（光学工程专业论文）液晶显示器响应时间测量方法和系统的研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 液晶显示器在工业生产和日常生活中的应用越来越广泛，而响应时间作为评价液晶 显示器性能的重要参数之一，直接决定了其对运动图像的显示质量，对其测量方法进行 研究就显得十分必要。信息产业部数字电视平板显示器测量方法和t c o 0 6m e d i a d i s p l a y s 的颁布，不仅针对液晶显示器的黑白响应时间，尤其针对灰阶响应时间的测试 标准提出了明确的要求。而目前为止，国内还没有成熟的解决方案和系统来承担响应时 问的测量，只能引进国外的专业响应时间测试仪器。 鉴于此，本课题致力于按照数字电视平板显示器测量方法和t c o 0 6m e d i a d i s p l a y s 的测量规范和要求，研制出一种高精度、抗干扰且价格低廉的液晶显示器响应 时间测试装置，以满足显示器厂商和检测部门对液晶显示器黑白和灰阶响应时间自动测 量的需求。 本课题根据液晶显示器的显示原理和响应时间的测试要求，提出了将计算机软件技 术和单片机控制技术相结合的总体解决方案。在此基础上，分别对光学系统、信号采集 系统以及软件系统展开详细设计和工程实施。在信号采集系统设计中，通过引入差分电 平控制电路以及电压增益控制电路，来根据不同的亮度灰阶电平信号，动态地选择差分 电路参考电平和放大电路增益倍数，以此来区分两个相近的亮度灰阶电平，实现灰阶响 应时间的测量。在系统软件设计中，单片机作为下位机，工控机作为上位机，二：者通过 r s 一2 3 2 串口进行通信。下位机程序主要负责控制差分电路的参考电平和放大电路的增 益倍数，设置采样时间间隔并控制亮度数据的采样，数据存储及传输。上位机软件负责 控制下位机工作、产生测试信号、测量参数输入、数据分析处理，以及测试结果输出的 功能。 在完成设计和功能调试的基础上，使用本系统对液晶显示器的响应时间做了一系列 实际测量。测量结果表明，系统的测量重复性误差完全符合数字电视平板显示器测量 方法及t c o 0 6 标准所规定的要求，而且和使用示波器观测得到的响应时问基本一致， 具有较高的测量重复性和准确性。最后，在总结本论文研究工作的基础上，对设计方案 中可能的改进方向进行了展望。 浙江大学硕士论文 关键词：液晶显示器灰阶响应时间光电检测测量方法测量仪器 i i 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t h el i q u i d - c r y s t a ld e v i c e ( l c d ) w a sw i d e l ya p p l i e dt oi n d u s t r ya n dd a i l yl i f e a sa l l i m p o r t a n tp a r a m e t e ro f l c d ，t h er e s p o n s et i m er e f l e c t e dt h ed i s p l a yq u a l i t yo f m o v i n gi m a g e o nt h el c d s oi tw a sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h em e a s u r e m e n tm e t h o da n ds y s t e mf o rt h e r e s p o n s et i m eo fl c d w i t ht h el a u n c ho fm e t h o d so fm e a s u r e m e n tf o rd i g i t a lt e l e v i s i o nf i a t p a n e ld i s p l a y sc o n s t i t u t e db ym i n i s t r yo fi n f o m a a t i o ni n d u s t r ya n dt c o 0 6m e d i ad i s p l a y , t h e r ew e r ee x p l i c i tr e q u i r e m e n t st ot h es t a n d a r df o rt h em e a s u r e m e n to f b l a c k - w h i t er e s p o n s e t i m e ，e s p e c i a l l yf o rm e a s u r e n l e n to f t h eg r e yt og r e yr e s p o n s et i m eo fl c d b y f a rt h e r ew e r e n op e r f e c ts o l u t i o n sa n ds y s t e m sf o rt h em e a s u r e m e n to fr e s p o n s et i m e s oi ti sf a i nt o i n t r o d u c et h ep r o f e s s i o n a