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高色域顯示屏的測量評價技術

來源:遠方光電  發布時間:2015-11-19

1. 概述

    顯示屏的顏色表現能力與其色域相關,直接影響到人們對顯示屏的觀感。為了得到色彩豐富、顏色鮮艷的畫面,高色域顯示產品[1] 一直是顯示發展的一個重要趨勢,如圖1所示。近年來,OLED和量子點LED顯示(QLED)[2]在色域方面均做到了100%NTSC以上,色彩表現能力極佳,畫面質感也有了大幅提升。同時,高色域顯示產品的突出顏色表現也對相應的測量技術以及測量設備的精度提出了更高的要求。


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2. 高色域顯示屏的特點及評價參數

    通俗來講,色域可以理解為顯示屏能顯示的色彩的范圍。色域越廣,顯示屏能呈現的顏色越多,畫面層次感也更強,對顏色的還原能力也就越強,一般用色域覆蓋率Gp評價,也就是均勻色度空間中,三基色坐標所圍成的三角形的面積,常見的顯示屏色域如圖2所示。色域計算公式如下:

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    其中,(ur’,vr’)、(ug’,vg’)、(ub’,vb’)分別是顯示屏在全紅場、全綠場、全藍場下測得的色品坐標,S為顯示屏的色域面積。


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    一般,以NTSC所規定的三角區域作為100%參比,色域覆蓋率大于92%則被稱為高色域顯示屏。對于高色域顯示屏來說,其基色光色坐標更加靠近光譜軌跡,色飽和度更高。圖3是典型的OLED以及QLED基色光的光譜,其光譜能量主要分布在紅、綠、藍波段且光譜較窄。不同于白光,基色光的亮度和顏色對于測量方法和設備均有很高的要求。

 

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3. 顯示屏的顏色測量方法和設備

    根據CIE標準,人眼對光以及顏色的視覺響應曲線如下圖所示,1.png為CIE三刺激值曲線,其中2.png與人眼明視覺光譜光視效率曲線V(λ)一致,既表示了顏色又表示了亮度。顯示屏的亮度和顏色測量都是基于人眼的視覺特性進行的,根據三刺激值的獲取方法可將測量方法分為積分法和分光光譜法[3]。

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3.1 積分法測量--色度計存在光譜失配問題

    積分法的典型測量設備為亮度計/色度計,色度計一般具有三或四個光電探測器,或者在光電探測器前具有可切換的三    或四個修正濾色片,以匹配圖4中的CIE三刺激值曲線1.png。探測器接收到入射光后直接進行積分測量,得到三刺激值X、Y、Z,測量原理如圖5所示。

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    實際上,探測器的相對光譜靈敏度并不能與V(λ),1.png曲線完美匹配,總會存在一定的偏差,一般以f1'表示光度探頭的失匹配程度[4]。

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    其中5--.jpg為A光源相對光譜功率分布,5---.jpg為被測光度探頭的光譜靈敏度曲線。

    根據標準JJG245-2005,標準級光度探頭的V(λ)f1'需在3.5%以內。CIE/ISO TC-40的最新統計表明,世界上僅5家公司能提供f1'<3%的光度探頭,遠方光電也在列其中。而對于色度計來說,一般采用在光電器件前加多個濾色片匹配1.png三刺激值曲線,匹配難度更高,失匹配誤差更大。CIE用f1,x'、f1,y'、f1,z'來表示色度探頭的光譜失匹配,算法與f1'相類似。而另一方面,色度探頭的失匹配對彩色光的測量誤差影響非常大[5]。

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    本文模擬了fx1', fy1'和fz1'為3%的兩種高精度色度探頭,對應的失匹配情況如圖6所示。利用這兩種探頭測量典型的紅綠藍基色光,對應光譜的峰值波長分別為630nm、530nm、450nm(帶寬為20nm),模擬計算得到的相應基色光的色品坐標誤差和亮度誤差如表1所示??梢娂词故枪庾V失匹配如此低的情況下,測量得到的色品坐標誤差高達0.01,亮度誤差近20%,色域覆蓋率誤差達到了4%。

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    而一般商用色度計(彩色亮度計)的fx1', fy1'和fz1'遠遠大于3%,大到有些儀器制造商根本不標示光譜失匹配系數的值,這樣的儀器極大地影響了顯示屏品質的正確測量評估。雖然也有廠家針對彩色亮度計提出了一些修正方法,如圖7所示,通過一組標準色和測量值計算得到修正系數Kx、Ky、Kz,并以此來修正色度計的測量結果。但修正系數使用有限,測量顏色與標準色往往有差異,需要使用不同的修正系數,且每個顯示屏的三基色不可能完全相同,這就要求每次改變測量對象時都必須重新獲得修正系數,實際操作復雜,效率低下。



