（物理电子学专业论文）lcd性能测试及系统开发.pdf

摘要 进入2 i 世纪，平板显示技术飞速发展着，特别是作为平板显示的主流，长期困扰液晶显示的三 大难题一视角、色饱和度和亮度问题已经得到基本得到解决，极大地推动了液晶在显示领域更大范围 的应用。液晶显示的质量大幅度改善，价格又持续下降，不但在中小屏幕显示中逐步代替了c r t ， 而且也快速地从计算机显示器领域，向视频和大屏幕视频领域进军。但是液晶显示在视频显示时， 感知动态图像清晰度大大下降，难以满足高清晰度电视的要求。目前如何测量、评价和改善液晶显 示性能，提高动态图像清晰度成为研究的重点。 在分析研究了现有的测量评估系统的基础上，提出并建立了基于亮度响应特性测量和人眼运动 视觉感知特性相结合的模拟评估系统。 本论文重点针对液晶显示动态图像时主要影响因素亮度响应特性的测量进行分析研究，并利用 虚拟仪器编程软件l a b v i e w 编写的测试平台获取准确的液晶响应曲线，计算响应时间。利用标准亮 度测量系统对自主开发的平板显示器亮度响应测量系统进行了校正，对液晶显示器的显示特性进行 了分析，对可能影响亮度响应测量的屏幕亮度随时间的变化特性、不同位置的屏幕亮度、刷新频率 影响、不同亮度和对比度测量条件下影响等因素进行了分析比较，并在此基础上对产生的测试图像 的位置、范围等测量条件进行了大量的实验测试。通过对测得的响应曲线进行分析，作者解释了以 帧频为评估单位来计算响应时间的概念，为液晶显示的动态伪像数学模拟提供了依据。 系统采用n i 公司的数据采集卡进行信号采集，虽然方便但不利于系统的小型化和商业化推广。 在完成测试的基础上，不断改进测试系统，使其便于推广是系统开发的进一步目标。u s b 接口具有 热插拔、即插即用，扩展方便以及低成本等优点。将自己开发的信号采集板和光电二极管进行封装， 通过u s b 接口进行数据通讯，可以很好的实现系统移植，为进一步的推广应用打下了基础。 关键词：液晶性能测试响应曲线l a b v l e wu s b a b s t r a c t f l a tp a n e ld i s p l a yi sd e v e l o p i n gf a s t e ra n df a s t e ri nr e c e n ty e a r s a sa ni m p o r t a n tr o l eo f 同a tp a n e l d i s p l a y t h ef i e l dto,lcd sp e r f o r m a n c ei si m p r o v e dr a p i d l yw i t h1 0 w e rp r i c ei n o fm i d d l es m a l ls i z e s c l c e n 。c r th a sb e e ni n s t e a do fl c d ，n o to n l yi nc o m p u t e rm o m t o rd i s p h y , b u ta l s of o rv i d e ea n dl a r g e r t vd i s p l a y t h ed e m a n d sf o rl a r g es i z ea n dh i g hr c s o l u t i o nl c d sh a v eb e e ni n c r e a s e da c c o r d i n ga s d e v e l o p m e n to f m a l t i - m e d i as o c i e 啦 h o w c v c rw h e nl c dd i s p h yv i d e oi m a g e t h em o t i o np i c t u r eq u a l i t yi sn o tg o o de n o n g ht o r h i g h - d e f i n i t i o nt v 叩p l i c a t i o nd u et om o t i o na r t i f a c t s h o wt oc h 3 9 a c t e f i z c ，i n e , a s t k e ，e v a l u a t ea n d i m p r o v et h el c dm o t i o np e r f o r m a n c eh a sb e c o m eas i g n i f i e tp r o b l e m b a s e do nt h ea n a l y s i so fp r e s e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m so fm o t i o nb l u r an o v e lm e a s u r e m e n ts y s t e m a n ds i m u l a t i o nm e t h o dh a sb e e nb u i l tt oc h a r a c t e r i z ea n de v a l u a t et h em o t i o nb l mb ym o a n so ft h