（物理电子学专业论文）平板显示器件视觉赝象研究.pdf

摘要 在信息时代，显示器件作为人机联系和信息展示的窗口，其作用日益显著；人们对显示图像质量 要求也日益提高。液晶显示( l c d ) 和等离子体显示( p d p ) 等平板显示技术凭借其薄、轻等优点， 不断蚕食传统阴极射线管( c r t ) 显示市场；同时运动模糊、动态伪轮廓、大面积闪烁等视觉赝象对 其显示图像质量的影响也日益突出。 论文基于显示器件发光机制和人眼视觉特性，揭示了常见视觉赝象的产生机制，分析了不同显示 器件视觉赝象表现形式之间的共性和个性；提出了运动模糊、动态伪轮廓、大面积闪烁等视觉赝象的 定量分析方法，为各种显示器件的优化设计和性能测量提供了必要的客观手段。论文同时分析了降低 甚或避免视觉赝象的思路和具体实现方法，并着重从整个视频系统出发，提出了消除视觉赝象的根本 方法和未来电视技术的发展方向之高保真电视系统。具体内容可以概括为以下六个方面： l 。提出了显示器件视觉赝象的一种研究方法。显示器件发光机制和人眼视觉特性共同作用形成视 觉赝象。论文通过测量显示屏输出光信号随时间、空间变化规律，利用计算机程序仿真人眼视觉特性， 从而模拟出人眼对显示图像的实际感知效果，并用视觉感知实验验证。与传统的利用特定设备( 如移 动相机) 直接记录视觉赝象的方法相比，该方法能够清晰反映各种赝象背后的本质机制；并具有成本 低、灵活性高、易改进等特点；而且对具体显示技术依赖性小，论文所述方法和结论大多适用于各种 显示类型，包括有机电致发光显示、场发射显示等新型显示技术。该方法已被写入i e c 国际标准草案。 2 自主设计了一套光电测量系统。系统由可编程视频信号发生器、数据采集、信号校正，以及自 动控制等基本单元构成。系统实现了对显示器件输出光信号亮度随时间变化规律的快速、准确测量。 在设定的测试序列条件下，通过像素和基色组合，系统可以得到显示屏输出光信号亮度、颜色随时间 和空间的交化关系。其在精度、速度等方面满足论文关于l c d 、p d p 等显示器件视觉赝象研究的要求。 3 提出了平板显示运动伪像通用仿真模型。该估算模型可以准确估计包括l c d 运动模糊、p d p 动态伪轮廓等运动伪像。基于该模型，论文还根据不同显示器件的发光特性，设计了相应的快速算法。 该模型具备以下特点：( 1 ) 基于可测光信号变化特性；( 2 ) 速度快、实时性高；( 3 ) 与视觉感知实验 结果相匹配、准确性高。模型用一幅静止图像准确模拟出人眼对运动图像的感知结果，实现了运动伪 像的可记录性，一定程度上摆脱了过去对主观视觉感知实验的依赖，为后续的客观分析奠定了基础。 4 提出了液晶显示动态调制传递函数的一种测量计算方法。论文提出将动态调制传递函数作为 显示器件运动模糊的评价参数之一，并详细讨论了其测量、计算方法和应用分析。传统的评价方法主 要基于两个灰度之间跳变的阶跃响应，适用于简单图案显示。而动态调制传递函数的计算基于多灰度 序列响应，更接近自然动态图像显示条件；而且该参数同传统光学传递函数理论一致，易与其它光学 系统兼容。 5 建立了等离子体显示大面积闪烁估算的一个经验模型。论文利用测得的光亮信号随时间变化 与人眼感知闪烁严重程度统计之间的对应关系，通过回归分析得到了大面积闪烁程度量化估算的经验 模型。结合闪烁感知相关的视觉特性研究基础，论文研究了显示系统时间分辨率特性、显示器件发光 特性与大面积闪烁之间的关系，以及对动态图像质量的影响。 6 针对现行电视系统无法同时消除大面积闪烁和运动伪像这一特点，论文提出了高保真电视系 统概念。论文利用信号与系统的基本原理，从理论上分析了显示器件静态、动态清晰度与视频系统制 式、显示器件输出光信号规律之间的关系。发现现有电视系统无法同时从根本上消除大面积闪烁和运 动模糊。所以论文最后提出了未来电视技术之同时满足空间高清和时间高清的高保真电视系统。 关键词：平板显示视觉赝象运动模糊动态伪轮廓大面积闪烁 动态调制传递函数动态清晰度高保真电视系统 i a b s t r a c t f l a tp a n e ld i s p l a y s ，l i k el c d s ( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) a n dp d p s ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) h a v e a c h i e v e dh i g hr e s o l u t i o n 。b i gs i z ea n ds m a l lf o r mf a c t o rs u c ht h a tt h e ya r ec o m p e t i n gw i t hc r t ( c a t h o d er a yt u b e ) d i s p l a y si nt h ea p p l i c a t i o no fm o n i t o r s 。