張 健，王 原，湯勇明

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)

顯示器件是人機交互和信息展示的窗口，隨著社會信息化的高速發(fā)展，人們對顯示器件的要求越來越高［1］。隨著近年LCD、PDP、OLED、電子紙等顯示技術(shù)的發(fā)展，對顯示器性能的評價和測量變得越來越重要［2］。

亮室對比度BRCR(Bright－Room－Contrast－Ratio)是評價顯示器性能好壞的重要指標，反映了顯示器在特定光照條件下的反射特性和可讀性［3］。由于顯示器在使用中不可避免的會受到環(huán)境光的影響，故測量其亮室對比度更具有實際意義。

亮室對比度的定義是指在一定環(huán)境光照明條件下顯示器表面最大亮度和最小亮度的比值:

其中LW和LB分別為顯示器本身產(chǎn)生的最大和最小的亮度值，L'AM和L″AM分別是最大亮度圖案和最小亮度圖案下環(huán)境光照射到顯示屏上產(chǎn)生的亮度［3－5］。由式(1)我們可以看出，亮室對比度不僅取決于顯示器的發(fā)光特性，還取決于環(huán)境光對顯示器的影響。

當(dāng)前對平板顯示器不同光照條件下的對比度的測量主要有兩種方法:一種是采用調(diào)換不同的標準光源來實現(xiàn)不同的光照條件，這種方法存在的問題是標準的光源照明及標準亮室條件實現(xiàn)較困難;另一種方法是光譜幅亮度系數(shù)法，在固定的光照條件下進行測量，并對測量出的數(shù)據(jù)進行換算，轉(zhuǎn)換成所需亮室條件下的對比度，但這一方法的轉(zhuǎn)換過程是理想的理論計算，對顯示器存在的熒光效應(yīng)等非理想情況不易處理，故存在一定的誤差［2］。隨著近年來大功率及多色彩LED 技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合傳統(tǒng)光學(xué)測量中成熟的積分球方案，我們嘗試采用WRGB 四種不同顏色及光譜的大功率LED 在積分球內(nèi)合成測試所需的光照條件，以此來模擬真實的環(huán)境光照條件應(yīng)用于平板顯示器的亮室對比度測量。

1 對比度測量系統(tǒng)方案

如圖1 所示，新的平板顯示器亮室對比度測量系統(tǒng)包括積分球、大功率LED 光源(包括LED 光源和光源驅(qū)動電路)、測量儀器設(shè)備(包括亮度計、照度計)及系統(tǒng)控制電路四大部分。

在本系統(tǒng)中采用內(nèi)徑為30 cm 的采樣積分球來獲得均勻的漫反射光照條件，并通過采樣口照射到平板顯示器上。待測平板顯示器緊靠在直徑為10 cm 的采樣口上，并且使其中心與采樣口的中心重合。照度計的采樣頭放置在積分球的采樣口附近。測量孔與平板顯示器的法線間的夾角θ=8°，亮度計通過積分球表面的測量孔對平板顯示器的中心區(qū)域進行測量。測量孔直徑要比亮度計的鏡頭大20%到30%，以避免對到達亮度計的光線產(chǎn)生影響，本系統(tǒng)中為8 cm。亮度計要離開測量口一定的距離，防止直射光進入亮度計的鏡頭。擋板用來防止光源產(chǎn)生的光線直接照射在待測平板顯示器上［5－8］。

圖1 系統(tǒng)示意圖

光源采用白(W)、紅(R)、綠(G)、藍(B)4 種顏色的大功率LED 光源實現(xiàn)環(huán)境光照條件的模擬。其中白光作為主光源，主要用來提供照度，其他3 種有色光源主要用來對色溫進行修正。本系統(tǒng)中我們采用的是Cree 公司的MC－E 型WRGB 4 色大功率LED 芯片。它是一款照明用多核芯LED，采用小規(guī)格封裝，能提供高流明輸出。與分立式LED 相比，可以減少LED 芯片的間距，產(chǎn)生小面積的光源，從而獲得突出的光學(xué)控制能力和高效的色彩混合性［11］。

測量設(shè)備包括亮度計(美能達，CS－200)和照度計(美能達，T－10)。亮度計主要完成平板顯示器表面亮度的測量，照在平板顯示器上的環(huán)境光的色坐標及相關(guān)色溫的測量。照度計主要完成平板顯示器位置的環(huán)境光照度的測量。

