【电光显示器性能的测量与等级鉴定】电脑显示器排行榜2018

　　摘要：自1970年代液晶显示器面世以来，显示器度量专家们就一直致力于开发能够精确测量液晶显示器性能的系统，这是一个持续开发过程。本文详细叙述了专家们的艰苦历程以及当今的发展状况。
　　关键词：液晶显示器；测量；电光性能
　　中图分类号：TN873+.3文献标识码：A
　　
　　Measuring and Rating electro-Optical Display Performance
　　Jürgen Laur
　　（Sales and Marketing Dept. at AUTRONIC-MELCHERS GmbH, Karlsruhe 76229, Germany）
　　Abstract: From the moment that LCDs were introduced in the 1970s, display metrologists have worked hard to develop systems to accurately measure their performance, a constantly evolving process. This article details the history of those efforts as well as the current state of the art.
　　Keywords:LCD；measuring；electro-optical performance
　　
　　液晶显示器（LCD）从1970年代开始发展并兴盛起来。在以便携式计算器及腕表形式首次亮相之后，LCD首先为便携式电脑开创了一个视觉界面基础，随后便是台式电脑显示器。LCD使得移动电话成为能提供视频及电视内容的真正手持式设备，而它最近的成功应用则是起居室使用的大面积LCD电视以及家庭影院。
　　显示器度量仪器是伴随着LCD性能的进步而发展起来的。本文总结了显示器度量仪器在过去25年之间的演变过程。与此有关的一个有力例证就是扭曲向列相LCD（TN-LCD）的发展。
　　几乎在研究液晶在实际结构中的电光效应的同时，人们就明白TN-LCD有一些特殊的特征，包括对比度随着视角不同而变化，以及像素单元和材料参数对对比度的影响。对于TN-LCD性能的系统性、实验性的优化而言，测量对LCD特性的精确描述就变得不可或缺了。
　　首先需要建立配备可变光源和在不同视角显示测角读数的探测器的专门实验室。然后是以干涉模式进行观察，用于分析不同视角下透射率和对比度变化的偏振显微镜，成为最普遍采用的仪器设备[1-2]。这种方法能对不同视角的图像进行直接观察，但要进行定量测量时非常麻烦，需要对显微镜进行特别修正[1-2]。
　　1977年，在Braun公司[3]工作的Kurt Fahren- schon建议以Dieter Mlynski教授为院长的卡尔斯鲁厄大学的电磁理论与度量学研究所加入能对TN-LCD进行所需特性测量仪器的研发行列。由于当时大多数LCD采取反射工作模式，因此必须要设计一个照明器件，这样在对被测器件的扇形视角区域进行扫描时能够提供各向同性的照明。
　　最终这种仪器被Kurt Fahrenschon用在他的实验室，而且他得到的测量结果以论文形式发表在1979年《Displays》杂志上[4]（参见图1和图2）。图1中，(A, B) 是可以分别调整倾斜度和方位角的机械旋转平台；(C)为测量目标；(D) 用于弥散半球照明的光纤束(E) 为对测量区域成像的显微镜，并配有光圈快门（G）和探测器（F）。光源通过机械挡板（H）产生，探测频率与遮挡频率锁定。
　　
　　图1 1979年卡尔斯鲁厄大学研发的第一台DMS草图
　　
　　图2 第一幅对比度等值曲线图
　　
　　图3 1990年autronic-Melchers GmbH公司制造的DMS-500
　　
　　图2是世界上第一幅对比度等值曲线图（有时候又称等对比度图，因为图中每条线的对比度都相等，也即为对比度等值曲线），通过DMS原型机测量得来，发表于1979年[4]。进行测量时采用的电压分别为阈值电压Vth的1.5倍、4倍和8倍。
　　最初这台仪器关注的是不同方向的对比度分布情况的测量，有点类似于Barna的功能[5]。1980年代初，这台仪器配备了一些新的功能，变成了第一台由电脑控制能自动测量LCD整套光电特性参数的仪器。自1985年开始，这台仪器由德国卡尔斯鲁厄的autronic GmbH公司制造并推向市场，而自1993年该公司变成了AUTRONIC-MELCHERS GmbH公司。图3为1990年autronic-Melchers GmbH公司制造的DMS-500，有两个机动转台用以测量显微镜的弯曲角度调节和样品LCD的旋转。三个坐标轴交叉的最大调节偏移量为50μm，为的是能对较小的字段和符号进行测量。这台仪器有两个照明源，分别用于漫反射和投射工作模式。
　　
　　需要对显示器进行度量的理由
　　
　　至少有两个不错的理由说明应该对显示器进行度量：首先，对于实验室而言，需要为优化性能而对器件进行改动之前和之后的性能进行客观比较；其次，对于个人而言需要对从业界购买和获得的产品的性能进行客观比较。