t vs e t so ro t h e r s v i s u a ia r t e f a c t sa r et h e m a i nf a c t o r st h a td e t e r i o r a t et h ei m a g eq u a l i t yo ft h ef i a tp a n e ld i s p l a y s t h e r ea r es e v e r a ik i n d so f a r t e f a c t s ，w h e r et h em o t i o nb l u r , t h ed y n a m i cf a l s ec o n t o u ra n dt h el a r g ea r e af l i c k e rw e r ef o c u s e d o ni nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em e c h a n i s m so fs u c ha r t e f a c t sw e r ep r e s e n t e df r o mt h er e s p e c to ft h el i g h tb e h a v i o ro ft h e d i s p l a ya n dt h eh u m a nv i s i o ns y s t e mp r o p e r t i e s 。s i m u l a t i o na n dq u a n t i t a t i v ec h a r a c t e r i z a t i o n sf o r d i f f e r e n tv i s u a la r t e f a c t sw e r ep r o p o s e db a s e do nt h em e a s u r e dt h el i g h tb e h a v i o ro ft h ed i s p l a y i m p r o v e m e n tm e a s u r e sw e r ed i s c u s s e da n daf u t u r et vt e c h n o l o g y , h i g hf i d e l i t y ( h f ) w a s p r o p o s e da s a ne s s e n t i a ls o l u t i o nt oe l i m i n a t et h ev i s u a la r t e f a c t se x i s t i n gi nt h ec u r r e n t ivs y s t e m t h em a i n w o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni n v o l v e st h ef o i l o w i n gp a r t s ： 1 a n e wm e t h o dw a sp r o p o s e df o rt h es t u d yo nt h ev i s u a ja r t e f a c t s 。t h ec o m b i n a t i o no ft h e d i s p l a yl i g h tb e h a v i o ra n dt h eh u m a nv i s i o np r o p e r t yc a u s e sv i s u a la r t e t a c t s b a s e do nt h e m e a s u r e dl i g h tb e h a v i o r , as i m u l a t i o np r o g r a mw a sd e s i g n e dt oi m i t a t et h eh u m a nv i s i o ns y s t e m p r o p e r t ya n dp r e d i c tt h ep e r c e i v e dr e s u l to ft h ed i s p l a yc o n t e n t t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o nw a s v a l i d a t e db yt h ep e r c e p t u a le x p e r i m e n t s i nc o m p a r i s o nw i t ho t h e rm e t h o d 1 i k ep u r s u i tc a m e r a s y s t e m ，t h i sm e t h o ds h o w st h ea d v a n t a g e so fl o wc o s t ，h i g hf l e x i b i l i t y t h em e t h o dl e a v e s t h e m e c h a n i s mw i d e l yo p e na n dm a k e st h ei m p r o v e m e n tm u c he a s i e r t h em e t h o dw a sw r i t t e ni na n i e cs t a n d a r dd o c u m e n