显示屏闪烁率与响应时间计量标准装置的研制

刘宏欣，刘玉龙，江铖，黎俊

(苏州市计量测试研究所，江苏 苏州 215125)

0 引言

随着平板显示行业的日益发展以及消费者对显示屏质量要求的逐步提高，人体工学设计已融入到显示屏设计和生产中。影响到人眼视觉疲劳的闪烁率参数和响应时间参数已成为衡量显示屏性能的重要指标[1]，因此越来越多的显示屏生产企业和研发机构需要对显示屏闪烁率进行测试。目前用于测量显示屏闪烁率和响应时间的计量器具多为国外制造，国内对各类显示屏的闪烁率和响应时间评价，甚至各种光源的闪烁率和响应时间评价都较少研究，这是因为国内尚未建立闪烁率参数和响应时间参数的计量标准，各显示屏厂家的测量仪器也不一致，造成闪烁率测量仪和响应时间测量仪在国内无法溯源。本文研制了一个亮度、闪烁率和响应时间可调的标准屏，搭建了显示屏闪烁率与响应时间计量标准装置，旨在提供量值传递服务，解决企业的量值溯源需求。

1 闪烁率与响应时间定义及测量方法

闪烁是指人眼对显示屏亮度快速变化的一种主观感受。屏幕亮度按照一定的调制频率快速的变化，当频率足够大时，人眼就感受不到闪烁，即认为是无闪烁状态，能否感知到闪烁的临界频率被称为临界闪烁频率[2]。IDMS(Information Display Measurements Standard)组织指定的临界闪烁标准为60 Hz。人眼在不同频率下感知闪烁的灵敏度曲线如图1所示。

图1 人眼在不同频率下感知闪烁的灵敏度曲线

目前国内外普遍应用的闪烁率的计算方法主要有以下三种：

1)FMA法[3]

FMA法即亮度对比方法，是Flicker Modulation Amplitude 的缩写，此方法通过测量显示屏的亮度随时间的调制幅度来计算闪烁率。假如显示屏的亮度变化如图2所示，亮度的交流部分即为亮度的最大值Vmax与最小值Vmin之差，亮度的直流部分即为亮度最大值与最小值之和的一半，亮度交流部分与直流部分的比值即为闪烁率。FMA法的闪烁率计算公式

(1)

图2 FMA法亮度变化示意图

2)JEITA法

JEITA法是日本电子信息技术产业协会(Japan Electronics and Information Technology Association)标准中所规定方法的简称，该方法的测试步骤为：①测量显示屏的亮度，将显示屏的亮度值转换成为数字信号；②将数字信号经快速傅立叶变换FFT转换成为每个频率的幅值；③将每个频率的幅值乘以人眼闪烁灵敏度曲线对应频率处的灵敏度因子(Flicker Sensitivity)，找到最大幅值Pmax；④根据JEITA标准提供的公式计算出最大闪烁率值。JEITA法的闪烁率计算公式为

(2)

3)VESA法[4]。

VESA法是视频电子标准协会(Video Electronics Standards Association)标准中所规定方法的简称，该方法的测试步骤与JEITA法的测试步骤相同，只是其计算公式参照了IDMS (Information Display Measurements Standard) Ver.1.03中规定的计算公式，与JEITA法的公式在表达上略有不同。VESA法的闪烁率计算公式为

(3)

响应时间是指显示屏各点像素在激励信号的作用下，其亮度由暗变亮和由亮变暗的全过程所需要的时间。上升时间指显示屏亮度从10%上升到90%所用的时间，下降时间指显示屏亮度从90%下降到10%所需要的时间。如图3所示，响应时间等于上升时间(t2-t1)与下降时间(t4-t3)之和。

图3 响应时间示意图

2 计量标准装置

本文提出的闪烁率与响应时间计量标准装置如图4所示，主要包括内置函数信号发生器的标准显示屏、高速光度探头、高精度示波器和计算程序。为了满足平板显示行业所需的闪烁率参数和响应时间参数的工作范围，研制了一个内置函数信号发生器的亮度、闪烁率和响应时间可调的标准屏。可以通过标准屏的操作界面来设置标准屏的亮度、波形等参数，改变标准屏的亮度、闪烁率和响应时间[5]。

