机载液晶显示器像素质量自动检测系统的研究.pdf

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1、浙江大学硕士学位论文论文作者签名：指导教师签名：醯论文评阅人1：评阅人2：评阅人3：评阅人4：评阅人5：答辩委员会主席：委员l：委员2：委员3：委员4：委员5：答辩日期：圣!兰釜主臼竖旦IIYItlllll2lltllllollllll4tlll8llllll3llllllolllllll6llLIY 2 0 4 8 3 0 6浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志

2、对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：矽1 1年3 月f-7E l学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝鎏盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：多图亿导师签名签字日期：俨1 1 年玉月(1 日签字日期日浙江大学硕士学位论文摘要近几年来，随着科学技术的不断发展，液晶显示技术已经取得了显著的进步，液晶显示器已经逐渐

3、替代了C R T(阴极射线管显示器)在显示市场的地位。液晶显示器不仅在消费类电子产品中得到了大量的应用，而且更在众多高新技术领域，如航空航天、国防军工、监控安保等方面发挥着自己重要的作用。目前，国内对飞机机载液晶显示器的光电性能进行自动验证和评估工作开展甚少。因此，本课题的研究目的是在充分研究机载液晶显示器光色显示特点的基础上，开发符合G J B 5 1 8 7-2 0 0 3 机载有源矩阵液晶显示器通用规范及G J B 5 4 3 5-2 0 0 5 机载有源矩阵液晶显示器光度和色度测量方法对机载平面显示器像素质量检测的方法和要求，设计机载平面显示器的像素质量自动综合测试系统。本课题的研究内

4、容主要是对机载液晶显示器像素亮度、疵点(亮点、暗点、色点)及分辨率测量的整体设计本论文依据机载液晶显示器测量方法，设计了一种能对液晶显示器的像素质量的各主要性能指标进行自动测量的系统。该系统的设计包含了被测液晶显示器，根据测量要求自行设计的成像式亮度计，控制亮度计上下、左右、前后运动的三维自动移动的测量平台以及测试软件。三维自动运动平台和测试软件配上成像式亮度计，就可实现机载液晶显示器的像素亮度、疵点、分辨率等像素特性的自动测试。本课题的主要内容包括了根据项目技术规范与测量要求选择合适焦距的镜头和合适分辨率的C C D，组成成像式亮度计；根据伺服电机驱动电路的通信协议，设计自动控制机构运动的测

5、量系统；根据测量项目的要求，利用工控机的副显卡，设计被测显示器的信号源；最后，整合所有功能，设计完整的液晶像素质量自动检测系统关键词：L C D 像素质量自动测量I l l浙江大学硕士学位论文A B S T R A C TI nr e c e n ty e a r s，w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y,L C Dt e c h n o l o g yh a sm a d es i g n i f i c a n tp r o g r e s s

6、 L C Dh a sg r a d u a l l yr e p l a c e dt h eC R T(c a t h o d er a yt u b ed i s p l a y)i nt h ed i s p l a ym a r k e t L C Dd i s p l a yn o to n l yi nt h ec o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t sh a v eb e e nal o to fa p p l i c a t i o n s，b u ta l s oi nm a n yh i g h-t e c hf

7、 i e l d ss u c ha sa e r o s p a c e，d e f e n s ei n d u s t r y,s e c u r i t ym o n i t o r i n gh a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h e i ro w n A tp r e s e n t,t h es t u d yo fa u t o m a t i c a l l yv e r i f ya n de v a l u a t ee l e c t r o-o p t i c a lp r o p e r t i e so

8、fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yi nt h ea i r c r a f tc a r d e do u tv e r yl i t t l e T h e r e f o r e，t h ea i mo ft h i sr e s e a r c hp r o j e c ti sb a s e do nt h ee l e c t r o-o p t i c a lp r o p e r t i e so fo n b o a r dL C Dd i s p l a y,i nl i n ew i t l l”G J B 518 7 2 0 0

9、 3o n-b o a r da c t i v e m a t r i xl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yu n i v e r s a ln o r m s a n d”G J B 5 4 35 2 0 0 5a i r b o r n ea c t i v e m a t r i xl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y sp h o t o m e t r i ca n dc o l o r i m e t r i cm e a s u r e m e n tm e t h o d”f o ro n b o