to nd i s p l a ym e a s u r e m e n t 2 am e a s u r e m e n ts e t u pw a sb u i l tu pb a s e do naf a s t - r e s p o n s e e y e s e n s i t i v i t y - c o r r e c t e d p h o t o d i o d e ，w i t hp r o p e rs i g n a la m p l i f y i n ga n dn o i s er e d u c t i o np r o c e s s t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t s o ft h ep r o g r a m m a b l ev i d e og e n e r a t o r , t h es i g n a lc a p t u r ea n dt r a n s f e rd e v i c e ，t h es i g n a lc a l i b r a t i o n u n i ta n dt h em a i nc o n t r o lu n i t w i t hw e l ld e s i g n e dt e s t i n gp a t t e r n so ri n p u tc o d es e q u e n c e s ，i t m a n a g e dt or e c o r dt h el i g h to u t d u to ft h ed i s p l a ya saf u n c t i o no fs p a c ea n dt i m e t h es y s t e m s u p p o r t sw e l jo nt h es t u d yo ft h ev i s u a ja r t e f a c t sj nl c d sa n dp d p s 3 ag e n e r a ls i m u l a t i o nm o d e lt op r e d i c tm o t i o na r t i f a c t sw a sp r e s e n t e d i ts i m u l a t e st h e s m o o t hp u r s u i te y et r a c k i n ga n dt h ei i g h ti n t e g r a t i o no ft h eh u m a nv i s u a is y s t e ma n dp r e d i c t sb o t h m o t i o nb l u ri nl c d sa n dd y n a m i cf a i s ec o n t o u ri np d p s o p t i m i z e da l g o n t h m sf r o ms u c hm o d e l w e r ea l s op r e s e n t e db a s e do nt h es p e c i a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n td i s p l a yt y p e s w i t hl i m i t e dp h y s i c a l m e a s u r e m e n t s ，t h em o d e lm a n a g e dt op r e d i c tt h ep e r c e i v e dp r o f i l eo ft h eh o r i z o n t a l l ym o v i n gi m a g e o na n yt y p eo fd i s p l a y 1 tm a k e si tp o s s i b l et oc h a r a c t e r i z em o t i o na r t i f a c t so b j e c t i v e l y 4 。d y n a m i cm o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ( d m t f ) w a sp r o p o s e da sam e t r i ct oc h a r a c t e r i z e m o t i o nb l u ri nl c d s a n dam e t h o dt oc a l c u l a t et h ed m t fb a s e do nt h em e a s u r e dl i g h tb e h a v i o ro f al c dw a sf i r s t l yp r e s e n t e d s i n c ei tw a sc a l c u l a t e df r o mt h es i m u l a t i o no fm o t i o ns i n ew a v e p a t t e r n sa n dw a sb a s e do nt