e m e a s u r e dl cr e s p o n s ec h i n e sa n dt h eh u m a nv s u a ls y s t e m ， mt l l i sp a p e rs e v e r a lf a c t o r sw h i c hn l a i n l yi n f l u e n c e sm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo f l c dw i l lb ea n a l y z e d f i r s t a n dr e s p o n s ec u r v e sc a na l s ob e e l lm e a s u r e dw i t has y s t e mw r i t t e nb yl a b e w 1 1 - co r 船u to ft h e m e a s u r e m e n to f t e s ts y s t e mw a sc a l i b r a t e db yu s i n gt h es t a n d a r dl u m i n a n c em e a s n r e m e n td e v i c e n 屺nt h e c h a r a c t e r i s t i c so f l c d 。s l c ha su n i f o r m i t yo f l u m u m c e ，c o n a a s t , r e f r e s h - r a t e , e t e w e y ea n a l y z e d o nm e b a s eo fa b o v ee m a l y s i s 血et e s 括t oc h o o s et h em o s ta p p r o p r i a t ep a l l e mf o r t h er e s p o n s ec t n v e $ m e a s u r e m e n th a sb e e nf i n i s h e d w i t ht h ea n a l y z i n go fr e s p o n s eg n l 、, e s ，t h em u l t i p l ef r a m ep e r f o r m a n c e w h i c hl o c k e dr e f r e s h - r a t ei nt h ef r a m e - s e q u e n td i s p l a yh a sb e e ne x p l a i n e d , p r o v i d i n gd e t a i li n f o r m a t i o nf o r m a t h e m a t i c ss i m u l a t i o ni nl c dm o t i o na r t i f a c t s o nt h eb a s eo ft h ep r e s e n tr e s p o n s ec u r v et e s ts y s t u n t l ，as i m p l es i g n a lc o l l e c tb o a r dc o m m u n i c a t e d w i t hp c sb yu s bi n t e r f a c e i sf u r t h e rd e v e l o p i n gi oi n s t e a do fe x i t i n gs y s t e mw h i c hc a p t u r e ds i g n a lb y m c a l l so f t h en id a qc a r d ，1 1 h en e ws y s t e mi sm o r ee c o n o m i ca n dm o r es u i t a b l et oe x t e n do u rs y s t e ma n d s o m ep r i m a r yr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d k e yw o r d s ：l c dn l c o s u r e m e n tr e s p o n s e - t i m el a b v i e wu s b 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所星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：垂年日期：掣 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： 座公导师签名：趣 日期勘砷3 ，2 6 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 2 l 世纪是信息高速膨胀的社会，作为人获取信息的主要渠道，显示器的作用无可取代。在2 0 世纪，图像显示器件中，阴极射线管( c r t ) 占据了绝对统治地位，但由于其体积大，重量大，需使 用数万伏的工作高压，越来越不适合现代人的需求。