lm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t sf r o ma b o a r d b a s e do nt h em e t h o d so fm e a s u r e m e n tf o rd i g i 协lt e l e v i s i o nf l a tp a n e ld i s p l a y sa n d t c o 0 6m e d i ad i s p l a y , t h i sa r t i c l ec o m m i t t e di t s e l f t od e v e l o pam e a s u r e n l e n ti n s t r u m e n tf o r t h eb l a c k - w h i t er e s p o n s et i m ea n dg r e yt og r e yr e s p o n s et i m eo fl c d w i t hh i 曲p r e c i s i o n , s t r o n ga n t i - j a m m i n g ，a n dl o wc o s t , t om e e tt h en e e do fl c d m a n u f a c t u r e r sa n dd e t e c t i o n a g e n c i e s a c c o r d i n gt o t h ed i s p l a yp r i n c i p l eo f l c da n dt h em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n to f r e s p o n s e t i m e ，ag e n e r a ls c h e m ew a sp r o p o s e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rs o f t w a r et e c h n o l o g y a n ds i n g l e c h i pc o n t r o l l i n gt h e o r y w h e r e a f t e r , t h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dt e s t i n ge x p e r i m e n t s w e r ed e s c r i b e di nd e t a i l so fo p t i c a ls y s t e m ，s i g n a lc o l l e c t i o ns y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m i n t h es i g n a lc o l l e c t i o ns y s t e m , i no r d e rt om e a s u r et h eg r e yt og r e yr e s p o n s et i m e ，t h ed i f f e r e n c e e l e c t r i c a ll e v e lc o n t r o l l i n gc i r c u i ta n dv o l t a g eg a i nc o n t r o l l i n gc i r c u i tw e r ei n t r o d u c e dt o c h o o s ed i f f e r e n tr e f e r e n c el e v e la n dg a i nm u l t i p l ea c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tl u m i n a n c eg r e y s c a l e se l e c t r i c a ll e v e l i nt h es o f = t 、】v a r es y s t e m ，t h es i n g l e c h i pw o r k e da st h el o w e rc o m p u t e r , a n dt h ei n d u s t r i a lc o m p u t e rw o r k e da su p p e rc o m p u t e r t h eu p p e rc o m p u t e rc o m m u n i c a t e d w i t hl o w e rc o m p u t e rt h r o u g hr s 2 3 2s e r i a li n t e r f a c e t h el o w e rc o m p u t e rp r o g r a m st o o k c h a r g eo fc o n t r o l l i n gt h er e f e r e n c el e v e lo ft h ed i f f e r e n c ec i r c u i ta n dg a i nm u l t i p l eo ft