1

12. Pomiary parametrów ekranów ciekłokrystalicznych LCD*

1. Jednostki radiometryczne Aby scharakteryzować ilościowo źródła promieniowania, do których należą również ekrany

wizyjne, należy precyzyjnie zdefiniować jednostki.

Radiometria -zwana także fotometrią fizyczną jest dziedziną nauki zajmującą się pomiarem

wielkości promieniowania elektromagnetycznego. Dziedzina ta zajmuje się obiektywnym

pomiarem wartość fal elektromagnetycznych.

Fotometria – poddziedzina radiometrii zajmująca się pomiarem światła tak jak jest ono

postrzegane przez oko ludzkie. Fotometria jest zainteresowana wrażeniem, jakie jest

percypowane przez oko ludzkie na skutek stymulacji falą elektromagnetyczną. Punktem

wyjścia fotometrii jest więc charakter oka jako wybiórczego detektora widma

elektromagnetycznego.

Istnieją trzy rodzaje wielkości radiometrycznych: energetyczne, świetlne (fotometryczne),

oraz fotonowe. Ponieważ punktem zainteresowania jest światło widzialne, dlatego należy

zająć się wielkościami energetycznymi oraz świetlnymi. Wielkości świetlne są używane tylko

do określenia właściwości fali elektromagnetycznej w zakresie widzialnym.

Symbole wielkości energetycznych są analogiczne do ich odpowiedników fotometrycznych.

Wszystkie wielkości fotometrii wizualnej można otrzymać z odpowiednich wielkości

energetycznych posługując się tzw. fotometrycznym równoważnikiem mocy (lub energii)

promieniowania, uwzględniającym czułość widmową oka ludzkiego. Jego wartość wynosi:

680 lm/W.

Zestawienie wielkości energetycznych i fotometrycznych zostało zawarte w tabeli 1 wraz ze

stosowanymi jednostkami.

Wielkości energetyczne.

Energia promieniowania- jest to energia emitowana, przenoszona lub padająca na

powierzchnie. Jednostką energii jest Jul [J]

Strumień promieniowania Φ - w odniesieniu do fal elektromagnetycznych w tym i światła jest

to energia promieniowania przenoszona (emitowana, pochłaniana, przechodząca) w jednostce

czasu przez wybraną powierzchnię. Tak zdefiniowany strumień nazywany jest energetycznym

strumieniem promieniowania i jest równy mocy promieniowania. W radiometrii jednostką strumienia Φ jest wat [W].

[ ]e

dWW

dt=Φ (1)

Natężenie kątowe promieniowania Ie – charakteryzuje przestrzenna gęstość mocy związaną z

powierzchnią absorbująca padające promieniowanie lub je emitujące. Jednostka natężenia

promieniowania kątowego jest wat na steradian [W/sr].

e

d W

d srI

Φ = Ω

(2)

* Tekst wprowadzenia do ćw.12 stanowi uzupełnienie wiadomości zawartych w materiałach do wykładu.

LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI OBRAZOWEJ – Ćw. 12

2

Tabela 1. Zestawienie wielkości energetycznych i fotometrycznych

Natężenie powierzchniowe promieniowania Ee– inaczej mówiąc irradiancja jest terminem

radiometrycznym określanym jako strumień promieniowania na jednostkę powierzchni.

Odpowiada to mocy, jaką przenosi promieniowanie przez płaszczyznę jednostkową. Jednostką SI jest, wat na metr kwadratowy (W/m

2).

2e

d W

dAE

m

Φ=

(3)

Luminancja energetyczna Le- określa wartość strumienia promieniowania emitowanego przez

jednostkową powierzchnie, w jednostkowym kącie bryłowym. Luminancja daje dodatkowo

informację o rozkładzie przestrzennym energii wysyłanej ze źródła. Jednostką luminancji jest

wat na metr kwadratowy na steradian [W/m2*sr].

2

2cos cos

WL

dAd A sr

dmθ θ

Φ Φ= ≈

Ω Ω

(4)

Gdzie: Ω- kąt bryłowy, A – pole powierzchni.

Wielkości świetlne –fotometryczne.

3

W przypadku promieniowania świetlnego (długości fal 380 – 760 nm) ocenie podlega jego

oddziaływanie na oko obserwatora. Tak rozumiane właściwości światła opisują parametry

fotometryczne, pozostające w ścisłym związku z omówionymi poprzednio parametrami

energetycznymi. Współczynnikami umożliwiającymi przeliczanie jednych parametrów na

drugie są: fotometryczny równoważnik energii promieniowania – Km = 683 lumeny/wat oraz

wzgledna skuteczność świetlna oka – V(λ)

Strumień świetlny Φ - strumień promieniowania świetlnego może być złożony z różnych fal

widzialnych w różnych proporcjach, dlatego aby obliczyć sumaryczny efekt strumienia

świetlnego należy każdą część promieniowania rozpatrzyć osobno mnożąc przez wartość odczytaną z wykresu skuteczności świetlnej (czułości spektralnej), a na końcu dodać otrzymane wielkości dla wszystkich fal. Tak zdefiniowany strumień nazywany jest

strumieniem świetlnym promieniowania. W fotometrii jednostką strumienia Φ jest lumen

[lm].

