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高色域显示屏的测量评价技术

来源:远方光电  发布时间:2015-11-19

1. 概述

    显示屏的颜色表现能力与其色域相关,直接影响到人们对显示屏的观感。为了得到色彩丰富、颜色鲜艳的画面,高色域显示产品[1] 一直是显示发展的一个重要趋势,如图1所示。近年来,OLED和量子点LED显示(QLED)[2]在色域方面均做到了100%NTSC以上,色彩表现能力极佳,画面质感也有了大幅提升。同时,高色域显示产品的突出颜色表现也对相应的测量技术以及测量设备的精度提出了更高的要求。


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2. 高色域显示屏的特点及评价参数

    通俗来讲,色域可以理解为显示屏能显示的色彩的范围。色域越广,显示屏能呈现的颜色越多,画面层次感也更强,对颜色的还原能力也就越强,一般用色域覆盖率Gp评价,也就是均匀色度空间中,三基色坐标所围成的三角形的面积,常见的显示屏色域如图2所示。色域计算公式如下:

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    其中,(ur’,vr’)、(ug’,vg’)、(ub’,vb’)分别是显示屏在全红场、全绿场、全蓝场下测得的色品坐标,S为显示屏的色域面积。


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    一般,以NTSC所规定的三角区域作为100%参比,色域覆盖率大于92%则被称为高色域显示屏。对于高色域显示屏来说,其基色光色坐标更加靠近光谱轨迹,色饱和度更高。图3是典型的OLED以及QLED基色光的光谱,其光谱能量主要分布在红、绿、蓝波段且光谱较窄。不同于白光,基色光的亮度和颜色对于测量方法和设备均有很高的要求。

 

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3. 显示屏的颜色测量方法和设备

    根据CIE标准,人眼对光以及颜色的视觉响应曲线如下图所示,1.png为CIE三刺激值曲线,其中2.png与人眼明视觉光谱光视效率曲线V(λ)一致,既表示了颜色又表示了亮度。显示屏的亮度和颜色测量都是基于人眼的视觉特性进行的,根据三刺激值的获取方法可将测量方法分为积分法和分光光谱法[3]。

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3.1 积分法测量--色度计存在光谱失配问题

    积分法的典型测量设备为亮度计/色度计,色度计一般具有三或四个光电探测器,或者在光电探测器前具有可切换的三    或四个修正滤色片,以匹配图4中的CIE三刺激值曲线1.png。探测器接收到入射光后直接进行积分测量,得到三刺激值X、Y、Z,测量原理如图5所示。

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    实际上,探测器的相对光谱灵敏度并不能与V(λ),1.png曲线完美匹配,总会存在一定的偏差,一般以f1'表示光度探头的失匹配程度[4]。

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    其中5--.jpg为A光源相对光谱功率分布,5---.jpg为被测光度探头的光谱灵敏度曲线。

    根据标准JJG245-2005,标准级光度探头的V(λ)f1'需在3.5%以内。CIE/ISO TC-40的最新统计表明,世界上仅5家公司能提供f1'<3%的光度探头,远方光电也在列其中。而对于色度计来说,一般采用在光电器件前加多个滤色片匹配1.png三刺激值曲线,匹配难度更高,失匹配误差更大。CIE用f1,x'、f1,y'、f1,z'来表示色度探头的光谱失匹配,算法与f1'相类似。而另一方面,色度探头的失匹配对彩色光的测量误差影响非常大[5]。

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    本文模拟了fx1', fy1'和fz1'为3%的两种高精度色度探头,对应的失匹配情况如图6所示。利用这两种探头测量典型的红绿蓝基色光,对应光谱的峰值波长分别为630nm、530nm、450nm(带宽为20nm),模拟计算得到的相应基色光的色品坐标误差和亮度误差如表1所示。可见即使是光谱失匹配如此低的情况下,测量得到的色品坐标误差高达0.01,亮度误差近20%,色域覆盖率误差达到了4%。

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    而一般商用色度计(彩色亮度计)的fx1', fy1'和fz1'远远大于3%,大到有些仪器制造商根本不标示光谱失匹配系数的值,这样的仪器极大地影响了显示屏品质的正确测量评估。虽然也有厂家针对彩色亮度计提出了一些修正方法,如图7所示,通过一组标准色和测量值计算得到修正系数Kx、Ky、Kz,并以此来修正色度计的测量结果。但修正系数使用有限,测量颜色与标准色往往有差异,需要使用不同的修正系数,且每个显示屏的三基色不可能完全相同,这就要求每次改变测量对象时都必须重新获得修正系数,实际操作复杂,效率低下。



