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LED顯示屏作為多媒體設(shè)施的顯示終端，對(duì)其光學(xué)柱能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)十分重要。亮度是評(píng)價(jià)顯 示屏光學(xué)性能的核心量值,本文從LED顯示屏的光學(xué)特性和測(cè)量要求出發(fā)，分析了影響LED顯示屏亮 度測(cè)量精度的主要因素,并圍繞這些關(guān)鍵因素，介紹了常用亮度測(cè)量設(shè)備的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)本文 還介紹了具有高精度的集成化LED顯示屏測(cè)量方法及系統(tǒng),希望能對(duì)相關(guān)技術(shù)人員有所幫助。

1 概述

近年來,LED顯示屏憑借其可靠性高、壽命長(zhǎng)、 亮度高、功耗低、色彩豐富等特點(diǎn)迅速成長(zhǎng)為平板顯 示的主流產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、商業(yè)廣告、 信息發(fā)布、體育比賽等領(lǐng)域山。隨著LED顯示屏的廣 泛應(yīng)用，其產(chǎn)品的品質(zhì)和性能評(píng)價(jià)也備受關(guān)注，我國(guó) 近年來在某些關(guān)鍵檢測(cè)技術(shù)和相關(guān)檢測(cè)設(shè)備上取得 了顯著進(jìn)步。

LED顯示屏性能評(píng)價(jià)主要包括機(jī)械性能、光學(xué) 性能和電學(xué)性能的評(píng)價(jià)％其中光學(xué)性能檢測(cè)尤為重 要，精確測(cè)量的難度也最大。此外，一些電性能測(cè)試項(xiàng) 目（如模組負(fù)載變化率）,也需要采用光學(xué)方法進(jìn)行測(cè) 試。因此有必要對(duì)LED顯示屏的光學(xué)性能的精確測(cè) 定進(jìn)行深入研究，以提供客觀準(zhǔn)確的量值，從而為 LED顯示屏的研發(fā)和生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

2 LED顯示屏的光學(xué)性能測(cè)試項(xiàng)目

根據(jù)SJ/T11281-2007(發(fā)光二極管(LED)顯 示屏測(cè)試方法＞,LED顯示屏的光學(xué)性能測(cè)試主 要包括以下幾個(gè)項(xiàng)目：

最大亮度,包括紅、綠、藍(lán)、黃、白等的最大亮度； 視角，包括水平方向的視角和垂直方向的視角； 基色主波長(zhǎng)誤差和白場(chǎng)色坐標(biāo)，均為考察 LED顯示屏的顏色特性；均勻性，包括像素光強(qiáng)均勻性、顯示模塊亮 度均勻性和模組亮度均勻性；

其它光色測(cè)試項(xiàng)目：包括最高對(duì)比度、亮度 鑒別等級(jí)等。

從以上的測(cè)試項(xiàng)目中可以看出，亮度是LED 顯示屏光學(xué)特性最為核心的參數(shù)。要達(dá)到精確測(cè) 量LED顯示屏光學(xué)性能的目的，關(guān)鍵在于亮度 的準(zhǔn)確測(cè)量。亮度是指光源單位投影面積上的發(fā) 光強(qiáng)度，單位為cd/m。，其表達(dá)式為：

同時(shí)注意到，上述測(cè)試項(xiàng)目中既有絕對(duì)亮度 測(cè)量又有相對(duì)亮度測(cè)量。通過絕對(duì)亮度測(cè)量可獲 得具有絕對(duì)單位的量值，如最大亮度等。而相對(duì) 亮度測(cè)量一般通過測(cè)量不同位置、角度或時(shí)間下 的亮度并進(jìn)行比較，從而獲得無量綱或與亮度單 位不相關(guān)的量值，如視角、均勻性等。

絕對(duì)亮度測(cè)量對(duì)測(cè)量設(shè)備精度的要求較高， 因?yàn)槿魏握`差都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果貢獻(xiàn)不確定度。而 在相對(duì)測(cè)量中由于量值相比，可以大幅降低亮度 測(cè)量的系統(tǒng)誤差影響，如光譜失配誤差等，因此 對(duì)測(cè)量設(shè)備的精度要求相對(duì)較低，但從另一層面 講，相對(duì)亮度測(cè)量對(duì)測(cè)試的便捷性要求較高，且 要求目標(biāo)能精確定位。