10、a r df l a t p a n e ld i s p l a y sl i g h ta n dc o l o r sp e r f o r m a n c et e s tm e t h o dr e q u i r e s，d e s i g no n-b o a r df l a t-p a n e ld i s p l a y so fl i g h ta n dc o l o r sc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t e dt e s ts y s t e m Ia r nr e s p o n s i b l ef o rt h eo

11、 n-b o a r dL C Dd i s p l a yp i x e lb r i g h t n e s s，d e f e c t s(b r i g h ts p o t s，d a r ks p o t s，c o l o r e dd o t s)a n dt h eo v e r a l ld e s i g no fm e a s u r e m e n tr e s o l u t i o n T h em a i nt o p i c si n c l u d ea c c o r d i n gt o t h em e a s u r e m e n tm e t h

12、 o d sa n ds p e c i f i c a t i o n so ft h ep r o j e c tt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ef o c a ll e n g t hl e na n dt h ea p p r o p r i a t er e s o l u t i o nC C D，t oc o m p o s et h ei m a g i n g t y p el u m i n a n c em e t e r；a c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o np

13、 r o t o c o lo ft h es e r v om o t o rd r i v ec i r c m t，t od e s i g na u t o m a t i cc o n t r o l l i n gm o v e m e n tm e a s u r i n gs y s t e m；a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fm e a s u r e m e n t s，b yu s i n gt h eI P C Sv i c eg r a p h i cc a r d，t od e s i g nt

14、h em e a s u r e dd i s p l a ys i g n a l；F i n a l l y,i n t e g r a t i n go fa l lf u n c t i o n s，t od e s i g ni n t e g r i t yo ft h eL C Dp i x e lq u a l i t ya u t o m a t i cd e t e c t i o ns y s t e m K E YW O R D S：L C DP i x e lq u a l i t yA u t o m a t i cd e t e c t i o nI V浙江大学硕

15、士学位论文目录摘要IIIA B S T R A C T I、f目录V第1 章绪论11 1 课题的研究背景11 2 课题的研究意义21 3 课题的研究现状21 4 课题的研究内容4第2 章L C D 像素质量检测系统的理论基础52 1 液晶显示器52 1 1 液晶显示器的类型52 1 2 液晶显示器的结构62 1 3 液晶显示器的显示原理72 2L C D 像素82 2 1 像素的亮度92 2 2L C D 的坏点92 2 3L C D 的分辨率102 3C C D 图像传感器1 12 3 1C C D 的基本结构1 12 3 2C C D 的工作原理1 12 4 成像式亮度计的原理13第3 章

16、L C D 像素质量检测系统的硬件设计153 1 系统的硬件总体框架153 2 成像式亮度计1 53 2 1C C D 相机的选择1 63 2 2 镜头的选择1 83 3 三维机械运动台1 93 4 电机控制系统2 1V浙江大学硕士学位论文3 4 1 伺服电机2 23 4 2 伺服驱动器2 33 5电机控制系统的电路设计2 43 5 1 单片机系统的设计2 43 5 2 串行通讯模块的设计2 5第4 章L C D 像素质量检测系统的软件设计2 74 1 系统的软件总体框架2 74 2 图像采集模块2 84 2 1C C D 相机初始化2 84 2 2 图像传输3 04 2 3 图像显示3 14

17、 3 串口通讯模块3 14 3 1 移动控制3 34 3 2 位置验证3 34 4 参数定标模块3 44 5 数据处理模块3 54 5 1 图像处理3 5。4 5 2 亮度计算3 94 5 3 噪声分析4 24 5 4 误差分析4 3第5 章检测系统的工作流程与实验结果4 55 1 系统的工作流程4 55 2 像素亮度的测量4 65 2 1 像素亮度与积分时间的关系4 75 2 2 像素最大亮度与平均亮度的关系4 85 3 坏点检测4 85 3 1 亮点检测4 95 3 2 暗点检测4 95 4 分辨率检测5 0V 1浙江大学硕士学位论文r _=二二二一一第6 章总结与展望5 2参考文献5 4

