李庆新、李  剑   

（国家广播电视产品质量监督检验中心、国家数字电视用户端产品测试实验室 北京100015）

【摘　要】文中讨论液晶显示器响应时间的概念，并通过提出几种对响应时间这一重要参数的测量方法。

【关键词】液晶显示器、响应时间

The Measurement Methed for Response Time of LCD (Liquid Crystal Display)

  Li Qing-xin   Li Jian

(National test and inspection center for radio and TV products,

National Digital TV Testing Lab for Consumer Products)

【Abstracts】this paper introduces the conception of response time,and provides some methods to measure the response time of LCD.

【Kay Words】Liquid Crystal Display,Response Time

一、引言

对于液晶显示器 (LCD)来说，响应时间这个技术参数一直是大家关注的焦点。从早些时候的25ms到目前的8ms，数字的不断缩小意味着液晶显示器的显示性能在不断提高。那么到底响应时间是如何定义的呢？

响应时间是指LCD上的各个像素点对输入激励信号的反应速度，即激励信号使像素点由暗变亮或由亮变暗所需要的时间。响应时间达到一定要求时，观看者在观看动态画面时就不会有尾影拖曳的感觉。响应时间表现为上升时间（Rise time）和下降时间（Fall time）；

图1 亮度与激励信号的时间关系

如图1所示，t₀至t₁期间， 趋亮激励信号已经加上，但亮度上升很小，仅达到最大亮度的10%，t₁-t₀称为亮延迟时间；

t₁至t₂期间，亮度很快上升，从最大亮度的10%上升到最大亮度的的90%，与最大亮度相差无几，t₂-t₁称为上升时间（Rise time）；

t₃至t₄期间， 趋暗激励信号已经加上，但亮度下降很小，从最大亮度下降到最大亮度的90%，t₄-t₃称为暗延迟时间；

t₄至t₅期间，亮度很快下降，当达到较低亮度值，例仅亮态的10%，已与暗态相差无几，t₅-t₄称下降时间（Fall time）；

t₂-t₀构成激励信号的绝对延迟，若仅考虑LCD显示器造成的绝对延迟达到秒数量级时将会造成诸如声像不同步的严重问题。但实际上，t₂-t₀在毫秒级别，故不构成对LCD显示器声像同步的主要影响，我们定义的响应时间（Response Time），就是上升时间和下降时间之和，即T_Response =（t₂-t₁）+（t₅-t₄），而把亮延迟时间与上升时间之和，即T_on= t₂-t₀称为开启时间，把暗延迟时间与下降时间之和，即T_off= t₅-t₃称为关断时间。

响应时间这个概念一直在市场上受到很大的关注，是与液晶显示器应用领域的不断变化发展有着密切的关系。早期的液晶显示器价格非常昂贵，一般家庭用户根本不会考虑购买，所以它的应用领域集中在商用，注重办公性能，能正常显示文字、表格、线路图、设计图等静态或小动态画面就可以了。

这种情况下即使是响应时间比较慢的液晶显示器用起来也可以接受。但是随着液晶显示器进入家庭，情况发生了改变。尤其是近几年来液晶电视的快速发展，使用户对于液晶显示器的多媒体性能提出了更高的要求。这些应用很多都是大动态的画面，液晶显示器需要比较低的响应时间才可以保证不产生拖影和残像。　　从早期的25ms到大家熟知的16ms再到最近刚刚出现的8ms，响应时间被不断缩短，液晶显示器的显示性能得到很大提升。

响应时间由两个部分构成：上升时间(Rise time)和下降时间(Fall time)，以两者之和表示。在LCD显示器市场推广的早期阶段，某些不规范的厂商常常混淆概念，把上升时间或下降时间当做响应时间以提高产品规格。随着LCD的普及，消费者对于LCD产品的进一步了解，这种混淆概念的行为必将越来越没有市场。

二、响应时间的测量

在相当长的一段时间内，对于如何测量液晶显示器的响应时间，都有一个比较普遍的做法，就是主观测试的方法，观测特定的测试画面，通过拖影的长短来比较响应时间的快慢。其中比较常用的有两种测试软件：

a.      英国Mertex公司的CheckScreen软件（见图2）
其中的Smearing功能可以测试LCD的响应时间

图2  CheckScreen软件测试界面

b.      美国AGE of Information Online公司的DisplayX软件（见图3）
其中的延迟时间测试功能也可以帮助测试LCD的响应时间

图3  DisplayX软件测试界面

图4中，我们在两个不同响应时间的LCD上运行一款类似测试软件，并用数码相机在保持稳定的状态下以相同的快门速度拍摄测试画面，可以看到，左边12ms液晶显示器的拖尾现象就没有右边25ms液晶显示器的明显。

图4 不同响应时间LCD拖曳感差别

这种方法虽然有比较直观的效果，让大家切实感觉到响应时间较小的液晶显示器的拖影的确不明显，但是问题在于我们并不知道这个响应时间的具体数值，究竟是不是厂商所标称的那样。虽然DisplayX给出一个模糊的区间表示，但显然不是一个准确的结果。

从原理上来说，一个精确的响应时间的测试系统需要包含以下几个部分：

1.      亮度计（有足够快的响应速度）

2.      驱动信号发生器

3.      触发信号发生器

4.      记录装置

测试应在标准暗室中进行。亮度信号测试点通常选取在LCD的中心位置。驱动信号发生器产生可反转的平场信号驱动显示器由暗到亮和由亮到暗，当驱动信号反转时，触发信号发生器送出一个触发信号给记录装置（t₀和t₃），记录装置通过亮度计记录下显示器的亮度变化情况。

