附录B 外文原文
Analytical equation for the motion picture
response time of display devices
Fenglin Peng, Haiwei Chen , Fangwang Gou, Yun-Han Lee, Michael Wand, Ming-Chun Li,Seok-Lyul Lee, and Shin-Tson Wu
ABSTRACT
Motion picture response time (MPRT) affects the image blurs of thin-fifilm transistor (TFT) liquid crystal displays and organic light emitting diode (OLED) displays. We derive an analytical equation to correlate MPRT with the liquid crystal (LC)/OLED response time and TFT frame rate. Good agreement between our physical model and experimental results is obtained. Based on our model, we fifind that if the LCrsquo;s response time is 2 ms or less, then its MPRT is nearly the same as that of OLED, even if OLEDrsquo;s response time is assumed to be 0. To achieve MPRT comparable to OLEDs, we developed an ultra-low viscosity LC mixture for the vertical alignment mode operation. The measured average gray-to-gray response time is 0.93 ms, and its MPRT at 120 Hz is 6.88 ms. In comparison, OLEDrsquo;s MPRT is 6.67 ms. To further shorten MPRT, we could either increase the frame rate or reduce the backlight duty ratio. Pros and cons of these approaches are discussed. Published by AIP Publishing.
I. INTRODUCTION
After more than three decades of extensive material research, device development, and heavy investment on advanced manufacturing technologies, thin-fifilm-transistor liquid crystal displays (TFT LCDs) have become ubiquitous in our daily lives.1 Its widespread applications span from TVs, monitors, tablets, to smartphones. In addition, displays for gaming monitors and virtual reality (VR) systems are growing rapidly, which demand a higher resolution density, more vivid colors, and unnoticeable image blur. Lately, “LCD versus OLED (organic light emitting diode), who wins?” is a heated debate topic. Each technology has its own merits and demerits. Generally speaking, LCD is leading in lifetime, peak brightness, and cost; it is comparable to OLED in resolution density, power consumption, ambient contrast ratio, and viewing angle but inferior to OLED in black state, panel flflexibility, color gamut, and response time. Therefore, LCD camp has devoted a great deal of efforts to narrow the performance gap against OLED, including quantum-dot backlight for achieving wider color gamut and lower power consumption, and local dimming6 to enhance the dynamic contrast ratio to 1 000 000:1. The remaining grand challenge for LCDs is the response time; especially, nematic LCDs suffer 100 slower response time than OLED (0.1 ms). Thus, it is commonly perceived that LCDs exhibit more severe image blurs than OLEDs for the fastmoving objects. To improve the LC response time, several approaches have been investigated, e.g., polymer-stabilized blue phase LCs, low viscosity nematic LCs,and ferroelectric LCs. Nevertheless, it remains challenging for nematic LCs to achieve 0.1 ms while keeping a low operation voltage.