[ ]760

380

( )m e

V d lmK λ λΦ = Φ∫ (5)

Na rysunku 3.2 przedstawiono charakterystykę znormalizowanej skuteczności świetlnej oka

ludzkiego przy widzeniu fotopowym (dziennym)

Rys. 1 Charakterystyka znormalizowanej skuteczności świetlnej oka ludzkiego przy widzeniu

fotopowym (dziennym)

λ [nm] V(λ) λ [nm] V(λ)

380 0 580 0,87

400 0,0004 600 0,631

420 0,004 620 0,381

440 0,023 640 0,175

460 0,06 660 0,061

480 0,139 680 0,017

500 0,323 700 0,0041

520 0,71 720 0,00105

540 0,954 760 0,00025

550 1 780 0,00006

560 0,955

Tabela 2. Względna skuteczność normalnego obserwatora fotometrycznego

4

Światłość kierunkowa - Światłość wyraża się stosunkiem elementarnego strumienia

świetlnego, płynącego przez kąt bryłowy do wartości tego kąta. Jednostka światłości

kierunkowej jest lumen na steradian [lm/ sr]

. d lm

Id sr

Φ = Ω

(6)

Iluminacja – jest fotometrycznym odpowiednikiem natężenia oświetlenia. Jest to stosunek

strumienia świetlnego do powierzchni, która jest oświetlona. Jednostką iluminacji jest

lux [lx = lm/m2]

2

d lmE

dSm

Φ=

(7)

Luminancja świetlna - jest miarą "jasności" świecących powierzchni. Podobnie jak

światłość, luminancja jest wielkością zależną od kierunku. Luminancję mierzy się stosunkiem

światłości do rzutu powierzchni świecącej dS na płaszczyznę prostopadłą do rozpatrywanego

kierunku rozchodzenia światła

2cos

dI lmL

dSm sr

θ

=

(8)

2. Parametry ekranu ciekłokrystalicznego LCD

2.1. Właściwości ogólne

Każdy monitor, bez względu na to czy kineskopowy (CRT), czy ciekłokrystaliczny (LCD),

scharakteryzowany jest przez pewne parametry. Do podstawowych parametrów ekranów

ciekłokrystalicznych opisujących ich właściwości użytkowe, można zaliczyć: • Luminancję i jasność. • Kontrast oraz współczynnik kontrastu.

• Kontrast barwy i chromatyczność. • Czas reakcji matrycy.

• Moc niezbędna do wysterowania.

• Odblask.

• Rozdzielczość, zdolność rozdzielcza.

• Równomierność podświetlania.

• Kąty widzenia.

• Klasa monitora.

• Złącza.

Do podanych wyżej parametrów można dodać szereg dalszych, charakteryzujących ekran w

bardziej szczegółowy sposób.

Kontrast barwny i chromatyczność

5

(uzupełnić o wiadomości zawarte w materiałach do wykładu).

Barwę światła można scharakteryzować poprzez trzy czynniki: odcień, nasycenie oraz

jaskrawość. Można powiedzieć, że odpowiedni dobór tych czynników pozwala na

prawidłowe odwzorowanie wszystkich barw. Obiektywna metoda wyznaczania danej barwy

opiera się na wyznaczeniu współrzędnych trójchromatycznych. Odpowiednie współrzędne

chromatyczne zaznacza się na wykresie chromatyczności. Aby wyznaczyć współrzędne

chromatyczne wymagana jest znajomość widmowego rozkładu energetycznego wyświetlacza

ciekłokrystalicznego. Charakterystykę widmową danej barwy stanowi związek pomiędzy

emisją światła a długością fali w zakresie widzialnym (380-780µm). Następnie należy

obliczyć składowe trójchromatyczne a na ich podstawie współrzędne trójchromatyczne, które

nanosi się na wykres chromatyczności. Na rys.2 przedstawiony został diagram

chromatyczności we współrzędnych XY.

Rys. 2. Diagram chromatyczności

Moc niezbędna do wysterowania wyświetlacza.

Parametrem niewątpliwie ważnym jest moc niezbędna do wysterowania ekranu

ciekłokrystalicznego. Parametr ten odgrywał bardzo znaczną role w pierwszej fazie

powstawania wyświetlaczy ciekłokrystalicznych. Dąży się do tego, aby napięcia i natężenia

prądu sterującego przykładane do elektrod wyświetlacza były tego samego rzędu, co

potrzebne do zasilania elektroniki sterującej wyświetlaczem. Wówczas możliwa jest

współpraca bez potrzeby dodatkowych stopni dopasowujących.

Odblask. Przez odblask rozumiane jest światło trafiające do oczu obserwatora ze źródła innego niż wyświetlany obraz. Odblask wpływa na widoczność i czytelność, dąży się więc do tego, aby

był on jak najmniejszy. Pochodzenie odblasków może mieć rożne źródła. Można rozróżnić trzy typy odblasków:

• Bezpośredni - występuje, gdy źródło światła świeci prosto w oczy obserwatora (np.

wynika to ze źle ustawionej lampy lub okna).