18、V I I浙江大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 课题的研究背景随着微电子、光传输、计算机通信等信息技术的迅猛发展，显示技术已经被认为是未来信息技术发展的关键之一，在日常生活和工业生产的各个领域中发挥着越来越重要的作用n 1。显示器的类型主要可以分为两大类，即阴极射线管显示器(C R T，C a t h o d e-R a yT u b e)和平板显示器(F P D，F l a t-P a n e lD i s p l a y)其中，C R T 显示技术具有显示质量好、价格便宜、性能稳定等优点，但是同时也存在着体积偏大、电压过高、功率消耗大以及会辐射微量x 射线等问题，这与显示技术向重量轻、厚

19、度薄、能耗小方向发展的趋势不相适应。为此产生了以液晶显示器(L C D，L i q u i dC r y s t a lD is p l a y)为代表的平板显示技术，并得到了非常广泛的应用n 1。早在1 8 8 8 年，莱尼茨尔(F R e i n it z e r)就发现了液晶物质，为液晶显示器的发明奠定了基础口1。但是，绝大多数平板显示器都诞生在2 0 世纪6 0 年代以后，因为这个阶段正是半导体技术逐渐迈入集成电路的时代，为了适应新技术带来的对显示器件更高的要求，人们开始大力发展平板显示技术。而进入8 0 年代，平板显示技术已经在电子信息领域中成为了发展最快的技术之一以液晶显示器(L

20、C D)、发光二极管(L E D)、电致发光显示器(E L D)为代表的平板显示器得到了高速发展，对C R T 的市场形成了有力的冲击。平板显示器不仅能够与传统显示器件争夺市场，而且还凭借着其优异的性能在更新的应用领域不断地开拓创新。如今，平板显示技术在汽车电子设备显示、移动通信设备显示、便携式平板电脑、3 D 投影显示器以及各种新型显示终端等方面拥有着巨大的市场潜力，在军事国防与航空航天的应用领域中，平板显示器件同样发挥着重要作用，它可用于飞机座舱的多功能显示、航空仪表的显示、军用车辆的电子设备显示、武器装备的多用途显示、军事指挥作战平台的命令与控制系统的显示以及军队保障设备的显示等方面】早

21、在1 9 0 6 年，阴极射线管显示器就被用于军事目的进行了基础研究到了第二次世界大战期间，C R T 首次被应用于显示雷达的信号进入6 0 年代以后，浙江大学硕士学位论文以液晶显示器(L C D)、等离子显示器(P D P)、电致发光显示器(E L D)等为代表的平板显示器件，逐渐在军事领域的应用中得到了发展。在诸多平板显示器件中，液晶显示器，特别是有源矩阵液晶显示器最为常见，在军事应用中有较广阔的发展前景阽1。1 2 课题的研究意义液晶显示器等平面显示介质由于体积小、重量轻、分辨率高、亮度高等特点，已经越来越多地应用于航空领域。但受到发光器件的影响，平面显示器在一些重要的光色性能上存在不足

22、，必须加以测试检验，以保证航空的需要。对机载液晶显示器，像素质量的好坏决定了字符质量的好坏。机载显示器显示的内容以字符为主，字符显示性能非常重要，因此像素光色性能的好坏对飞行员正确读取显示内容至关重要。以目前最为常用的液晶显示器为例，液晶显示器的像素质量是一个非常重要的评价指标，其中，字符的像素亮度，屏幕的亮点与暗点数量，以及实际分辨率大小等像素性能方面可能存在不足，为保证平面显示器的质量，根据国军标的要求，必须对平面显示器的光色性能进行全面客观的测量1 机载平面显示器的像素质量的测试项目包括了屏幕字符显示的三色子像素的亮度测量，屏幕的像素亮度缺陷，亮点与暗点的数量，屏幕实际分辨率等，涉及整块

23、屏幕的全部像素的自动检测。如果采用人工测量，测量时间长，难度大，很难保证测量过程的一致性和测量结果的准确性n 1 目前，国内对飞机机载液晶显示器的光电性能进行自动验证和评估工作开展甚少。因此，通过对本课题的深入研究，希望可以实现液晶屏像素质量检测的实时、准确、可靠的高效自动化操作，为机载液晶屏自动化生产设备的科研、生产提供科学、有效的分析方法与手段。从客观上实现降低检测人员的劳动强度，节约劳动成本，提高生产企业的工艺水平和自动化程度，使其产品更具竞争力等目标射1 3 课题的研究现状目前国内大部分厂家对液晶显示器的像素质量性能的检测只局限于测量某个发光面的亮度、色度的测量，通过考核一定面积内所有