而平板显示技术的崛起，逐渐取代了c r t 的时 代。以l c d 、p d p 、d l p 、l c o s 为代表的新兴显示技术，代表了数字电视时代电视机技术发展的方向， 注定成为显像管电视的终结者。数字电视，特别是高清晰度电视机，也注定成为世界电视发展的潮 流。液晶显示器件是众多平面显示器件中发展最成熟，应用面最光、已经产业化并且仍在迅猛发展 着的一种显示器件。其中，l c dt n 和s t n 器件在我国的产量很大，但其技术已经成熟，且不是未来 发展的重点，目前l c d 技术开发重点是有源矩阵l c d ，特别是t f t l c d 。 t f 卜l c d 技术优势在于使用特性好，适用范围宽；环保特性好；易于集成化和更新换代，继续 发展潜力大。技术的进步使长期困扰t f r l c d 的三大难题：视角、色饱和度、亮度，已经解决。当 前l c d 技术主要的发展方向是：增大屏幕尺寸和显示容量；宽视角化；反射型l c d ，低功耗；低温 ps it 盯；降低成本：提高响应速度，改进驱动电路，减小动态失真。其中响应时间慢很大程度上 阻碍了其发展。显示动态画面时会有明显的拖影，特别是在那些高速移动的3 d 游戏或者d v d 影片中 动态伪像的无法消除直接影响了显示效果。液晶显示器件运动伪像的具体表现形式很多，诸如：拖 尾效应、运动物体模糊边缘、颜色混淆等等。研究表明，导致液晶显示器件运动伪像产生的原因有： 液晶材料响应时间慢( 液晶材料和像素电容引起) 、液晶显示器维持显示( h o l d t y p ed i s p l a y ) 的 工作模式。响应时间目前已提高到8 m s ，但是即使响应时间再小，由于液晶一帧内持续显示，而人 眼平滑自动追踪和对亮度积分后，人脑仍然感觉到的模糊图像。为了测量l c d 的性能，建立了一套 测量系统，并对一台l c d 进行了分析测量。通过比较，选择出适合液晶响应曲线测量的性能设置， 得到准确的响应曲线，为进一步的数学模拟提供依据。 1 2 液晶显示理论基础及相关研究 动态伪像的存在很大程度上影响了显示的质量，也是人们最关心的问题。为了便于对运动伪像 进行深入研究，需要找到一定的方法对各种运动伪像进行测量。现有的测量方法可分为直接测量和 模拟预测两类。 一、直接测量法 直接测量分为两种：t i m 测量和追踪摄像机系统。t i m ( t i m e - b a s e d i m a g ei n t e g r a t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e m ) 系统使用一款高速c o d 连续拍摄液晶显示屏上的运动图像。由于人眼分辨亮 度变化的极限是1 3 0 0 秒，测量用c c d 快门速度要小于3 m s ，保证每帧时间可以拍摄8 幅图像；另 外，c o y 固定在显示屏前，拍摄通过触发信号控制。将每帧时间内的8 幅图像按时间积分，即可得 到运动图像在一帧时间内的模糊图像。追踪摄像机系统是利用c o d 相机的旋转来模拟人眼的追踪过 程，c o d 相机的曝光时间为1 3 0 秒或更高，可代替人眼的积分作用。系统由c o d 相机，信号采集控 制系统、相机旋转机电系统和运动图像信号源等四个主要部分组成，计算机实现各个部分的协调工 作。由于c 0 1 ) 自身比较重，旋转追踪过程难以达到精确控制，又提出了用镜子旋转代替c o d 旋转的 新方法，即c c d 固定不动，在显示屏与c 0 1 ) 之间增加一面与运动保持同步的旋转镜，利用镜面反射 来捕捉需要的影像信息。这同样存在图像运动、镜面追踪运动及采集之间的同步问题，同时还要考 虑光学系统可能引入的误差，以及光信号在传送途中的损失。 东南大学硕士学位论文 二，模拟预测法 根据测量或假定的响应波形以及给定位图的运动速度，利用纯软件算法，将人眼对给定运动位 图的感知图像，以静态图像的方式再现。由于是模拟再现人眼对匀速运动图像的感知，该方法有两 个假设前提：人眼平滑追踪物体运动和人眼视觉感知是在一帧时间里对亮度的积分。方法实现步骤： ( 1 ) 在每个像素上加载帧序列色调数据； ( 2 ) 合成每个像素的亮度响应波形； ( 3 ) 根据平滑追逐原理，进行时序积分。 综合考虑，还是选用模拟预测法产生动态伪像。数学模型的建立是实现的关键，在产生模拟图 像后进行视觉感知实验可以对模型的正确性和准确性进行客观的评价。响应曲线的测量以及响应时 间的计算则是整个模拟预测系统的基础，测量的准确性很大程度上影响模拟的真实性。响应曲线的 大小和液晶显示器有直接关系，液晶的物理特性以及测试条件也会影响响应曲线的准确。通过构建 l c d 性能测试系统，对液晶各特性进行测试，有助于提高测量的准确性。 测试一个系统，必须对其有最基本的了解：系统的具体功能是什么；使用的时候有什么注意点； 使用的范围是什么；有哪些性能的变化会对测试造成影响等等。对于款l e d 屏，其主要性能有： 亮度，对比度，刷新率及响应时间。另外，不同的环境，对测量的准确性也有影响。下面分别从测 试环境，测试图像以及液晶显示器特性三个方面讨论其对响应时间测量精度的影响。 