h em e a s u r e dl i g h tb e h a v i o rw i t hj n p u tc o d es e q u e n c e i ti ss u p p o s e dt o b eap r o m i s i n gm e t r i cm o r er e l a t e dt ot h en o r m a id i s p l a yc o n d i t i o na n dt h ea c t u a ip e r c e p t u a l i m p r e s s i o n t h ea p p l i c a t i o no fd m t fm a k e sal c da sp a r to fa no p t i c a ls y s t e m 5 l a r g ea r e af l i c k e ri sp e r c e i v e dw h e nt h el i g h to u t p u to ft h ed i s p l a yv a r i e sa m o n gt h et i m el i k e ac r to rap d p aq u a n t i t a t i v em o d e lw a sb u i l tf r o mt h es t a t i s t i ca n a l y s i so ft h ep e r c e p t u a l m e x p e r i m e n t sa n dt h em e a s u r e dl i g h tb e h a v i o ra sf u n c t i o n so ft i m e t h em o d e li sc o m p a t i b l ew i t h o t h e rt y p eo fd i s p l a y sl i k eas c a n n i n gb a c kl i g h tl c d b a s e do nt h ef l i c k e rp e r c e p t i o nm e c h a n i s m t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ee f f e c to ft h ev i d e of o r m a t sa n dt h ed i s p l a yl i g h tb e h a v i o ro nt h el a r g ea r e a f l i c k e ra n dt h ed y n a m i ci m a g eq u a l i t y 6 at r a d e o f fb e t w e e nm o t i o nb l u ra n dl a r g ea r e af l i c k e ri nt h ec u r r e n td i s p l a yt e c h n o l o g yw a s s t u d i e d t h es p a t i a la n dt e m p o r a lr e s o l u t i o no fad i s p l a yi ss t u d i e db a s e do nt h ep o i n ts p r e a d f u n c t i o n w i t ht h es i g n a ip r o c e s s i n gt h e o r y , j tw a sf o u n dt h a tt h em o t i o nb l u ra n dt h el a r g ea r e a f l i c k e rc a n n o tb ee l i m i n a t ee s s e n t i a l l yi nt h ec u r r e n tt vs y s t e m a nh f ( h i g hf i d e l i t y ) t vs y s t e mw i t h h i g hs p a t i a la n dh i g ht e m p o r a lr e s o l u t i o nw a sp r o p o s e da sas o l u t i o nt oe l i m i n a t et h ev i s u a la r t e f a c t s e s s e n t i a l l ya tt h es a m et i m e k e yw o r d s ：f l a tp a n e ld i s p l a y , v i s u a la r t e f a c t s ，m o t i o nb l u r , d y n a m i cf a l s ec o n l o u ll a r g ea r e af l i c k e r , d y n a m i cm o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ，d y n a m i cr e s o l u t i o n ，h i g hf i d e l i t yt v i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 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了谢意。 