3現(xiàn)有亮度測(cè)量設(shè)備及影響亮度測(cè) 量的主要因素

3.1 現(xiàn)有典型的亮度測(cè)量設(shè)備

測(cè)量亮度的常用設(shè)備為亮度計(jì)，根據(jù)測(cè)量原 理，亮度計(jì)可分為遮光筒式亮度計(jì)、瞄點(diǎn)式亮度 計(jì)和成像式亮度計(jì)。

(1 )遮光筒式亮度計(jì)由光度探頭和遮光簡(jiǎn)組 成，測(cè)試時(shí)，必須將遮光筒接觸或靠近光源的表 面，因此它僅能測(cè)試自發(fā)光體某一區(qū)域內(nèi)的亮 度，并且較難控制光源的測(cè)試面積大小。

(2)瞄點(diǎn)式亮度計(jì)的典型原理如圖1所示， 根據(jù)光度學(xué)和幾何光學(xué)的基本原理，探測(cè)面上的 照度E與發(fā)光面的亮度L成以下比例關(guān)系：

E=kuL (2 )

式中，k為比例常數(shù)，由光學(xué)系統(tǒng)的透射比 T、焦距f、視場(chǎng)角3等決定。

如圖1所示，視場(chǎng)角3是指由測(cè)量面對(duì)瞄 準(zhǔn)點(diǎn)所張的角度，在一定的測(cè)量距離下，視場(chǎng)角越大，被測(cè)瞄準(zhǔn)點(diǎn)就越大，亮度計(jì)實(shí)際測(cè)量的是 該瞄準(zhǔn)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的平均亮度。

(3)成像亮度計(jì)的原理如圖2所示。成像式 亮度計(jì)采用CCD面陣代替瞄點(diǎn)式亮度計(jì)中的單 通道探測(cè)器，CCD面陣一般具有百萬像素，因此 成像亮度計(jì)可看作是百萬個(gè)亮度計(jì)同時(shí)工作。

圖1亮度計(jì)視場(chǎng)角示意圖

圖2成像式亮度計(jì)原理圖

3.2 影響顯示屏亮度測(cè)量精度的主要因素

從亮度的定義出發(fā)，影響絕對(duì)亮度測(cè)量精度 的主要因素包括光譜失配誤差和視場(chǎng)角等。

亮度計(jì)一般通過在探測(cè)器前加濾色片使探 測(cè)器的光譜響應(yīng)與CIE入眼光視效率函數(shù)V( A) 或顏色三刺激值x( A ),y( A ),z( A )相匹配， 從而測(cè)量亮度和顏色特性。亮度計(jì)的光譜失匹配 誤差是指其相對(duì)光譜靈敏度s(入扁與CIE人眼 光視效率函數(shù)V(入)的失配所引起的誤差，如圖 3所示，大部分光度計(jì)在紅藍(lán)區(qū)域的匹配欠佳， 因此特別是在測(cè)量紅、藍(lán)等基色亮度時(shí)，由光譜 失配帶來的誤差可能高達(dá)百分之十幾甚至百分之百。

由于是單通道匹配，瞄點(diǎn)式亮度計(jì)的光譜失 配誤差比成像亮度計(jì)要小。目前在瞄點(diǎn)式亮度計(jì)基礎(chǔ)上又發(fā)展了光譜輻亮度計(jì)，是采用光譜測(cè)量 裝置取代了原有的濾色片加探測(cè)器的部分，光譜 輻亮度計(jì)不存在光譜失配誤差，因此能夠更為準(zhǔn) 確地測(cè)量亮度和顏色特性。