1 2 1 环境的影响 液晶，是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态，它既 具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性，一般可分热致液晶和溶致液晶两类。 在显示应用领域，使用的是热致液晶，超出一定温度范围，热致液晶就不再呈现液晶态，温度低了， 出现结晶现象，温度升高了，就变成液体，液晶显示器件所标注的存储温度指的就是呈现液晶态的温 度范围。 无论哪一种液晶显示器件都是以下述原理为基础的，即在电场，热等外场的作用下，使液晶分 子从特定的初始排列状态转变为其他分子排列状态，随着分子排列的变化，液晶元件的光学特性发 生变化，从而变换为税觉变化。所以，液晶器件不适合于高寒地区使用，也不使用于高热地区，因 为高低温会破坏液晶的定向层，造成不可恢复的损坏，测量应尽量在常温下进行。 液晶表面静态温度的变化受三个因素的影响：一是环境温度以及环境与液晶屏的表面热对流； 二是发热元件的热均匀性( 与制造工艺有关) ；三是背光源的热分布。在同样电场的作用下外界温度 变化了，液晶分子的旋转会有所差别，所显示颜色灰度也会发生变化，继而影响了液晶屏的图像显 示效果。液晶盒的外围由塑料外框固定，塑料外框的外部有金属框，液晶盒的表面湿度和外界温度 有关是显而易见的。不过当外界恒温时，液晶盒的温度特性主要受到背光源的影响，随着显示器开 启时间的不断增长，背景光源散发的热量不断累积，使得显示器内温度也在上升，影响到液晶的工 作环境。 1 2 。2 图像源的影晌 液晶屏没有测试图像的输入是没法进行测试的。作为测试的对象，图像对测试精度有很大影响。 图像的发生，图像的选择以及图像和测试仪器的距离和位置都是需要考虑的方面。 l 图像的发生 图像产生有硬件和软件两种方式。在测量中为了准确计算不同灰度问变化时间使用信号发生 板，即以硬件方式作为图像源。图像产生板通过1 2 c 总线接收来自计算机控制程序的指令，产生所 需的测试图像信号，并通过d v i 接口传送给液晶显示器，同时发送同步信号触发数据采集卡的采集， 以便在测得的响应曲线中可以准确的找到触发信号起始点，保证了开启和关闭时间计算的准确性 作者也尝试过用软件产生测试图形和软件触发，但是发现会有较大的误差。软件图像发生的速 度远远比不上硬件发生。v c v b 产生的图像发生变化时，都需要通过向c p u 发出请求，当c p u 进行 处理后才能进行下一步操作。c p u 运算的工作频率即主频是一定的，当其处理高频信号时，还必须 2 第一章绪论 处理其他系统响应，很难保持长时间的同步。实际测量中，只有前几个周期能达到6 0 h z ，很快频率 开始混乱并不断下降，信号很不稳定，无法达到系统的要求。 2 图像面积的影响 进光亮的多少会直接影响亮度以及转换电压的大小。由于光电管探测面积的限制，l c d 屏的亮 度很难超过光电管的电压上限。所以一般考虑低灰度时的灵敏度。当图像灰度为0 时，实际亮度 电压并不为0 ，这是由于背景光源的开启，液晶层并不能完全隔断光的反射及折射，还是会有少量 光透过液晶层到达屏幕表面，而且对于低灰度，信号很微弱。假设将光电管贴屏放置，如果测试图 像的面积小于光电管的探测面积( 如图l 一1 中左图) ，实际采集到的信号应分为2 部分( 不包括传递 过程中进入的干扰噪声) ：图像源产生的亮度信号( 图中i i 部分) 和测试图像外探测范围内的背景 光信号( i 部分) ；而当测试图像大于光电管探测面积时( 图卜1 中右图) ，则不需要考虑背景光的 影响，i 和i i 部分均为测试图像灰度。 图卜1 高灰度时，微弱的背景光造成的误差几乎可以忽略，但对于低灰度，尤其是低于灰度1 5 时，测 试图像产生的亮度并不比背景光的亮度高很多，造成的误差并不能忽略。 i e c 建议测试图像的大小应满足下面的公式( 公式卜1 ) ： t 5 t s h 1 1 其中，t 为测得的响应时间 t 为每帧维持时间 s 为测试点的直径 h 为扫描方向上的液晶屏尺寸 当确定了一个测试图像的大小后，通过上面的公式可以判断图像大小带来的误差大小。若测得 响应曲线不满足上式，应改变测试图像大小以符合。 3 图像与光电管距离的影响 当光电管不贴屏放置时，就必须考虑环境光带来的误差。虽然是在暗室进行测量，但非探测范 围内的屏幕也在发光，也在放射能量，虽然发光强度比不上测试图像，但带来的误差也影响到测量 的准确性。想要隔绝外界光，可以有2 个方法：贴屏放置或者利用光纤传输测试图像的光能量。但 后者结构复杂，价格昂贵。 4 测试图像形状的影响- l c d 维持( h o l d - t y p e ) 特性和行扫描特性 3 东南大学硕士学位论文 瑙 帐 一理想响应 - 一宴所响应 ( a ) 罐r ( i m p u i b 口t ，p e )( b ) 柚一l c d ( h o l d - t y l ) 图1 - 2c r t 与l c d 响应曲线对比 尽管所有的显示器( 包括c r t 显示器) 显示运动图像时都受到运动伪像影响，液晶显示器却是 最易受这一问题困扰的平板显示器，因为运动伪像成因与液晶其独特的显示工作方式有关，图卜2 说明了c r t 显示器与a m l c d ( 有源矩阵l c d ) 显示器在显示工作方式上的不同。 