6

• Rozproszeniowy (dyfuzyjny) - jest skutkiem odbicia się światła od powierzchni

otaczających.

• Odbiciowy - jest skutkiem odbicia lub rozproszenia od powierzchni zewnętrznej

wyświetlacza (patrz - materiały do wykładu).

Odblaski mogą powodować znaczne pogorszenie jakości odbieranego obrazu (głównie

kontrastu).

Liczba wyświetlanych kolorów.

Jest to bardzo ważny parametr gdyż mówi nam, do jakiego zastosowania może zostać użyty

dany monitor. Im większa liczba wyświetlanych kolorów tym obraz jest bardziej ostry,

poprawia się zatem jakość wyświetlanego obrazu. Wyświetlane kolory uzyskuje się z trzech

podstawowych barw RGB: czerwonej, niebieskiej, zielonej. Każdy piksel składa się z trzech

subpikseli i jest zaopatrzony w trójkolorowy filtr RGB. Dzięki zachowaniu indywidualnej

kontroli każdego subpiksela, uzyskano możliwość odwzorowania ogromnej liczby - 256

odcieni na każdy subpiksel, tj. 2563 dla 3-ch subpikseli. Daje to możliwość wyświetlania od

16,2 do 16,7 mln kolorów przez każdy piksel matrycy

Klasa monitora.

Ekrany ciekłokrystaliczne LCD mają to do siebie, że nawet najlepsze modele mogą mieć uszkodzone pojedyncze subpiksele. Normy odnośnie defektów w ekranach

ciekłokrystalicznych określają, możliwość istnienia pewnych defektów matrycy, które

powstają w trakcie procesu produkcji, transportu, czy też użytkowania. Istnieją cztery ogólne

normy dzielące monitory ze względu na typ i liczbę defektów matrycy. Zdecydowana

większość monitorów ciekłokrystalicznych należy do klasy drugiej. Tylko nieliczne

wyświetlacze należą do klasy pierwszej, wtedy to producent bierze na siebie niemalże

całkowitą odpowiedzialność na siebie za martwe piksele.

Normą opisującą granice niesprawności jest norma ISO 13406-2 . Podział na typy i grupy

niesprawności znajduje się w tabeli 3.

Grupa Typ1 Typ2 Typ3

I 0 0 0

II 2 2 5

III 2 15 50

IV 50 150 500

Tabela 3. Typy i grupy niesprawności

Typ niesprawności 1: w pełni świecący piksel (kolor biały)

Typ niesprawności 2: całkowicie nieświecący piksel (kolor czarny)

Typ niesprawności 3: uszkodzona jedna z barw składowych (czerwona, zielona lub

niebieska), ciągle świeci lub ciągle nie świeci.

Złącza.

7

Liczba złącz, w które wyposażony jest monitor ułatwia jego zastosowanie do różnych celów.

Najważniejsze złącza, jakie powinien posiadać monitor ciekłokrystaliczny to:

DVI

D-SUB

DVI (Digital Video Interface) - służy do przesyłania, w postaci cyfrowej sygnału wideo

między domowymi urządzeniami elektronicznymi takimi jak odtwarzacz DVD i wzmacniacz

A/V czy odtwarzacz DVD i projektor, ekran plazmowy czy panel LCD. Jednym słowem

jeżeli monitor będzie posiadał tego typu złącze, będzie można w razie potrzeby rozszerzyć jego zastosowania. Możliwe okaże się np. podłączenie do niego odtwarzacza DVD

D-Sub - złącze analogowe służące do przesyłania sygnałów pomiędzy komputerem a

monitorem. Sygnały wysyłane są za pośrednictwem 15-pinowego kabla analogowego. Takie

sygnały są mało odporne na zakłócenia zewnętrzne i dlatego coraz bardziej popularne stają się złącza DVI.

Luminancja i równomierność podświetlenia.

Luminancja – jest podstawowym parametrem fotometrycznym opisującym emisję lub odbicie

światła od danej powierzchni. Jest to główny parametr określający jej jasność czyli cechę psychofizjologiczną. W zależności od ilości światła docierającego do danej powierzchni jest

ona postrzegana jako bardziej lub mniej jasna. Postrzegana jasność zależy od natężenia

oświetlenia oraz od otoczenia obserwowanej powierzchni, podczas gdy luminancja mówi o

strumieniu świetlnym rzeczywiście emitowanym lub odbijanym od jednostkowej powierzchni

obserwowanego obiektu. Jasność podawana jest w ANSI lumenach. American National

Standards Institute usystematyzował metodę mierzenia strumienia świetlnego w specyfikacji

ANSI. Metoda ta polega na pomiarze luminancji źródła światła w kilkunastu miejscach, a

następnie uśrednieniu wyników pomiaru. Dzięki temu standardowi istnieje możliwość łatwiejszego porównywania jasności poszczególnych wyświetlaczy. Jednostką luminancji jest

lumen na metr kwadratowy na steradian [lm/ m2*sr].