h e v o l t a g ea m p l i f i e r , s e t t i n gt h es a m p l ei n t e r v a l a n dc o n t r o l l i n gl u m i n a n c es a m p l i n g , d a t a s t o r a g ea n dt r a n s f e r t h eu p p e rc o m p u t e rp r o g r a m st o o kc h a r g eo fc o n t r o l l i n gt h el o w e r t t l 浙江大学硕士论文 c o m p u t e r , g e n e r a t i n gt h em e a s u r e m e n ts i s n a i l ，m e a s u r e m e n tp a r a m e t e r si n p u t ，d a t aa n a l y s i s a n dp r o c e s s i n g ，a n dm e a s u r e m e n tr e s u l t so u t p u t a f t e rt h ed e s i g na n df u n c t i o nd e b u g g i n g , as e r i e so f f a c t u a le x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t t om e a s u r et h er e s p o n s et i m eo fl c dw i t ht h es y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t t h er e p e a t a b i l i t ye r r o ro ft h es y s t e mm e tt h er e q u i r e m e n t so fm e t h o d so fm e a s u r e m e n tf o r d i g i t a lt e l e v i s i o n f i a tp a n e ld i s p l a y sa n dt c o 0 6 ，a n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sw e r e c o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t so b t a i n e db yo s c i l l o g r a p h s ot h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mw a s c h a r a c t e r i s t i co fh i s hr e p e a t a b i l i t ya n da c c u m c y f m a l l y , t h et e c l m i c a la s p e c t so ft h i sa r t i c l e w e r es u m m a r i z e d , a n dt h e nt h ee x i s t i n gd e f i c i e n c i e sa n dt h ep o s s i b l ei m p r o v e m e n t so ft h i s s y s t e mw e r ep r o s p e c t e d k e yw o r d s ：l c d ，g r e yt og r a yr e s p o m et i m e ，p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n ，m e a s u r e m e n tm e t h o d ， m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t i v 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着计算机、光电子、微电子、通信等信息技术的迅猛发展，被认为是未来信息技 术发展三大基础技术之一的显示技术，在工业生产和日常生活应用中发挥着越来越重 要的作用。 显示器主要分为阴极射线管显示器( c r t ，c a t h o d e - r a yt u b e ) 和平板显示器( f p d ， f l a t - p a n e ld i s p l a y ) 1 2 1 。其中，c r t 显示技术具有显示品质好、性能稳定、成本低、价格 便宜等优点，但是也存在着体积大、电压高、功耗大、辐射微量x 射线等问题，不适应 于显示技术向重量轻、厚度薄、能耗小【3 j 方向发展的要求。为此产生了以薄膜晶体管液 ( t h i n f i l m t r a n s i s t o r ，t f t - l c d ) 1 4 1 为代表的平板显示技术，并得到了非常广泛的 应用。 l c d 和c r t 的显示原理是不同的。