c r t 显示器通过偏转部件控制电子束运动，使其击中屏幕上规定位置的荧光粉，同时控制该位 置上的发光强度来实现图像显示，所以被称作脉冲显示方式，由于荧光粉被电子束击中后立刻发光， 而辉光残留时间极短，传统c r t 显示器响应时间仅为 3 m s ，因此在c r t 显示器参数指标中一般并 不提及响应时间。 a m l c d 显示驱动则是在控制写入像素电极的薄膜晶体管有源电路上加载行扫描信号和列寻址信 号，使之产生足够大通断比，从而间接控制像素电极问呈t n 型的液晶分子排列，利用液晶分子扭转 控制光的通断，达到控制亮度实现显示，正是由于液晶分子扭转过程的存在，液晶显示器的响应时 间要比c r t 显示器的响应时间长的多，这种工作方式还使得像素在一帧时间内持续发光，因此被称 荧保持显示方式( h o l d - t y p ed i s p l a y ) 。 对于有源矩阵l e d ，下面板上光刻出行扫描线和列扫描线，构成一个矩阵，在其交点上制作出 二极管或场效应管，以及像素电极，如图1 - 3 ： l i q u i dc r y s t a l 一- 口n m 忑啊i d lid 2i i阱lld ii l0 1 磕- 仓 磕- 厂_ 厂 一 鸡蝗 -g 2 磕 一 工r 醯，也包， -g 3 - 一 ! 。r g 图卜3t f t 矩阵驱动l c d 的工作原理 当扫描到某一行时，扫描脉冲行扫描使该行上的全部二极管场效应管导通。同时各列将信号 电压旋加到液晶像素上，即对并联的电容器充电。这行扫描过后，二极管场效应管全部处于开路 状态，由于h o l d t y p e 特性，液晶将保持现有扭曲状态一段时间。同时扫描电路向下继续扫描，直 到完成整个屏幕。在整个过程( 一帧时间) 中，先扫描过的液晶像素持续发光，后扫描的像素逐行 点亮。在人眼看来，屏幕上的图像是瞬间显示出来，但事实上，不同位置点的显示是有先后的， 覆盖行数越多的图像，显示需要的时间就越长，对响应时间测量的影响就越大。 4 第一章绪论 1 2 3 l c d 自身特性的影响 1 亮度的不均匀性 液晶本身不会发光，只会调制光，所以许多使用l c i ) 的场合，例如电视机、计算机、g p s ，p d a ， 手机等都需要背光源。背光源是提供lcd 面板的光源。主要由光源、导光板、光学用膜片、塑胶 框等组成。背光源具有亮度高，寿命长、发光均匀等特点。按背光源的性质有如下分类，如图l q ： l c d 用背光源系统 f 粉末电致发光( e l ) 电致发光型( e l ) 有机发光二极管发光( o l e d ) i 场致发射发光( f e l ) f 侧发光二极昔型( l e d ) 发光二板管型( l e d ) 【底发光二极管型( l e d ) i 侧导光板式 冷阴极灯管型( c c f l ) _ i 反射式 热阴极管型 平板形荧光灯型 图卜4l c d 用背景光分类 光源形状光源种类颜色功耗( )寿命( h ) 特点 简单，小型、价 点状光源1 a = p ( 灯泡) 2 8 0 0 k 左右1 0 以上2 ，0 0 0低体积大、发 热严重 l e o ( 发光二极 蓝红寿命长、低发热 管) 4 3 0 “7 0 0 n = 0 0 3 8 以上 1 0 0 0 0 0 亮度稍低 c c f l ( 冷阴极荧 红、绿、蓝及其 亮度高、寿命长 线状光源 1 旷1 0 0 2 5 0 0 0逆变器驱动电 光管)混合色 压高 h c f l ( 热阴极荧 4 0 2 2 0 r 7 0 0 0 发热严重 光管) v f d ( 扁平荧光2 0 0 a w c s 2亮度高、均匀性 面状光源5 ，0 0 0 灯)以下好双电源驱动 e l ( 电致发光 2 0 i w c 1 2 5 ，0 0 0 薄、均匀性好 片)以下寿命短，亮度低 o e l ( 有机电致 i 0 0 0 以上 薄、均匀性好， 发光片) 亮度高寿命短 f e d ( 平扳场发1 0 ，0 0 0 以 亮度高开发中 射) 上 就应用范围而言，el 、led 主要用于小尺寸、单色光( 绿色、红色) 。最近也陆续有白光( 全 色) e l 和l c d 背光源出来。但由于亮度较暗其基本上用于4 英寸以下小尺寸液晶显示。如：手 机，p d a ，游戏机等。全色( 自光) 、大尺寸亮度背光源，现在主流仍然是用c c f l 傲光源，面 且经过多年的开发技术工艺比较成熟，信赖性高，性能稳定。现在大中型尺寸( 19 3 英寸) tf t 液晶显示屏普遍用c c f l 。 冷阴极荧光灯( c c f l ) 背光照明系统，是依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉而发光的电源。由 于光致发光的荧光粉品种齐全，转化率高，是一种色温高、亮度高的理想光源。这种光源可制成准 确的三基色，所以是彩色液晶电视的最佳光源。冷阴极荧光灯管背光照明系统也可分为反射式与侧 导光式两种。反射式是由数根平行排列的冷阴极荧光灯管、底背面的反射板和为实现表面亮度一致 的漫散射板组成。