　　近来，这第二个理由得到的关注已经日益增加，这是出于在持续增长的电子显示器件市场中保证一定份额的商业兴趣。后来第二个理由得到了愈加广泛的关注。尽管说明书的目的是"为了定义清晰而不含糊的条文，以便于国际贸易与交流"（参照ISO/IEC条例，第3部分：国际标准的起草与陈述），为此应该"完整、一致、清晰、简明且易于理解"，但是消费者正面临着越来越多莫名其妙的术语以及不同度量单位的或大或小的数字，例如对比度和响应时间。
　　"令人目眩的性能说明书"的大肆渲染越来越多，逐渐营造了类似于集市的市场氛围。在这种气氛下，制造商们强调诸如"对比度、响应时间、亮度、色彩愉悦度"等等，将吸引顾客置于更重要的位置，报出的值都超出实际数据。不幸的是，这种气氛使得那些意欲保持诚实和通情达理的公司蒙受了损失，它们要承担在市场喧哗的噪音中逐步销声匿迹的风险[6]。
　　电子显示器用户希望根据产品的特定应用，得到可靠（即没有偏颇）、能理解及合理地描述产品性能的数据，将它作为一个可靠参考来作出购买决定。
　　不过与此同时，消费者必须要意识到电子显示器已经变得非常成熟且复杂，它们的性能已无法简单地用参数来描述并用一个整体的"品质因数"将其划分等级。根据特定的应用场合（办公室、视频和电影播放、图形与设计、电脑游戏、家庭影院、游牧ICT器件等等），至少在能以可接受的价格购买到理想的显示器之前，关注的重点应放在各自不同方面的性能上。这就意味着用户必须要不断地接受训练和学习[7]。
　　
　　与LCD性能并驾齐驱
　　
　　第一代TN-LCD尺寸较小，根据显示的数字将电极布置在7段式版图上，有时候会增加一些固定符号。为测定此类显示器的对比度，测量区域必须限定在0～1mm的范围之内，测量装置必须要保证测量点不会随着观测方向的改变而变化。对于机械装置工作小组而言，要实现一个在所有轴向交叉点的变化范围小于50μm的机械装置非常具有挑战性。
　　TN的光学表现效果通常是消色差（非彩色）的，因此要测量它们的视觉性能用光度计（亮度计）就足够了。如上所述，由于绝大多数TN-LCD工作在反射模式，因此需要一个特定的照明器件来确保在测量不同视角时照明能保持各向同性。要实现这一器件除了包括一个集成的球面（漫反射半球）之外还包括一个沿北极的长切口。这样做可以具备两个功能：（1）可对被测器件进行观察；（2）有效地抑制了镜表面反射[8-9]。
　　反射物体光学特性的测量和评估不是很容易，因为被测值总是会受到被测物体、照明、光测量器件还有所有元件的具体摆放位置的影响[8]。尽管原来这些测量的再现性非常难（现在仍然如此），但是当时没有建立相应的国际标准来帮助那些必须在实验室进行此类测量的人们。非常奇怪的是30年之后仍然没有有关反射式LCD测量和评估的国际标准，不过IEC TC110的WG2目前正在朝这一目标努力。为弥补国家标准的缺失，过去通常采纳日本反射式LCD的工业标准的建议来进行测量和评估工作。这一标准总是反映出日本开发并制造的测量仪器特征及其局限性[10]。
　　除了对比度，还有被测显示器的电光转移函数的变化和动态响应及其随视角的变化常常被用作多种条件优化的参考。此类测量还需要特定的电学驱动（例如多个选中和未选中信号的仿真波形，LCD模块的数字控制信号，还有直流供电电压等等）。被测显示器电学驱动的调试、探测器的位置以及保持测量所需时间最短情况下获取数据，这些都需要一套特定的软件来支持，同时还要定义测量的顺序，这样以后这些测量就可以自动进行而无需使用者的参与。这套软件使得电子显示器的测量系统超越了它的原有功能――它的作用主要是测定使用者和客户的测量系统的值。
　　
　　高级显示器度量
　　
　　自1985年Brown Boveri发现超扭向的双折射效应之后，由于激活图像部分与显示背景之间的色彩差别大大拓宽了超扭向LCD（STN-LCD）的视觉对比度范围，因此对色度分析的需求增加。由此大家在显示器测量系统中采用单色仪和多色仪充当光测量器件，为的是支持便携式电脑所需的更好的消色差STN-LCD的发展。
　　尽管在LCD发展的初期阶段，干涉仪广为人知并广泛应用于LCD的测量和分析，但还是被测角系统取代了，原因有三：（1）定量分析时需要对非常小的位置点进行焦平面探测，而这会降低系统的信噪比；（2）弯曲角度变化的范围通常限制在±30°以内；（3）通过采用测角系统反射式TN-LCD的照明和测量变得更为便利。
　　然而在1990年代初，当配备了背光单元的LCD充当空间光调制器用作计算机显示器时，反射式显示器失去了市场，LCD显示器转向了便携式电脑，走上了办公室的办公桌。在1993年的欧洲显示会议上，来自Eldim S.A11的T. Leroux向大家介绍了一款先进的接受角为±60°、测量点直径为2mm的干涉透镜。这款优化之后的透镜设计确切地向大家证明了先进的光学设计与制造能力，也激发了大家开发新一代LCD特性与视角之间关系测量仪器的热情。
　　1990年代中期，一部分人发布了LCD度量的范本并主张在短期内只有干涉仪仪器可以保留。由于这一众所周知的测量原理的很多专利都被一个法国政府组织获得，大家小心地避免采用"conoscopy（干涉）"这个词，而将其称为光学傅立叶变换，这一事实使得干涉仪测量器件的商业化受到严重阻碍。经过多年的法律辩论之后，欧洲专利EP 0 286 529 B1优先法国专利FR 870 4944这一规定终于在2003年4月29日的德联邦共和国作为法律鉴戒生效了。
　　10余年之后有关干涉器件的大肆宣传开始盛行，当今这类仪器的使用已经达到令人吃惊的状态，但是它并没有消除并替代采用测角计的LCD测量设备。目前似乎大家很清楚的是两种方法各有优缺点，具体选用哪种方法取决于所要做的测量任务。
