对平板显示器的主要性能要求

对平板显示器的主要性能要求显示器件是用来显示静示图形符号和活动图像的器件，显示器件显示图像质量的优劣是市场竞争的焦点，各种不同的显示器件要在市场上获得较大的市场份额，都会不断地提高显示图像质量。表征平板显示器件显示图像质量的主要性能指标有亮度、对比度、清晰度、寿命、功耗……等。下面分别予以介绍：一、亮度亮度是表征图像亮暗程度的指标，是人眼对发光器件的主观感受，亮度的单位是每平方米坎德拉（cd/m2）。在平板显示器中，由于它们的发光原理不同，全屏亮度也会有很大差别。对于普通消费者而言，正常观看电视时的全屏平均亮度大约是50—70cd/m2，电影院银幕的平均亮度大约为30—45cd/m2，室外观看电视图像时要求画面的平均亮度大约为300cd/m2。一般要求显示器的有用平均亮度应大于100cd/m2。电视显示器中，表征屏幕亮度的指标主要有三个：1．有用峰值亮度：用白窗口信号作为测试信号（图1）。在正常的亮度和对比度位置，用亮度计在白窗口内测量的亮度值称为“有用峰值亮度”。2．有用平均亮度：用100%的平场信号（全白场）作为测试信号，同样在正常亮度和对比度位置，用亮度计在屏幕中心位测量的亮度值称为“有用平均亮度”。3．全屏最大亮度：用100%的平场信号（全白场）作为测试信号，在亮度和对比度最大位置，用亮度计在屏幕中心位测量的亮度值称为“全屏最大亮度”。图1白色窗口信号所谓“正常的亮度和对比度位置”是指用复合测试图信号（图三）作为测试信号，调整对比度与亮度位置，获得最佳图像质量，即图像清晰、无散焦、对比度适中，无高亮度饱和和低亮度限幅，十级或八级灰度清晰可辨，这时的对比度位置和亮度位置定义为“正常对比度调整位置”和“正常亮度调整位置”。上述三种亮度值代表了平板显示器亮度值的不同概念；有用峰值亮度代表了显示屏局部最大可能的亮度；有用平均亮度代表显示器正常工作时的全评亮度；全屏最大亮度代表显示屏全屏最大可能的亮度。有用峰值亮度最高，但对用户不实用。不同平板显示器的亮度值除考核荧光粉的发光效率之外，主要考核平板显示器件的发光机理，目前各种显示器件中仍以CRT型显示器较优。显示器的亮度值逾高，图像的透亮度愈好。但对用户正常使用而言，亮度太大，不仅浪费能源，还会降低显示屏的使用寿命，加速显示屏的老化速度。长期在高亮度下观看电视，会产生头晕、恶心等感觉。对其它平板显示屏来说，亮度适中、够用就可以了。企业宣传的屏幕亮度大多为对用户没有实用价值的峰值亮度。而且有用峰值亮度测试面积又有1/2H、1/6H、1/9H之分，其测试结果有很一定差异，测试面积越小，有用峰值亮度越大，因此追求商业广告中的高亮度对用户并不重要，主要选购图像透亮度较优的产品。二、对比度对比度是表征显示器重显图像灰度的能力，对比度越高，重显图像的层次越多，图像质量越高。图像对比度通常用屏幕上最大亮度（Lmax）与最小亮度（Lmin）之比表示：C=…………（1）对比度的测量方法：用如图2所示的黑白窗口试信号加到电视机，对比度、亮度控制器分别调整到正常位置，测量如图2规定点上黑窗口的亮度值L1L2L3和L4，其中Lmin取L1L2L3和L4的平均值。Lmax取中心白窗口的亮度值L0，则对比度用下式计算：C=…………（2）良好的图像要求显示器的对比度至少应大于30—40（倍）。但目前市场上宣传的图像对比度高达数百倍，甚至成千上万倍。这种宣传都不是按上述国际通用标准方法测试的结果，有的是用通断比混同对比度。所谓通断比是屏幕呈全黑色（对比度、亮度调至最小）时，用暗室测试的全屏亮度作Lmin，而用峰白亮度或全屏最大亮度作Lmax，再代入式（1）计算的结果，同时上述测量也没有规定环境光的影响。如果考虑环境光的影响，则对比度C应用下式计算：………………（3）室式中LA为环境光在屏幕上的亮度。图2黑白窗口测试图从式中可以明显看出，环境光的大小会影响图像对比度的测试结果，环境光的亮度值越大，图像对比度越小。在国际通用标准中，要求测量亮度、对比度、色度值时，应在测试室中进行。