亮度計(jì)的視場(chǎng)角影響其測(cè)量區(qū)域，LED顯示 屏等應(yīng)用對(duì)于測(cè)量區(qū)域有較為具體的要求，如像 素光強(qiáng)的測(cè)量區(qū)域?yàn)閱蝹€(gè)像素，而模塊亮度則應(yīng) 至少取16個(gè)像素區(qū)域。遮光筒式亮度計(jì)很難控 制視場(chǎng)角，瞄點(diǎn)式亮度計(jì)可實(shí)現(xiàn)的視場(chǎng)角有限， 且往往最小視場(chǎng)角也不能滿足特定測(cè)量要求，目 前最小視場(chǎng)角一般在0.1。。而成像亮度計(jì)由于 具有百萬像素，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的測(cè)量視場(chǎng)角都非 常小，并且通過宏模式，多個(gè)像素組合，能夠?qū)?現(xiàn)各種視場(chǎng)角，并能準(zhǔn)確分析均勻性。

表1

4 LED顯示屏的精確測(cè)定方案

如上分析，絕對(duì)亮度的精確測(cè)量可采用光譜 輻亮度計(jì)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于均勻性等分析可采用成像 亮度計(jì)便捷準(zhǔn)確的獲取。

然而，對(duì)于LED顯示屏的測(cè)量，影響測(cè)量精度的因素還包括視場(chǎng)測(cè)量中的角度精度、被測(cè)目標(biāo)的精確瞄準(zhǔn)以及瞄準(zhǔn)的復(fù)現(xiàn)性等。為了克服這 些誤差因素，可采用五維對(duì)準(zhǔn)高精度顯示屏光學(xué) 測(cè)試系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 五維對(duì)準(zhǔn)高精度顯示屏光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)

系統(tǒng)采用精密兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品的裝 夾和角度定位，轉(zhuǎn)臺(tái)可使被測(cè)樣品繞旋轉(zhuǎn)中心沿 水平軸和垂直軸旋轉(zhuǎn)-90。~90。。同時(shí)采用精 密三軸平移臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度測(cè)量設(shè)備的裝夾和定 位，三個(gè)相互垂直的平移軸（x軸、y軸、z軸）能 夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量取樣設(shè)備的三維空間平移。

根據(jù)測(cè)量項(xiàng)目的不同，三軸平移臺(tái)上的亮度測(cè)量 設(shè)備可為瞄點(diǎn)式亮度計(jì)、光譜輻亮度計(jì)或成像亮度 計(jì)。利用五維機(jī)械對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，能方便實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)精 確定位和對(duì)準(zhǔn)，大幅提高測(cè)量精度和復(fù)現(xiàn)性。

圖5所示為杭州遠(yuǎn)方開發(fā)的具有五維對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng) 的高精度顯示屏光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的軟件界面圖，可綜合 精確分析LED顯示屏的各項(xiàng)光學(xué)性能。

圖5

5 結(jié)論

綜上所述，亮度的精確測(cè)量是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)LED 顯示屏光學(xué)性能的重要前提。亮度測(cè)量設(shè)備主要 有遮光筒式亮度計(jì)、瞄點(diǎn)式亮度計(jì)、光譜輻亮度 計(jì)（瞄點(diǎn)式）以及成像亮度計(jì)，它們各具特點(diǎn)。其 中，光譜輻亮度計(jì)在絕對(duì)亮度和顏色參數(shù)的測(cè)量 上具有高精度，而成像亮度計(jì)則能準(zhǔn)確快速地分 析顯示屏的均勻性等相對(duì)亮度參數(shù)。杭州遠(yuǎn)方光于LED顯示 屏、LCD、LED燈具以及照明工程等領(lǐng)域。針對(duì) LED顯示屏、燈具等對(duì)光譜、亮度、顏色以及顏 色分布的測(cè)量需求，遠(yuǎn)方光電正在國(guó)家863課 題的支持下，研究二維光譜和亮度測(cè)量裝置并取 得了初步進(jìn)展131,相信該研究成果將會(huì)為L(zhǎng)ED 顯示屏的光學(xué)性能測(cè)定技術(shù)帶來革命性突破，達(dá)到更全面和更精確的測(cè)量。

圖6 水平/垂直視角測(cè)試