　　通过为被测显示器提供校准光束及各向同性照明，人们得到了优化的反射式测量的先进干涉设备；可用它们来测量LCD的瞬态响应，配合彩色滤光片还可能进行色度评估。不过有些特性的测量，诸如为了抑制被测显示器的镜表面反射而对各向同性照明的遮光，借鉴的是原先为测角设备开发的方法[7-8]。而且，在干涉设备中仍未采用借助光谱的高精度色度分析法，因为这实现起来不是一项简单的技术，除非采用"蛮力"解决，即在图像路径上采用30个或者更多的干涉滤光器。
　　我们看到当前的形势是电视屏必须要根据它们的视觉性能来接受测试和等级鉴定，很显然这种采用多个滤光器的方式不是精确测定这些显示器色度特性的正确方法。为解决测量时间和精度之间的矛盾，最近我们提出了多方向光谱分析（PolyGonioscopic，多方位测角计）的概念，这种方法第一次实现了快速高精度光谱分析和LCD电视屏的全色度特性测量所需时间的最小化，并拓宽了视角范围（图4）。这是一个具备9个光谱通道的光学器件，可同时在9个方向进行高精度光谱分析，测量区域直径为10mm，光学器件的倾斜角机动化安装使得人们可以进行高分辨率的倾斜角θ方向扫描。
　　
　　图4 多方位测角计顶端
　　
　　结论
　　
　　越来越复杂的LCD系统的进一步发展给精度不断提高的显示器测量系统带来了巨大的挑战。由于目前LCD已在世界各地遍地开花，对LCD性能进行精确测量的能力变得前所未有的重要。人们正在继续开发并改善新的测量方法，这其中包括多测角仪分析。
　　
　　参考文献
　　[1]A. R. Kmetz, "Characterization and Optimization of Twisted Nematic Displays for Multiplexing," SID Symposium Digest Tech Papers 9,70-71 (1978).
　　[2]P. A. Penz, "A figure of merit characterizing the anisotropic viewing properties of the twisted nematic LCD," SID Symposium Digest Tech Papers 9, 68-69 (1978).
　　[3]K. Fahrenschon et. al., "Deformation of a pretilted nematic liquid-crystal layer in an electric field," Appl. Phys. B 11,No. 1, 67-74 (1976).
　　[4]R. Cremers et al., "A new method for characterization and evaluation of the optical appearance of reflective TN-LCDs," Displays 12 (1979).
　　[5]G. G. Barna, "Apparatus for optical characterization of displays, Rev. Scientific Instruments 47, No. 10, 1250-1260 (1976).
　　[6]D. Williams, "Debunking of Specsmanship: Progress on ISO/TC42 Standards for Digital Capture Imaging Performance," IS&TPICS2003, 77-81 (2003).
　　[7]M. E. Becker, "International Standards for Electronic Display Devices: Current Status and Agenda," SID Symposium Digest Tech Papers 37, 93-96 (2006).
　　[8]M. E. Becker, J. Laur, and J. Neumeier, "Electro-Optical Characterization of Reflective LCDs," SID Symposium Digest Tech Papers 31, 322-325 (2001).
　　[9]M. E. Becker and J. Neumeier, "Electro-Optical Properties of Reflective Positive-Contrast LCDs: How to Obtain Meaningful Measuring Results," Proc. 11th IDRC "91, 195-198 (1991).
　　[10]M. E. Becker, "Standards and Metrology for Reflective LCDs," SID Symposium Digest Tech Papers 33, 136-139 (2002).
　　[11]T. Leroux, "Fast contrast vs. viewing angle measurements for LCDs," Conf. Rec. IDRC, 447-450 (1993).
　　（南开大学 刘艳艳 译自《Information Display》02/08）