在c r t 显示器中，只要电子束轰击红、绿、蓝 三色荧光粉立刻就能发光生成图像，响应时间仅为1 - 3 m s ，使得c r t 可以对视频中的 运动物体做出平滑而清晰的描纠5 1 ，所以响应时间这个参数在c r t 显示器中一般不会被 提及。而液晶显示器是靠屏幕后的背光源发光，再通过控制夹在两个偏光板之间的液晶 分子的扭转控制光的通断来显示图像，而液晶分子的扭转需要一个过程，所以液晶显示 器的响应时间要长于c r t n 。对于响应时间较长的液晶显示器而言，当其重现视频中快 速运动的物体时就会出现图像模糊等拖尾1 7 1 的现象，导致图像显示质量严重下降。由此 可见，响应时间作为液晶显示器相对c r t 所特有的一个参数，是评价液晶显示器显示 质量的关键，直接反映了其对图像信号的还原能力，对其进行精确地测量就显得十分必 要和迫切。 1 2 液晶显示器响应时间测量标准及检测技术的发展现状 1 2 1 液晶显示器响应时间测量标准 近年来，随着液晶显示器在工业生产和日常生活中的应用越来越广泛，对其响应时 间及其测量方法的技术标准进行制定也就越来越为人们所重视。无论是欧美发达国家还 l 浙江大学硕士学位论文 是我国，都制定了相应的关于液晶显示器响应时间及其测量方法的标准和规范。 目前，在显示器行业中最通用的国际认证标准是由瑞典职业雇员联盟( t h es w e d i s h c o n f e d e r a t i o no fp r o f e s s i o n a le m p l o y e e s ，t c 0 ) 制定的t c o 系列认证【虮，此类认证包括 t c o9 2 9 5 9 9 0 3 ，最新版本为t c o 0 6m e d i ad i s p l a y s 。由于液晶显示器生产厂商和用户 都渐渐意识到仅仅是黑白响应时间并不能真实地反映液晶显示器的显示质量，因而在 t c o 0 6m e d i ad i s p l a y s 中不仅对液晶显示器的黑白响应时间，特别对其灰阶响应时间的 定义和测量标准和要求做出了详细的阐述。根据t c o 0 6 标准关于液晶显示器响应时间 的相关规定，完成灰阶响应时间的测试需要测量0 、6 3 、1 2 7 、1 9 1 、2 5 5 ，这五个灰阶级 间共1 0 组的响应时间，对于每组灰阶需要重复测量至少5 次，再取其平均值。每对灰 阶的响应时间又分为上升时间和下降时间，一共需要测量至少1 0 0 个数据。灰阶响应时 间的测量结果需要以m s 来表示。 为了促进我国数字电视产业健康发展，规范市场行为，我国信息产业部于2 0 0 6 年3 月底公布了数字电视液晶显示器通用规范和数字电视平板显示器测量方法f g l 等 数字电视相关的2 5 项电子行业标准。其中，关于液晶显示器响应时间的相关规定中， 一方面，明确了液晶显示器黑白响应时间的具体定义，规定了黑白响应时间的测量结果 需要以上升时间和下降时间之和来表示，单位为m s 。另一方面，还特别明确提出了灰 阶响应时间的测量需要以最高灰阶的1 0 为步长，从o 到1 0 0 ，测量相应的各个灰阶 级间变化的响应时间。灰阶响应时间的最终测量结果以上述提到的各灰阶级间变化的响 应时间中的最大值来表示。这一系列标准的制定和实施，建立和健全了我国以液晶为代 表的数字电视平板显示器的技术标准和相应的检测技术评价体系，有力地推动我国液晶 显示产业的技术进步。 除了上述提到的t c o 0 6m e d i ad i s p l a y s 和信息产业部数字电视平板显示器测量 方法中对液晶显示器黑白响应时间和灰阶响应时间的测试规范和要求之外，显示器厂 商还希望能够对液晶显示器2 5 6 级灰阶中的任意两个灰阶的响应时间进行测试，以更加 全面和准确地评价液晶显示器的响应时间。 1 2 2 国内外检测技术的发展现状 目前，国内外对液晶显示器的技术标准和检测技术都制定了较为完善的认证和标 准，这在规范液晶显示市场，促进产业发展的同时，也对液晶显示器参数的测试方法和 2 浙江大学硕士学位论文 装置提出了更高的要求。 一些发达国家对液晶显示器响应时间测量方法和系统的研究非常重视，目前已经有 可以对液晶显示器黑白响应时间和灰阶响应时间参数进行测试的解决方案，并且已经实 现商用，其中的代表性产品是美国w e s t a rd i s p l a yt e c h n o l o g i e s 公司生产的 g l r t ( g r e y - l e v e lr e s p o n s et i m e ) 系统，不过价格非常昂贵，目前国内大多数液晶显示器 制造企业，特别是中小型企业无力购买，在国内仍然没有打开太大的市场。 我国在液晶显示器测试理论和系统的研究领域中一直处于相对落后的状态，到目前 为止国内还没有成熟的解决方案和系统。现在国内大多数液晶显示器厂商采用的是光电 传感器配合一般示波器的方法对液晶显示器的响应时间进行简单粗糙地观测。这种测试 方法读数误差大，只能简单的手动观测黑白响应时间。而用来观测灰阶响应时间的时候， 由于两灰阶信号的差别相对于黑白响应时间要小，通过观测很难分辨两灰阶信号的差 别；同时，由于灰阶响应时间至少要测试1 0 0 个数据，如果采用示波器来进行，由于无 法实现自动测量，就需要手动测量1 0 0 次，非常不便。 