而侧导光式c c f l 的实现，是冷阴极灯管所发射的光经过聚光板的聚光后导入光导 东南大学硕士学位论文 板，利用光在光导板两面的全反射将光导致光导板末端在光导过程中部分光散射漏出，并射于系统 表面。为了利用反面漏出的教射光，设置了反射板：为了增加正面发光强度，又增加了棱镜板。这 种方式的背光照明系统符合薄型要求，且能获得高亮、均匀的平面光源，已成为大型l c d 器件中背 光照明系统的主流产品。 但屏幕显示的亮度主要取决于背光源的分布及亮度，单根或多根荧光灯发光的不均匀，使得屏 幕表面的光亮度分布也各不一样，从而各点的光电测量结果也不尽相同。光电二极管的探头对准屏 幂上不同位置，测得的数据也不一样。 2 对比度的影响 l c d 的亮度是通过调节背景光来实现的。而当调节l c d 对比度时，g a m m a 特性也会发生变化。液 晶显示器的对比度实际上就是亮度的比值，定义是：在暗室中，白色画面( 最亮时) 下的亮度除以黑 色画面( 最暗时) 下的亮度。更精准地说，对比度就是把白色信号在1 0 0 和o 的饱和度相减，再除以 用l u x ( 光照度，即勒克斯，每平方米的流明值) 为计量单位下0 的白色值( o 的白色信号实际上就是 黑色) ，所得到的数值。对比度是最黑与最白亮度单位的相除值。因此白色越亮、黑色越暗，对比度 就越高。对比度是液晶显示器的一个重要参数，在合理的亮度值下，对比度越高，其所能显示的色 彩层次越丰富，对显示器的要求就越高。 3 响应时间 由响应曲线，可以计算得到液晶响应时间。响应时间有两种，其为上升时间( r i s et i m e ) 和下 降时间( f a l lt i m e ) 之和。上升时间指透光亮度由1 0 升到9 0 所需的时间，即图卜5 中的t ，；下 降时间为透光亮度由9 0 降到1 0 所需的时间，即t 。 天犬 9 c ， 1 0 卜酶时间1 ： 图卜5 液晶响应曲线中上升时间和下降时间的定义 另外一种是开启( t u r n - o n ) 和关闭( t u r n - o f f ) 时间。开启时间是指从像素加上驱动信号的时 问算起，透过亮度从o 升到9 0 所需时间，即图1 - 6 中的t h 关闭时间是指加上驱动信号后，透 过亮度从1 0 0 降到1 0 所需时闻。即他。 6 第一章绪论 触发倩号 图卜6 液晶响应曲线中开启时间和关闭时间的定义 在系统中，由于使用信号板产生图像和同步触发信号，可以精确测量出开启点和关闭点的位置， 很好地保证l c d 收到信号和系统进行采集的同时，使得测量得到的曲线具有一致性。 从上图中也可以看出，像素亮度的变化是由触发信号引起的，各行的信号经d v i 接口同时到达， 但由于行扫描的存在，不同行的扫描电路时序不相同，各行得到信号也有先后。 不同的液晶其响应时间是不同的，除了与材料有关以外，还与电光效应、粘滞系数、弹性系数 以及液晶膜厚度有关。现在市场上韵主流l c d 屏都以3 m s 甚至3 m s 以下的响应时间为宣传点，实际 上指的是响应速度最快的黑白切换从1 0 坡化到9 6 所用的时问，要想完全从黑到白，需要的时间远 远大于3 m s 。i s 0 ( i s 0 1 3 4 0 6 2 ) 对响应时间的规定是：当一个像素点从白色转为黑色，电极电压从 0 变为最大值，b 日最大电压激励状态下，液晶分子迅速转换到新的位置，这一过程所用的时间被称 为上升时间段。当一个像素由黑转白，像素所加电压切断，液晶分子迅速回到加电前位置，这一过 程称为下降时间。整个响应时间过程就是由上升时间加上下降时阃获得豹数值。 但是，实际上这个规定只考虑了用时最短的像素黑白黑极端切换的时间，在德量实际使用时出 现最多的灰阶切换时没有太多指导价值。像素整个响应定义只占到了整个像素上升或是下降过程的 8 0 的时间，按照i s 0 的定义所谓白色即指1 0 灰度，黑色指9 0 灰度，其余2 0 的时间被忽略 了。i s o 这样定义的初衷不难理解，因为对于液晶分子来说，加电起动和最后稳定这两个阶段是费 时的，两头2 0 的灰度转化的过程甚至超过i s 0 响应时间定义本身所占时间，那如果省去这2 0 就 可以大大的美化指标，但这显然对于消费者是不公正的。有些工艺利用o v e r - s h o o t 电压( 过冲电压) ， 而这一瞬间的过冲电压实际上是经历了一次上升和一次下降过程最终回落到目标电压的( 这里的一 个一般原理是：上升时间是明显大于下降时间的，因而缩短原有上升过程的时间可以通过提供一个 更高电压下的上升时间加上一小段下降时间来实现) ，可以看出o v e r - s h o o t 已经经过了一次上升 下降的转换，再加上l c d 图像显示本身的一次上升下降的转换，叠加效应就会被明显地放大，。躁 点”的现象就可能出现了，而且增大液晶单元盒驱动电压同时也会减小液晶的寿命。 4 刷新率的影响 刷新率是画面更新的速度，每隔1 帧时间画面便会刷新一次。对于l c d 这种响应速度不是很快 的器件，如果刷新率较高，上一帧的图像还没完全显示，下一帧图像又传输过来，这对液晶响应时 间测试必然会造成影响。 5 r g b 三色的输出 l c d 并不只有灰度变换，同样也要考虑彩色显示。