ，测量面积必须在屏幕面积1 以 下且包含至少5 0 0 像素点，s j t 1 1 3 4 8 2 0 0 6 中规定的测试距离为3 倍、4 倍显示 1 4 器屏幕高度。i s o 则规定测量距离不应小于4 0 0m m ，对于一些特殊的应用场合， 可以适当调整至3 0 0m m 。除此之外，在进行字符相关的测量时，测量距离还应 随显示的字符的大小变化而变化。 在实际的测量中，测量距离的选取更多的取决于所用的测量设备。测量设备 类型不同，测试距离不同，例如，采用屏幕亮度计时，则不用考虑测量距离的问 题；而采用分光式亮度计或辐射度计时，根据测量角的不同，选取的测量距离也 不同，如图2 - - 2 所示。 图2 2 测量距离 随着测量角的减小，为保证测量区域至少包含5 0 0 像素，则应该适当增大测 量距离。测量距离可由式2 - 2 决定，式中，r 是测量区域的半径，i 是测量距离， s ，是单个像素的面积，是测量角。 ，= 厚 ，：蜓煎 石t a l l l a ；r c 2 1 5 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第三章平板显示器件显示特性测试参量和方法概述 由于f e d 目前仍处于研发阶段，并没有成熟的产品上市，与之对应的测试 标准无论在国内还是在国外都处于空白阶段。想要精准地测试评价f e d 的显示 性能，建立一套科学完善的测试方案显得至关重要，因此，有必要对目前现行的 各类平板显示器件测试标准中定义的测试参量和方法进行比较和借鉴。 3 1 几种主流平板显示器件的显示特性测试参量 平板显示器件的显示特性包括光学特性、色度特性和电学特性。由于各显示 器件的工作原理的不同，表现出来的显示特性不同，因此，需要关注的测量参数 也不尽相同。现行的主流平板显示器件测量标准中，对l c d 、p d p 和e l 测量参 数定义如下： 对于l c d 来说，需要测量的光学特性参量包括亮度、对比度、视角( 极角、 方位角) 、亮度对观察角度、对比度对观察角度、透过率、反射率、盒间隙等； 色度特性参量包括色度坐标、色度对观察角度、色漂、色域、色饱和度；电学特 性参量包括阈值电压、饱和电压、响应时间、光延迟等 t t l 墙l l 均】。 对于p d p 来说，需要测量的光学特性参量包括亮度、均匀性、对比度、透过 率、反射率等；色度特性参量包括色度坐标、色域、色差等；电学特性参量如着 火电压、维持电压、寻址时间、功率大小等1 1 6 1 1 2 0 。 对于e l 来说，需要测量的光学特性参量包括亮度、亮度均匀性、对比度、 发光光谱、视角等；色度特性参量包括色度坐标、色域等；电学特性测量如阈值 电压、极间电容、极间漏电流、显示电极电阻、功耗等【2 1 1 。 此外，阴极射线管显示器( c i 玎) 虽然不属于平板显示器件，但是它与f e d 的工作原理都是依靠阴极发射电子轰击荧光粉发光。因此，借鉴c r t 的测试参 数对于研究f e d 的特性参量非常具有指导意义。 c r t 的特性参量主要包括几何失真、重显率、同心度、亮度与对比度、亮度 均匀性、相关色温、白色色度不均匀性、基色色度坐标、会聚误差、白平衡误差、 清晰度、色域覆盖率、同步范围等 2 2 1 。 1 6 3 2 平板显示器件显示特性测试方法 在进入平板显示器件特性测试方法的讨论之前，有必要对测试需要的信号进 行一下说明。常用的测试信号主要有三类：全场信号、窗口信号和棋盘格信号。 全场信号是指全屏显示同一种颜色的信号，例如全自场信号是指使得整个屏幕显 示白色时电平幅度为1 0 0 的输入信号。窗口信号在屏幕中心存在一个或数个与 背景色颜色或灰度不一致的小矩形区域，因为看起来像墙壁上开凿的窗口而得 名；棋盘格信号是由若干个黑自交替的矩形组成的，这种类似于西洋棋盘的信号 称为棋盘格信号，棋盘格的数量越多，测量结果越精确，同时也意味着测试工作 越繁重。全场信号对应的测量通常称为全屏中心测量，是最常用的测量方法。对 于使用大面积白色信号的测量来说，为了避免测量结果因眩光或屏幕杂散光的影 响，可以在测量时使用如图3 1 所示的黑色锥形荫罩，该荫罩还可以用来防止其 他形式光进入到测量设备中。 3 2 1 全屏中心测量 3 2 1 i 全白场亮度测量 i i 图3 1 荫罩的位置图 亮度表征通常有两种方式：有用平均亮度和屏幕平均亮度。分别定义如下： 利用全白场信号在屏幕中心测得的亮度称为有用平均亮度。利用多点测量取其平 均测得的亮度称为屏幕平均亮度。 上述两种亮度参数的测量方法分别描述如下： 有用平均亮度的测量方法：将待测器件预热2 0 分钟，待待测器件工作在稳 1 7 定状态后输入全白场信号，使亮度计的光轴与屏幕中心正交垂直并读出屏幕中心 亮度值l r ，该亮度为有用平均亮度瞄】。 