The image blur of a TFT LCD (or OLED) is governed by two important parameters: the LC (or OLED) response time and TFT sample and the hold time. Motion Picture Response Time (MPRT) has been proposed to quantify the visual performance of a moving object as
（1）
Here, BEW stands for the perceived blurred edge width, which is proportional to the objectrsquo;s moving speed (), and is the TFTrsquo;s frame time (unit: ms), which is the inverse of frame rate (, unit: Hz)
（2）
Both TFT LCDs and OLEDs are hold-type displays, which means the displayed image is hold on by TFTs in a given frame time. As a result, they both suffer from different degree of image blurs, depending on the frame rate and the response time. That is, to say, OLED could still exhibit motion blurs even if its response time is zero. Recently, Chen et al. reported a fast-LCD with MPRT comparable to OLED, but the physical origin of MPRT is not discussed. Unlike LCD and OLED, CRT (the cathode ray tube) is an impulse-type display, whose MRPT 1.5 ms and is free from motion blur.The required MPRT depends on the specifific applications. For example, if a smartphone or monitor is mainly intended for static images, then a slow MPRT does not affect the display performance. But to clearly display an object moving at speed v 480 pixels per second, the required MPRT should be less than 4 ms. If the speed doubles, then the required MPRT should be faster than 2 ms. Presently, most LCD and OLED TVs are operated at 120 Hz (i.e., MPRT ~6.66 ms); thus, image blur remains noticeable for the fast-moving objects. There is an urgentneed to reduce MPRT to 1.5 ms (or faster) to eliminate motion blurs. To obtain such a fast MPRT, several approaches have been proposed such as: (1) employing a pursuit camera to reproduce the BEW and then calculate the MPRT based on Eq. (1) and (2) using the time based image integration to simulate it. However, these methods are less straightforward and even require complicated experimental setups. In this paper, we analyze the origin of MPRT and derive a simple equation to correlate the MPRT with the LC response time and the TFT frame rate. Therefore, the MPRT can be calculated easily based on the measured LC response time and the operation frame rate. Good agreement is obtained between the equation, rigorous simulation results, and experimental results. Through our analyses, we fifind that if the LCrsquo;s response time is 2 ms or less, then its MPRT is nearly the same as that of OLED, even if OLEDrsquo;s response time is assumed to be 0. In the experiment, we prepared three ultra-low viscosity LC mixtures and used them in the vertical alignment (VA) mode18 for TVs and the fringing fifield switching (FFS) mode19 for smartphones. With the overdrive and undershoot driving scheme, the measured average grayto-gray (GTG) response time is only 0.93 ms for the VA cell and 2.95 ms for the FF
