显示屏光学精确性能测定方法LED(亮度测量显示屏光学视场)

摘 要：LED显示屏作为多媒体设施的显示终端，对其光学柱能的检测和评价十分重要
亮度是评价显 示屏光学性能的核心量值,本文从LED显示屏的光学特性和测量要求出发，分析了影响LED显示屏亮 度测量精度的主要因素,并围绕这些关键因素，介绍了常用亮度测量设备的原理及其优缺点
同时本文 还介绍了具有高精度的集成化LED显示屏测量方法及系统,希望能对相关技术人员有所帮助
关键词：LED显示屏；光学性能；亮度；检测 中图分类号:TN312+.8 文献标识码：B1 概述近年来,LED显示屏凭借其可靠性高、寿命长、 亮度高、功耗低、色彩丰富等特点迅速成长为平板显 示的主流产品，并广泛应用于工业、交通、商业广告、 信息发布、体育比赛等领域上
随着LED显示屏的广 泛应用，其产品的品质和性能评价也备受关注，我国 近年来在某些关键检测技术和相关检测设备上取得 了显著进步
LED显示屏性能评价主要包括机械性能、光学 性能和电学性能的评价％其中光学性能检测尤为重 要，精确测量的难度也最大
此外，一些电性能测试项 目（如模组负载变化率）,也需要采用光学方法进行测 试
因此有必要对LED显示屏的光学性能的精确测 定进行深入研究，以提供客观准确的量值，从而为 LED显示屏的研发和生产提供指导
2 LED显示屏的光学性能测试项目根据SJ/T11281-2007(发光二极管(LED)显 示屏测试方法＞,LED显示屏的光学性能测试主 要包括以下几个项目：最大亮度,包括红、绿、蓝、黄、白等的最大亮度； 视角，包括水平方向的视角和垂直方向的视角； 基色主波长误差和白场色坐标，均为考察 LED显示屏的颜色特性；均匀性，包括像素光强均匀性、显示模块亮 度均匀性和模组亮度均匀性；其它光色测试项目：包括最高对比度、亮度 鉴别等级等
从以上的测试项目中可以看出，亮度是LED 显示屏光学特性最为核心的参数
要达到精确测 量LED显示屏光学性能的目的，关键在于亮度 的准确测量
亮度是指光源单位投影面积上的发 光强度，单位为cd/m
，其表达式为：同时注意到，上述测试项目中既有绝对亮度 测量又有相对亮度测量
通过绝对亮度测量可获 得具有绝对单位的量值，如最大亮度等
而相对 亮度测量一般通过测量不同位置、角度或时间下 的亮度并进行比较，从而获得无量纲或与亮度单 位不相关的量值，如视角、均匀性等
绝对亮度测量对测量设备精度的要求较高， 因为任何误差都会对测量结果贡献不确定度
而 在相对测量中由于量值相比，可以大幅降低亮度 测量的系统误差影响，如光谱失配误差等，因此 对测量设备的精度要求相对较低，但从另一层面 讲，相对亮度测量对测试的便捷性要求较高，且 要求目标能精确定位
3现有亮度测量设备及影响亮度测 量的主要因素3.1 现有典型的亮度测量设备测量亮度的常用设备为亮度计，根据测量原 理，亮度计可分为遮光筒式亮度计、瞄点式亮度 计和成像式亮度计
(1 )遮光筒式亮度计由光度探头和遮光简组 成，测试时，必须将遮光筒接触或靠近光源的表 面，因此它仅能测试自发光体某一区域内的亮 度，并且较难控制光源的测试面积大小
(2)瞄点式亮度计的典型原理如图1所示， 根据光度学和几何光学的基本原理，探测面上的 照度E与发光面的亮度L成以下比例关系：E=kuL (2 )式中，k为比例常数，由光学系统的透射比 T、焦距f、视场角3等决定
如图1所示，视场角3是指由测量面对瞄 准点所张的角度，在一定的测量距离下，视场角越大，被测瞄准点就越大，亮度计实际测量的是 该瞄准点区域内的平均亮度
(3)成像亮度计的原理如图2所示
成像式 亮度计采用CCD面阵代替瞄点式亮度计中的单 通道探测器，CCD面阵一般具有百万像素，因此 成像亮度计可看作是百万个亮度计同时工作
图1亮度计视场角示意图图2成像式亮度计原理图3.2 影响显示屏亮度测量精度的主要因素从亮度的定义出发，影响绝对亮度测量精度 的主要因素包括光谱失配误差和视场角等
亮度计一般通过在探测器前加滤色片使探 测器的光谱响应与CIE入眼光视效率函数V( A) 或颜色三刺激值x( A ),y( A ),z( A )相匹配， 从而测量亮度和颜色特性
亮度计的光谱失匹配 误差是指其相对光谱灵敏度s(入扁与CIE人眼 光视效率函数V(入)的失配所引起的误差，如图 3所示，大部分光度计在红蓝区域的匹配欠佳， 因此特别是在测量红、蓝等基色亮度时，由光谱 失配带来的误差可能高达百分之十几甚至百分之百
由于是单通道匹配，瞄点式亮度计的光谱失 配误差比成像亮度计要小
目前在瞄点式亮度计基础上又发展了光谱辐亮度计，是采用光谱测量 装置取代了原有的滤色片加探测器的部分，光谱 辐亮度计不存在光谱失配误差，因此能够更为准 确地测量亮度和颜色特性
亮度计的视场角影响其测量区域，LED显示 屏等应用对于测量区域有较为具体的要求，如像 素光强的测量区域为单个像素，而模块亮度则应 至少取16个像素区域
遮光筒式亮度计很难控 制视场角，瞄点式亮度计可实现的视场角有限， 且往往最小视场角也不能满足特定测量要求，目 前最小视场角一般在0.1