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    基于此,目前一些认证标准(如TCO显示屏认证标准)在其最新版本中,提出颜色测量需采用分光光谱法。


3.2 分光光谱法-光谱辐亮度计

    光谱辐亮度计是基于光谱测量技术的高度集成的高精度测量仪器,主要特点在于采用光谱法测量显示屏亮度和颜色,计算方法如式(3)所示,其中为光谱辐亮度。由于在计算过程中采用理想的CIE三刺激值曲线1.png直接加权积分,不存在三刺激值色度计中的光谱失匹配误差,测量精度极高[6]。

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    过去,高精度光谱辐亮度计因成本因素限制,主要用于认证实验室、计量机构或者企业的基准设备。远方光电在保证高测量精度的前提下,开发了一系列适用于工业领域的光谱辐亮度计,以提高显示产品的颜色测量精度,更好地评价和控制产品品质。

    图8所示为典型的光谱辐亮度计及其测量原理图,在标准视场角测量条件下,瞄准被测发光区域,测量光束经色散系统(一般为光栅)分光后,投射至阵列探测器的探测表面,阵列探测器的像素与光谱波长一一对应,从而获得瞄准区域的光谱辐亮度。分别在全白场和三基色信号输入下对显示屏进行测量,就可以得到白场色坐标、基色色度坐标、色域覆盖率等颜色参数。


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    此外,该光谱辐亮度计可满足显示屏上不同测量区域大小的切换以及不同产品的测量要求;测量速度极快,可以以毫秒级测量速度实现整个光谱范围的测量;现场测量还可采用WIFI,方便分享实时数据,应用灵活。图9是其对显示屏的典型测试报告,通过一次测量即可以得到显示屏的亮度、光谱数据、色品坐标、主波长、相关色温等参数,在三基色信号下分别进行测量后软件即可自动计算色域覆盖率等参数,评价参数全面。


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4. 显示屏均匀性高精度测量的综合解决方案-光谱图像亮度计

    亮度均匀性也是显示屏的另一项重要评价指标,可通过成像亮度计快速测量。为了综合评价显示屏的亮度、颜色以及均匀性,提高测量精度和测量速度,光谱图像亮度计应运而生,图10为光谱图像亮度计的测量原理和典型设备,通过采用双CCD设计,既能够一次成像测量二维空间的亮度分布,也能够得到指定点的高精度光学特性参数。光谱测量不存在失匹配误差,测量精度高,可用于校正其他点的测量值;结合精确的数字图像定位,被测对象的对准精度高、复现性好。该方案不仅可以很好地避免了传统亮度、色度等测量存在的失匹配误差,而且能够快速地获得二维空间的亮度、色度等参数,实现高效高精度测量。


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5. 小结

    人们对显示品质的要求已经不止于其亮度和清晰度,色彩的还原和表现能力成为显示技术高度发达以及自媒体时代更为重要的衡量标准,高色域显示技术也在快速发展。对此,传统的颜色测量技术已经难以满足精度和应用要求,局限性越来越大。而日趋成熟的光谱辐亮度测量凭借其高精度、高效率以及全面的测评参数,正在逐渐成为显示测量的新选择,被新版TCO显示屏认证标准极力推荐,值得业界重视。


参考文献

[1] 许祖彦. 大色域显示-新一代显示技术[J]. 物理, 2010,39(04):227-231

[2] 张锋,薛建设,喻志农,等. 量子点发光在显示器件中的应用[J]. 液晶与显示, 2012,27(2):163-167

[3] 杜春玲,张唏,葛蕾. 颜色测量仪器及其发展[J]. 现代仪器, 2005,11(3):56-57

[4] 潘建根,闵芳胜. 测量LED用高精度光度探头及其性能评价[J]. 液晶与显示, 2011, 20(2):150-154

[5] 沈海平,潘建根,冯华君. 彩色成像亮度计用于显示测量及其不确定度分析[J]. 电子器件, 2008, 31(1):370-372

[6] 蒋月娟. 分光测色仪的设计研究[J]. 光学技术, 2001, 27(3):281-283

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