顯示屏閃爍率與響應(yīng)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制

劉宏欣，劉玉龍，江鋮，黎俊

(蘇州市計(jì)量測試研究所，江蘇 蘇州 215125)

0 引言

隨著平板顯示行業(yè)的日益發(fā)展以及消費(fèi)者對顯示屏質(zhì)量要求的逐步提高，人體工學(xué)設(shè)計(jì)已融入到顯示屏設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中。影響到人眼視覺疲勞的閃爍率參數(shù)和響應(yīng)時(shí)間參數(shù)已成為衡量顯示屏性能的重要指標(biāo)[1]，因此越來越多的顯示屏生產(chǎn)企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)需要對顯示屏閃爍率進(jìn)行測試。目前用于測量顯示屏閃爍率和響應(yīng)時(shí)間的計(jì)量器具多為國外制造，國內(nèi)對各類顯示屏的閃爍率和響應(yīng)時(shí)間評價(jià)，甚至各種光源的閃爍率和響應(yīng)時(shí)間評價(jià)都較少研究，這是因?yàn)閲鴥?nèi)尚未建立閃爍率參數(shù)和響應(yīng)時(shí)間參數(shù)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，各顯示屏廠家的測量儀器也不一致，造成閃爍率測量儀和響應(yīng)時(shí)間測量儀在國內(nèi)無法溯源。本文研制了一個(gè)亮度、閃爍率和響應(yīng)時(shí)間可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)屏，搭建了顯示屏閃爍率與響應(yīng)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，旨在提供量值傳遞服務(wù)，解決企業(yè)的量值溯源需求。

1 閃爍率與響應(yīng)時(shí)間定義及測量方法

閃爍是指人眼對顯示屏亮度快速變化的一種主觀感受。屏幕亮度按照一定的調(diào)制頻率快速的變化，當(dāng)頻率足夠大時(shí)，人眼就感受不到閃爍，即認(rèn)為是無閃爍狀態(tài)，能否感知到閃爍的臨界頻率被稱為臨界閃爍頻率[2]。IDMS(Information Display Measurements Standard)組織指定的臨界閃爍標(biāo)準(zhǔn)為60 Hz。人眼在不同頻率下感知閃爍的靈敏度曲線如圖1所示。

圖1 人眼在不同頻率下感知閃爍的靈敏度曲線

目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的閃爍率的計(jì)算方法主要有以下三種：

1)FMA法[3]

FMA法即亮度對比方法，是Flicker Modulation Amplitude 的縮寫，此方法通過測量顯示屏的亮度隨時(shí)間的調(diào)制幅度來計(jì)算閃爍率。假如顯示屏的亮度變化如圖2所示，亮度的交流部分即為亮度的最大值Vmax與最小值Vmin之差，亮度的直流部分即為亮度最大值與最小值之和的一半，亮度交流部分與直流部分的比值即為閃爍率。FMA法的閃爍率計(jì)算公式

(1)

圖2 FMA法亮度變化示意圖

2)JEITA法

JEITA法是日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(Japan Electronics and Information Technology Association)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定方法的簡稱，該方法的測試步驟為：①測量顯示屏的亮度，將顯示屏的亮度值轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號；②將數(shù)字信號經(jīng)快速傅立葉變換FFT轉(zhuǎn)換成為每個(gè)頻率的幅值；③將每個(gè)頻率的幅值乘以人眼閃爍靈敏度曲線對應(yīng)頻率處的靈敏度因子(Flicker Sensitivity)，找到最大幅值Pmax；④根據(jù)JEITA標(biāo)準(zhǔn)提供的公式計(jì)算出最大閃爍率值。JEITA法的閃爍率計(jì)算公式為

(2)