从以上的分析中不难看到，随着液晶显示技术的突飞猛进，液晶显示器厂商对响应 时间这一参数进行精确检测的需求必将越来越大，而国内对液晶显示器响应时间测量方 法和系统进行研究的科研单位，在见到的报道中目前只有浙江大学光电系一家。因此研 究和开发成本适当的测试仪器对液晶灰阶响应时间进行精确测量，有着很强的应用背 景，能够产生可观的经济和社会效益。 1 3 本课题主要研究内容 随着液晶显示产业的不断发展壮大，国内液晶显示器响应时间参数测量仪器的市场 需求会越来越大。目前，液晶显示器响应时间参数测量仪器主要依赖从美国进口，国内 还没有推出成熟的产品。因此，在本课题中，希望按照信息产业部数字电视平板显示 器测量方法和t c o 0 6m e x l i ad i s p l a y s 的测量规范和要求，根据液晶显示器的工作原 理，将先进的计算机软件技术和单片机控制技术相结合，对液晶显示器响应时间的测量 方法经行较为深入的研究和探讨，并由此设计并研制出一种高精度、抗干扰且价格低廉 的测量液晶显示器响应时间参数的装置，以实现液晶显示器灰阶响应时间的自动测量， 填补国内在这一领域的空白。 浙江大学硕士学位论文 本课题将从以下几个方面展开研究： 1 。从液晶显示器的工作原理和光度学测量的基本方法出发，由此提出一种对液晶显示 器的响应时间参数进行测量的方法，确定了相应的测试步骤、测试精度要求和评价 方法。 2 按照我国数字电视平板显示器测量方法和t c o 0 6m e d i ad i s p l a y 的标准要求，研究 开发出一种能够应用于实际液晶显示器响应时间测量的高精度、抗干扰且价格低廉 的实用测试系统。 3 按照t c o 0 6 的标准，按照一定的测试过程，通过该系统对液晶显示器的黑白响应 时间和灰阶响应时间进行实际测试。 4 通过对该系统检测到的液晶显示器的实际测试数据进行分析，来实现对系统设计方 案测量准确性和重复性的评价验证，并针对不足指出提出进一步完善的意见。 4 浙江大学硕士论文 第二章液晶响应时间测量的理论基础 2 1 液晶显示器及其显示原理 液晶是一种有机化合物，又称为液态晶体，是某些有机物质在一定温度范围内所呈 现的特殊中间状态。研究发现，液晶有四个相态，分别为晶态、液态、液晶态、气态， 且四个相态可相互转化，称为“相变” 1 0 1 。相变时，液晶的分子排列发生变化，从一种 有规律的排列转向另一种排列。当液晶处在液晶态时，它既具有液体的流动性、连续性、 粘度等性质，又呈现某些晶体的光学性质。液晶显示器是利用液晶在电场和温度的作用 下，能产生各种特殊的电光效应和热光效应而达到显示的目的。 2 1 1 液晶显示器件类型 液晶显示器按照驱动方式可以分为静态驱动、简单矩阵驱动以及主动矩阵驱动三 种。其中，简单矩阵型俗称被动式，又可分为：扭曲向列型( t n ) 、超扭曲向列型( s t n ) 以及双层超扭曲向列型( d s t n ) 。主动矩阵型又以薄膜晶体管型( t f t ) 为目前主流 3 , 1 1 , 1 2 】。 ( 1 ) t n 型液晶显示器是扭曲向列类液晶中最早被提出和使用的，其它的扭曲向列型 液晶显示模式也都是基于t n 型液晶显示器原理的，从而t n 型显示模式成为了一种广 泛应用的模式。 ( 2 ) s t n 型液晶显示器的显示原理和t n 型相类似，所不同的是，t n 型液晶显示器 是将入射光的偏振方向旋转9 0 。，而s t n 型却是将入射光的偏振方向旋转1 8 0 - 2 7 0 。， 因而有着更好的电光响应曲线。 ( 3 ) d s t n 就是由超扭曲向列型显示器( s t n ) 发展而来的，由于d s t n 采用双扫描技 术，显示效果相对s t n 来说有大幅度提高。 ( 4 ) h 型液晶显示器属于主动矩阵液晶显示器中的一种，是通过薄膜晶体管直接 寻址，这也是该技术名称的由来，即吓( 薄膜晶体管) ，响应时间大为提高，具有更高 的对比度和更丰富的色彩。本课题对液晶响应时间参数测量方法和系统所做的研究，也 是针对t f t 型液晶显示器来展开的。 5 浙江大学硕士论文 2 1 2 液晶显示器的显示原理 目前主要采用外加电场的方式使液晶产生电光效应来达到成像目的，而扭曲向列型 效应【1 3 1 是目前使用最广泛的液晶显示机理。液晶显示屏共分两层，上下夹层都设有电极 和配向膜上形成的沟槽，上下夹层中充满液晶，近上夹层的液晶分予按上沟槽方向排列， 近下夹层的液晶分子按下沟槽的方向排列，而上下夹层配向膜的沟槽互呈十字交错，即 如上层沟是横向的，则下层沟槽为纵向。液晶分子排列方向也是如此。当玻璃基板没有 加电场时，光线透过上偏光板后，其偏振方向随着液晶分子的方向做9 0 。的扭转，恰好 可以透过下偏光板，此时液晶面板显示为白色；当玻璃基板之间施加电场，并且外加电 压高于阈值电压时，液晶分子排列变为分子轴与电场方向平行，由于液晶分子顺着电场 方向，液晶的旋光性消失，入射光的偏振方向不旋转，通过液晶分子的空隙仍然保持原 来的偏振方向，被下方的偏光板遮蔽，光线被吸收无法透过，液晶面板显示为黑色。 2 2 液晶显示器的响应时间以及测量方法 对于液晶显示器来说，响应时间反映了液晶显示器对于输入电信号的反应速度。