对测试室的照度要求是：测试室的照度：除前投式显示器外，在观看距离的水平位置上应为30—75勒克斯（Lx）。环境照度引起屏幕面上的照度：除前投影式显示器外，当屏幕无光栅时（显示器不工作）为30—75勒克斯（Lx）。在实用中人们总是在有一定照度的环境中观看电视，因此在暗室中测量的通断比，远远大于在测试室中测试的对比度。同时亮度计在暗室的低亮度下测试结果非常不准确，因为在低亮度下，作为亮度计的关键器件——光敏元件尚未达到它的阈值亮度，测试结果并不反映实际的亮度值Lmin。从公式（1）可以看出，当Lmin不准时，测试的对比度值C误差很大，并不能反映显示器真实的对比度，因此用通断比表征对比度是很不科学的。根据人眼的视觉特性可知：人眼对亮度的变化感觉有一个阈值，即人眼初次觉察出来的亮度变化与这种光源原来的亮度比总是一个常数。如果L表示最初刺激的亮度强度，以L+△L表示刚刚觉察出的较强刺激的亮度强度，则为一个常数δ——相对视觉阈值。下面对相对视觉阈值的物理概念作一说明。对于视觉刺激来说，假定δ=0.01，表示如果原亮度为100cd/m2，亮度增加或减小1cd/m2，人们就能觉察出亮度变化；如果原亮度为1000cd/m2，则亮度增加或减小10cd/m2，人们才能觉察出亮度变化。因为人眼对亮度有一定的适应性，高亮度1000cd/m2和低亮度100cd/m2时的相对视觉阈值δ并不变化，这种适应性是由人眼瞳孔大小调节和视网膜的感光物质变化形成的：高亮度时瞳孔变小，进入视网膜的亮度减小，明视觉的锥体细胞起作用；低亮度时瞳孔变大，进入视网膜的亮度增加，暗视觉的杆状细胞起作用。人们由亮环境进入暗环境后，刚开始什么也看不见，过几分钟对暗环境适应后，才可能看清周围环境，这就是人眼适应性的例子。人眼的亮、暗适应性对电视系统的设计很有利，我们并不需要传输景像原来的平均亮度。同时人眼又是一个性能十分高超的“光学器件”，它能感觉的最小亮度为千分之几cd/m2，也能感受高达百万cd/m2的光，但电视广播系统无需传送如此宽广的亮度范围，只要能正确传送图像一定的对比度就可以了。一般情况下，图像的亮度范围决定了景物的反射系数范围。在一定照度下最白的白石膏反射系数接近于1.0，最暗的黑丝线反射系数为0.01，所以被传图像的对比度不会超过100倍。为了不失真的传送图像，要求重显的电视图像对比度也为100，实际上由于环境光的影响（见公式3），重显的图像对比度往往达不到100，一般能达到40—50就相当不错了。同时长时间在高亮度，高对比度下观看电视，不仅对保护视力不利，而且会使图像临界闪烁频率增大，长此下去会引起恶心、头晕等感觉。另外应该说明，相对视觉阈值δ对每一个人而言并不相同，人眼对亮度变化敏感的人，相对视觉阈值就小一些；人眼对亮度变化不敏感的人，相对视觉阈值就大一些，不同年龄段的人，相对视觉阈值也不同，一般年龄大的人，相对视觉阈值大。一般中等亮度下，相对视觉阈值为0.02，当亮度很大或很小时，相对视觉阈值会很快增大，一般取δ=0.02—0.05。下面计算对比度引起的亮度级变化，取相对视觉阈值δ为常数，则眼睛能分辨的亮度级数n就取决于对比度C：………………（4）由于人眼能分辨的亮度级数n与对比度C呈自然对数关系，则对上式两边取自然对数：………………（5）将（1+δ）展成级数，考虑到δ1，并对上式进行对数换底处理，则式（5）变为：………………（6）取δ=0.05，当C=100时，n=92，即人眼可以分辨92个亮度级；如果电视图像对比度为30，则n=68，即人眼感觉图像灰度减小；当图像对比度由100降低到50时，n=78，灰度级数并没有减小多少，这对电视系统重显图像是很有利的。一般用复合测试卡中的灰度阶测试的一个灰度级大约等于6—8个亮度级。