而成像亮度计由于 具有百万像素，每个像素对应的测量视场角都非 常小，并且通过宏模式，多个像素组合，能够实 现各种视场角，并能准确分析均匀性
3.3 各种亮度计的性能比较和适用场合如表1所示
表14 LED显示屏的精确测定方案如上分析，绝对亮度的精确测量可采用光谱 辐亮度计实现，而对于均匀性等分析可采用成像 亮度计便捷准确的获取
然而，对于LED显示屏的测量，影响测量精度的因素还包括视场测量中的角度精度、被测目标的精确瞄准以及瞄准的复现性等
为了克服这 些误差因素，可采用五维对准高精度显示屏光学 测试系统，如图4所示
图4 五维对准高精度显示屏光学测试系统系统采用精密两轴转台实现待测样品的装 夹和角度定位，转台可使被测样品绕旋转中心沿 水平轴和垂直轴旋转-90
~90

同时采用精 密三轴平移台实现对亮度测量设备的装夹和定 位，三个相互垂直的平移轴（x轴、y轴、z轴）能 够实现测量取样设备的三维空间平移
根据测量项目的不同，三轴平移台上的亮度测量 设备可为瞄点式亮度计、光谱辐亮度计或成像亮度 计
利用五维机械对准系统，能方便实现被测目标精 确定位和对准，大幅提高测量精度和复现性
图5所示为杭州远方开发的具有五维对准系统 的高精度显示屏光学测试系统的软件界面图，可综合 精确分析LED显示屏的各项光学性能
图55 结论综上所述，亮度的精确测量是准确评价LED 显示屏光学性能的重要前提
亮度测量设备主要 有遮光筒式亮度计、瞄点式亮度计、光谱辐亮度 计（瞄点式）以及成像亮度计，它们各具特点
其 中，光谱辐亮度计在绝对亮度和颜色参数的测量 上具有高精度，而成像亮度计则能准确快速地分 析显示屏的均匀性等相对亮度参数
杭州远方光于LED显示 屏、LCD、LED灯具以及照明工程等领域
针对 LED显示屏、灯具等对光谱、亮度、颜色以及颜 色分布的测量需求，远方光电正在国家863课 题的支持下，研究二维光谱和亮度测量装置并取 得了初步进展131,相信该研究成果将会为LED 显示屏的光学性能测定技术带来革命性突破，达到更全面和更精确的测量
图6 水平/垂直视角测试参考文献【1]宋新丽，郑喜凤，凌丽淸，郝亚茹.基于灰度直方图的 LED显示屏亮度均匀性评估方法（J）.液晶与显示， 2009,24（ 1 ）:140-144.（21 SJ/T11281-2007.发光二极管（LED）显示屏測试方法. [3] Qian Li, Haiping Shen, Jiangen Pan. 2D Spectral and luminance measurement device. CIE X036-2009.作者简介：李 倩，杭州远方光电信息股份有限公司 光电科学研究所副所长,全国照明电器标准化技术委 员会光辐射测量分委会委员，浙江省照明电器标准化 技术委员会委员，作为主要起草人之一参与了 LED 国家标准制定，拥有发明专利多项，近年来在国内外 发表LED测量论文十多篇