图4 显示屏闪烁率计量标准装置图

该计量标准装置的工作步骤为：利用高速光度探头扫描标准屏，将标准屏的亮度信号转换为电压信号，从而获得标准屏的模拟亮度波形信号；使用高精度示波器将模拟亮度波形信号转化为数字亮度波形信号，对数字亮度波形信号进行傅立叶变换，获得特定频率波的幅值；通过自编的计算程序，利用示波器的输出信号分别计算出标准屏闪烁率的FMA值、JEITA值与VESA值以及标准屏的响应时间，以其作为标准屏闪烁率的响应时间的标准值；再使用待测的闪烁率测定仪或响应时间测定仪分别对相同工作条件下的标准屏进行测试，从而得到待测的闪烁率测定仪或响应时间测定仪的测定值，并与标准值进行比对,分别计算出测量不确定度。

该闪烁率和响应时间计量标准装置可以校准显示屏闪烁率的FMA值、JEITA值与VESA值以及显示屏的响应时间。通过对以上三种闪烁率的评价方法的分析比对，发现FMA方法是用亮度变化的交流分量比直流分量来计算闪烁率参数，适用于单一频率下的闪烁率参数的评价，而JEITA方法和VESA方法则是用FFT分频计量闪烁各频率的幅值，再对全频谱积分来找到最大分贝值，适用于复杂波形的闪烁率参数的评价，而实际的显示屏的闪烁都不是单一频率的正弦波信号。当显示屏的闪烁为复杂波形时，适宜采用频谱分析法[6]。市场上常见的闪烁率测定仪使用VESA方法的较多。在实际校准闪烁率测定仪的过程中，一般按照待测闪烁率测定仪所依据的标准计算方法来选择计量标准计算程序的工作模式，从而确定标准闪烁率值。

该计量标准装置的亮度、时间频率都可以实现溯源至国家计量标准。其中高速光度探头溯源至苏州计量所的亮度标准装置，再溯源至中国计量院的光亮度工作基准装置；高精度示波器的时间参数溯源至苏州计量所的示波器校准仪校准装置，再溯源至脉冲波形参数基准装置；函数发生器的时间参数则直接溯源至脉冲波形参数基准装置[7]。量值溯源如图5所示。

图5 显示屏闪烁率与响应时间计量标准装置量值溯源图

3 校准结果的分析

经过市场调研发现，平板显示行业所使用的闪烁率测定仪及响应时间测定仪多为进口设备，其中闪烁率测定仪以台湾和日本所生产的为主，约占市场份额的30%以上；响应时间测定仪以美国和德国所生产的为主，约占市场份额的35%以上[8]。因此，本文使用该闪烁率与响应时间计量标准装置并改变标准屏的闪烁率参数和响应时间参数，分别使用具有代表性的台湾和日本所生产的闪烁率测定仪(仪器A和仪器B)及美国和德国所生产的响应时间测定仪(仪器C和仪器D)对相同设置条件下的标准屏进行闪烁率和响应时间的测试。闪烁率校准数据如表1所示。

表1 闪烁率校准数据比对

表1的第一列为标准屏的闪烁频率，即FFT变换后的峰值所在的频率；第二列为经过闪烁率标准装置测得的闪烁率标准值(以VESA值为例)；第三列为将IDMS规定的临界闪烁频率(60 Hz)以上的高频闪烁部分进行低通滤波处理后再计算得到的闪烁率标准值，可以看到显示屏的闪烁率会下降非常多；第四列和第五列分别为仪器A和仪器B所测得的闪烁率值，可见，仪器A可以测量出低频部分和高频部分的闪烁，测量结果与闪烁率标准值接近，而仪器B则认为人眼无法识别超过60 Hz的闪烁，因此仪器B的测量范围为60 Hz以下的低频闪烁部分。通过测试结果的比对发现，不同品牌的仪器由于测量方法的不同，对同一被测样品的测量结果存在较大的差异，其主要原因是不同品牌的仪器算法不一样，对于不同仪器的计量必须考虑其自身的特性。

装置不仅可以对闪烁率测定仪进行校准，还可以对显示屏的响应时间进行校准。以将标准屏设置为最大亮度200 cd/m2，最小亮度0 cd/m2，周期500 ms的方波信号为例，响应时间测定仪(仪器C和仪器D)的数据如表2所示，可以满足市场上常见的响应时间测量仪的计量要求。

表2 响应时间校准数据比对 ms

4 结论

本文通过对闪烁率三种测量方法以及响应时间测量方法的分析，研制了满足平板显示行业所需工作范围的显示屏闪烁率与响应时间计量标准装置，能够提供可靠的量值传递服务，解决了显示屏企业的量值溯源需求，给平板显示产业的发展提供了有力的保障。