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    基于此,目前一些認證標準(如TCO顯示屏認證標準)在其最新版本中,提出顏色測量需采用分光光譜法。


3.2 分光光譜法-光譜輻亮度計

    光譜輻亮度計是基于光譜測量技術的高度集成的高精度測量儀器,主要特點在于采用光譜法測量顯示屏亮度和顏色,計算方法如式(3)所示,其中為光譜輻亮度。由于在計算過程中采用理想的CIE三刺激值曲線1.png直接加權積分,不存在三刺激值色度計中的光譜失匹配誤差,測量精度極高[6]。

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    過去,高精度光譜輻亮度計因成本因素限制,主要用于認證實驗室、計量機構或者企業的基準設備。遠方光電在保證高測量精度的前提下,開發了一系列適用于工業領域的光譜輻亮度計,以提高顯示產品的顏色測量精度,更好地評價和控制產品品質。

    圖8所示為典型的光譜輻亮度計及其測量原理圖,在標準視場角測量條件下,瞄準被測發光區域,測量光束經色散系統(一般為光柵)分光后,投射至陣列探測器的探測表面,陣列探測器的像素與光譜波長一一對應,從而獲得瞄準區域的光譜輻亮度。分別在全白場和三基色信號輸入下對顯示屏進行測量,就可以得到白場色坐標、基色色度坐標、色域覆蓋率等顏色參數。


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    此外,該光譜輻亮度計可滿足顯示屏上不同測量區域大小的切換以及不同產品的測量要求;測量速度極快,可以以毫秒級測量速度實現整個光譜范圍的測量;現場測量還可采用WIFI,方便分享實時數據,應用靈活。圖9是其對顯示屏的典型測試報告,通過一次測量即可以得到顯示屏的亮度、光譜數據、色品坐標、主波長、相關色溫等參數,在三基色信號下分別進行測量后軟件即可自動計算色域覆蓋率等參數,評價參數全面。


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4. 顯示屏均勻性高精度測量的綜合解決方案-光譜圖像亮度計

    亮度均勻性也是顯示屏的另一項重要評價指標,可通過成像亮度計快速測量。為了綜合評價顯示屏的亮度、顏色以及均勻性,提高測量精度和測量速度,光譜圖像亮度計應運而生,圖10為光譜圖像亮度計的測量原理和典型設備,通過采用雙CCD設計,既能夠一次成像測量二維空間的亮度分布,也能夠得到指定點的高精度光學特性參數。光譜測量不存在失匹配誤差,測量精度高,可用于校正其他點的測量值;結合精確的數字圖像定位,被測對象的對準精度高、復現性好。該方案不僅可以很好地避免了傳統亮度、色度等測量存在的失匹配誤差,而且能夠快速地獲得二維空間的亮度、色度等參數,實現高效高精度測量。


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5. 小結

    人們對顯示品質的要求已經不止于其亮度和清晰度,色彩的還原和表現能力成為顯示技術高度發達以及自媒體時代更為重要的衡量標準,高色域顯示技術也在快速發展。對此,傳統的顏色測量技術已經難以滿足精度和應用要求,局限性越來越大。而日趨成熟的光譜輻亮度測量憑借其高精度、高效率以及全面的測評參數,正在逐漸成為顯示測量的新選擇,被新版TCO顯示屏認證標準極力推薦,值得業界重視。


參考文獻

[1] 許祖彥. 大色域顯示-新一代顯示技術[J]. 物理, 2010,39(04):227-231

[2] 張鋒,薛建設,喻志農,等. 量子點發光在顯示器件中的應用[J]. 液晶與顯示, 2012,27(2):163-167

[3] 杜春玲,張唏,葛蕾. 顏色測量儀器及其發展[J]. 現代儀器, 2005,11(3):56-57

[4] 潘建根,閔芳勝. 測量LED用高精度光度探頭及其性能評價[J]. 液晶與顯示, 2011, 20(2):150-154

[5] 沈海平,潘建根,馮華君. 彩色成像亮度計用于顯示測量及其不確定度分析[J]. 電子器件, 2008, 31(1):370-372

[6] 蔣月娟. 分光測色儀的設計研究[J]. 光學技術, 2001, 27(3):281-283

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