原创 液晶显示器的自动调光技术

最近几年大型液晶显示器的应用，从笔记型电脑、PDA、桌上型电脑用监视器，持续扩展至家用液晶电视等领域，液晶电视已经成为背投电视、电浆电视之后另一种商品化平面显示器。包含液晶监视器与液晶电视在内的液晶显示器要求细腻、高精度、稳定的影像显示，然而，实际上液晶显示器的显示状态与特有的性质，会随着环境条件与各制作厂商出现微妙变化，有鑑于此本文以医疗用液晶监视器为例，介绍利用晶显示器的背光模组感测器实现影像辉度自动调光相关技术。液晶显示器的动作原理
液晶显示器属于被动元件本身无发光能力，如图1所示必需在显示器北背部设置背光照明模组，类似将光学膜片(film)以Schaukasten形式观视影像。液晶显示器使用时背光照明模组显示影像时必需维持点灯，接着液晶cell只让影像显示上必要份量的光线通过。构造上液晶显示器利用两片玻璃基板挟持液晶，此时若对两片玻璃基板上的透明电极施加电压，可以使液晶分子转动改变光的穿透率进行画面明暗显然。隋着液晶显示器种类的不同，电压OFF状态液晶cell不让背光照明模组的光线通过变成黑色显示，电压一旦ON液晶cell让背光照明模组的光线通过变成白色显示，黑色与白色之间的中间色(grey)的显示，例如施加极低电压调整通过液晶cell的光线分量即可，至于施加多少电压则取决于电脑输出的信号。如图2所示彩色液晶显示器在液晶层与玻璃基板之间设置RGB彩色滤光片使灰阶显示附加色彩。
　

图1 黑白液晶显示器内部构造
(直下型背光模组)
　

图2 液晶显示器的动作原理
　  液晶显示器的影像特征
■1.背光照明模组的辉度会改变
担任光源功能的背光照明模组的发光状态，动作特性上并不是随时维持稳定，背光照明模组的基本原理与一般家用萤光灯相同，从点灯一直到辉度稳定需要一段时间，周围温度高低波动辉度也随着变动，换言之可以发挥的功能会随着周围环境变化，背光照明模组的辉度变化透过液晶显示器，到达眼睛的辉度也随着改变，其结果造成对画面影像判读、影像鑑识精度等要求非常严谨的用途产生致命性障碍。

■2.背光照明模组的时间劣化
背光照明模组的的萤光灯使用冷阴极灯管(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)，它的辉度随着使用时间降低，这是物理特性造成无法避免的现象，一般冷阴极灯管的辉度半减期大约是3~5万小时，由于使用时间的经过造成辉度逐渐降低，因此肉眼极不容易察觉，这意味着液晶显示器并不是一直维持稳定的影像显示。

■3.独特的灰阶特性无法任意改变
目前市面上大型液晶显示器的灰阶大多扁平纷乱不是平顺的灰阶显示，主要原因是灰阶显示与液晶显示器内部的液晶特性，以及液晶控制电路有极大的依存关系，分佈不均的程度随着各液晶显示器厂商与机型不同，换言之从电脑输出的数字信号构成的影像，直接依存于显示该影像的的显示器灰阶特性(辉度特性)，不同的液晶显示器变成影像特性差异极大结果，而且该灰阶特性在液晶显示器上无法任意改变，某些应用使用复数并排液晶显示器观察相同影像时，液晶显示器的灰阶特性差异极易造成判读、观视上的差异。

 利用背光感测器的调光技术
基本结构如图3所示在液晶显示器的背光模组背面挖一个小圆形採光孔，设置在主基板的背光感测器读取背光照明模组的辉度控制该模组的亮度。
　

图3 背光模组感测器设置图
　

如图4所示一般液晶显示器投入电源后到辉度稳定为止需要1~2小时，系统完全站立后背光照明模组的辉度才逐渐上升，辉度大幅超过设定值才逐渐下降，低于设定值之后再度的上升最后才进入设定值，整体作业时间大约1~2小时左右(图5)。
　