屏幕平均亮度的测量方法：将待测器件预热2 0 分钟，待待测器件工作在稳 定状态后输入全白场信号，在如图3 2 所示的位置上使用亮度计依次测出五点的 15 亮度值l i ，i = 1 、2 、3 、4 、5 ，将五个位置的亮度值求平均值l 。= 喜罗l 。，该亮 o c _ ，t = l 度为屏幕的平均亮度l a 鹏【2 4 】。 图3 2 亮度多点测量法取样点示意图 无论有用平均亮度测量法还是屏幕平均测量法，由于采用了全白场信号，使 得该测试很容易受到眩光或屏幕漫射杂散光的影响，因而导致测得的数值与实际 值相比会偏小一点。 与早期的测量方法相比，现在的亮度测量越来越理性化，较少关注极限情 况下的最高亮度，更趋向于模拟屏幕在实际使用情况下的实用亮度。在观看图像 时，亮度在一定范围内越大越好，一旦超过这个范围，随着亮度值的增加，图像 清晰度反而会下降。在我国s j t 11 3 4 3 2 0 0 6 数字电视液晶显示器通用规范标 准中规定液晶显示器的有用平均亮度9 3 5 0c d m 2 2 5 1 3 2 1 2 黑白场暗室对比度 行业内通常所说的动态对比度和全开全关对比度即为黑白场暗室对比度，它 表征了显示器件最高亮度与最低亮度的比。对比度越高，显示的图像层次越丰富， 图像清晰度越高。特别是当黑色区域占据大部分屏幕的时候，人眼能够获得更高 的对比度。 1 8 黑自场暗室对比度测量方法如下【2 6 】【2 7 】：将待测器件预热2 0 分钟，待待测器 件工作在稳定状态后分别输入全黑、全白场信号，输入两信号的时间间隔应大于 测量设备的反应时间，使亮度计的光轴与屏幕中心正交垂直并读出屏幕中心亮度 值l b 和l w ，则黑白场暗室对比度c 可由式3 1 求出： c = l w l b ( 3 1 ) 从式3 1 可看出，对比度对黑色区域的亮度非常敏感。而暗处的亮度测量 相对来说会困难很多，一方面测量设备的精度直接决定了暗处亮度测量的准确 性：另一方面，屏幕表面的泥土灰尘以及外界的环境光、反射等都会对暗区域的 亮度测量产生影响。 全屏暗室对比度不太适用于静态画面，因为显示静态画面时很少会看到全 黑或全白的画面，不过在很多视频中，经常会出现一些很暗或很亮画面交替的情 况，此时全屏暗室对比度的高低会对观看感受产生很大影响。 3 2 1 3 灰阶亮度非线性 灰色是指图像从黑色最暗到白色最亮之间的过渡色。不同灰色在屏幕上对应 着不同的亮度，它是由信号发生器输入信号的不同幅度产生的。然而这种光电转 化关系并不是线性的，因此，我们常常用灰阶亮度非线性来描述屏幕亮度与输入 信号幅度对应的非线性程度。 灰阶亮度非线性测量方法如下i 捌：将待测器件预热2 0 分钟，待待测器件工 作在稳定状态后依次输入1 6 级全场灰阶信号，输入两信号的时间间隔应大于测 量设备的反应时间，用亮度计依次测量出屏幕中心位置的亮度值，得出亮度的规 律。表示亮度随灰度信号变化规律有两种方法。一种表征方法是在坐标轴中作出 亮度随灰阶级数增加的变化曲线。横坐标为灰阶数，纵坐标为亮度值。另一种表 征方法是用i ，值的大小来描述亮度随灰阶级数增加的变化情况。l ，值的定义方法 如下：用一个幂函数来表示这种输入电压与输出亮度之间的非线性关系。即： l = a v r + 厶，等式两边取对数，得到l o g ( l 一厶) = y l o g ( v ) + l o g a ，因此，只要 度量出输入与输出之间的函数关系，就可以找出i ，值。 1 9 3 2 1 4 全屏r g b 色度坐标及色域覆盖率 全屏r g b 色度坐标是指在屏幕中心测量红、绿、蓝三基色在均匀色度空间中 的坐标。色域覆盖率是指在均匀色度空间中三基色所对应的显色三角形的面积度 量。上述两个参量的测量方法如下【蝠i ： 将待测器件预热2 0 分钟，待待测器件工作在稳定状态后依次输入全红、绿、 蓝场信号，用色度计依次测量出屏幕中心位置的色度坐标( 啦，t ) ，( ，t ) ， ( 以，v b ) 即为全屏r g b 色度坐标。色域面积s 蚴和色域覆盖率g p 分别由式3 2 和3 3 计算得出： s 蚴= 寺i ( 以一玩) ( t 一访) 一( t 一以) ( t 一吒) i ( 3 2 ) q = 蒜川。 ( 3 - 3 ) 上述测量中，输入信号的时间间隔应大于测量设备的反应时间。另外，该项 测试主要跟测试设备的精确度有关，一般来说，分光光度计在暗色的测试方面相 较于光谱辐射度计来说要敏感一些，但很大程度上也取决于滤色片与色匹配函数 的匹配程度。当然也要注意环境光的控制以免因为反射造成误差。 3 2 1 5 全屏白平衡误差 当灰度等级逐渐增加到接近全黑色时大多数显示器件会产生颜色偏移。白平 衡误差用来表征显示器的白色色度坐标随灰度等级的变化而变化的程度。该参量 的测量方法如下【墟1 ： 将待测器件预热2 0 分钟