随 着近几年来网络和电视多媒体技术的快速发展，使用户对于液晶显示器的多媒体性能提 出了更高的要求，这些应用中很多都涉及到大量的动态画面显示，液晶显示器需要比较 短的响应时间才可以保证不产生拖尾和残像7 ，1 4 1 。 2 2 1 液晶显示器的黑白响应时间 我国信息产业部数字电视平板显示器测量方法的最新标准中，对液晶显示器的黑白 响应时间做了明确的定义。当输入电信号从黑场信号变化为白场信号，再从白场信号变 回到黑场信号时，液晶显示器就由黑场转变为白场，再由白场转变为黑场，但是这一转 变并不是瞬时完成的，如图2 - 1 所示。图中z 为给液晶施加电压后，液晶显示器亮度从 白场，即最大亮度的1 0 变化到最大亮度的9 0 时，是液晶所需要的扭转时间，称之为 上升时间。l 为撤消所施加电压后，液晶显示器亮度从最大亮度的9 0 变化到最大亮度 的1 0 时，液晶所需的回复时间，称之为下降时间。上升时间和下降时间之和为液晶显 示器的黑白响应时间瓦。【9 】。目前，1 1 玎型液晶显示器的黑白响应时间从几m s 到几十 m s 不等。 6 浙江大学硕士论文 v 。1 0 0 i 9 0 * 4 昌 凸 譬1 0 图2 - 1 液晶响应时间的定义 2 2 2 液晶显示器的灰阶响应时间 在液晶显示器灰阶响应时间的概念提出之前，对响应时间的定义一直是指画面从全 黑转变到全白，再转变到全黑的转换时间，即上面提到的黑白响应时间。这种表述方式 并不能完整地体现l c d 的工作状态。一方面，因为在实际应用当中，不论是浏览网页、 玩游戏，还是欣赏影片，屏幕内容不可能只是做最黑与最白之间的切换，而是五颜六色 的多彩画面，或深浅不同的层次变化，这些都是在做灰阶之间的相互转换【1 5 】，因而，灰 阶响应时间比黑白响应时间更能反映液晶显示器在实际中的工作性能和状态。另一方 面，液晶显示器不同灰阶之间进行转换所需的时间是不同的，单纯的黑白响应时间并不 能代表各灰阶间的响应时间。因此要全面客观地评价液晶的响应时间，就要对液晶的灰 阶响应时间进行定义和测试。 在t c o 0 6m e d i ad i s p l a y s 和信息产业部数字电视平板显示器测量方法中，对 于灰阶响应时间的定义和上述对黑白响应时间的定义是相同的，只是用两个灰阶之间的 转换来代替黑场和白场之间的转换【8 ，们。灰阶响应时间表示液晶单元从一个角度转到另一 个角度所需的时间。这样一来，黑白响应时间就是0 级灰阶和2 5 5 级灰阶之间的灰阶响 应时间了，也就成为了灰阶响应时间的一种特例，二者实现了统一。 按照t c o 0 6 标准的规定，完成灰阶响应时间的测试需要测量0 、6 3 、1 2 7 、1 9 1 、 2 5 5 ，这五个灰阶级间共1 0 组的响应时间，每对灰阶的响应时间又分为上升时间和下降 时间，一共需要测量至少1 0 0 个数据，灰阶响应时间的测量结果需要以m s 来表示。除 此之外，还明确指出灰阶响应时间测量时，对检测到的亮度信号或者相对亮度信号要进 7 。丑一宝呻启州-口 浙江大学硕士论文 行滤波，以抑制高频噪声。同时，要通过对同一组灰阶响应时间至少5 次重复测量取平 均值的方式，降低随机噪声对响应时间测量的影响，提高测量精度。按照数字电视平 板显示器测量方法的规定，灰阶响应时间的测量需要以最高灰阶的1 0 为步长，从 o 到1 0 0 ，测量相应的各个灰阶级间变化的响应时间。灰阶响应时间的最终测量结果 以上述提到的各灰阶级间变化的响应时间中的最大值来表示，单位为m s 。 2 2 3 现有的液晶显示器响应时间测量方法 现有的对液晶显示器响应时间进行测量的方法主要有三种。其中一种方法是将测试 信号输入到液晶显示器，并使其在全自信号和全黑信号之间切换，使用光电探测器检测 l c d 亮度变化经过模拟放大器放大后，用存储示波器捕捉波形，绘出亮度的下降和上升 曲线，由此得到响应时间，其结构框图如图2 - 2 所示。一方面，这种测量方法对波形的 读取误差较大，一般用来观测黑白响应时间，如果需要对灰阶响应时间进行测量，需要 选用高档的示波器，成本较高；另一方面，这种测量方法要手动进行，不能实现响应时 间的自动测量。 图2 - 2 响应时间示波器测量结构框图 第二种方法采用数码摄像头全程跟踪液晶显示器全黑和全白画面间的转换过程，然 后通过图像处理的办法来测量响应时间。这种方法需使用二维数码摄像头，而且对摄像 头和其他的视频处理模块的要求都很高，成本高且算法复杂。 第三种方法就是在绪论中介绍到的美国w e s t a rd i s p l a yt e c h n o l o g i e s 公司生产的 g l r t 系统采用的方法。它是通过专业的测试信号发生器产生测试信号，然后以光电倍 增管来采集液晶显示器的亮度信号，通过r s 2 3 2 串行接口将数据传输至计算机，最后 通过在计算机中配套的灰阶响应时间测试软件完成数据的分析处理和测量结果显示。 画 圆 圆 苛 、 一隆 浙江大学硕士论文 2 3 液晶显示器响应时间测试信号源 对液晶显示器的响应时间进行测试离不开相应的视频信号发生器，即信号源的支 持，而不同的视频接口对应着不同的信号源。虽然目前大多数的液晶显示器可以直接接 收数字信号，都配备了d v i 数字接口，但很多低端产品为了与v g a 接口显卡相匹配， 因而采用v g a 接口。下面对v g a 和d v i 接口逐一介绍，在此基础上提出在液晶显示 器响应时间测量系统中信号源的产生方法。 