W zależności od luminancji mierzonej w różnych punktach ekranu wyświetlacza

ciekłokrystalicznego można określić także równomierność podświetlenia.

Kontrast i kontrastowość.

Drugim niezwykle ważnym parametrem jest kontrast. W wypadku ekranów

ciekłokrystalicznych LCD bardziej popularnym parametrem jest tzw. kontrastowość (współczynnik kontrastu) - CR= Contrast Ratio. Jest on zdefiniowany jako stosunek

luminancji maksymalnej Lmax do minimalnej Lmin

max.

min.

CR LL

= (9)

Tak wiec widać, że kontrastowość CR jest większa lub równa 1. Im wyższa jest

kontrastowość (współczynnik kontrastu), tym większa jest zdolność ekranu (lub projektora)

do wyświetlania poszczególnych półtonów oraz odcieni kolorów. Przykładowo współczynnik

wynoszący 1000:1 w praktyce oznacza, iż najjaśniejszy punkt widoczny na ekranie jest aż 1000 razy jaśniejszy od najciemniejszego. Przekłada się między innymi na zdolność do

odwzorowania wyraźnych konturów jasnych i ciemnych obiektów. Większy kontrast pozwala

na dokładniejsze odwzorowanie barw. Bez specjalnych przyrządów pomiar kontrastu jest

trudny.

Oczywiście z punktu widzenia odbiorcy kontrast powinien być jak najwyższy, pozwalający

na reprodukcję głębokiej czerni. Czerń jest w wypadku monitorów LCD kluczowym

8

zagadnieniem, gdyż monitory LCD przez swoją zasadę działania, nie są w stanie wyświetlić czerni o tak niskim poziomie jasności jak kineskop lub ekran plazmowy. Należy przy tym

wspomnieć, że skoro poziom jasności ma bezpośredni wpływ na wynik pomiaru kontrastu, to

im monitor ma większą jasność, tym będzie się legitymował większym współczynnikiem

kontrastu. Monitory z ekstremalnie wysoką jasnością, np. 500 cd/m2 i więcej mają wysoki

parametr kontrastu.

Zależności luminancji i kontrastu od kąta obserwacji.

Następnym bardzo ważnym parametrem użytkowym wyświetlaczy ciekłokrystalicznych jest

niewątpliwie zależność kątowa luminancji i kontrastu zarówno w poziomie i pionie, czyli tzw.

kąty widzenia. Kąty widzenia jest to zakres przestrzeni (w stopniach), w której obserwator

widzi zawartość ekranu bez zniekształcenia lub spadku kontrastu. Moment, w którym obraz

jest już nie do przyjęcia, określa kąt graniczny. Używany jest przy tym współczynnik

kontrastu CR [Contrast Ratio], który przy kącie granicznym powinien wynosić 10.

Współczynnik CR nie jest z reguły podawany w specyfikacji monitora, co jest niestety furtką do wielu manipulacji. Duże kąty widzenia to bezwzględnie atuty monitora LCD. W

zależności od zastosowanej matrycy kąty te mogą sięgać od 130º do nawet 170º w obu

płaszczyznach w przypadku monitorów opartych o matrycę VA. Najlepiej, gdy kąt widzenia

w pionie jest taki sam jak w poziomie. Jest to istotne przy korzystaniu z trybu portretowego.

Niestety stosowane w wyświetlaczach TFT-LCD filtry polaryzacyjne negatywnie wpływają na kąty widzenia. Dopiero technologie MVA i IPS pozwalają na uzyskanie naprawdę szerokich kątów widzenia- rzędu 170 stopni w pionie i w poziomie. W przypadku najtańszych

paneli wyposażonych w matryce TN komfortowa praca obejmująca poprawne prezentowanie

kolorów oraz wysoki kontrast będzie możliwa praktycznie jedynie w przypadku, kiedy nasze

oczy nie będą odchylone od centrum panelu o więcej niż około 65º w poziomie (130º w obu

kie

runkach) oraz około 50º w pionie (100º w obu kierunkach).

Czas reakcji matrycy.

Ważnym parametrem z punktu widzenia użytkownika jest czas reakcji matrycy ekranu

ciekłokrystalicznego LCD. Czas reakcji matrycy określa jak szybko punkt obrazu (piksel)

matrycy ciekłokrystalicznej potrafi przejść od poziomu czerni do poziomu bieli. Czas ten

można podzielić na składowe: czas zapalania piksela (przejście od czarnego do białego) i czas

gaszenia (od białego do czarnego). Parametr ten podaje się, aby zróżnicować wyświetlacze o

różnym stopniu bezwładności. Im większa tym gorzej monitor będzie się sprawował w

szybkich sekwencjach video, grach i generalnie zastosowaniach rozrywkowych. Będzie

powodował tzw. efekt smużenia, w formie charakterystycznej smugi za przesuwającym się obiektem.

Rozdzielczość i zdolność rozdzielcza.