研究生签名：冶宝座 日期：趔星：丕z 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 期： 二刃尸77 第一章显示技术与视觉特性基础 第一章显示技术与视觉特性基础 在人的各种感觉机制中，视觉是人类获得外界信息最重要的途径，研究表明，人类有超过8 0 的 信息是通过视觉获得的i l j 。电子显示器件( e l e c t r o n i cd i s p l a yd e v i c e ) 【2 j ，l l p 人们常说的人机界面 ( m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) ，它能将存在于各种电子装置中的信息，通过人的视觉传递给人，实现了 人类视觉在空间和时间上的拓展：而且，通过它与人交换信息，进行人机对话，具有电子工具的功能， 推动了人类在心智和体力功能方面的延伸。因此二十世纪电子显示技术的发展，大大推动了信息和知 识的传播，推动人类文明以前所未有的加速度向前发展【3 j 。电子显示在当今的信息社会，无论产业领 域还是民用领域，发挥着越来越重要的作用。而且在广泛使用、日益普及的同时，仍在日新月异地发 展着。为充分满足突飞猛进发展中信息社会的多样化需求，高性能、新形式的电子显示器件不断地被 开发出来，可以说是层出不穷【4 j 。 显示器件的基本功能是把自然信息或者人工信息准确而舒适地传达给人，纵观显示技术的发展沿 革可以看出，其追求的目标主要沿着三个方向：( 1 ) 高质量；( 2 ) 方便性；( 3 ) 低成本。到目前为止， 高质量作为主导线索，比如电视广播显像，从早期的单色显示到彩色显示，目前正朝着大屏幕、高清 晰度方向发展 s l 。首先，在功能性上，忠实地再现自然信息或者准确地展现人工信息是高质量显示器 件的根本要求；其次从人类工程学的角度，我们希望信息显示器件及其图像内容给人类营造的是一个 健康、舒适的环境；另外，从人类可持续发展的角度，我们希望各种显示器件还应满足低成本、低功 耗的要求。本论文即将讨论的视觉赝象，直接影响显示器件的图像质量。由于视觉赝象与显示器件的 工作方式和人类视觉系统特性相关，所以本章首先概括性地介绍目前常见显示技术的基本原理和与本 论文工作相关的人眼视觉特性。 1 1常见显示技术基本工作原理 在2 0 世纪的图像显示器件中，阴极射线管( c r t ，c a t h o d er a yt u b e ) 占了绝对统治地位，如电 视机、显示器等大多数采用了c r t 。但与此同时，平板显示器( f p d ，f l a tp a n e ld i s p l a y ) 也在飞速地 发展着，特别是液晶显示器( l c d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 的图像质量大幅度改善、价格持续下降， 不单在中小尺寸屏幕中代替了c r t ，而且快速地进入了计算机显示器、进而到电视机领域。 人们多 年来梦寐以求的、薄而轻的壁挂式电视已经逐渐普及。等离子体显示( p d p ，p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 也在家用电视和大屏幕显示市场占据了一席之地。 当然除了上述常见 的显示器件外，还有其 它多种电子显示器件 【6 l 。根据发光方式可以 将各种显示器件分为主 动发光型显示和非主动 发光型显示两大类1 2 j 。 如右图1 1 所示。前者 利用电信号来调制各像 素的发光亮度和颜色， 进而直接进行显示；后 者本身不发光，而是利 广- 阴极射线管显示器( c r t ，c a t h o d er a y t u b e ) 卜等离子伴显示屏( p o p ，p i a s m ad i s p i a yp a n e l ) 常厂主一塑 嚣筹黧器刷e l e c t r o l u m l n e 们s c e n 姊td l s p 时 = il 真空荧光管显示器( v f d ，v a c u u mf l u o r e s c e n td i s p l a y ) 予一l 发光二撮管显示器( l e d l j g h te m i t t i n gd i o d e ) ；i广液晶显示墨( l c d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 器i卜电化学显示嚣( e c d e l e c t r o c h e m i c a ld i s p l a y ) 件l 非主动发光型+ 电辣成像显示嚣( e p i d , e l e c t r o p h o r e t l ci m a g ed i s p l a y ) r - 悬浮颗粒显示晷( s p d ，s u s p e n d e dp a r t i c l ed i s p l a y ) 。