图4 各种液晶显示器的辉度稳定性比较
　

图5 辉度漂移补偿功能的特性
　

内建调光功能的液晶显示器系统站立后，背光照明模组的辉度急遽上升，例如设定值为450cd/m2时，感测器立即检测超过设定值并将信号传送至控制电路，迅速使辉度稳定至设定值，前后作业时间只有短短数秒，利用该自动调光功能液晶显示器系统站立后数秒钟就可以稳定显示影像，因此观视者能够获得高精度的影像品质动作上背光感测器随时检测背光照明模组的辉度，将检测资料传输至微处理器，进行检测值与设定值的比较判别，如果比设定值高时微处理器输出控制信号使背光照明模组的电流降低；如果比设定值低时则提高电流值，如此一来背光照明模组的辉度就可以随时维持再设定范围内，上述检测作业每秒进行10次(图6)。
　

图6 辉度自动控制电路的流程图
　

有关背光照明模组辉度降低问题的对策，虽然上述辉度自动控制功能，每秒大约10次检测、修正背光照明模组的辉度，不过某种程度长期使用后，即使利用背光感测器检测过度降低的辉度，并传送检测信号提高背光照明模组的电流，模组的辉度却无法提高反而逐渐下降，主要原因是它的下降特性非常微妙人眼几乎无法识别，累积一段时间后才遽然发现液晶显示器的辉度已经大幅衰减，为避免事态落入如地步研，究人员开发称为「自我诊断功能」技术(图7)，它可以利用背光感测器检定期检测背光照明模的组辉度，实际测器辉度超过设定值±20%时，电脑会在液晶显示器的画面显示图8的警告讯息，如此一来即使背光照明模组长期使用导致辉度劣化，利用自我诊断功能可以立即察觉劣化现象进行辉度调整修正。
　

图7 自我诊断功能的电路Flow Chart
　

图8 警告画面
　

有关无法改变液晶显示器具备的灰阶特性的对策，事实上液晶显示器根据电脑的输出信号控制液晶面板内的液晶分子，改变光的穿透率达成灰阶特性。

一般希望液晶显示器可以平顺显示灰阶性(图10)，不过受限于液晶面板内的液晶特性与控制电路特性，从电脑输出的信号强度与辉度(灰阶性)的关系并非单纯的互动，实际上它类似图9呈S型蠕动，该蠕动特性随着厂商、机型不同，各液晶显示器的灰阶显示蠕动特性一般称为「灰阶特性」或是「辉度特性」。
　

　　　　图9 一般灰阶特性　　　　　　　　　　图10 理想的灰阶显示
　

各液晶显示器的灰阶特性若能配合「正确基准」进行补偿的话，理论上可以实现最佳平顺灰阶显示，消除各显示器之间的影像视认差异。其中视觉上进行理想影像显示，追求影像显示一致性避免影响影像视认差异的DICOM规范符合上述需求，该规范中定义如果配合DICOM曲线亦即「正确基准」补偿液晶显示器的灰阶特性，该液晶显示器可以实现平顺的灰阶显示，而且实现各液晶显示器之间影像视认一致性。

DICOM是Digital Imaging Communication in Medicine的缩写，它是美国放射协会(ACR)与北美电子机器工业会(NEMA)针对医用影像机器制定的网路规范，DICOM Part14记载灰阶影像显示用标准显示关数，主要目的是针对所有影像显示系统，将灰阶标准关数当作人体工学量测作数学性定义。由于比明亮影像领域更黑暗的领域，人眼具备相对性高感度特性，所以无法以单纯关数表示，如图11所示此处针对各灰阶，依序量测辉度改变后人眼感觉到的全测辉，将根据赋予的观察条件平均观视者可以识认最小辉度差称为JND(Just Noticeable Difference)。
　