3)VESA法[4]。

VESA法是視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(Video Electronics Standards Association)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定方法的簡稱，該方法的測試步驟與JEITA法的測試步驟相同，只是其計(jì)算公式參照了IDMS (Information Display Measurements Standard) Ver.1.03中規(guī)定的計(jì)算公式，與JEITA法的公式在表達(dá)上略有不同。VESA法的閃爍率計(jì)算公式為

(3)

響應(yīng)時(shí)間是指顯示屏各點(diǎn)像素在激勵(lì)信號的作用下，其亮度由暗變亮和由亮變暗的全過程所需要的時(shí)間。上升時(shí)間指顯示屏亮度從10%上升到90%所用的時(shí)間，下降時(shí)間指顯示屏亮度從90%下降到10%所需要的時(shí)間。如圖3所示，響應(yīng)時(shí)間等于上升時(shí)間(t2-t1)與下降時(shí)間(t4-t3)之和。

圖3 響應(yīng)時(shí)間示意圖

2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置

本文提出的閃爍率與響應(yīng)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖4所示，主要包括內(nèi)置函數(shù)信號發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)顯示屏、高速光度探頭、高精度示波器和計(jì)算程序。為了滿足平板顯示行業(yè)所需的閃爍率參數(shù)和響應(yīng)時(shí)間參數(shù)的工作范圍，研制了一個(gè)內(nèi)置函數(shù)信號發(fā)生器的亮度、閃爍率和響應(yīng)時(shí)間可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)屏?？梢酝ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)屏的操作界面來設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)屏的亮度、波形等參數(shù)，改變標(biāo)準(zhǔn)屏的亮度、閃爍率和響應(yīng)時(shí)間[5]。

圖4 顯示屏閃爍率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置圖

該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作步驟為：利用高速光度探頭掃描標(biāo)準(zhǔn)屏，將標(biāo)準(zhǔn)屏的亮度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，從而獲得標(biāo)準(zhǔn)屏的模擬亮度波形信號；使用高精度示波器將模擬亮度波形信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字亮度波形信號，對數(shù)字亮度波形信號進(jìn)行傅立葉變換，獲得特定頻率波的幅值；通過自編的計(jì)算程序，利用示波器的輸出信號分別計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)屏閃爍率的FMA值、JEITA值與VESA值以及標(biāo)準(zhǔn)屏的響應(yīng)時(shí)間，以其作為標(biāo)準(zhǔn)屏閃爍率的響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)值；再使用待測的閃爍率測定儀或響應(yīng)時(shí)間測定儀分別對相同工作條件下的標(biāo)準(zhǔn)屏進(jìn)行測試，從而得到待測的閃爍率測定儀或響應(yīng)時(shí)間測定儀的測定值，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對,分別計(jì)算出測量不確定度。

該閃爍率和響應(yīng)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以校準(zhǔn)顯示屏閃爍率的FMA值、JEITA值與VESA值以及顯示屏的響應(yīng)時(shí)間。通過對以上三種閃爍率的評價(jià)方法的分析比對，發(fā)現(xiàn)FMA方法是用亮度變化的交流分量比直流分量來計(jì)算閃爍率參數(shù)，適用于單一頻率下的閃爍率參數(shù)的評價(jià)，而JEITA方法和VESA方法則是用FFT分頻計(jì)量閃爍各頻率的幅值，再對全頻譜積分來找到最大分貝值，適用于復(fù)雜波形的閃爍率參數(shù)的評價(jià)，而實(shí)際的顯示屏的閃爍都不是單一頻率的正弦波信號。當(dāng)顯示屏的閃爍為復(fù)雜波形時(shí)，適宜采用頻譜分析法[6]。市場上常見的閃爍率測定儀使用VESA方法的較多。在實(shí)際校準(zhǔn)閃爍率測定儀的過程中，一般按照待測閃爍率測定儀所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法來選擇計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算程序的工作模式，從而確定標(biāo)準(zhǔn)閃爍率值。