麓转球显示嚣( t b d t w i s t i n gb a i ld i s p l a y ) 图1 1 代表性电子显示器件 自大# * 位m 文 用信号调制外界光的透过率或者反射幸而使其达到显示的目的。 其中c r t 、l c d 、p d p 是目前军用和民用显示器件市场上的主流显示器件”。而f e d ( f i e l d e m i s s i o nd i s p l a y ，场致发射显示) 、e l d ( e l e c u o l u m i n e s c e n td i s p l a y ，电致菠光显示) 、各种e c d ( e l e c t r o c h e m i c a ld i s p l a y 电化学显示) 是目前新型显示技术研究的热点可能是未来显示器件市场 的新定”】，所以这里着重介绍上述几种显示技术基本工作原理及发展历程。 1 11阴极射线管显示器( c r t ，c a t h o d er a yt u b e ) 在整个2 0 世纪显示器件的发展过程中，c r t 占据了绝对的统治地位。直到今无，彩色电视机、 计算机显示器仍然到处可见c r t 的踪影而且占据了丈部分市场份额，尤其是家庭电视机。c r t 能 取得如此成绩，得益于其成熟的工艺、低廉的成本、出色的图像显示教果咀及高可靠性( 目前工作寿 命已经达到1 0 万小时) 。即使到天。其性能之高与成本之低，仍然使其它显示器件望尘莫及。 c r t 显示技术最早出现在1 8 9 7 年为科学家布劳恩发明，所以又叫布劳恩管j 。但真正利用它 作为电视广播的接受端是在2 0 世纪，1 9 5 0 年彩色显像管在美国开发成功随后很快便投入到商业应 用。我国黑白电视广播从】9 5 8 年开始，彩色电视广播则开始于1 9 7 3 年。随着人们对观赏的图像质量 要求不断提高，c r t 硅示器件开始向着高分辨聿和平板化的方向发展。日本s o n y 公司在1 9 9 6 年推 出了第一台纯平面c r t 彩电，中国乐华也在1 9 9 9 年推出了国内的第一台纯平面的c r t 彩电。随 着高清晰数字电砚广播的即将开始，c r t 自身也在向着高清晰度的卉向发展”，1 0 0 h z 运行扫描的彩 色电视机也曾风靡一时。图i - 2 ( a ) 给出r 阳极射线管在其发展过程中的形貌变化，见证其一百多年 的历史征程。 4 镑 酒 r 喜色像管 彩色像管发d 田l - 2 ( a ) c r t 显示发展历程，( b ) c r t 内部机构示意圉( 见附录黟页 目自i 在市场占主导地位的彩色c r t 为荫罩式彩色显象管通常由电子枪、萌罩、荧光屏和玻壳等 基本部件构成。荫罩式彩色显象管又丹为三类，第一类是三枪三束管，即同时有三个电于枪，三十电 于枪作品字形排列，或一字形排列；第二类是单枪三束管，即电子枪产生三个电子束共用一个聚焦透 镜第三娄是自会聚管，这是目前市场所主要采用的彩色管技术，其内部结构如图1 2 ( b ) 所示。c r t 通过使电子柬偏转扫描整屏利用荧光粉的余辉与人眼的视觉暂留，来达到显示连续视频帧信号的目 的，为实现彩色显示必须利用三柬电子，而不同电于束在屯磁场中通过磁偏转到达屏上以后其在 不同位置产生的光点形状会有所不同，由此产生了阴极射线管所特有的各种像差，这种像差随着屏幕 尺寸的增大而变大“。另外，对f 电子枪的偏转系统而言，其使电子束产生偏转的角度是有限的因 此在显示屏的后面需要有足够的纵深来满足大屏幕显示的要求t 即使目前广泛研究的大偏转角技术 第一t i 技术s 视觉# 性基础 其对厚度的减少也是有限的1 。而且c r t 的内部是真空的，为7 在玻璃管破碎的情况下不会产生爆炸， 玻璃管需要进行加厚，由此可见缩小c r t 显示器特别是大屏幂c r t 显示器的体积，显得尤为困难。 正是这些因素制约了c f , t 技术的进一步投展和竞争力的提高也使各娄新型显示技术的大显身手成为 可能。 11 2 液晶显示嚣( l c d 。l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) l c d ，包括l c d 电视，特别是l c d 电脑监视器、l c d 手机显示屏，现在早已不再新奇但l c d 作为视频图像显示载体的发展则开始于上个世纪9 0 年代，短短十来年显示出一统显示市场的架势。 究其历史，其实涟晶早在i8 8 8 年就被奥地利植物学象fr e i n i t g e 首次发现1 2 ，但它作为显示器件枝 研究是开始于1 9 6 1 年。此后l c d 的发展经历了四个主要阶段：1 9 6 8 年美国r c a 公司公布其研 究成果，即动态散射型液晶显示器：1 9 7 1 年瑞士八发明了扫曲向列型( t n ) 液晶显示器，由于其成 本低。成为了2 0 世纪七八十年代的主流渣晶产品；1 9 8 5 年以后，由于超扭曲( s t n ) 渡晶显示器的 发展及非晶硅薄膜晶体管i 瘦晶( n - s i l f t ) 技术的发明，液晶技术进入了太容量显示的阶段；2 0 世纪 九十年代以后由于视角、色饱和度和亮度等问思的基本解决，l c d 进入了快速发展的时期，目前市 场上销售的l c d 基本是三代以上的产品五代乃至七代线产品。