Zdolność rozdzielczą ekranu można zdefiniować jako liczbę poszczególnych punktów

(pikseli), z których składa się obraz. Jest to liczba linii i kolumn matrycy (w poziomie i

pionie), których iloczyn wyznacza łączną ilość pikseli. Rozdzielczość określa najmniejsza

odległość dwóch przylegających do siebie elementów obrazu rozróżnialnych na ekranie w

9

danych warunkach obserwacji. Zdolność rozdzielcza jest odwrotnie proporcjonalna do

rozdzielczości i odwrotnie. Im wyższa rozdzielczość (mniejszy odstęp między pikselami),

tym większa liczba możliwych do wyświetlenia linii poziomych i pionowych tj. większa

zdolność rozdzielcza. To z kolei wpływa na czytelność obrazu i możliwość wyświetlenia

większej ilości detali. Zdolność rozdzielcza przeważnie wzrasta wraz z przekątną monitora..

Każdy monitor ma ustalona zdolność rozdzielczą, której zmniejszenie powoduje pojawienie

się nieprzyjemnych dla oka plam. Ustawienie większej wartości nie jest możliwe. Przy

zdolności rozdzielczej innej niż naturalna, aby rozszerzyć obraz na pełny ekran, w panelach

LCD musi zostać wykonana interpolacja. W przypadku, gdy interpolowana zdolność rozdzielcza nie jest wielokrotnością wartości naturalnej, niektóre linie stają się cieńsze niż pozostałe. Zdolność rozdzielcza niższa, niż liczba pikseli wyświetlacza LCD powoduje, że

tekst staje się rozmazany a linie wydają się być pogrubione. Poniżej podano zestawienie

najpopularniejszych obecnie przekątnych ekranu monitorów komputerowych i

odpowiadających im wartości zdolności rozdzielczej:

• 15 cali - 1024x768px.

• 17 cali - 1280x1024px.

• 19 cali - 1280x1024px .

• 20,1 cali 1600x1200px .

• 19 cali (panoramiczne) - 1440x900px.

• 20,1 cali (panoramiczne) - 1680x1050px.

3. Budowa stanowiska pomiarowego.

Budowę stanowiska do pomiarów parametrów elektrooptycznych wyświetlacza

ciekłokrystalicznego LCD, można zobrazować za pomocą schematu blokowego

przedstawionego na rys.3.

Rys. 3. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego

Zasilacz sieciowy- Symetryczne zasilanie +/- 15 V, układu wzmacniającego sygnał z

fotodiody, uzyskano łącząc ze sobą dwa niesymetryczne zasilacze stabilizowane ZS 15-1000

o napięciu znamionowe 15V.

Parametry zasilacza ZS 15-1000

• Napięcie znamionowe 15V.

• Wydajność prądowa 1A.

• Układ stabilizujący LM7815.

10

Układ do pomiaru luminancji pod względem elektrycznym składa się z dwóch bloków:

układu wzmacniającego sygnał oraz fotodetektora.

Rys.4. Schemat układu do pomiaru luminancji (E- mierzony ekran, d- przesłona pomiarowa, r-

odległość fotodiody od mierzonego ekranu, Ad- powierzchnia aktywna fotodiody)

Układ wzmacniający sygnał z fotodetektora - Ponieważ sygnał z fotodiody jest bardzo

słaby wymagane jest wzmocnienie około 240 V/V. W tym celu został zastosowany układ

wzmacniający, oparty na układzie scalonym OP07.

Fotodetektor- jako fotodetektor została użyta fotodioda p-i-n BPW21 dokonująca detekcji

promieniowania z zakresu 350nm-820nm, czyli z zakresu światła widzialnego. Najważniejsze

parametry fotodiody BPW21:

• Powierzchnia fotoczuła fotodiody 7.34 mm2.

• Czułość 10nA/lx.

• Wartość prądu ciemnego 2nA (przy napięciu polaryzacji 5V).

11

Rys. 5. Wyposażenie stanowiska pomiarowego) komputer PC; b) monitor pomiarowy; c) monitor

pomiarowy z zamontowanym urządzeniem detekcyjnym; d) oscyloskop cyfrowy ADS220;

e) multimetr cyfrowy

12

Monitor pomiarowy- Jako monitor będący przedmiotem pomiarów, inaczej mówiąc monitor

testowany, został użyty monitor DELL 1504FP Ultra Sharp. Jest to monitor 15 calowy z

matrycą aktywną TFT. Poniżej przedstawiono jego parametry podane przez producenta.

Kontrast 400:1

Kąty widzenia poziom/pion 160O/160

O

Jasność maksymalna 250 cd/m2

Czas reakcji 25 ms Tabela 4. Zestawienie parametrów producenta

Komputer PC – komputer klasy PC służący do monitorowania i uruchamiania aplikacji

pomiarowych. Do komputera podłączone są dwa monitory: jeden testowany, drugi

komunikacyjny. Oprogramowanie do przeprowadzenia testów monitora zostało napisane w

języku C#.