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附录B 外文原文
显示设备运动图像响应时间的解析式
Fenglin Peng, Haiwei Chen , Fangwang Gou, Yun-Han Lee, Michael Wand, Ming-Chun Li,Seok-Lyul Lee, and Shin-Tson Wu
摘 要
运动图像响应时间(MPRT)影响薄膜晶体管(TFT)液晶显示器和有机发光二极管(OLED)显示器的图像模糊。推导出MPRT与液晶(LC)/OLED响应时间和TFT帧速率之间的解析方程。物理模型与实验结果吻合良好。根据我们的模型，我们发现如果LC的响应时间为2 ms或更少，那么即使OLED的响应时间为0，其MPRT也几乎与OLED相同。达到与OLEDs相当的MPRT。我们开发了一种用于垂直对准模式操作的超低粘度LC混合物。经测试的平均灰阶切换响应时间为0.93 ms，其120时的MPRT为6.88 ms，对比OLED的MPRT为6.67 ms。为了进一步缩短MPRT，我们可以增加帧速率或降低背光占空比。讨论了这些方法的优缺点。
- 介绍
经过三十多年的广泛的材料研究、设备开发和大量的投资或先进的制造技术，薄膜晶体管液晶晶体显示器(TFT液晶显示器)已经在我们的日常生活中无处不在。它的应用范围很广，从电视显示器、平板电脑到智能手机。此外，游戏显示器和虚拟现实(VR)系统的显示正在迅速发展，这需要更高的分辨率密度，更生动的颜色，以及不易察觉的图像模糊。最近，“LCD和OLED(有机发光二极管)，谁赢了?”是一个激烈的争论话题。每一种技术都有其优点和缺点。一般来说，LCD在寿命、峰值亮度和成本方面处于领先地位:它在分辨率密度、功耗和环境对比度方面与OLED不相上下。但在黑色画面、面板灵活性、色域和响应时间方面不如OLED。因此。因此，LCD阵营已经投入了大量的努力来缩小与OLED的性能差距，包括量子点背光源，以实现更宽的色域和更低的功率消耗，并在局部调光增强动态对比度，达到1 000000：1。LCD剩下的大挑战是响应时间;特别是向列相液晶显示器的响应时间比OLED慢约100倍(约0.1毫秒)。因此，人们通常认为，在快速移动的物体上，LCD比OLED显示出更严重的图像模糊。为了提高液晶响应时间，已经研究了几种方法，如聚合物稳定的蓝相液晶,低粘度向列相液晶和铁电液晶。然而，向列相液晶在保持低工作电压的同时达到0.1毫秒响应仍然是一个挑战。
TFT-LCD(或OLED)的图像模糊是由两个重要参数决定的:LC(或OLED)响应时间和TFT采样和保持时间。运动图像响应时间(MPRT)被提出用来量化运动对象的视觉性能为
（1）
在这里，BEW代表感知到的模糊边缘宽度。与物体运动速度()成正比，T为TFT的帧时间(单位:ms)，是贞速率的倒数。(的单位：)
（2）
TFT-LCD和OLED都是保持式显示器，这意味着所显示的图像在给定的帧时间内由TFT保持。结果，它们都遭受不同程度的图像模糊，这取决于帧速率和响应时间。也就是说。即使OLED的响应时间为零，它仍然可能表现出运动模糊。最近，Chen等人报道了一种与OLED相比具有MPRT的快速LCD，但没有讨论MPRT的物理起源。与LCD和OLED不同，CRT(阴极射线管)是一种脉冲式显示器，它的MRPT约1.5 ms，没有运动模糊。所需的MPRT取决于具体的应用。例如，如果智能手机或监视器主要用于静态图像，那么较慢的MPRT不会影响显示性能。但要想清楚地播放一个以每秒480像素的速度移动的物体，所需要的MPRT应该小于4ms。如果速度加倍，则所需的MPRT应该大于2毫秒。目前，大多数液晶电视和OLED电视的工作频率为120（即 MPRT 6.66 ms）;因此，对于快速移动的物体，图像模糊仍然是显而易见的。迫切的需要将MPRT降低到1.5ms（或更快）以消除运动模糊。为了获得更快的MPRT，提出了几种方法类如：使用跟踪摄像机再现BEW，然后基于公式(1)和公式(2)计算MPRT并使用基于时间的图像集成对其进行仿真。然而，这些方法不那么简单，甚至需要复杂的实验装置。
在本篇中，我们分析了MPRT的起源，并推导出一个简单的方程来将MPRT与LC响应时间和TFT帧速率联系起来。因此。MPRT可以根据测量到的LC响应时间和操作帧速率很容易地计算出来，计算结果与实验结果吻合较好。通过我们的分析，我们发现如果LC的响应时间是2ms或更少，然后它的MPRT几乎和OLED一样，即便OLED的响应时间假设为0。在实验中，我们制备了三种超低粘度的液晶混合物，并将其用于电视的垂直校准(VA)模式和智能手机的边缘场开关(FFS)模式。在超驱动和超调驱动方案下，测量的平均灰阶切换的(GTG)响应时间对于VA电池只有0.93 ms，对于FES电池只有2.95 ms，它们的平均灰阶切换MPRT与相同帧速率下的OLED相当。通过增加帧率或减少背光占空比，我们可以实现MPRT 小于 1.5 ms。
- 仿真模型
图1(a)给出了一个简单的例子，它演示了如何在黑暗背景下跟踪一个明亮的移动对象。这里显示的是保持模式的显示器，举例，物体在一帧时间内仍在面板上，并以速度v跳转到另一个位置，但人眼通常以速度平稳地跟踪物体。我们假设。保持型显示器与人眼视觉系统之间的这种差异导致视网膜图像模糊。感知到的运动图像模糊(图1(b))是由像素在一个帧周期内沿运动轨迹的强度之和决定的。位置相关的亮度曲线如图1(b)所示，边缘模糊宽度定义为亮度变化10% ~ 90%之间的空间间隔。BEW取决于移动速度:移动速度越快，人眼所能观察到的图像模糊程度就越严重。为了确定MPRT，研究了几种方法，如使用追踪相机方法和使用基于时间的图像集成。跟踪摄像机方法可以利用均衡器再现目标的边界条件，并计算出目标的最优解(MPRT)。然而，LC响应如何影响MPRT不能通过这种方法定量提取。另一方面，基于时间的图像集成方法已被证明是一种较好的将液晶响应曲线(LCRC)与运动图像响应曲线(MPRC)关联起来的方法。