这样，如图1所示，分析亮度变化情况，我们可以得到测试点的亮度由最大亮度电平的10%（t₁位置）上升到最大亮度电平的90%（t₂位置）所需要的时间，即上升时间t_r= t₂-t₁以及亮度由最大亮度电平的90%（t₄位置）下降到最大亮度电平的10%（t₅位置）所需要的时间，即下降时间t_f= t₅-t₄，总的响应时间为t_r+t_f。

此外，还可以得到LCD的开启时间t_on = t₂-t₀以及LCD的关断时间t_off=t₅-t₃。

如果不考虑LCD的亮延迟（t₁-t₀）和暗延迟（t₄-t₃）而仅仅测量LCD的上升时间和下降时间，那么可以省去一个触发信号发生器，这样一个简单的响应时间测试系统可以由驱动信号发生器，一个快速光电二极管，一个模拟放大器和一个示波器构成。

图5 简单响应时间测试系统

驱动信号发生器生成平场信号驱动LCD在黑白两种状态下转换，快速光电二极管检测LCD亮度变化经过模拟放大器放大后，用存储示波器捕捉波形，可以测得亮度电平由10%到90%的上升时间和90%到10%的下降时间，然后相加得到响应时间。驱动信号发生器不再和LCD亮度信息的采集分析有任何关联。

上述简单测试系统的测量结果容易受到环境光、电噪声的作用而影响测量结果的精确性，为了测得准确的响应时间，我们可以使用专业的仪器：Microivision公司的SS300系列显示设备测量系统(Display Measurement System)，如图6所示。

图6 SS310显示设备测量系统

　　SS300系列包括SS310、SS320和SS330测试系统，是用于平板显示设备、驾驶舱显示设备、微型显示设备、光像分析的多角度全能显示设备测试系统，可用于不同视角的亮度/对比度、亮度均匀性、对比度测试；伽马系数测试；背光表征、反射能力测试；色度分析；不同视角的色度、色彩均匀性、相关色、色域、CIE色度测试。响应时间测试只是其各种功能的一种。

　　测试响应时间的关键设备是CCD Camera，是一个特殊用途的工业用二维数码摄像头，如图7所示。

图7 工业用二维数码摄像头

　　整套设备由电脑进行控制，配有专门的软件系统，其全部测量结果都可以保存在电脑上方便进一步分析处理。实际上这个软件就是硬件设备的人机交换界面。

图8  SS310显示设备测量系统软件界面

一个典型的响应时间测量过程是：软件通过视频信号发生器发出指令，使液晶显示器进行全黑和全白画面的转换，二维数码摄像头全程跟踪捕捉这个转换过程，测量屏幕亮度数值的变化过程，测量结果详细显示在软件对应的界面上。

通过这套专业设备，我们可以得到液晶显示器响应时间的具体数值，它可以提供比较详细、准确的测试结果。

以上测试都是针对液晶分子在on和off两种极限状况下转换所需要的时间，然而LCD在实际用于图像显示时很少有这种极限状态，多数情况下都是在各种颜色中进行灰阶的切换，也就是液晶分子改变不同的偏转角度而不是简单的开或者关两种状态。通常情况下，液晶分子要从一个角度改变到另一个角度都会先从原来的角度切换到最暗状态再切换至新的角度，这样，在灰阶转换时，新的延迟就此产生，所以LCD灰阶切换的响应时间往往会比极限状态、也就是目前绝大多数厂商标称的响应时间有相当程度的增加。

对于灰阶切换（GTG）响应时间的测试，目前也有专业的测试系统可以承担，这就是Westar Display Technologies公司生产的TRD-100A Temporal Response Detector（响应时间探测器），捆绑特殊的GLRT（Gray-Level Response Time，灰阶响应时间）测试软件，配合T-Drive通用测试仪（视频模型发生器）组成一个完整的灰阶响应时间测试系统。

图9 灰阶响应时间测试系统软件界面

这个系统能够在用户指定的灰阶之间切换，通过T-Drive通用测试仪观察屏幕瞬间亮度的变化（这个变化有可能人眼根本觉察不出）来测定灰阶响应时间，测试结果能够以三维坐标图显示。目前这套系统支持6bit灰阶，已经能够测定短至100微秒（0.1毫秒）的响应时间。

三、结束语

和软件加主观测试的相比，直接用仪器客观测量的方式可以得到准确的响应时间数值。而使用软件加主观测试的方式则比较直观且简便，成本低廉，可以很容易地让普通用户理解响应时间的含义和它带来的好处。希望通过本文的介绍，可以让大家对这两种方法都有一个了解，并能够借对响应时间测试的方法有进一步的认识。

[1] IEC 61747-6 LIQUID CRUSTAL AND SOLID-STATE DISPLAY DEVICES Part 6：Measuring methods for liquid crystal modules

[2] Oleg Artamonov. Closer Look at 15’’ LCD Monitors Features:Pixel Response Time， xbitlabs，2003,11

[3] 明基测试实验室. 浅谈LCD响应时间，电脑报，2004，2

李庆新：国家数字电视用户端产品测试实验室工程师，信息产业部数字电视测量方法标准工作组成员。主要从事信源和显示技术及测量方法的研究，参加起草多项国家标准的制订。

李  剑：国家数字电视用户端产品测试实验室高级工程师，信息产业部数字电视测量方法标准工作组组长。长期从事电视技术及测量方法的研究，组织起草数字电视产品测量方法国家标准的制订工作。