Oscyloskop- oscyloskop cyfrowy ADS220 Digital Real-Time Osciloskope. Oscyloskop w

formie wyposażenia dodatkowego został zainstalowany do komputera.

Miernik cyfrowy – Digital Multimetr. Prosty w obsłudze multimetr cyfrowy o rezystancji

wejściowej 9 MΩ, przy pomiarze napięcia stałego.

4. Zasada działania układu do pomiaru luminancji.

4.1. Pomiar luminancji.

Luminancja jest najważniejszym parametrem wyświetlaczy ciekłokrystalicznych. Parametr

ten mówi nam o jasności wyświetlanego obrazu. Aby wyznaczyć luminancje, należy znać kąt bryłowy, w jakim jest zawarty emitowany strumień świetlny i powierzchnię źródła światła.

Dla obliczenia tych wielkości, schemat funkcjonalny układu do pomiaru luminancji pokazany

na rys. 4. należy uzupełnić schematem optycznym przedstawionym na rys. 6.

Rys. 6. Konfiguracja geometryczna źródła i detektora

Pomiary luminancji ekranu za pomocą opisanego układu, wymagają jego wcześniejszego

skalowania. Skalowanie przeprowadzono korzystając z cyfrowego miernika natężenia światła

DLM2 umożliwiającego pomiary do 50000lx w trzech podzakresach. Najczulszy z nich

obejmuje wartości od 1 lx do 2000 lx. Skalowanie polega zatem na wyznaczeniu wielkości

wchodzących w skład wzoru (4) na luminancję i podstawieniu ich do tego wzoru:

13

2

2cos cos

WL

dAd A sr

dmθ θ

Φ Φ= ≈

Ω Ω

(4a)

przy czym: Φ ≈ Es ·As ≈ Ed · Ad , Ωds ≈ Ads /r2

Istnieją zatem tu dwie możliwości skalowania układu pomiarowego, w zależności czy

natężenie światła mierzy się po stronie ekranu czy też detektora, tj.:

a) przez pomiar natężenia światła ekranu a następnie obliczenie jego luminancji i

porównanie ze wskazaniami układu pomiarowego,

b) przez wyznaczenie wskazań układu przy danej (zmierzonej) wartości natężenia

oświetlenia fotodiody, a następnie obliczenie wartości luminancji ekranu powodującej

takie same natężenie oświetlenia fotodiody w układzie pomiarowym.

Skalowanie przeprowadzono dwoma wymienionymi sposobami, wyznaczając wartość średnią współczynnika skalowania, bez odniesienia do lambertowskiego rozkładu

kątowego promieniowania (tj. przy założeniu cos Θ = 1 we wzorze (4)):

[lm/m2*sr ] Lc1 = 200 Uodcz [V] (10)

4.2. Równomierność podświetlenia

Wyniki równomierności podświetlenia podawane są w procentach w stosunku do środka

matrycy, gdzie luminancja wynosi 100%. Określenie równomierności podświetlenia

sprowadza się zatem do obliczenia procentowego stosunku luminancji w rogach ekranu w

stosunku do środka ekranu to znaczy:

Górny róg ekranu

%100(%)0

∗=L

LL

g

g (11)

Dolny róg ekranu

%100(%)0

∗=L

LL d

d (12)

4.3. Pomiar kontrastowości.

Kontrastowość CR określa się jako stosunek luminancji pola białego i czarnego na ekranie.

Poziom sygnału dla czarnego pola ekranu jest bardzo mały i aby zmierzyć go poprawnie

należy uwzględnić sygnał początkowy (dla L = 0), spowodowany przez prąd ciemny

fotodiody i niezrównoważenie wzmacniacza. Aby wyznaczyć niezbędną poprawkę, należy

zmierzyć napięcie sygnału dla ekranu przy czarnej planszy oraz przy całkowicie wyłączonym

monitorze. Rzeczywistą wartość sygnału przy wyświetlaniu czarnej planszy uzyskuje się poprzez odjęcie od napięcia sygnału przy czarne planszy, napięcia przy wyłączonym

całkowicie monitorze (poziom zakłóceń).

1 .U cz wylU U= − (13)

Stąd, kontrastowość K uzyskuje się w formie:

14

K = U2 /U1 (14) gdzie :

U1-napiecie rzeczywiste przy wyświetlaniu czarnej planszy

Ucz –napięcie przy wyświetlaniu czarnej planszy bez kompensacji napięcia niezrównoważenia

Uwył. – napięcie przy wyłączonym monitorze

U2 – napięcie przy wyświetlaniu białej planszy.

Pomiaru kontrastu dokonuje się dla trzech przypadków:

a) Pomiar kontrastowości całego ekranu:

polega na pomiarze kontrastowości przy sekwencyjnej zmianie plansz czarna-biała-czarna.

Stosunek sygnału białej planszy do sygnału rzeczywistego czarnej planszy, daje informacje o

kontrastowości.

b) Pomiar kontrastowości dużych pól:

polega na pomiarze kontrastowości przy sekwencyjnej zmianie planszy pozytywu na negatyw

(szachownica 3x3 kwadratów).

c) Pomiar kontrastowości małych pól:

polega na pomiarze kontrastowości przy sekwencyjnej zmianie planszy z pozytywu na

negatyw (szachownica 64x48 kwadratów).