MPRC与LC响应曲线以及眼睛跟踪和时间积分相关，如下所示：
图1所示(a)眼睛在黑暗背景下跟踪移动的明亮物体的说明。(b)感知到的图像模糊和位置相关的正常亮度。
(3)
公式(3)中，MPRC表示时间域内模糊图像的归一化亮度轮廓，为输出随时间变化的透射率曲线，由LC响应曲线和背光调制共同确定。图2(a)和图2(b)分别描绘了没有背光调制和有背光调制的输出时间相关的透射率曲线。通过应用单帧时间移动窗口函数图2(c) ，可以从输出随时间变化的透射率推导出MPRC(t)。
(4)
公式中表示卷积运算，为宽度为的矩形函数。
让我们首先考虑没有背光调制的最简单的情况。在这种情况下，T(t)就是LC的响应曲线。对于VA细胞，随时间变化的光衰减曲线已被解析解为:
(5)
图2所示(a)无背光调制;(b)有背光调制,背光占空比为A/T;(c) LC响应曲线和单帧时间移动窗口;(d) LC和OLED的MPRC在= 120和起始点至时的显示。
(6)
其中为相位延迟变化，为LC 主导重定向时间，由LC粘弹性系数和细胞间隙d决定。然而，很难直接测量。在实验中，我们测量了LC光响应时间(t)，它被定义为传输率变化10%到90%之间的时间间隔。对于小角度近似下的VA细胞，其光衰时间，a为0.3-0.4。取决于初始的值。
另一方面，VA细胞的光上升曲线()要复杂得多，因为它也依赖于应用的电压。
(7)
(8)
在公式(7)和(8)中，和表示t在趋于和t=0处的倾角。相对于施加的电压，是阈值电压。由公式(8)可知，当略高于时，上升时间可能较慢.为了克服这一缺点，常用过驱动和欠冲电压法来加速上升时间。因此，LC的响应时间主要受衰减时间的限制。通过应用单帧时间移动窗口函数，可以从LC响应曲线推导出公式(3)。因此，MPRC的起始点受到前一帧尾迹透射率的影响，使得MPRC的计算更加复杂。为了阐明推导过程而又不失其一般性，我们假设上升-响应曲线与衰减曲线(即衰减曲线)是对称的()。
(9)
这意味着在时，LCD从最暗状态(T=0)切换到最亮状态(T= 1)，过渡时间与衰减过程相同。因此，可以通过同时求解(9)和(4)Eqs得到MPRC。在图2(d)中，OLED的MPRC也作为比较基准，我们假设其响应时间为0。与LC响应时间类似，MPRT也被定义为亮度变化10%到90%之间的时间间隔，如图2(d)所示。将公式(9)代入公式(4)，我们发现
(10)
为了简化推导过程，我们假设。在泰勒展开之后，只保留了一阶和二阶,我们推导出以下与时间相关的MPRC:
(11)
在亮度变化10% ~ 90%之间的时间间隔可以得到MPRT。由公式(11)可知，MPRT是由LC响应时间()和TFT帧时间()共同决定的。通常，我们可以使用数值方法绘制MPRC [公式(11)]，然后得到MPRT。但是，如果我们能够推导出MPRT的解析表达式，并理解LC响应时间和TFT帧时间如何影响MPRT，那将是非常理想的。为了得到解析解，我们首先考虑两个没有背光调制的极端条件:和。当LC响应时间非常快时，我们设为，将公式(11)简化为
(12)
这种MPRC如图2(d)所示(黑线)。从2(d)，我们找到了MPRT的极限0.8 ，注意:系数0.8来源于MPRT的定义，即从10%到90%的亮度变化。在这种情况下，随着TFT帧频()的增加(即，减小)，极限MPRT线性减小。另一方面，如果TFT帧速率太快，LC无法跟上，即，可以将单帧时间窗口视为脉冲函数，将公式(4)简化为
(13)
因此，MPRC与LC响应曲线(T(t))重叠，即MPRC与LC响应曲线(T(t))重叠。MRPT( t)与帧速率无关，仅由LC响应时间决定为了满足这两个边界条件，基于图1(a)所示的眼球追踪跟踪图，我们提出了MPRT与LC响应时间()和帧时间(T)的关联方程如下:
(14)
为了验证公式(14)，我们将MPRT结果与没有近似的模拟结果进行比较。结果如图3(a)所示，实线表示在指定帧率下的公式(14)，圆点表示使用Eqs的仿真结果。(4)和(9)没有近似值。严格模拟与公式(14)的一致性很好。通过公式(14)，我们可以很容易地看到LC响应时间和TFT帧速率如何影响MPRT。
从图3(a)中，我们发现了三个重要的趋势:(1)在给定的帧率下，比如120，随着LC响应时间的减少，MPRT几乎呈线性下降，然后逐渐饱和。注意，2ms时的MPRT只比 0时的MPRT长4%。因此，如果LCD的响应时间是2ms。即使OLED的响应时间为0，其MPRT也可与OLED的MPRT相媲美. (2)随着TFT帧频的增加，极限MPRT(假设0)线性减小，因为极限MPRT=0.8T。(3)如果LC的响应时间不够快，比如t= 5ms，那么将帧速率从60增加到120, MPRT会有很大的改善，但是如果将帧速率增加到240和480，改善就不那么明显了。这一预测与实验观察到的结果一致。
除了LC响应时间外，影响输出透过率T(t)的另一个因素是背光调制，如图2(a)和图2(b)所示，其中a表示背光(如LED)在一帧时间内打开的时间。占空比(DR)定义为
(15)
当T(t)在一帧内不连续时，利用公式(4)可以用数值方法计算MPRC，由LC响应时间和背光调制共同决定，，使得得到分析结果相当复杂。MPRC的解析表达式。如果LC响应时间快(如2ms)，那么当背光打开时，LC控制器可以达到最终的灰度水平。因此，T(t)可以简化为周期矩形函数[图2(b)中的红线]。计算卷积后，MPRC随时间线性增加。因此，MPRT可以表示为
(16)
由公式(16)，我们可以通过降低占空比或增加帧速率来实现快速的MPRT。我们稍后将讨论占空比的影响。
图3：(a) LC与MPRT的响应时间;实线表示由公式(14)得到的计算结果，点表示使用Eqs得到的仿真结果(4)和(9).;(b)开圆和三角形是用HCCH VA模式在=
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