24、像素的平均颜色来代表2浙江大学硕士学位论文像素和显示器的光色性能。对像素及字符亮度无法测量，坏点数量分布及亮度动态响应等特性的测量，则采用目视方法进行比较。这严重影响了液晶显示器品质的考核和提高一1。液晶显示器的像素性能检测设备主要包括成像式亮度计和信号源。成像式亮度计是一种采用C C D 成像器件能测量自发光体及物体亮度的测光仪器。由于这类型仪器装有C C D 成像系统，可以对某个发光面内的发光细节进行测量。因此既适用于测量发光面的平均亮度，也适用于测量发光面内任何一点的发光亮度。国外主要的成像式亮度计产品有日本K O N I C A-M I N O L T A 公司生产的c A 系列彩色分

25、析仪，如图1-1 所示。C A-2 0 0 0 二维彩色分析仪可以对各种发光设备(包括等离子显示器、液晶显示器等各种显示设备以及汽车导航系统或仪表盘等汽车部件)的色彩分布和均匀性进行高精度的二维测量。C A 系列彩色分析仪性能稳定，测量结果可靠，可实现快速、高效的测量、数据分析和评估。但是仪器不包括调整光色性能所需的信号源和自动调整分析软硬件。检测液晶屏时还必须购买昂贵的信号源，开发自己的调整分析软硬件才能工作。而且C A 系列彩色分析仪价格在四万美金左右，价格较高。图1-1C A-2 0 0 0 二维彩色分析仪因此，本课题所涉及到关于液晶显示器像素质量综合检测系统的测试设备都采用自主研制，包

26、括了成像式亮度计，综合三维机械测试平台、测试信号源和测量软件。可以对液晶显示器需要测试的多个项目进行一次性测量，具有测量数据准确、自动化水平高、操作简单的特点，具有十分广阔的市场前景。浙江大学硕士学位论文1 4 课题的研究内容本课题的研究内容主要是在机载液晶显示器的像素质量自动检测中引入机器视觉系统，根据G J B 5 1 8 7-2 0 0 3 机载有源矩阵液晶显示器通用规范及G J B 5 4 3 5 2 0 0 5 机载有源矩阵液晶显示器光度和色度测量方法作为检测标准，以液晶显示屏像素检测系统为研究对象，通过分析研究其工作原理和检测方法，设计成像式亮度计，在P c 计算机、自动机械运动测

27、量工作台以及基于V is u a lc+编程的硬件、软件环境下，构建并实现一个准确可靠的液晶显示屏的高效自动化像素质量检测系统。从客观上实现降低检测人员的劳动强度，节约劳动成本，提高液晶显示屏生产企业的生产工艺水平和自动化程度，使其产品更具竞争力等目标。为机载液晶显示器的像素质量的评价提供客观的检测手段。本课题所设计的自动检测系统，不仅需要解决同时满足检测速度与精度之间的矛盾，而且还要在实现稳定可靠检测的同时，充分保证系统应用的通用性与灵活性为了能很好的解决这些问题，本文针对实际产品检测现状，合理选择系统的硬件配置，根据被测液晶显示器的像素质量检测的特点确定检测方案，并设计高效的检测软件模块和

28、检测流程，从而完成课题研究任务4浙江大学硕士学位论文第2 章L C D 像素质量检测系统的理论基础2 I 液晶显示器液晶是一种高分子化合物材料，是某些有机物质在一定温度范围内所呈现的特殊中间状态。因为其特殊的物理、化学、光学特性，2 0 世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。经过研究可以发现，液晶物质分为四个相态，分别为固态、液态、气态和液晶态，这四个相态之间可以相互转化，转化过程被称为“相变”。在相变发生时，液晶分子的排列顺序会发生变化，从一种有规律的排列向另一种排列进行转化。当液晶分子处于液晶态的情况下，它既具备了液体的连续性、流动性、粘度等物理性质，又呈现出某些固态晶体的光学性质n

