ćwiczenie 12 - opis
advertisement
LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI OBRAZOWEJ – Ćw. 12 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]. Φ e = dW dt [W ] (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]. I * e = d Φ W d Ω sr (2) Tekst wprowadzenia do ćw.12 stanowi uzupełnienie wiadomości zawartych w materiałach do wykładu. 1 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/m2). dΦ W (3) = E e dA m 2 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 L= dΦ dAd Ω cos θ ≈ Φ AΩ cos θ W 2 m sr (4) Gdzie: Ω- kąt bryłowy, A – pole powierzchni. Wielkości świetlne –fotometryczne. 2 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 Φ=Km∫ (5) Φ V (λ )d λ [lm] e 380 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] 380 400 420 440 460 480 500 520 540 550 560 V(λ) 0 0,0004 0,004 0,023 0,06 0,139 0,323 0,71 0,954 1 0,955 λ [nm] 580 600 620 640 660 680 700 720 760 780 V(λ) 0,87 0,631 0,381 0,175 0,061 0,017 0,0041 0,00105 0,00025 0,00006 Tabela 2. Względna skuteczność normalnego obserwatora fotometrycznego 3 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] . I= d Φ lm d Ω sr (6) Iluminacja – jest fotometrycznym odpowiednikiem natężenia oświetlenia. Jest to stosunek strumienia świetlnego do powierzchni, która jest oświetlona. Jednostką iluminacji jest lux [lx = lm/m2] E= d Φ lm dS m 2 (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 L= lm dI dS cos θ m 2 sr (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 4 (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). 5 • 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 I II III IV Typ1 0 2 2 50 Typ2 0 2 15 150 Typ3 0 5 50 500 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. 6 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 (9) CR = L max. L min. 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 7 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 8 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. 9 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, rodległość 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). 10 Rys. 5. Wyposażenie stanowiska pomiarowego) komputer PC; b) monitor pomiarowy; c) monitor pomiarowy z zamontowanym urządzeniem detekcyjnym; d) oscyloskop cyfrowy ADS220; e) multimetr cyfrowy 11 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 Kąty widzenia poziom/pion Jasność maksymalna Czas reakcji 400:1 160O/160O 250 cd/m2 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: 12 2 L= przy czym: dΦ dAd Ω cos θ ≈ W Φ AΩ cos θ m 2sr (4a) 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 Lg L g (%) = ∗ 100% (11) L0 Dolny róg ekranu Ld (%) = Ld ∗ 100% L0 (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). (13) U1 = U cz −U wyl . Stąd, kontrastowość K uzyskuje się w formie: 13 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. 14 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 Ustawić test nr 4 (cała plansza). Wybrać tryb zmiany – ‘zmiana ręczna’ (zmiana ekranu czarnego na biały – spacja). Ustawić detektor w pozycji pionowej na środku ekranu. Uruchomić aplikację testową za pomocą przycisku ’uruchom test’. 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!). 1) 2) 3) 4) 5) 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. 15 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 podświetlania względem środka ekranu wg. wzorów (11), (12). określić równomierność 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) 2) 3) 4) 5) 6) Włączyć monitor pomiarowy. Uruchomić oscyloskop cyfrowy ADS220 (skrót na ekranie). Wybrać test nr 4. Ustawić tryb zmiany – ‘zmiana automatyczna’ czas zmiany ‘0,1’. Kabel koncentryczny podłączyć do pierwszego kanału oscyloskopu. 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. Τ= τ +τ r f 2 (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. 16 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 2) 3) 4) 5) 6) • • pochylenia detektora 0o) od kąta obserwacji w pionie (dla 3 położeń detektora). Wykres zależności kontrastowości względnej dużych pól (odniesionej do wartości przy kącie pochylenia detektora 0o) od kąta obserwacji w pionie (dla 3 położeń detektora). Wykres zależności kontrastowości względnej małych szczegółów (odniesionej do wartości przy kącie pochylenia detektora 0o) od kąta obserwacji w pionie (dla 3 położeń detektora). Wykres zależności luminancji względnej Lc1/L0 (odniesionej do wartości przy kącie pochylenia detektora 0o) od kąta obserwacji w poziomie (dla 3 położeń detektora). Wykres zależności kontrastowości względnej (odniesionej do wartości przy kącie pochylenia detektora 0o) od kąta obserwacji w poziomie (dla 3 położeń detektora). 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. 17