4.4 Pomiar zależności luminancji i kontrastowości od kąta obserwacji.

Pomiar ten polega na zmierzeniu luminancji oraz kontrastowości w funkcji zmiany kąta

obserwacji. Procedura pomiarowa jest taka sama jak w przypadku pomiaru luminancji i

kontrastowości, z tym ze pomiaru dokonuje się pod różnymi kątami. Ma ona na celu

wyznaczenie kątów granicznych, dla których wyświetlany obraz jest akceptowalny dla

obserwatora.

4.5. Pomiar czasu reakcji matrycy.

Aby dokonać pomiaru czasu reakcji wyświetlacza ciekłokrystalicznego korzysta się z

oscyloskopu cyfrowego. Pomiar polega na wyświetlaniu na przemian białego i czarnego tła,

oraz pomiar odpowiedzi matrycy na oscyloskopie. Czas narostu mierzony jest od 10% do

90% wartości luminancji, zaś czas zaniku od 90% do 10% wartości luminancji.

15

5. Procedury pomiarowe.

5.1. Przygotowanie stanowiska pomiarowego. W celu przygotowania zestawu pomiarowego do pomiaru parametrów wyświetlacza

ciekłokrystalicznego LCD należy wykonać następujące czynności:

1) Podłączyć zasilacze do listwy zasilającej i włączyć ją. 2) Włączyć komputer PC. Zdjąć ostrożnie płytę pomiarową. 3) Uruchomić aplikacje ”Test.Ekranu.pełny.ekran” (prawy monitor) znajdującej się na

pulpicie.

4) Okienko MainForm przeciągnąć na monitor lewy.

5) Płytę pomiarową nałożyć ostrożnie na monitor prawy.

6) Podłączyć kabel koncentryczny do miernika cyfrowego, ustawić zakres 2V DC i

włączyć go.

7) Zmierzyć napięcie niezrównoważenia wzmacniacza układu pomiarowego przy

wyłączonym monitorze Uwył1 i zanotować w tabelach pomiarowych (tabela 1, 2, 3).

8) Włączyć monitor.

Opis aplikacji pomiarowej:

• Wybór testu – funkcja wyboru testu.

• Zmiana – tryb zmiany planszy (do wyboru zmiana ręczną – spacja, lub automatyczna

z nastawianiem czasu zmiany planszy). Zmiana testu wymaga wyjścia z aktualnego

przez Esc.

5.2. Pomiar luminancji i kontrastowości wyświetlacza ciekłokrystalicznego LCD w

trzech miejscach pomiarowych

Środek ekranu

1) Ustawić test nr 4 (cała plansza).

2) Wybrać tryb zmiany – ‘zmiana ręczna’ (zmiana ekranu czarnego na biały – spacja).

3) Ustawić detektor w pozycji pionowej na środku ekranu.

4) Uruchomić aplikację testową za pomocą przycisku ’uruchom test’.

5) Ustawić dźwignię detektora w pozycji zbliżonej do normalnej (ok. 900 na podziałce

kątowej) i doprecyzować jej położenie, przy którym występuje maksimum wskazań

woltomierza. Znalezioną pozycję przyjąć za zerową, odliczając następnie pozycje

pomiarowe co 100 wzdłuż białej części podziałki kątowej. Notować w protokole

wartości sygnału odczytane na mierniku dla planszy białej i czarnej w zależności od

kąta obserwacji (zmiana od 0 do 70o) (tabela nr 1).

6) Ustawić detektor w pozycji poziomej.

7) Powtórzyć procedurę z punktu 5.

8) Wyłączyć monitor pomiarowy.

9) Zanotować powtórnie napięcie sygnału przy wyłączonym monitorze Uwył2.

10) W celu obliczania kontrastu jako Uwył przyjąć średnią arytmetyczną napięcia przy

wyłączonym monitorze, przed i po dokonaniu pomiarów, a także uśrednić wartość sygnału w czarnym polu dla wszystkich pochyleń detektora (jedna wartość średnia w

danym ciągu pomiarów!).

Górne naroże ekranu W celu dokonania pomiarów w górnym narożu powtórzyć procedurę pomiarową 1-10 z

punktu 5.2. Wyniki umieścić w tabeli nr 2.

16

Dolne naroże W celu dokonania pomiarów w dolnym narożu powtórzyć procedurę pomiarową 1-10 z

wcześniejszego punktu 5.2.

11) Ustawić test nr 3 (drobne szczegóły) – zmiana testu po wyjściu przez Esc z

poprzedniego testu.

12) Zmieniając kąt, co 100 wzdłuż białej części podziałki kątowej, notować w protokole

wartości sygnału odczytane na mierniku dla pozytywu i negatywu testu 3 (zmiana

przez naciśnięcie spacji) w zależności od kąta obserwacji (zmiana od 0 do 70o).