通常，在彩色l c d 面板中，每一个像素都是 由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通 过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。 对1 0 2 4 7 6 8 的屏幂来说，每个像素都由三个单元构成，分别负责红、绿和蓝色的显示，所以 总共约需2 4 0 万个单元( t 0 2 4 x7 6 8 4 3 = 2 3 5 9 2 9 6 ) 。很难保证所有这些单元都完好无损。最有可能的 是，其中一部分已经短路( 出现“亮点”) ，或者断路( 出现“黑点”) 。 三星曾在r 、g ，b 基础上加上过白( w ) 色，成四色滤色膜，以提高亮度。还有些公司提出六色 7 东南大学硕士学位论文 技术，从技术内容上来分，可以划分为如下2 种方式，一种是使用具有红色( r ) 、绿色( g ) 、蓝色 ( b ) 分光特性的普通3 色滤色器，面光源则使用在普通的r g b 基础上追加了青色( c ) 、黄色( y ) 、 洋红( m ) 等3 色的6 色光源的方式( 3 色滤色器+ 6 色光源+ 倍速驱动方式) ，另一种则是在具有 r g b c y m6 色波长的光源上配合使用具有r g b c y m 分光特性的6 色滤色器的方式( 6 色滤色器+ 6 色光 源+ 普通驱动方式) 。飞利浦和三菱电机采用了第1 种方式，而三星和g e n o a 公司则采用了第2 种方 式。飞利浦在光源中使用了荧光管，而三菱电机则使用了l e d 。作为第1 种3 色滤色器方式，以1 0 0 1 2 0 h z 的频率驱动( 即倍速驱动) t f t 液晶面板，每个子帧必须将光源由r g b 切换成c y m 。而第2 种 6 色滤色器方式，则可以采用6 0 h z 的驱动频率，不过必须将滤色器换成r g b c y m 方式，而且还形成 t f t 像素。 1 3 本文的主要研究内容和结构安排 1 3 i 本文的主要研究内容 本文主要通过对l c d 各重要特性进行测试比较，分析其对液晶响应曲线测量的影响，构建准确 的，实时显示并采集的测试系统，获取各灰度间切换时的响应曲线，并计算响应时间。具体步骤为： ( 1 ) 通过硬件板在待测液晶屏上产生不同测试图形、灰度、颜色等信号，采用l m d ( l u m i n a n c e m e a s u r e m e n td e v i c e ) 进行测量：亮度和色度计测量亮度和色度； ( 2 ) 分析l c d 性能及测试环境对液晶响应曲线测量精度的影响，确定合理的测试条件； ( 3 ) 测量一款l c d 屏在多灰度切换图像时的液晶响应曲线，并计算其响应时间； 测试步骤为：在待测液晶屏前放置光电二极管，精确测量响应时间。将检测到的光强信号由和 人眼视觉相符的快速光电二极管转化为光电流，再通过运放电路转为电压变化，经过信号放大去噪 电路输入a d 转换卡；a d 转换卡将电压信号转换成计算机可以接收的数字信号。p c 机采用l a b v l e w 软件编写的程序，实现数据采集、处理，存储以及仪器控制等功能。在整个过程中由信号板发送同 步信号实现图像传输和数据采集的同步。该系统可以精确地对l c d 的特性进行测量和分析，在此基 础上，测量各灰度间跳变的响应曲线。整个系统如图1 - 7 ： 图l - 7 测试系统 采集和处理 ( 4 ) 实现系统的迸一步开发，和用u s b 接1 7 1 ，实现数据采集板和l a b v l e w 的通讯，并进行信号 处理。 1 3 2 本文的结构安排 第一章是绪论，对选题背景，意义和研究现状进行阐述，并简述本文的主要研究方向，为构建 测试系统提供理论依据，最后说明本文研究内容及全文的结构安排； 8 第一章绪论 第二章从上章提出的研究方向出发，构建符合我们需要的测试系统，即基于n i 公司d a q 数据采 集卡，实现液晶响应曲线及时问测量系统，并简述总体设计方案说明，及系统设计过程中的思考和 对整个系统的规划； 第三章是通过实际测试，验证l c d 各性能对响应曲线测试的影响，井进行分析； 第四章是在第二章已构建系统的基础上，进行基于u s b 接口的系统二次开发，最后就此系统提 出了一些不完善处及进一步改进的方向； 第五章是对本论文的总结。 1 4 本章小结 液晶的发展越来越完善，亮度不够、视角较小等问题不断被改善，动态伪像的存在成为目 前l c i ) 最大的障碍。本章介绍了几种测量评估动态伪像的方法，通过比较，选择模拟预测法作为研 究的方向。为了提供模拟所需的准确响应曲线，构建适合测量的l c d 性能测试系统是关键。本章从 液晶测试时诸多影响因素着手，分析它们对测试精度的影响，并以此为方向进行测试比较。 9 第二章基于n i d a q 卡的系统开发 第二章基于n i d a q 卡的系统开发 从信息论的角度看，不论测试系统的形式如何变化，基本上都要实现的信息处理功能包括：获 取、处理、显示表达、存储和传递，其功能模块框图如下( 图2 1 ) ： l。信号调理变换 + f 结果显示 j 7 信号分析处理h 数据存储 图2 1 基本测试系统结构 随着技术的进步，现代的测试系统在实现形式上较以前有了很大的改变。传统测试系统由传感 器或仪表获得信号，由专门的测试分析仪进行分析处理。比如最常用的示波器和亮度计。