29、 帕。液晶显示器正是利用了液晶分子的这一特性，在电场和温度的共同作用下，产生各种特殊的电光、热光效应，把电信号转变成字符、图形等可见信号。在正常情况下，液晶分子的排列很有秩序，显得清澈透明，而一旦加上直流电场后，分子的排列被打乱，一部分液晶变得不透明，颜色加深，因而能达到显示数字和图象的目的。2 1 I 液晶显示器的类型液晶显示器按驱动方式的不同来划分，可以分为两大类，即无源矩阵(P a s s i v eM a t r i x)和有源矩阵(A c t i v eM a t r i x)而无源矩阵与有源矩阵的最主要差别就在于电流的驱动方式上。当接通外接电流时，会改变液晶的排列方式，之后关闭电流

30、，若液晶的排列方式保持不变，则称其为有源式；而一旦电流消失后立即恢复到原位，并且必须再次接通电流才能排列的，就称其为无源式。根据以上的划分方式，常见的液晶显示器可以分为四个主要的类型：(1)扭曲向列型(T N T w iSt e dN e m a ti c)；(2)超扭曲向列型(S T N-S u p e rT N)；(3)双层超扭曲向列型(D S T N-D o u b l el a y e rS T N)：(4)薄膜晶体管型(T F T T h i nF iI sT r a n s i S t o r)T N 型液晶显示器是液晶显示器中最先被提出和使用的一种显示模式，而其它的扭曲向列型液晶

31、显示器也都是根据T N 型显示模式的原理设计开发的，因此，浙江大学硕士学位论文T N 型显示模式是一种最基础的广泛应用模式S T N 型液晶显示器的显示原理与T N 型相类似，所不同的就是，S T N 型液晶显示器是将入射光的偏振方向旋转1 8 0-2 7 0 度，而T N 型则只是旋转9 0 度，因此，S T N 型液晶显示器有着更好的电光响应曲线。D S T N 型液晶显示器是从S T N 型液晶显示器发展而来的，由于D S T N 型液晶显示器采用的是双扫描技术，从而相对S T N 型来说，显示效果有了大幅度的提高。T F T 型液晶显示器属于主动矩阵液晶显示器中的一种。和T N 显示技

32、术不同的是，T F T 的显示采用了“背透式”的照射方式一一光源路径并不像T N 液晶那样是从上至下而是从下向上的，而是通过在液晶的背部设置了特殊光管并使光源照射时通过下偏光板向上透射出获得的。因其能够具有比T N L C D 更高对比度和更丰富色彩，屏幕刷新频率也更快，故一般将T F T 称为“真彩竹。T F T-L C D 已经成为液晶显示器市场上的主流产品1。2 1 2 液晶显示器的结构T F T-L C D 产品的结构是典型的三明治结构，其结构示意如图2-1 所示液晶材料被夹在两片玻璃的中间，从上到下分别为上偏振片，滤色片、液晶排列层、T F T 阵列基板以及下偏振片。图2-1T F

33、T-L C D 结构剖面图T F T-L C D 包含了上下两块玻璃基板，上层玻璃贴有滤色片，而下层玻璃则镀6浙江大学硕士学位论文有薄膜晶体管。这两块玻璃基板在接触液晶的那一面带有锯齿状的沟槽。这些沟槽的主要目的是希望让液晶分子能沿着沟槽的方向排列，从而使液晶分子分布整齐n 羽。彩色滤光片是液晶显示器的关键组成部分，其性能好坏能直接影响液晶显示器的亮度、对比度、视角乃至画面质量。彩色滤光片上均匀涂着R G B 三原色，所谓的三原色即是红色、绿色和蓝色，利用这三种颜色，便可以混合出其他颜色，很多平面显示器就是利用这个原理来实现全彩。把R G B 三种颜色，分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化

34、，再把邻近的三个R G B 显示的点，作为一个显示的基本单位象素(P i x e l)2 1 3 液晶显示器的显示原理如图2-2 所示，液晶分子根据其取向具有不同的折射率，而薄膜晶体管通过控制这些液晶分子改变液晶屏的透过率来实现光电显示。当未接通电源时，入射的自然光通过液晶表面的上偏振片变成线偏振光，进入液晶层的线偏振光将沿着液晶分子扭曲的方向旋转，当到达下偏振片时，偏振方向正好旋转了9 0 度，若上偏振片的偏振方向与下偏振片的偏振方向垂直，则光正好能够通过，液晶的显示状态为亮。而在接通电压的情况下，液晶分子由于受到电场作用，排列方向发生改变，液晶层内9 0 度的旋光特性消失，导致液晶的显示状