从上面分析可以得出以下结论：1、图像对比度对重显图像质量至关重要，适当的图像对比度可以使图像层次分明，观察图像时有一定的纵深感，因此人们总是千方百计提高图像对比度，例如：为了减小环境光对图像对比度的影响，采用黑底技术，荧光粉着色技术、褐色玻璃等，通过上述措施使当前显示器件的图像对比度有了很大的改进与提高；2、过分炒作图像对比度对图像质量的作用也是不符合实际的，图像对比度适度就可以了，因为正常的景像对比度只有100，过高的对比度并不能明显改善图像质量；3、有关图像对比度的概念应该按国际通用标准测试方法规范，用通断比代替图像对比度有误导消费者的嫌疑。三、图像分辨率（分解力）与图像清晰度图像分辨率和图像清晰度是电视系统研究、设计中最主要的综合性指标之一，也是消费者追求的主要质量指标。电视系统的图像分辨率与图像清晰度是有区别的。图像分辨率是指摄像端（信号源）分解图像的能力，例如模拟电视中每帧图像的扫描线数：525行或625行；数字电视中每帧图像的取样格式：720×576、640×480、1920×1080……等就代表信号源端分解图像最小细节的能力。图像清晰度是显像端显示器上人眼观察图像清晰、细腻程度的标志，常用电视线表示。电视线是屏幕上人眼可分清明暗交替线条的总数。人眼要能分辨明、暗交替的线条，则明、暗线条之间应有一定的对比度要求。否则人眼看不出明、暗交替的图像细节变化。图像清晰度与图像分辨率有关。CRT型显示器和CRT型投影显示器的图像清晰度并不等于图像分辨率，较高的图像分辨率是获取较高图像清晰度的先决条件，但较高的图像分辨率并不一定能得到较高的图像清晰度。因为CRT型显示器和CRT型投影显示器属于模拟信号激励方式，图像清晰度的电视线数还与图像传输通道的带宽、显示器件的应用环境（全屏平均亮度、对比度、聚焦、会聚、荧光粉节距、电子束直径等）有关，其计算方法与传统模拟电视相同，不再重复。在固定分辨率、数字寻址、数字激励、逐行、逐点一一对应显示的LCD、PDP、DLP、LCOS等新型平板彩色电视机中，图像垂直清晰度等于显示器垂直方向有效像素数，在方形取样格式时，图像水平清晰度等于图像垂直清晰度。1．图像垂直清晰度的理论值在数字寻址、数字信号激励方式的LCD、PDP、DLP等显示器中，图像垂直清晰度就是垂直方向的有效像素数：LV=NV。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（7）图像垂直清晰度的理论值见表一。表一图像垂直清晰度理论值图像取样格式720×5761280×7201920×1080理想逐行寻址（电视线）57672010802、图像水平清晰度的理论值图像水平清晰度由几个主要因素而定：由图像分解力确定的视频基带信号最高频率fc（或称图像基带信号标称带宽上限）、图像幅型比、显示器件的节距（CRT型显示器中即荫罩的节距）等。按照通用国际标准规定，图像水平清晰度Hr按下式计算：…………（8）其中：A—显示屏宽高比（幅型比），现行模拟电视与标准清晰度电视的宽高比为4：3，高清晰度电视的宽高比为16：9；fc——视频基带信号的最高频率，现行模拟电视与标准清晰度电视的fc=6MHz，高清晰度电视的fc=30MHz，按数字电视中的取样定理，标准清晰度电视的图像基带信号的极限频率为6.75MHz，高清晰度电视为37.125MHz。TH——有效行正程时间，用μs表示，现行模拟电视与标准清晰度电视的TH=52μs，高清晰度电视的TH=29μs。按式（8）计算结果：标准清晰度电视的fc=6.0MHz，则Hr=468（电视线）；高清晰度电视的图像基带信号极限频率为30.0MHz，则Hr=978.7（电视线）.在数字寻址、数字激励、逐行、逐点显示的PDP、LCD、DLP、LCOS等平板显示器中，图像水平清晰度的理论值等于：LH=NH*/（h/W）（电视线）…………………(9)标准清晰度电视的LH=720/(3/4)=540（电视线）;高清晰度电视的LH=1920/(9/16)=1080（电视线）图像斜向清晰度最高值（电视线）Ｌθ＝Ｌπ/2／sinθ……………………………………….(10)其中：θmax＝arctg[(h/ＮV)/(w/ＮH)]标准清晰度电