顯示屏閃爍率與響應時間計量標準裝置的研制

劉宏欣，劉玉龍，江鋮，黎俊

(蘇州市計量測試研究所，江蘇 蘇州 215125)

0 引言

隨著平板顯示行業的日益發展以及消費者對顯示屏質量要求的逐步提高，人體工學設計已融入到顯示屏設計和生產中。影響到人眼視覺疲勞的閃爍率參數和響應時間參數已成為衡量顯示屏性能的重要指標[1]，因此越來越多的顯示屏生產企業和研發機構需要對顯示屏閃爍率進行測試。目前用于測量顯示屏閃爍率和響應時間的計量器具多為國外制造，國內對各類顯示屏的閃爍率和響應時間評價，甚至各種光源的閃爍率和響應時間評價都較少研究，這是因為國內尚未建立閃爍率參數和響應時間參數的計量標準，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時間測量儀在國內無法溯源。本文研制了一個亮度、閃爍率和響應時間可調的標準屏，搭建了顯示屏閃爍率與響應時間計量標準裝置，旨在提供量值傳遞服務，解決企業的量值溯源需求。

1 閃爍率與響應時間定義及測量方法

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制頻率快速的變化，當頻率足夠大時，人眼就感受不到閃爍，即認為是無閃爍狀態，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準為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

目前國內外普遍應用的閃爍率的計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間的調制幅度來計算閃爍率。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產業協會(Japan Electronics and Information Technology Association)標準中所規定方法的簡稱，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換成為數字信號；②將數字信號經快速傅立葉變換FFT轉換成為每個頻率的幅值；③將每個頻率的幅值乘以人眼閃爍靈敏度曲線對應頻率處的靈敏度因子(Flicker Sensitivity)，找到最大幅值Pmax；④根據JEITA標準提供的公式計算出最大閃爍率值。JEITA法的閃爍率計算公式為

(2)

3)VESA法[4]。

VESA法是視頻電子標準協會(Video Electronics Standards Association)標準中所規定方法的簡稱，該方法的測試步驟與JEITA法的測試步驟相同，只是其計算公式參照了IDMS (Information Display Measurements Standard) Ver.1.03中規定的計算公式，與JEITA法的公式在表達上略有不同。VESA法的閃爍率計算公式為

(3)

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

圖3 響應時間示意圖

2 計量標準裝置

本文提出的閃爍率與響應時間計量標準裝置如圖4所示，主要包括內置函數信號發生器的標準顯示屏、高速光度探頭、高精度示波器和計算程序。為了滿足平板顯示行業所需的閃爍率參數和響應時間參數的工作范圍，研制了一個內置函數信號發生器的亮度、閃爍率和響應時間可調的標準屏。可以通過標準屏的操作界面來設置標準屏的亮度、波形等參數，改變標準屏的亮度、閃爍率和響應時間[5]。

圖4 顯示屏閃爍率計量標準裝置圖

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

該閃爍率和響應時間計量標準裝置可以校準顯示屏閃爍率的FMA值、JEITA值與VESA值以及顯示屏的響應時間。通過對以上三種閃爍率的評價方法的分析比對，發現FMA方法是用亮度變化的交流分量比直流分量來計算閃爍率參數，適用于單一頻率下的閃爍率參數的評價，而JEITA方法和VESA方法則是用FFT分頻計量閃爍各頻率的幅值，再對全頻譜積分來找到最大分貝值，適用于復雜波形的閃爍率參數的評價，而實際的顯示屏的閃爍都不是單一頻率的正弦波信號。當顯示屏的閃爍為復雜波形時，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。在實際校準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的標準計算方法來選擇計量標準計算程序的工作模式，從而確定標準閃爍率值。

該計量標準裝置的亮度、時間頻率都可以實現溯源至國家計量標準。其中高速光度探頭溯源至蘇州計量所的亮度標準裝置，再溯源至中國計量院的光亮度工作基準裝置；高精度示波器的時間參數溯源至蘇州計量所的示波器校準儀校準裝置，再溯源至脈沖波形參數基準裝置；函數發生器的時間參數則直接溯源至脈沖波形參數基準裝置[7]。量值溯源如圖5所示。

圖5 顯示屏閃爍率與響應時間計量標準裝置量值溯源圖

3 校準結果的分析

經過市場調研發現，平板顯示行業所使用的閃爍率測定儀及響應時間測定儀多為進口設備，其中閃爍率測定儀以臺灣和日本所生產的為主，約占市場份額的30%以上；響應時間測定儀以美國和德國所生產的為主，約占市場份額的35%以上[8]。因此，本文使用該閃爍率與響應時間計量標準裝置并改變標準屏的閃爍率參數和響應時間參數，分別使用具有代表性的臺灣和日本所生產的閃爍率測定儀(儀器A和儀器B)及美國和德國所生產的響應時間測定儀(儀器C和儀器D)對相同設置條件下的標準屏進行閃爍率和響應時間的測試。閃爍率校準數據如表1所示。

表1 閃爍率校準數據比對

表1的第一列為標準屏的閃爍頻率，即FFT變換后的峰值所在的頻率；第二列為經過閃爍率標準裝置測得的閃爍率標準值(以VESA值為例)；第三列為將IDMS規定的臨界閃爍頻率(60 Hz)以上的高頻閃爍部分進行低通濾波處理后再計算得到的閃爍率標準值，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，測量結果與閃爍率標準值接近，而儀器B則認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。通過測試結果的比對發現，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行校準，還可以對顯示屏的響應時間進行校準。以將標準屏設置為最大亮度200 cd/m2，最小亮度0 cd/m2，周期500 ms的方波信號為例，響應時間測定儀(儀器C和儀器D)的數據如表2所示，可以滿足市場上常見的響應時間測量儀的計量要求。

表2 響應時間校準數據比對 ms

4 結論

本文通過對閃爍率三種測量方法以及響應時間測量方法的分析，研制了滿足平板顯示行業所需工作范圍的顯示屏閃爍率與響應時間計量標準裝置，能夠提供可靠的量值傳遞服務，解決了顯示屏企業的量值溯源需求，給平板顯示產業的發展提供了有力的保障。