35、态为暗。-无外加电J Kb 有外加电J 氍图2-2T F T-L C D 显示原理图而彩色图像产生的原理也很简单：让面板上的每个模组独立像素都能产生需浙江大学硕士学位论文要的色彩。液晶通过改变它的分子排列结构，让不同强弱的光量通过它本身。液晶显示屏内含有上下偏极片，彩色滤光片以及取向膜，它们可以决定光通量的最大值与颜色的产生。每一个像素都由红、绿、蓝三个子像素(S u b-p i x e l)组成n 3 12 2L C D 像素像素(P i x e l)是一种用作计算数码影像的单位。一个像素通常被视为图像的最小的完整采样。如果我们把一张摄影相片放大数倍，就会发现图像的色调其实是由许多颜色相近的

36、小像点所组成，这些小像点就是构成影像的最小单位。这种最小的图形单元通常表示为显示在屏幕上的单色点。而图像的像素越高，其拥有的颜色也就越丰富，越能表达色彩的真实感n 引。每个像素有各自的颜色值，采用三原色显示，分成红、绿、蓝三种子像素(R G B 色域)，如图2-3 所示。_-一，_ _ 啊_ 霸啊黼瞳，栩啊孵翻f 啊鞠喇啊一个像素里的三颈色图2-3L C D 的子像素示意图本课题的像素质量检测的性能指标主要包括了三个方面：像素的亮度，屏幕的坏点数量以及屏幕的分辨率大小。8浙江大学硕士学位论文2 2 1 像素的亮度亮度表示了液晶显示器像素单位面积上的发光强度，单位是c d m 2 因此，要检测液

37、晶显示器屏幕上字符的亮度就先要测量该字符所占区域内的像素亮度。像素亮度的测量可以用1 9 3 1 C I E X Y Z 系统的Y 坐标标定，亮度测量就是测量出物体的亮度Y。在亮度测量中，首要的任务是测定色刺激值函数缈(旯)，再根据1 9 3 1 C I E X Y Z标准色度观察者光谱三刺激值函数就可由色度学的基本方程式求得颜色的三刺激值X、Y、Z 为x=七f 7,3 1 1 0 伊(力)；(z)d 五】，=七e 伊(五)衲d 名(2 1)z=七置伊(力)衲d 五其中，x(名)，y(g)，z(五)是C I E 标准色度观察者光谱三刺激值函数。图形如图2-4 所示。刺激值Y 被定义为被测显示器

38、像素的亮度。八h，(九I，、-f 入)厂厂万Lf一岐|心义4 0 05 0 06 0 07 0 0C I E l9 3 1 标准人限三刺激值曲线图2-4C I E l 9 3 1 标准人眼三刺激值曲线2 2 2L C D 的坏点T F T-L C D 的坏点大致上可以分为暗点(灰点、黑点)和亮点(白点、色点)两种类型液晶屏最怕的就是坏点，一旦出现坏点，则不管显示屏所显示出来的图像如何，显示屏上的某一点永远是显示同一种颜色，如图2-5 所示这种“坏9浙江大学硕士学位论文点一是无法维修的，只有更换整个显示屏才能根本解决问题n 钉。图2-5L C D 的坏点示意图T F T-L C D 的色点是指当

39、屏幕在切换成红(R)、绿(G)、蓝(B)三色显示模式的情况下，会出现纯黑色或纯白色的点。这种情况说明该像素的R、G、B 三个子像素点己损坏，此类点称为色点。2 2 3L C D 的分辨率分辨率是指有效显示区内水平和垂直方向上的像素数，是影响图像质量的一项重要指标。对于T F T-L C D 而言，每一个像素点是由R、G、B 三个子像素点组成的，T F T 分别对每个子像素点进行精确控制，使红、绿、蓝光显示的亮度不同，从而实现彩色显示。图2-6 所示为共有N 行M 列的像素的液晶显示器，其分辨率即为M N m l，五个重I t tt，t 童1 U 色分辨串-x 冀玉图2-6L C D 分辨率示意