虽然它们 精度很高，响应也很快，但并不具备实时采集和处理能力。利用示波器，可以观察灰度切换时的电 压变化，亮度计也能测量各灰度下的亮度值，l c d 色彩定标测试中完全可以胜任，但用来测量响应 曲线，无法实现实时采集并处理，示波器只能将波形保存后进行再处理。 而现代测试系统是以计算机为中心，用传感器和数据采集器为通道获取信号。计算机分析处理 信号，并可控制被测对象的动作。具体的说，任何仪器都基本上由三部分组成，即信号采集和调理、 信号分析和处理以及信号显示和输出。传统仪器将所有这三部分放在一个仪表箱内，根据不同的功 能要求采用不同的硬件结构，所以仪器的功能是由其硬件结构固死的，很不灵活。虚拟仪器的核心 是在最少量的硬件模块支持下，用软件实现传统仪器数据采集，传输、分析、显示的功能，用显示 在电脑屏上的软面板代替原来的仪器面板，用键盘、鼠标对测量的参数及进程进行控制，可以大大 突破传统仪器在数据的处理、表示、传递、存储等方面的限制。 构造虚拟仪器系统，在基本硬件确定后，通过软件实现不同功能，因此，软件是虚拟仪器系统 的关键，美国n i 公司开发的l a b v i e w 编程软件被认为最能体现虚拟仪器技术的精髓，即“软件就是 仪器”。作为专用于测试、测量和控制的工业标准软件，l a b v l e w 软件提供了简单、直观的图形编程 方式，把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化成工程师最熟悉的功能结构图的编程方式，并且嵌 入了非常丰富的工程应用函数。例如，针对测试技术和仪器应用，l a b v i e w 提供了多种仿真信号产 生、测试信号分析和处理、数据采集函数。因此，l a b v l e w 软件在国内外测量和工程领域得到迅速 推广和应用。 l a b v i 肼开发环境下的应用程序称为v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，由人机交互界面( 前面板) 和 相当于源代码功能的框图程序( 后面板) 组成。如果把前面板比作传统仪器的面板，上面的控制量 是控制仪器的按钮和旋钮，显示量是显示结果的屏幕，那么，后面板就是包含在仪器箱中的东西。 这些传统仪器的部件通过软件的方法得以实现，利用软件开发周期相对较短、易于维护和升级等优 势，可以设计出传统仪器所不能比拟的虚拟仪器。 l a b v i e w 的数据流模式规定，程序中函数节点只有在获得全部数据后才能被执行，即程序执行 是由数据驱动，它不受操作系统、计算机等因素影响，一个目标只有在所有输入有效时才能执行， 而目标输出只有在它的功能完全时才有效。程序连接方框图之间的数据流控制着执行次序，而不像 文本程序那样受顺序执行规则的约束。所以，通过相互连接功能方框图可以快速、简洁地开发应用 程序，甚至于多个数据通道同步运行。另外，l a b v i e w 语言还具备下述优点：不需预先编译就存在 语法检测和调试过程使用的数据探针：包含有丰富的工程应用函数、数据采集函数、测试信号分析 和处理函数，设备驱动模块等；它是一个开放的平台，通过c l f 或c i n ( ci n t e r f a c en o d e ) 节点 可以运行由c 或c + + 语言编译的程序模块。 l a b v i e w 软件已成为测试技术和仪器科学中的通用编程语言，l a b v i e w 7 1 是n i 公司于2 0 0 4 年 东南大学硕士学位论文 5 月推出的新版本。 本章所述的l c i ) 性能测试系统分为硬件和软件两部分，软件部分是人机交互界面，控制硬件板 产生图像，并实现响应曲线采集，以及采集数据的平均处理、响应时间计算以及数据的存储；而硬 件部分则是图像源的产生及光电管信号的处理。本文着重介绍软件部分功能及设计思路，整个程序 由虚拟仪器软件l a b v l e w 7 1 编写，运行平台w i n d o w sx p 。 2 1 程序设计 根据实验目的和要求，编写的控制界面包含两个子界面：信号发生及采集界面、信号处理及保 存界面，实现操作主要为信号发生及采集、信号处理以及信号存储。总体设计思路如下： 先设定测试图像大小、灰度、切换时间等参数，通过1 2 c 总线传递给硬件板。图像发生板获取 到参数后，将产生的图像通过d v i 接口传送到待测屏中。而信号采集是利用n i 公司的p c 6 2 5 1 数据 采集卡获取数据。以a d 转换为核心的数据采集卡将传感器测得的模拟信号变成计算机能够接受和 处理的数字信号。在此之前，由于传感器输出的电量幅值范围很广，有的信号还可能有大的冲击。 此外，通过滤波环节消除干扰噪声，提高输入信号的信噪比，包括抗混滤波、隔离、多路复用和扩 展、整流、热电偶补偿、激励、线形化等等也是信号调理中很重要的部分。n i 提供的信号调理板 具有高性能低噪音的信号调理功能，来提高测量质量与可靠性。当采集到满意的数据后，通过平均 进行滤波处理，调用时域分析的v i 计算幅值、上升时闻及下降时间等关心的参数，最后将测得的曲 线保存到e x c e l 文件中，以便检查和再处理。 2 1 1 信号发生及采集 采集界面是完成液晶显示器不同灰度等级响应曲线采集的控制界面，需要完成的任务有：初