液晶显示器的性能测量和评估

第 29 卷 　第 4 期 2006 年 12 月 　　　 电 子 器 件 Chinese J ournal Of Elect ron Devices 　　 Vol . 29 　No. 4 Dec. 2006 LCD Performance Measurement and Evaluation Z H A O B i n , L I X i ao2hua , YA N G X i ao2hui , C H EN Fu2chao , S O N G W en , L I X i an2y u ( Elect ronic Engineering Dept . S outheast Univ . , N anj ing 210096 , China) Abstract :L CD ,as an important part of Display ,has several characteristics ,such as uniformity、ref resh2rate、 line scan、cont rast and response time etc. The factors above influence t he accuracy of L CD’s measurement . L uminance and response time are the uppermost pars of measurement . And we can use several devices to measure in our system. The experiment result s will p rovide detail information for f urt her improvement of L CD. Key words :L CD ;characteristics ;measurement performance EEACC :7260 ;4150D 液晶显示器的性能测量和评估 赵　斌 ,李晓华 ,杨晓伟 ,陈福朝 ,宋　文 ,李先 (东南大学电子工程系 ,南京 210018) 收稿日期 :2006201209 作者简介 :赵 　斌 (19812) ,男 ,硕士研究生 ,主要研究液晶显示技术 ,eamonnn @263. net . 摘 　要 :通过构建自己的测试平台 ,对 LCD 器件屏幕均匀性、屏幕刷新率、行扫描、对比度设定、响应时间等主要性能进行了 测试 ,分析各特性对液晶响应时间测量的影响 ,通过比较 ,最终选择出最适合响应时间测量的性能配置并进行多灰度级间响 应时间的测量。实验结果为进一步研究改进 LCD 提供依据。 关键词 :液晶 ;特性 ;性能测试 中图分类号 :TN873. 93 　　 文献标识码 :A 　　文章编号 :100529490( 2006) 0421211204 　　虽然 L CD TN 和 STN 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 CD 技术开发重点是有源矩阵 L CD ,特别是 TF T2L CD。 TF T2L CD 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 TF T2L CD 的三 大难 : 视角、色饱和度、亮度 ,已经解决。当前 L CD 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 CD ,低功耗 ;低温 P2Si TF T ;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[ 4 ] 。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 3D 游戏或者 DVD 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[1 ] 。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 ( Hold2type display) 的工作模式[2 ] 。响 应时间目前已提高到 8 ms ,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 ,人脑仍然感觉到的是模糊图像。 为了测量 L CD 的性能 ,我们建立了一套测量系统 , 并对一台 L CD 进行了分析测量。 1 　测试系统 液晶响应曲线测量系统 (如图 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 MD ( L uminance Measurement Device) 进行测量 :亮度和色度计测量 亮度和色度 ;另外 ,在待测液晶屏前放置光电二极 图 1 　测试系统 管 ,精确测量响应曲线 ,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。