40、图I Of|f俐l_一浙江大学硕士学位论文2 3C C D 图像传感器C C D 是指电荷耦合元件(c h a r g e c o u p l e dD e v i c e)，也可以称为C C D 图像传感器。C C D 作为一种半导体器件，能够把光学图像转变为数字信号。C C D 上的微小光敏物质被称为像素。一块C C D 上具有的像素数量越多，其能提供的图像分辨率也就越高。C C D 上分布着许多排列整齐的电容，能感应光亮，并将光信号转变成数字信号。2 3 IC C D 的基本结构C C D 是以P 型硅半导体为基础，生成一层厚度约为0 1 u m 的绝缘层，再在其下积聚一堆间隙很小的金属

41、电极。每个金属电极与它所对应的绝缘层及硅基体形成一个电容器，因此C C D 基本上是由一系列的电容器组合而成。由于它们之问的距离很近，可以发生耦合，从而被注入的电荷就可以有规律地从一个电容转移到另外一个中去这样的移动过程，实际上就是电荷耦合的过程，所以C C D 被称作是电荷耦合器件n 1 2 3 2C C D 的工作原理C C D 不仅可以进行光电转换，还具备电荷存储与转移的功能，它能把一幅空间域分布的光学图像，变换成为按时问域分布的离散信号。因此，C C D 的基本工作原理包括了电荷的产生、存储和传输等过程n 耵t1)电荷的产生在C C D 中，电荷产生的主要方法总体来说可以分为两大类：光

42、注入和电注入光注入：当光线照射到C C D 表面时，在栅极附近会产生电子空穴对，由于栅极电压的作用，其多数载流子被排开，少数载流子则被收集在内部势阱中形成信号电荷。电注入：当C C D 利用输入结构对信号的电流或者电压进行采样时，将信号电流或者电压转换为信号电荷。浙江大学硕士学位论文t 2)电荷的储存C C D 是由半导体M O S 结构作为基本单元所构成的，如图2-7 所示当存在一定的偏压时，M O S 结构就变成存储电荷的分立势阱。当在栅极加上正偏压U。后，M O S 结构内的空穴被排空，产生耗尽区。当U。U。时，半导体与绝缘体之问的电势升高，从而将半导体内的电子吸引到绝缘体表面，形成一层

43、极薄但具有极高电荷浓度的反型层，如图2-7(c)所示。反型层的存在表明了C C D 具有存储电荷的功能。瞻 彩Z 钐勿么多励 辫一。j：B：；I?!；：。0，：I蛐泐(c)图2-7 半导体M O S 结构示意图t s。)电荷的转移在M O S 结构的分立势阱中，电荷从一个电极转移到另一个电极的过程被称作电荷的转移，也就是所谓电荷的耦合，如图2-8 所示。开始时，第二个偏压为10 V 的电极下的势阱中存储着一些电荷，而其它电极均加载着较低电压，(a)为起始零时刻，(b)为t 1 时刻，第二个电极的偏压仍保持为1 0 V，第三个电极上的电压则由2 V 变到了1 0 V，由于电极之间靠得很近，它们对

44、应的势阱会合并起来，现在两个电极下的势阱中会共有原来第二个电极下势阱中的电荷，如图(c)所示。此后四个电极上的偏压变为如图(d)所示。第二个电极偏压由1 0 V 降为2 V，第三个电极偏压仍保持为1 0 V，则之前所共有电荷就转移到了第三个电极下的势阱中，如图(e)所示此时，势阱中电荷向右移动了一个位置。浙江大学硕士学位论文0列I 驰盯甜审999龙物勉物旷存有电暂的势曩0 0 西蕊河d)毫曹善动00嚣i O V 2*1 0 Y 2 Y珂 O Vl W 9O90OoO兹物勉拢历忍物勉雹殇M 鼻V(b)(c)2 兽竺璺。i：盘甜矾I O V2 l 一凌痉茏疡l 厂弋n彪勉炀陛 k k可bn 门(e

45、)(f)图2-8三相C C D 中电荷的转移过程如果将按图(f)所示的三相时钟脉冲电压加到C C D 的各电极上，电极下势阱中的电荷就能沿半导体表面的一定方向进行移动，从而就能实现了电荷在势阱中的转移。2 4 成像式亮度计的原理亮度计由一个具有一定孔径的透镜和一个光探测器所组成，两者之间相距一个固定的距离，如图2-9 所示。这样一个光学系统保证了发光源入射到测量系统中的立体角和发光面积为常量n 。光源面J、-，采丢专三=二邵尊1I。严I-T，,i_ltiof)强擅翊铬蛳舳-砖曼孑三毫三z：=一一一一一一一二：f；二二11 f j j t j I f lS o=，【嵋D z 2，毛s I-翼斤S