2 3 1 视频信号源的种类 l v g a 接口和信号 v g a 接口的英文全称为v i d e og r a p h i c s a r r a y ，即视频图形阵列。v g a 接口是显卡 上输出模拟信号的接口，也叫d s u b 接口。v g a 接口是一种d 型接口，上面共有1 5 针，分成三排，每排五个。v g a 接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，多数的显卡 都带有此种接口。v g a 信号是色差信号和亮度信号相加后得到的三基色红、绿( g ) 、 蓝) 信号。由于v g a 传输的只是三基色信号，因而不存在信号的串扰和干扰以及信号 损失等问题。 2d v i 接口和信号 d v i 接口英文全称为d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ，即数字视频接口，目前已经广泛用于 液晶显示器中。与v g a 不同的是，d v i 是以全数字传输的接口。计算机中生成的图像 信号传送到显卡中，经处理并编码成数据信号，数据信号中包含了图像信号、同步信号 以及控制信号，通过3 个通道输出。由于没有a d 和d a 的转换过程，避免了图像细 节的丢失，所以可以实现对计算机生成图像的完整再现。 d v i 接口主要有以下两种：一种是d v i - i 接口，也就是d v i i n t e g r a t e d 。兼容模拟 和数字的连接，但是并不是说传输模拟信号的v g a 接口可以直接接在d v i i 的接口上， 而是要通过转换接头才能实现。另一种是d v i o d 接口，也就是d v b d i g i t a l 。仅支持数 字的连接，能够连接单或双通道连接的全数字视频信号。 9 浙江大学硕士论文 2 3 2 液晶显示器响应时间测试信号源的产生 为了简化设计过程，同时提高系统的集成性，本系统的采用了m a t r o x 的g 5 5 0 显卡 作为v g a 和d v i 接口的信号源。g 5 5 0 显卡是一块双接口输出的显卡，即支持v g a 接 口，又支持d v i 接口，使用时将其安装在工控机的p c i 插槽中。它的一个显著的优点 是它的输出参数是可以调整的，如信号分辨率等，同时还能支持1 0 8 0 i 的数字高清格式， 通过操作系统提供的应用程序接口可以非常容易的对其进行操作，同时g 5 5 0 提供的参 数设置界面也非常友好，使用方便。 1 0 浙江大学硕士论文 第三章系统总体方案设计 3 1 测量系统总体结构 本课题的目的是希望按照信息产业部数字电视平板显示器测量方法和t c o 0 6 m e d i ad i s p l a y s 的测量规范和要求，根据液晶显示器的工作原理，对液晶显示器响应时 间的测量方法进行较为深入的研究和探讨，将先进的计算机软件技术和单片机控制技术 相结合，由此设计并研制出一种高精度、抗干扰且价格低廉的测量液晶显示器响应时间 参数的装置，以实现液晶显示器灰阶响应时间的自动测量，满足显示器生产厂商和检测 部门对响应时间进行测量的需求。为了实现上述目标，并考虑到显示器厂商对响应时间 测量自动化的要求，系统采用了单片机和工控机相结合的方式，通过工控机上运行的测 试软件构建起用户界面，用户在此界面中输入测量参数来控制单片机的工作，同时测试 的结果也将通过用户界面反馈给用户，从而实现了液晶显示器响应时间的自动测试。 根据设计指标的要求，整个液晶显示器响应时间测试系统主要分为四个组成部分： 光学系统、机械结构部分、信号采集系统以及软件系统，是一个集光学、机械、电子、 计算机于一体的系统，总体设计框图如图3 - 1 所示。 日圆一回 图3 - 1 系统总体设计框图 ( 1 ) 光学系统：即光电探头，如图3 - 1 的虚线框所示，包括物镜、滤光片、光电探 测器以及筒状光阑等。 豇曰 浙江大学硕士论文 ( 2 ) 信号采集系统：包括前置放大模块、信号发生模块和数据采集板等。其中，数 据采集板由二级放大电路、差分电路、后级放大电路、a d 转换、电压增益控制电路、 差分电平控制电路、数据存储模块、r s 2 3 2 串口通讯模块、单片机系统等组成，其结 构框图如图3 2 所示。 ( 3 ) 软件系统：包括运行在单片机上的下位机软件和运行在工控机上的上位机软件。 ( 4 ) 机械结构部分：主要包括光电探头的机械升降装置。 二级 一差分 矧簇b a d 转换模块 放大、吲电路 i 俞合俞 控制电路ii 控制电路fi 控制电路l 萎矿 命俞俞 飞7 r s 2 3 2 串口通 剑 单片机系统 讯模块 图3 - 2 数据采集板结构框图 光电探头安装在机械升降装置上，便于根据液晶显示器的尺寸大小、位置高低来调 整探测器对准屏幕。数据采集板安装在工控机内p c i 插槽内，通过工控机取电；信号发 生器由g 5 5 0 双接口显卡产生，安装在工控机内的p c i 插槽内。这样做，不仅方便工控 机对信号发生器和数据采集板的控制，而且提高了系统的集成性。 整个系统的工作流程是：首先将亮度探头对准液晶显示器的屏幕，光电探头的成像 系统将一定视场角下的光经过滤光片的匹配修正后，成像于光电探测上，探测器将亮度 信号转换成模拟的电信号。此电信号经过前置放大电路后送n - 级放大电路，经过放大 后，再传送到差分模块。