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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δ<<1，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。
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（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
720×576
1280×720
1920×1080
理想逐行寻址（电视线）
576
720
1080
2、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）]
标准清晰度电视的θ=43.15,则Ｌθ=540/0.6845=789（电视线）；
高清晰度电视的θ=45,则Ｌθ=1080/0.707=1257（电视线）。
按照上式计算的标准清晰度电视和高清晰度的图像水平清晰度的理论值如表二所示。
表二标准清晰度电视与高清晰度电视的图像水平清晰度理论值
系统参数
SDTV
HDTV
有效像素数（取样格式或空间分辨率）
720×576
1920×1080
亮度信号取样频率（MHz）
13.5
74.25
按取样定理可达的图像基带信号极限频率（MHz）
6.75
37.125
国家标准规定的图像基带信号频率（MHz）
6
30
按公式（9）计算的图像水平清晰度极限（电视线）
图像宽高比4：
3
540
－
图像宽高比16：
9
405
1080
按公式（8）计算的图像基带信号标称频率图像水平清晰度（电视线）
图像宽高比4：
3
468
－
图像宽高比16：
9
351
978．7
按公式（10）计算的图像斜向清晰度最高值（电视线）
角度
43．15
45
图像清晰度（电视线）
789
1527
下面介绍几种图像清晰度的测量方法：
1、专用测试图法
采用专门为测试彩色电视机清晰度、灰度级、几何失真、扫描非线性失真、隔行扫描质量（对比度）等性能参数而设计的电视测试图，图3所示的复合测试图主要测试上述亮度信号的参数和彩色电视机的综合性能参数，除上述亮度通道参数之外，还可以测试色度信号的重显参数，包括彩色还原的真实性（用彩条信号观察）、亮色串扰、色纯、会聚等。
图3复合测试图
早期黑白电视测试图采用单像管飞点扫描器形成，最近可以采用数字方式用计算机生成。
这种方法因其简单、快捷、实用而受到广泛采用，是国际组织推荐的标准方法，至今仍是公认为图像清晰度和彩色/黑白电视机综合性能测试方法。
但它的测试结果会因人而异，精度只能精确到10位，而且是粗略评估的结果。
2、频率测试法（模拟信号亮度通道的频率响应）
在灰级为50%的平场信号上，叠加多波群信号或扫频信号（见图4），标准清晰度电视的扫频信号范围为0.1-6MHz，高清晰度电视的扫频信号范围为0.1-30MHz。
图4复合正弦波信号
测试时使显示器处于正常工作状态，将扫频信号或多波群信号直接加到显示器的Y信号或RGB三基色信号的输入端，这时屏面垂直方向上会出现明相间的黑白线条。
然后改变扫频信号的频率，直到屏面垂直方向上明暗相间的线条不清，黑白线条无对比度或对比度太小，计下此时的频率值fc，代入式（8），就可以计算出图像水平清晰度（电视线）。
图像清晰度是电视系统的综合性能指标，除了上述信号源分解力、视频信号通道带宽影响之外，还与彩色显像管的节距、信号源的形成方式、电视信号的处理方式等因素有关。
从大量测试结果可以看出：
1）受各种因素限制，CRT型彩色显示器的实测图像清晰度总是小于理论计算值；而数字寻址、数字激励、逐行、逐点显示的PDP、LCD、DLP、LCOS等平板显示器中，实测图像清晰度可以等于理论计算值；
2）信号源的取样格式与显示器的显示格式相同，中间不经过格式变换，则实测清晰度较高；信号源的输入取样格式经显示器或内格式变换电路之后，清晰度实测值较低；
3）图像清晰度测试中应注意，楔形线数目不能少，不能有明显的分叉，同时要注意像素显示格式与信号源取样格式之间由于差拍造成的网纹干涉现像，只要这种干涉条纹有规则，并呈对称状，后面又可以看清黑白相间的线条数，就认为可以看清黑白相间的线条数就是该机的水平或垂直图像清晰度的电视线数；
4）CRT型彩色显示器的图像清晰度与全屏有用平均亮度是矛盾的，要提高图像清晰度，必需减小显示器的节距，但减小节距会引起全屏有用平均亮度降低，使图像透亮度下降，并使显示屏成本上升（例如CRT型显像管必需采用半胀紧荫罩等），因此CRT型彩色显示器的图像清晰度指标要兼顾全屏有用平均亮度和制造成本。
四、响应时间和拖尾时间
显示器从施加激励电压到出现亮度的时间称为上升时间，从切断激励电压到图像消失时间称为下降时间（见图5）。
一般在工程计算中，为了规范上升时间和下降时间，规定激励电压加入后，亮度由10%的峰值亮度到90%的峰值高度称为上升时间t12；切断激励电压后，从90%的峰值亮度降到10%
的
峰值亮度称为下降时间t22（见图4）。
而将上升时间与下降时间之后称为响应时间。
图5亮度与激励的时间关系
由于电视图像形成是由帧频为25Hz或30Hz的隔行扫描方式产生，其帧间时间差为40ms或33.3ms。
为了形成清晰、稳定、无闪烁的电视图像，显示器件需要有一定的余辉时间。
余辉时间表示切断激励电压后，显示器的亮度并不立即消失，仍滞留一段时间。