技术的发展推动了l c d 图像质量的 提高和成本的降低因此在来来几年里，l c d 将全面冲击从小屏幕手机显示屏到大屏幕家庭娱乐显示 的所有显示市场。根据光源产生处理方式的不同，适合太面积显示的l c d 器件可以分为透射型、反 射型、透反射结合、投影等，其中典型的透射性和投影用l c d 结构分别如图i 3 ( a ) 和( b ) 所示”。 ! 繁 倡纛片：j j 滤 薄膜晶体管( t f t ) 外 界 光 ( a )( b ) 圈1 - 3 ( a ) 透射型t f t - l c d 结构示意田( e n c y c l o p a d i a b r i t a n n i c a ) ； b ) 投影式l c d 结构示意囤( 见 附录彩页) l c d 按照其结构和驱动方式可以分为：t n 、s t n 和1 f t 等”由于t f r 是目前l c d 拨展的 主要方向，也是视频显示市场的主流产品本文将主要彳卜绍薄膜晶体管 i n i t w i n d o w i n i t d d r a w w m c f r e e d d r a w g r m m a i n ：所有w i n 3 2 应用程序的入口 函数，它也是应用程序关闭时的出口，一个 应用程序的全生命周期就是在它的控制之 下。确切的说，其它四个函数是被包括在 w i n m a i n 之内的。消息循环也是在这个函数 中启动。 i n i t w i n d o w ：初始化和创建一个与程序 的h i n s t a n c e ( 实例句柄) 相关联的主窗 口，这个窗口的h w n d ( 窗口句柄) 在初始 化d i r e c t d r a w 环境时需要用到。 i n i t d d r a w ：初始化和创建d i r e c t d r a w 对象，并执行一定的功能。它里面包括了创 建d i r e c t d r a w 对象，创建页面，设置显示模 式，创建主页面，输出文字。 w i n p r o e ：是应用程序感知外来动作和 产生反应的神经中枢，这是程序中最主要的 部件之一，它和在w i n m a i n 中所启动的消息 循环是一起工作的。 f r e e d d r a w ：释放d i r e c t d r a w 的各种对 象，以使其不再占用内存空间。 图3 7 图像显示程序流程 显示程序的具体流程见图3 7 ： 在d i r e c t x 中另一个重要的组件 d i r e c t l n p u t 负责面向输入设备的访问。d i r e e t l n p u t 由三个对象组成：d i r e c t l n p u t 、d i r e c t l n p u t d e v i e e 和 d i r e c t l n p u t e f f e c t 。d i r e c t l n p u t 是一个高层的对象，通过d i r e c t l n p u t 对象可以对相关的输入设备进行基 本的初始化和查找。d i r e c t l n p u t 对象最终用来创建低层的d i r e c t l n p u t d e v i c e 对象。d i r e c t x 中的每个 主要组件都采用相同的方法，首先创建高层对象，然后创建低层对象与硬件进行实际的通信。 3 3光电转换装置与校正系统 3 3 1 光电二极管工作原理与相关特性 论文采用光电二极管( p h o t o d i o d e ) 实现光信号到电信号的转换【1 1 6 1 。图3 - 8 给出了光电二极管典 型结构剖面图。其核心部分是一个p n 结，和普通二极管相比，其在结构上不同的是，为了便于接受 入射光照，p n 结面积尽量做得大一些，有效接受面( a c t i v ea r e a ) 占据了光电二极管正面的绝大部分 第三章光电特性测量系统 面积。电极面积尽量小些，而且p n 结的结深很浅。当有光照时，携带能量的光子进入p n 结后，把 能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而激发产生电子一空穴对，即光生载流子。 当光照强度增加时，p n 结两侧的p 区和n 区因激发产生的载流子浓度增多，如果二极管反偏，则反 向电流增大，因此，光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。这样光电二极管就实现了入射光强 到外部电流的转化。 ( a ) 占”i 3 r ( b ) 图3 - 8 ( a ) 光电二极管结构剖面图( b ) 光伏方式下光电二极管等效电路模型 光电二极管在摄影、光通讯、医疗成像等领域得到广泛应用，种类繁多，性能各异，考虑了上述 测量系统的相关要求，论文在光电二极管的选取与应用设计时主要考虑了以下相关特性： 一、响应速度 光电二极管作为整个测量系统的初始输入端，其响应速度从根本上限制了整个系统的响应速度。 图3 - 8 ( b ) 给出了光电二极管光伏方式工作下的等效电路图。其中如为并联电阻( s h u n t r e s i s t a n c e ) ， 理想情况下，希望r 曲无穷大，即开路。