PC 机采用 Labview 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 CD 的特性进行测量和分析。 2 　显示器性能影响测试的相关结果 在不断改进放大电路以及硬件板作为图像源的 基础上 ,通过对液晶显示器主要性能的测试比较 ,我 们可以了解 L CD 各性能对响应时间测量的影响 ,并 选择最好的搭配进行测量。测试条件 :一台 17 in IPS 型 L CD , 测试屏分辨率为 1280 ×1024 ,测试屏 亮度设为 100 % ,对比度为出厂时的默认设置 50 % , 色温设为 9 300 K ,刷新率的默认设置为 60 Hz ,测 量环境为暗室亮度 < 5 L x ,温度 : 25 ℃左右 ,湿度 : 65 %左右。 (1) 屏幕均匀性 由于液晶属于被动发光器件 ,亮度取决于背景 光源。屏上各点的亮度不均匀性反映出显示性能不 尽相同。选择屏上九点位置图像作为观测对象 (从 上到下 ,从左到右依次 1 - 9) : 通过亮度计 Minolta CA210 ,我们可以测量九 点的 255 级灰度时的亮度 ,通过比较可以看出屏幕 的均匀性 ,如图 2。屏幕的中心点处亮度最高 ,其余 八点的亮度曲线较接近。由此可见 ,屏幕的亮度分 布并不均匀 ,这主要是由于 L CD 背光源不均匀而引 起的 ,在 L CD 大屏幕多灯管时情况更为突出。因此 在测试时不同的位置 ,测量出的响应时间和其他参 数也会不同。我们在测试响应时间时 ,将测量位置 固定在屏幕中心处。 (2) L CD 维持 (hold2type)特性和行扫描特性 从发送信号给液晶器件到液晶器件接受信号发 图 2 　不同位置亮度比较 生变化会有延时 ,而且和屏上位置有关 ,即使是同步 触发采集也会有误差。 在我们的测量中为了准确计算不同灰度间变化 时间 ,使用信号板作为图像源 ,从而测得的响应曲线 中可以准确地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。我们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。 运用光电二极管分别测量上述九点中心处显示 的 100 ×100 象素的黑白 (02255 灰度) 切换图像 ,对 于不同位置的响应曲线。结果如图 3 所示 :九条曲 线最后合并成了三条曲线 ,1 ,2 ,3 点曲线重合在左 侧曲线中 ;4 ,5 ,6 点的曲线重合于中间的曲线 ;7 ,8 , 9 点曲线位于最晚一条曲线中。不难发现 ,同一行 上图形的响应曲线是同时上升或下降的。这是由 L CD 特性和扫描电路决定的。L CD 是一种保持型 显示器件 ,当逐行扫描送入数据时 ,屏幕上并不能立 即同时满屏显示出图像 ,而是以行为单位逐行扫描 并在一帧时间内持续显示。这也说明硬件板的信号 触发是准时的 ,同一行的图像完全能同时触发 ,保证 了测量的精度。所以 ,如果光电探测器探测到的面 积行数过大 ,第一行的显示和最后一行的显示必然 存在一个时间差 ,从而会影响了响应时间测量的准 确性。 图 3 　不同位置传输曲线 (归一化后) IEC 建议测试图像的大小应满足下面的公式 : 　　　　t ≥5 TS/ H 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 2121 电 　子 　器 　件 第 29 卷 当确定了一个测试图像的大小后 ,通过上面的 公式我们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。一般 ,测试应选择 500 象素左右面积的图形作 为测试对象并且控制光电二极管的视角为 2°以及 到屏幕的距离。但是往往需要将屏幕大小、帧频、探 测位置、探测范围、信噪比等因素综合考虑。 (3) 对比度的设定 L CD 的亮度是通过调节背景光来实现的。而 当调节 L CD 对比度时 , Gamma 特性却会发生变化。 L CD 通过 Gamma 修正进行亮度补偿 ,牺牲部分暗 部亮度来获取亮部层次 ,或者相反。对比度变化了 , 不同灰度的亮度也随之变化 ,如图 4 所示。 图 4 　对比度对亮度的影响 当使用光电二极管测量响应曲线时 ,各灰度亮 度的变化也会引起测量误差。一般将对比度设定为 默认设置 50 %。观察的位置和观察的角度都会对 Gamma 值产生影响 ,所以放置时 ,应尽量将亮度计 垂直于屏幕表面放置 ,镜头对准屏幕中央进行测量。 3 　响应时间 通过响应曲线 ,我们可以计算得到液晶响应时 间。响应时间有两种 ,其一为上升时间 (rise time) 和 下降时间 (fall time)之和[7 ] 。上升时间指透光亮度由 10 %升到 90 %所需的时间 ,即图 5 中的 t1 ;下降时间 为透光亮度由 90 %降到 10 %所需的时间 ,即 t2 。 图 5 　液晶响应时间 经过对 L CD 各特性的分析 ,我们选择合适的测 试配置及条件 ,测得 7 阶灰度响应时间 (见图 6) 。 从图中 ,我们可以看出 02255 即黑白切换是速度最 快的 ,而图像灰度从 255 跳回低灰度时往往比较慢。 