46、 I 兀r 2一I 一光探溯嚣图2-9 成像式亮度计工作原理图设探测器的受光面积为S，透镜的通光面积为S，两者之间的距离为l 被测光源面的面积S o 成像在光探测器的面积S，上，光源面与透镜之间的距离为1 当满足光度学定律的情况下，由成像关系可得到：，t 2k 蠢-七(2-2)S t s。浙江大学硕士学位论文其中k 为不变的结构参数，因此通过测得的光通量就能直接得到亮度L，这就是成像式亮度计设计的基本原理。本课题所设计的成像式亮度计采用的是光电积分法。该方法是通过把探测器的光谱响应匹配成所需要的C I E 标准色度观察者光谱三刺激值曲线中的歹(兄)曲线，再对被测的光谱功率进行积分计算。该方法的

47、显著特点是处理速度快，它仅需要在整个被测波长范围内进行一次积分计算，并且只要光探测器的匹配精度足够高，那么光电积分法的测量结果也具有相当高的精度。在采用光电积分法测量亮度时，必须先把光探测器的相对光谱灵敏度s(五)修正成国际照明委员会推荐的标准色度观察者光谱刺激值歹(旯)，当被测光源入射到光探测器表面时，成像式亮度计就能通过一次积分测量出被测光源的三刺激值Y，Y 为亮度值，可以表示成如下方程式：e T s o一，1，=七土驴(A)y(旯)d 名=c yJ 缈(五)s(名)o(五)d 旯(2 3)式中，k 和c，是常数，r y(g)为光探测器前色玻璃的光谱透射系数，可以如下关系式表示：J，(旯)

48、=f。(力)S(五)(2-4)砸)=器(2-5)为实现光电积分法测量亮度，需要寻找合适的色玻璃以满足0(兄)的透射比要求。1 4浙江大学硕士学位论文第3 章L C D 像素质量检测系统的硬件设计3 1 系统的硬件总体框架本课题的硬件系统总体框图如图3-1 所示图3-1L C D 检测系统硬件总体框架图系统硬件主要由三个部分所组成，包括了光学图像采集、三维机械运动以及计算机控制系统。图像采集部分包括了通过成像式亮度计完成液晶屏图像的采集任务，并将数字图像通过位图格式传送给计算机。计算机主要的工作包括了机械运动控制器之间的信号通信和图像数据的识别处理，并且计算机还需要完成将计算结果进行实时存储的任

49、务。以单片机控制器为核心的机械运动控制系统的主要任务是在计算机的操作控制下完成对成像式亮度计的移动与定位。副显卡给被测液晶显示器提供测试图像。3 2 成像式亮度计浙江大学硕士学位论文成像式亮度计安装在三维自动测量台上，利用其长焦望远镜头的放大作用，将被测液晶显示器某一区域的画面成像在C C D 上，在通过计算机软件进行图像的处理与分析组装完成的成像式亮度计如图3-2 所示。图3-2 成像式亮度计组装完成的实物图3 2 1C C D 相机的选择C C D 相机是亮度计成像视觉系统中最重要的关键组件之一，C C D 相机选择的好坏直接影响着亮度计成像系统的成功与否。因此，在设计成像式亮度计时，有必

50、要对相机进行仔细选型。在选择相机时既要考虑到采集速度、触发方式、分辨率、体积、计算机接口等因素。根据本课题的设计要求，本系统的C C D 相机的类型采用的是面阵式C C D 单色数字相机，输出方式采用的是以太网口作为计算机的接口，这样就不需要使用图像卡而可以直接通过网卡与计算机相连接。在参数选择方面，分辨率作为主要用于衡量相机对物体成像细节的能力，是相机非常重要的性能参数之一相机的分辨率主要指的是C C D 芯片上的像素数，即位于C C D 上感光元件的数量。相机拍摄的图像可以理解为是由很多个小像点所组成，每个像点代表了一个像素。显然，像素数越多，图像清晰度就越高，如果C C D 没有足够的像