13) Ustawić detektor w pozycji poziomej.

14) Powtórzyć procedurę z punktu 12.

Wyniki umieścić w tabeli nr 3. Po zakończeniu pomiarów pozostawić detektor w pozycji

środkowej.

5.3. Wyznaczanie równomierności podświetlania Na podstawie przeprowadzonych pomiarów luminancji określić równomierność podświetlania względem środka ekranu wg. wzorów (11), (12).

5.4. Obliczenia parametrów ekranu. - Obliczyć wartość luminancji zależnej od napięcia odczytanego na mierniku cyfrowym

według wzoru (10), bez odniesienia do lambertowskiego rozkładu kątowego (tj. przy

założeniu cos Θ = 1 we wzorze (4)):

[lm/m2*sr ] Lc1 = 200 Uodcz [V] (10)

- Obliczyć wartość kontrastowości.

- Ustalić rzeczywistą wartość sygnału dla planszy czarnej; należy posłużyć się zależnościami

(13) i (14) i przyjąć wartość średnią dla danego ciągu pomiarów w funkcji kąta pochylenia

detektora (z powodu fluktuacji „0” wzmacniacza sygnału).

5.5. Pomiar czasu reakcji matrycy.

1) Włączyć monitor pomiarowy.

2) Uruchomić oscyloskop cyfrowy ADS220 (skrót na ekranie).

3) Wybrać test nr 4.

4) Ustawić tryb zmiany – ‘zmiana automatyczna’ czas zmiany ‘0,1’.

5) Kabel koncentryczny podłączyć do pierwszego kanału oscyloskopu.

6) Ustawić układ pomiarowy w położeniu środkowym pionowo, (z detektorem pod

kątem 0o względem normalnej do ekranu).

7) Uruchomić aplikację. 8) Zmierzyć na oscyloskopie czas narostu i czas opadania impulsu.

9) Wykreślić kształt zbocza rosnącego i opadającego.

10) Wyznaczyć czas reakcji matrycy ze wzoru.

2

r fτ τ+Τ = (3.32)

gdzie: τr – czas narostu, τf - czas opadania

Uwaga!! - pomiaru czasu narostu i opadania impulsu należy dokonać w zakresie od 10% do

90% wartości maksymalnej sygnału.

17

Rys.3.8 Przebiegi obserwowane na oscyloskopie. Wykres zbocza narastającego(lewy), oraz

opadającego (prawy)

* Po skończeniu ćwiczenia zamknąć aplikację pomiarową, wyłączyć oscyloskop,

wyłączyć zasilacze zasilające detektor, wyłączyć komputer.

5.6. Sporządzenie wykresów zależności luminancji i kontrastowości od kąta obserwacji.

Na podstawie obliczonych wartości luminancji i kontrastowości sporządzić wykresy:

1) Wykres zależności luminancji względnej Lc1/L0 (odniesionej do wartości przy kącie

pochylenia detektora 0o) od kąta obserwacji w pionie (dla 3 położeń detektora).

2) Wykres zależności kontrastowości względnej dużych pól (odniesionej do wartości przy kącie

pochylenia detektora 0o) od kąta obserwacji w pionie (dla 3 położeń detektora).

3) Wykres zależności kontrastowości względnej małych szczegółów (odniesionej do wartości

przy kącie pochylenia detektora 0o) od kąta obserwacji w pionie (dla 3 położeń detektora).

4) Wykres zależności luminancji względnej Lc1/L0 (odniesionej do wartości przy kącie

pochylenia detektora 0o) od kąta obserwacji w poziomie (dla 3 położeń detektora).

5) Wykres zależności kontrastowości względnej (odniesionej do wartości przy kącie pochylenia

detektora 0o) od kąta obserwacji w poziomie (dla 3 położeń detektora).

6) Wykres zależności kontrastowości względnej małych szczegółów (odniesionej do wartości

przy kącie pochylenia detektora 0o) od kąta obserwacji w poziomie (dla 3 położeń detektora).

• Na wykresach podać wartości maksymalne funkcji jako ich parametr!

• Na wykresy zależności luminancji względnej Lc1/L0 nanieść wykres funkcji cos Θ, ilustrujący lambertowski rozkład natężenia promieniowania i zwrócić uwagę, czy

luminancja zmienia się zgodnie z tą funkcją (źródło lambertowskie).

UWAGA!!!! Ze względu na czytelność zalecane jest załączenie do sprawozdania

wniosków w formie drukowanej.

6. Pytania kontrolne

1. Zdefiniuj znane ci parametry radio- i fotometryczne promieniowania świetlnego i podaj

stosowane jednostki.

2. Cechy psychofizyczne i psychofizjologiczne światła. Prawa Grassmana. Składowe i

współrzędne trójchromatyczne (m. do wykładu).

3. Budowa, działanie i własności ekranu LCD TN. (m. do wykładu).

4. Parametry użytkowe ekranów LCD.

5. Zasada pomiaru luminancji i kontrastowości ekranu LCD stosowana w ćwiczeniu.