图 6 　七阶液晶响应时间 另外一种是开启 ( Turn2on) 和关闭 ( Turn2off ) 时间[5 ,6 ] 。开启时间是指从象素加上驱动信号的时 间算起 ,透过亮度从 0 %升到 90 %所需时间 ,即图 7 中的 T1 ;关闭时间是指加上驱动信号后 ,透过亮度 从 100 %降到 10 %所需时间 ,即 T2 。我们系统中 , 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 ,并有很好的重复 性。 图 7 　开启及关闭时间 4 　帧频的影响 真实测量出的响应曲线并不像图 5 中显示的那 么平滑 ,还必须考虑刷新率带来的影响[4 ] [ 8 ] 。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 CD 这种响应速度不是很快的器件 ,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。观察中心 图 8 　026820 液晶响应曲线 3121第 4 期 赵　斌 ,李晓华等 :液晶显示器的性能测量和评估 点 0 - 68 灰度切换曲线 (屏幕刷新率 : 60 Hz) (图 8) 。这是一条液晶屏灰度跳变曲线 ,0 灰度维持了 6 帧后开始切换 ,经过 3 个台阶后到达 68 灰度 ;68 灰 度维持了 3 帧后跳回 0 灰度。 通过图形 ,可以发现 0 灰度到 68 灰度的切换并 不能在 1 帧内完成。每一个台阶就是 1 帧的时间。 0 灰度通过 3 帧时间才能到达 68 灰度。而 68 灰度 也不是平稳的一条直线 ,也在按帧时不停的波动。 一个波周期有 167 个数据点 ,即 16. 7 ms ,而我们的 刷新率是 60 Hz ,即 16. 7 ms 刷新 1 次。如果将刷 新率改为 70 Hz ,波周期也随之改变为 142 个数据 点。所以 ,波周期是和刷新率相关的 ,通过提高帧频 可以使上升和下降时间缩短 ,现有采用 120 Hz 帧频 来减小运动伪像的方法。 5 　结论 我们为深入研究和改善 L CD 显示性能 ,通过建 立实用稳定的测量系统 ,对影响测量精度的主要因 素进行了分析讨论 ,并对液晶屏的若干重要特性进 行了测量分析。通过对响应曲线测量提出了以帧频 为评估单位来计算响应曲线的概念 ,为进一步的数 学模拟提供了依据。 参考文献 : [ 1 ] 　Joe Miseli , Motion Artifact s , SID 04 DIGEST , 86 (2004) . 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(上接第 1210 页) 测试在测试速度上体现出的优势 (见表 1) 。在奔腾 IV 1. 8 G ,512 M 内存的 PC 测试环境下 ,同样地基 4DITFF T 算法 ,分别通过 ModelSim 软件仿真和软 硬件协同测试两种方法进行验证 ,发现软硬件协同测 试的速度可以提高 1 000 倍以上 ,对开发非常有利。 表 1 　定点 FFT算法(基 4)在软件仿真和软硬件协同测 试中速度的比较 点数 内部精度 软件仿真 (ModelSim) / s 软硬件 协同测试/ s 2048 32 位 1. 8e3 0. 25 8196 32 位 2. 5e4 2. 43 2048 24 位 1. 1e3 0. 18 8196 24 位 1. 7e4 1. 79 4 　结束语 软硬件协同测试方法的提出 ,将软、硬件结合起 来 ,协同进行测试 ,改善了测试的方法。和纯软件仿 真相比 ,解决了耗时多的问题 ;和纯硬件测试相比 , 避免实际环境的不确定因素。 目前 ,测试系统的主要瓶颈在于 PC 机中应用 软件的速度。这里我们利用 PC 机完成信源的产生 和结果的分析 ,对于大数据量的运算 ,尤其在Win2 dows 多任务作业下 ,应用软件会面临很大的挑战。如果在 FP GA 上开辟用户可编程区域 ,使得占时比较多的一部分程序可以在硬件上完成 ,就可以减少对 PC 机上 CPU 的占用 ,提高工作速度。参考文献 :[ 1 ] 　Jean2michel B , Oz L , Jacques R. Hardware/ Software Co2de2sign and Co2verification [ M ] . Kluwer Academic Publishers.1997.[ 2 ] 　Bai Hong Fang , Qiang Xu , Nicola Nicolici . Hardware/ Soft2ware Co2Testing of Embedded Memories in Complex SOCs[J ] . Computer Aided Design , 2003 , 9 (13) : 5992605.[ 3 ] 　Srivat hs Ravi , Niraj K J ha. Test Synt hesis of Systems2on2a2Chip[J ] . 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