实际的光电二极管其等效并联电阻一般在数十到数千兆欧姆 量级。r ，为总的等效串联电阻( s e r i e sr e s i s t a n c e ) ，主要源于接触电阻和未耗尽的硅。理想情况下，希 望r ，无穷小，实际的光电二极管其等效串联电阻一般在数十到数千欧姆量级ac j 为结电容( j u n c t i o n c a p a c i t a n c e ) ，主要取决于p n 结扩散面积和耗尽层厚度。负载电阻吃表示整个负载的等效电阻，这也 是使用者可以控制的仅有的几个参数之一。有时我们通过上升时间t 足和下降时间t 尸来描述光电二极管 的响应速度。比如上升时间可以近似表示为： ( 3 1 ) 其中f 螂，f 蚴蒯，f 置c 分别对应漂移时间、扩散时间和r c 时间常数。前两者取决于光电二极管本身， 后者可以通过简单的估算得到： t c = ( r s + 也) ( c _ ，+ g ) ( 3 2 ) 其中c ：为寄生电容。可以看出c 与外围电路有关，所以为了尽可能提高响应速度，需要减少外围 等效电阻与寄生电容。同时外围电路设计，比如偏置电压也会影响p n 结参数，从而影响对应电容、 3 7 臻一警，誓；爱磅冀j毫?岛，冀o啦砖杂。 o 争 - 瓴 鬈卜下，崩 东南大学博士学位论文 电阻参数等。 另外作为系统参数，我们有时会用幅频响应( f r e q u e n c yr e s p o n s e ) 特性来描述，或者对 应某一参数比如3 d b 处截止频率六西，其大致可以粗略的估计为： 石西= 0 3 5 t 胄 ( 3 3 ) 二、光谱灵敏度曲线 可见光只是电磁波谱的- , b 段，在不同的应用领域，人们研究关注的频谱范围可能会不同。所以 不同类别、不同型号的光电二极管的敏感区域也会不一样。对于本文测试系统，着重研究可见光在人 眼的感受结果，所以希望选用光电二极管对电磁波的敏感范围集中在可见光区域，即波长从3 8 0 7 8 0 纳米的光谱。同样，如1 2 2 所述，人眼对不同频率的可见光敏感程度是不一样的，为了使测试数据尽 可能地符合人眼的视觉特性，希望二极管的光谱灵敏度与人眼视觉特性相吻合，如图l - l l 所示。 三、感光灵敏度与线性性 光电二极管对不同频率的光谱敏感程度需 要满足一定的规律，同时为了便于测量微弱光 信号，减少噪声的影响，我们希望在相同的光 刺激下，得到较大的电信号。即希望光电二极 管光电转换的效率要高，也就是所谓的感光灵 敏度( p h o t o s e n s i t i v i t y ) 要高。 线性性要求是指，在一定的范围内，光电 二极管输出电流值应尽可能随输入光强等比例 地变化。如用出、p 表示输出电流和输入光 强的增量，希望p 总是为一恒定值。但 实际光电二极管，在输入光强大到一定值以后， 输出电流逐渐饱和。也就是说舻在一定 范围内近似为常数，而后随着输出的增强，逐 渐减小。所以在应用中必须考虑输入光强的范 围，使之尽可能的限制在世廿为常数的线 性范围内。 o 3 割0 2 格 | 口 c 粜 倚o 1 o o f 弧1 k 嗡 囊l l 尊t 参 a f 1 l 蝴9 翰2 1 神， 刑嘲 2 4 0 0 6 0 0 8 1 0 波长( 啊) 图3 - 9 $ 9 2 1 9 和$ 9 2 1 9 0 1 光谱灵敏度曲线 在我们的测量系统中，用的比较多的是日本h a m a m a t s u t m 公司的s 9 2 1 9 - 0 1 。该光电二极管的 相关特性如表3 1 所列。 表3 - i $ 9 2 1 9 0 1 部分参数说明 参数符号数值说明 3 8 第三章光电特性测量系统 3 3 2偏置与放大电路 光e g - 极管的应用必须辅以定的外围电路。而且上文指出，光电二极管的特性一方面受其本身 条件限制，另一方面与外围电路设计有很大关系。光电二极管的外围电路主要有两个部分：一是偏置 电路，二是放大电路。本节首先分析了光电二极管不同工作模式下性能特点，然后给出了论文工作中 常用的几种偏置与放大电路的设计过程与相应效果。 一、偏置电路 偏置电路主要有两种：种是光导模式( p h o t o c o n d u c t i v em o d e ) ，一种是光伏模式( p h o t o v o l t a i c m o d e ) 。前者在光电二极管两端加反向电压，即阳极接负压。这种模式下，由于反向电压的存在，使 得p n 结耗尽层厚度加宽，结电容减少。因此，在光导模式下，可以得到非常高的响应速度。不过这 种模式下暗电流会因负压的存在而增加，对小信号输入，比如低灰度液晶显示输出，要特别注意。光 伏模式是指在二极管两端没有偏压的情况。这种工作模式的特点是暗电流小，噪声少，对小信号捕捉 能力强。该模式的缺点是响应速度相对较慢。论文在开始工作阶段，对两种模式都进行了尝试，光导 模式由于偏置电压可能存在的不稳定性，导致最后输出零点漂移比较严重，每次测量的零点校正耗费 比较多的时间，而且也不利于系统自动控制。在验证了光伏模式的速度同样能够胜任p d p 测试的前提 下，我们采用了光伏模式。具体电路如图3 1 0 所示。 图3 1 0 ( a ) 基本放大与偏置电路示意图( b ) 支持多档选择和数控调节的放大偏置电路其中省略