差分模块的参考电平是可以由单片机经由差分电平控制模块控 制，当两个灰阶对应的亮度电平都较大，而差别却较小，这就需要先减去一个参考电平 后再将差值放大，这样就避免了即使将后级放大电路的增益调整到最大，两个相近灰阶 经a d 转换得到的两个灰阶电平数据仍然相差不大，从而带来的对测量结果精度的影 响。信号经减掉合适的参考电平后，电压降低，为了充分利用a d 转换模块的动态范围， 需将信号再送至后级放大电路进行再次放大。单片机通过增益控制模块可以控n 2 级放 大电路和后级放大电路的增益倍数。具体地说就是，当两个灰阶等级的亮度较小时，就 (j 一嚆储快一 榭刘 一懒惰濮一 浙江大学硕士论文 选择较大的增益倍数；相反，两个灰阶等级的亮度越大时，就选择较小的电压增益倍数。 通过这种方式可以充分利用a d 转换器的动态范围，使距离较近的两灰阶信号同时被 a d 转换器精确转换。经过a d 转换后的数据先存储到单片机片外r a m ，最后再将存 贮的数据由单片机通过r s 2 3 2 串口传输到计算机上，由上位机软件对数据进行分析、 处理，得到液晶显示器的响应时间，并在界面上显示。 一方面，在探测器对亮度信号进行探测时，可能受到来自周围环境杂散光的影响， 同时对模拟信号进行滤波放大时也不可避免地会引入电路噪声，所以a d 转换后的数字 数据信号中含有干扰信号的成份。另一方面，由于液晶显示器是被动发光的，通过背光 照明才能显示图像，而背光源的亮度并非恒定的，而是存在一定的波动，而这一背光亮 度波动也不可避免地夹杂于采集到的信号中。所以上位机程序对从下位机传输来的数据 必须进行预处理。本系统采用五点三次滑动平均和线性插值的方法对测量得到的实际波 形进行处理，以抑制由于液晶显示器背光波动及噪声影响而产生的测量误差，再按照 t c o 0 6 标准的要求，通过多次测量取平均的方式，进一步提高了测量精度。 关于系统的信号采集部分、软件部分、实验结果与分析部分在后续的章节中会做详 细地叙述。在本章中首先对系统的光学部分和机械部分做一阐述。 3 2 光学系统设计 光学系统是整个液晶响应时间测量系统中十分重要的一个部分，它的主要任务就是 将液晶显示器屏幕上一定视角下的光，经过滤光片的匹配修正后，成像于光电探测器的 光敏面上，经探测器吸收后转化为与入射光亮度相关的光电流信号，实现光学信号向电 学信号转化的。 3 2 1 光电探头成像系统设计 由于液晶显示器目前的发光特性在各个方向上存在较大差异，其亮度随着发光视角 的增大而减小，同时由于响应时间的测量是通过对液晶显示器的亮度变化进行跟踪得到 的，因此光电探头成像系统设计的目标就是能够使探测器测量某一视场角下液晶显示器 的亮度，也就是说，一定程度上说要实现一个亮度计的功能。 简单的亮度计可由一个一定孔径的透镜和一定大小的探测器两者相距一个固定的 距离组成，如图3 3 所示，这样一个系统就保证了光源入射到测量系统中的发光面积和 1 3 浙江大学硕士论文 立体角( 或者说两者的乘积) 为常量，即系统的几何参量不变【1 6 】。 l c d ! 仁 身 释 = = i 1 i r e 图3 3 液晶显示器亮度测量原理 探 测 器 光 敏 面 设透镜的通光回积为s ，探测器的受光向积为4 ，曲看之l 司的距离为吃，被测光源 的面积正好成像于探测器的面积4 上，光源离透镜的距离为。这样满足光度学距离定 律的前提下，由面积4 光源发出，进入亮度计内的光通量为 妒= 纠辜 1 ) 根据成像关系 4 = 4 等 ( 3 - 2 ) 庐：三掣( 3 - 3 ) r 所以有： 扣喀= 彬 ( 3 - 4 ) 因为七= 丢是不变的结构参数，根据测量的光通量矿可直接刻度出亮度三来，这 就是设计亮度测量装置的基本原理。 为了使光电探头成像系统将一定面积上某一方向一定视场角下的光成像于光电探 测器上，同时考虑到当显示器亮度较低时，也能保证有足够的光通量入射到光电探测器 浙江大学硕士论文 的光敏面上，设计时要求物距应尽可能小。 当探测器对液晶显示器进行实际测量时，有的时候不可避免的会受到环境中存在的 杂散光的影响。为了尽可能抑制这种情况，在光电探头的外侧加上一个筒状光阑，在测 量的时候，将光阑的前边缘接触到液晶显示器的屏幕进行接触式测量。这样做，一方面 可以尽可能地避免杂散光的影响，提高了系统的精度；另一方面，光电探测器在实际测 量的时候，很难保证探测器和液晶显示器的距离不变，此时成像系统的物距 会变化， 探测器的受光面积4 也会随之发生变化，由公式( 3 卸所示，此时几何结构参量变化，导 致测量误差的产生。而采用接触式测量后，一定程度上保证了成像系统的物距不会产 生较大变化。由响应时间的定义可以知道，我们关心的是液晶显示器的相对亮度，只要 在测量两个灰阶的过程中，保持物距e 不变，就能保证这两个灰阶之间的响应时间的测 量不会由物距的改变而引入误差。但这并不是说尽量保证成像系统的物距就不重要，只 有在物距尽可能保持不变的情况下，才能提高测量系统的重复性。 3 2 2 光电探测器 光电探测器是一种光电信息转换器件，是把接收到的光信号功率转化为电信号的器 件。光电探测系统的探测能力及探测精度在很大程度上依赖于光电探测器的性能。按照 响应方式或工作机理的不同，可将光电探测器分为光子探测器和热敏探测器两大类，常 用的光子探测器又