图11 JND:最小辨识域
　

DICOM Part14记载针对根据测试结果制定的JND各整数值，它的辉度值规定辉度必需在0.05 ~ 4000cd/m2之间，0.05cd/m2是一般液晶显示器实质可以显示的最低辉度，4000cd/m2则是观察X线mammography时超过light box最高辉度的数据机，这意味着在此范围人眼可以察觉1023的辉度差。JND进行1 step以下灰阶变化时，虽然视觉上可以显示理想性灰阶，不过大于1 step例如从1到4或是4到7直接进行灰阶变化时，并不表示视觉上可以显示理想性灰阶。

图12是将正式名称为GSDF(Grayscale Standard Display Function)的灰阶标准表示关数制成座标图，一般又称为DICOM曲线，该曲线具备与人眼可以察觉的辉度差，在任何灰阶之间都相同的灰阶特性，如果液晶显示器的灰阶特性配合此灰阶标准表示关数GSDF补偿，所有显示器的人体工学都很平顺，而且还可以达成所谓的「正确灰阶显示」。
　

图12 DICON曲线
　

图13是液晶显示器实际量测全输入信号辉度的模样，具体步骤使输入信号强度从0依序变化至1530，接着逐一量测各输入信号强度的辉度值，再将各液晶显示器的灰阶特性资料化记忆储存。表1是实际最高辉度700cd/m2黑白液显示视器的灰阶特性实测资料，由此可知利用该灰阶特性资料，输入各Input信号时液显示视器辉度可以依照使用者的需求设定。图14是根据表1的灰阶特性资料绘制的座标，如图所示实际上液晶显示器的辉度呈S型蠕动。
　

图13 实际量测全输入信号的辉度
　

图14 根据表1的灰阶特性
资料绘制的座标
　

图15是显示白色画面亦即从电脑输出的信号强度为255状态，改变背光照明模组辉度时的背光感测器实测值(以下简称为AD值)与液晶显示器辉度互动特性座标，利用该「辉度值与AD值」特性资料，即使未使用外置光感测器也可以根据AD值高精度随意设定预期的辉度。
　

图15 实际辉度值与AD值的特性
　

配合内建于液晶显示器内部上述2种资料，可以显示包含DICOM曲线在内的灰阶，例如液晶显示器最低与最高辉度分别设定成1.0cd/m2与450cd/m2，配合DICOM曲线进行调整(calibration)时，利用自动调光功能在液晶显示器与液晶显示器品质管理工具RadiCS之间可以进行下列作业:

①有关最高辉度450cd/m2的设定，首先根据「辉度值与AD值」特性资料，计算始辉度450cd/m2发光的ADr值(图15)，将控制信号传送到背光照明模组驱动电路，再将背光照明模组设定成预期的ADr值，达成最高辉度450cd/m2。

②根据储存记忆的「灰阶特性」资料，重新换算制作最高辉度450cd/m2的「灰阶特性」资料(表2)。

③接着根据事先据储存记忆的DICOM曲线计算最低辉度1.0cd/m2与最高辉度450cd/m2的理想性灰阶(图18)，以256均等分歌最低辉度1.0cd/m2与最高辉度450cd/m2的JIN Index (690.3-71.5)=618.8，求出各JIN Index的辉度。

④最后从重新换算的「灰阶特性」资料(表2)中选取256个辉度值，该辉度必需最接近利用DICOM曲线计算获得的「理想辉度」，再与表3进行比较配合从电脑的输入信号与「灰阶特性」资料求得的输入信号产生LUT(Look-Up Table)，调整后使用上述LUT在液晶显示器显示高画质自动调光的影像。
　

图16 根据辉度值与AD值的特性计算ADT
　

图17 最大辉度变化后的
灰阶性资料座标图
　

图18 型与p型AlGaN的电气特
　

表3 Carburetion时产生LUT的流程
　

图19 辉度自我补偿电路的动作流程
　

以上介绍液晶显示器的影像特征与对策，同时探讨利用背光感测器实现高画质自动调光的技术。