該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的亮度、時(shí)間頻率都可以實(shí)現(xiàn)溯源至國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。其中高速光度探頭溯源至蘇州計(jì)量所的亮度標(biāo)準(zhǔn)裝置，再溯源至中國計(jì)量院的光亮度工作基準(zhǔn)裝置；高精度示波器的時(shí)間參數(shù)溯源至蘇州計(jì)量所的示波器校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)裝置，再溯源至脈沖波形參數(shù)基準(zhǔn)裝置；函數(shù)發(fā)生器的時(shí)間參數(shù)則直接溯源至脈沖波形參數(shù)基準(zhǔn)裝置[7]。量值溯源如圖5所示。

圖5 顯示屏閃爍率與響應(yīng)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置量值溯源圖

3 校準(zhǔn)結(jié)果的分析

經(jīng)過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，平板顯示行業(yè)所使用的閃爍率測定儀及響應(yīng)時(shí)間測定儀多為進(jìn)口設(shè)備，其中閃爍率測定儀以臺灣和日本所生產(chǎn)的為主，約占市場份額的30%以上；響應(yīng)時(shí)間測定儀以美國和德國所生產(chǎn)的為主，約占市場份額的35%以上[8]。因此，本文使用該閃爍率與響應(yīng)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置并改變標(biāo)準(zhǔn)屏的閃爍率參數(shù)和響應(yīng)時(shí)間參數(shù)，分別使用具有代表性的臺灣和日本所生產(chǎn)的閃爍率測定儀(儀器A和儀器B)及美國和德國所生產(chǎn)的響應(yīng)時(shí)間測定儀(儀器C和儀器D)對相同設(shè)置條件下的標(biāo)準(zhǔn)屏進(jìn)行閃爍率和響應(yīng)時(shí)間的測試。閃爍率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 閃爍率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對

表1的第一列為標(biāo)準(zhǔn)屏的閃爍頻率，即FFT變換后的峰值所在的頻率；第二列為經(jīng)過閃爍率標(biāo)準(zhǔn)裝置測得的閃爍率標(biāo)準(zhǔn)值(以VESA值為例)；第三列為將IDMS規(guī)定的臨界閃爍頻率(60 Hz)以上的高頻閃爍部分進(jìn)行低通濾波處理后再計(jì)算得到的閃爍率標(biāo)準(zhǔn)值，可以看到顯示屏的閃爍率會下降非常多；第四列和第五列分別為儀器A和儀器B所測得的閃爍率值，可見，儀器A可以測量出低頻部分和高頻部分的閃爍，測量結(jié)果與閃爍率標(biāo)準(zhǔn)值接近，而儀器B則認(rèn)為人眼無法識別超過60 Hz的閃爍，因此儀器B的測量范圍為60 Hz以下的低頻閃爍部分。通過測試結(jié)果的比對發(fā)現(xiàn)，不同品牌的儀器由于測量方法的不同，對同一被測樣品的測量結(jié)果存在較大的差異，其主要原因是不同品牌的儀器算法不一樣，對于不同儀器的計(jì)量必須考慮其自身的特性。

裝置不僅可以對閃爍率測定儀進(jìn)行校準(zhǔn)，還可以對顯示屏的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。以將標(biāo)準(zhǔn)屏設(shè)置為最大亮度200 cd/m2，最小亮度0 cd/m2，周期500 ms的方波信號為例，響應(yīng)時(shí)間測定儀(儀器C和儀器D)的數(shù)據(jù)如表2所示，可以滿足市場上常見的響應(yīng)時(shí)間測量儀的計(jì)量要求。

表2 響應(yīng)時(shí)間校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對 ms

4 結(jié)論

本文通過對閃爍率三種測量方法以及響應(yīng)時(shí)間測量方法的分析，研制了滿足平板顯示行業(yè)所需工作范圍的顯示屏閃爍率與響應(yīng)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，能夠提供可靠的量值傳遞服務(wù)，解決了顯示屏企業(yè)的量值溯源需求，給平板顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有力的保障。