早期主动发光的CRT型彩色/黑白显像管均采用中短余辉管（余辉时间小于0.01—1.0ms）,典型值为100μs，响应时间小于2ms，再考虑人眼的视觉惰性：
光脉冲刺激人眼后，亮感不会立即消失，当亮感降低到一定程度,尚未消失时新的扫描帧又开始了，因此我们会感到一幅响应时间快，又没有图像闪烁，清晰、稳定的图像。
人眼的视觉残留时间（又称视觉惰性）与光刺激（亮度）、颜色、人的年令等有关，一般人的视觉残留时间在20——30Ms之间。
如果显示器件的响应时间大于或接近20——30Ms，显示快速运动的图像就会产生拖尾。
显示器件的余辉时间太小，电视图像会有明显的行间闪烁和大面积闪烁，并使全屏亮度下降；余辉时间太长，超过帧周期,在显示快速运动的活动图像时，也会出现明显的拖尾，并影响图像清晰度。
被动发光的LCD液晶显示器大多依靠外加电场的作用，液晶分子的排列方向发生变化，使透射光或反射光的大小发生变化。
由于液晶分子重新排列时有惯性存在，使响应速度受液晶材料粘滞度影响很大，其响应时间在20ms-100ms之间，较大的响应时间对显示静上图形符号的计算机显示器不成问题，但对显示高速动的活动图像十分不利。
为此可以把高速运动图像过后留下的残影时间长短定义为拖尾时间。
高速运动的图像有亮拖尾和暗拖尾，可以把亮拖尾和暗拖尾之和定义为响应时间。
最近北京牡丹电子集团有限责任公司的徐康兴教授提出用图6、图7所示的两幅，横向滚动的白、黑球来测量亮拖尾和暗拖尾，详细方法可参阅“电视技术”（2005年第一期：
运动图像拖尾及拖尾时间的测量，徐康兴）。
图6亮拖尾时间测试卡之一例
图7暗拖尾时间测试卡之一例
图中有5组水平排列的4个100%亮度的白色圆或0%亮度的黑色圆，这些圆以均匀速度从左到右运动，当它们运动到一边界跑出画面时又从相对的那一边进入画面，如此循环不息。
每一场周期内移动的距离为d。
这些亮圆的水平间距作了精确的安排，如图6、图7所示。
第一列与第二列亮圆边界间距离从上到下分别为0.2d、0.4d、0.6d、0.8d、1.0d。
第二列与第三列亮圆边界间距离从下到上分别1.2d、1.4d、1.6d、1.8d、2.0d。
第三列与第四列亮圆边界间距离从上到下分别2.2d、2.4d、2.6d、2.8d、3.0d。
设场周期为Tc（场频50Hz时，场周期为20ms，场频60Hz时，场周期为16.7ms），移过宽度为xd的间隔需时xTc。
亮圆移动经过区域的本底亮度为0%的暗。
其余部分本底亮度为10%的灰，它是测量中需要的参考亮度，为便于比较，测试卡中安排了许多10%亮度的横条。
屏幕中心有一恆为100%亮度的亮块和一恆为0%亮度的暗块，它们可用来测定100%和0%对应的具体亮度数值。
以亮拖尾为例，设拖尾时间全为0，我们看到的图像是边界清晰的圆作水平方向的平移，任意两个圆之间的低亮间隔清晰可辩（CRT显象管就是如此）。
若拖尾时间不为0，亮圆的左边界之后会有亮的拖尾，而亮圆的右边界之后会有暗的拖尾，边界变得模糊不清。
拖尾时间越长，模糊区域越宽，那些原来窄的低亮（0%）间隔，会被模糊的较高亮度拖尾覆盖，那些原来很宽的暗间隔，部分会被模糊的拖尾覆盖。
如果哪两个滚动的球之间界限不清，就认为该球之间的距离为拖尾时间。
例如场频50Hz时,两个滚动球之间界限不清的距离为0.8d,则拖尾时间为20ms×0.8=16ms。
目前LCD显示器通过减薄液晶厚度，并在激励电路上的改进，响应时间已降低至8ms以下，基本可以满足电视图像的显示要求。
五、可视角
由于显示屏的方向性，屏幕的亮度会随视角而改变，垂直屏幕方向亮度最大。
当在水平和垂直方向上，屏幕亮度减小到屏幕垂直位置最大亮度的1/2、1/3或1/10时，水平、垂直方向角度称为可视角（见图8）。
所以人们在提及可视角时，首先应该明确是1/2、1/3最大亮度，还是1/10最大亮度。
显然对用户有用的可视角是观视方向亮度降到1/2时的可视角，尽管它的可视角很小，但对用户比较实用，而1/10最大亮度时的可视角可能很大，但对用户的实用价值不大。
由于大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的各向异性，对不同方向的入射光，反射率是不同的，所以可视角较小。
随着视角加大，亮度、色度不均匀性变差。
而主动发光的CRT型彩色显示器和PDP型显示器的可视角较优。
目前LCD显示器采用多种技术措施后，已使可视角超过120度（L0/3），基本可满足用户的需求
（a）水平视角（b）垂直视角
图8可视角的测量
六、显色种类与显色色域
在数字信号激励的平板显示器中，显色种类与三基色的量化级数有关。
量化级数越多，可组合的颜色种类越多。
激励CRT彩色显像管的模拟电视信号是连续信号，理论上可以组合无穷多个颜色种类。
发光型显示器件发光的颜色色域和非发光型显示器件透射或反射光的颜色色域通称为显色色域。
目前大量生产的CRT型彩色显像管三基色确定的色域如图9所示，理论上它的颜色种类为无穷多，在显像三角形内的任何一点颜色都可以通过R、G、B三基色以不同比例生成。
换句话说：
只有在RGB三基色显色三角形内的颜色可以由RGB三基色合成，超出这个三角形外的颜色不可能形成。
显色三角形面积越大，可重显的颜色种类越多，颜色越鲜艳。
因此，要获得颜色种类多、彩色鲜艳的电视图像，必需适当增加三基色的量化级数，并选择显色色域大的荧光粉，增大显色三角形面积，两者缺一不可。
由于CRT型彩色电视机已能显示色彩十分逼真的彩色图像，平板显示器要在这个领域与CRT型
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