控制電路是系統(tǒng)的核心，負責(zé)控制測量設(shè)備的測量及數(shù)據(jù)的讀出，通過PWM 控制LED 光源，另外還負責(zé)光照條件的設(shè)定以及測量結(jié)果的顯示。在光照條件的生成階段控制電路利用測量設(shè)備反饋回來的數(shù)據(jù)對LED 光源進行反饋調(diào)節(jié)，用來產(chǎn)生精確穩(wěn)定的光照條件，本系統(tǒng)中采用PC+ARM 的組合方案，實現(xiàn)智能控制及良好的人機交互。

當(dāng)需要測量某一光照條件下平板顯示器的亮室對比度時，先將相應(yīng)的照度(E)和相關(guān)色溫(CCT)兩個變量輸入到系統(tǒng)，系統(tǒng)會控制LED 光源在積分球內(nèi)自動生成所需的亮室光照條件。等亮室光照條件穩(wěn)定后再進行亮室對比度的測量:首先測量出平板顯示器表面的最大亮度值(LAW)，然后再測量出平板顯示器表面的最小亮度值(LAB)，這樣就可以計算出在這一光照條件下平板顯示器的亮室對比度(CA=LAW/LAB)。以上測量過程除輸入照度和相關(guān)色溫兩個變量外，系統(tǒng)均可在無人為干預(yù)的情況下完成，并將測量結(jié)果顯示出來。

2 可變環(huán)境照明條件控制系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)中，亮室條件的生成是在積分球內(nèi)合成具有特定照度及光譜的光照條件，以此來模擬真實的光照條件。由此，設(shè)置亮室條件包括兩個參數(shù):照度E 和相關(guān)色溫T。本系統(tǒng)通過將這兩個設(shè)置參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的LED 控制參數(shù)——PWM 占空比，來實現(xiàn)相應(yīng)亮室條件的生成。

2.1 照度

圖2 是實驗獲得WRGB 四色LED 在單獨點亮?xí)rPWM 占空比與積分球采樣口照度值之間的關(guān)系。由此圖可以看出，照度值與PWM 占空比基本上呈線性關(guān)系，另外不同顏色混合后的照度值基本上呈簡單的疊加關(guān)系，據(jù)此我們可以以線性累加處理積分球內(nèi)獲得想要的照度值。因為LED 的發(fā)光特性具有一定的離散型，LED 的發(fā)光效率也跟溫度有一定的關(guān)系［9］，所以系統(tǒng)在保持LED 良好的散熱條件基礎(chǔ)上，在每次系統(tǒng)初始化的時候?qū)ι鲜龅腜WM 占空比與照度間線性關(guān)系進行測量。另外為了提高系統(tǒng)的精度，我們將積分球內(nèi)的照度值實時反饋給控制電路，然后由控制電路對系統(tǒng)內(nèi)照明條件進行反饋調(diào)節(jié)。

圖2 PWM 占空比與照度關(guān)系圖

2.2 相關(guān)色溫

調(diào)節(jié)光源的相關(guān)色溫的方法是將其轉(zhuǎn)換為LED 的控制參數(shù)來調(diào)節(jié)WRGB 四種光的比例。根據(jù)在CIE 1960 UCS 均勻色度圖中的黑體軌跡曲線數(shù)據(jù)，在保證后面合成光線的相關(guān)色溫的精度下，利用MATLAB 可以擬合出色溫T 與(u，v)坐標的關(guān)系如下:

其中A=lnT，各系數(shù)分別為a1=0.001 6，a2=－0.068 1，a3= 1. 121 6，a4= －9. 043 1，a5= 35. 332 5，a6=－52.372 3，b1=－0.006 3，b2=0.228 2，b3=－3.101 2，b4=18.551 2，b5=－40.923 9。

圖3 uv 坐標的向量分解

假設(shè)我們要在積分球內(nèi)生成相關(guān)色溫為T 的光照條件，根據(jù)以上方程可求出色溫T 的色坐標(uT，vT)，因為WRGB 4 色LED 的uv 色坐標是固定的，分別為(uW，vW)、(uR，vR)、(uG，vG)和(uB，vB)，如圖3 所示從白光LED 的相關(guān)色溫W 到T 有一個向量，我們可以將此向量沿和兩個方向分解為和，其中G'和R'的uv 色坐標分別為(uG'，vG')，(uR'，vR')。

其中t1=vT－k1uT。所在直線的方程為

其中t2=vw－k2uw。

由式(6)、式(7)兩個函數(shù)方程可以求出(uR'，vR')，同理可以求得(uG'，vG')。

當(dāng)白光LED 的光通量一定的時候我們逐漸增加綠光LED 的光通量，合成的光的uv 色坐標在直線WG 上由W 端逐漸向G 端移動，當(dāng)移動到G'(uG'，vG')點時記下白光與綠光光通量的比例。同樣可得到白光與紅光合成R'(uR'，vR')時白光與紅光的比例。接下來按照WRG 的比例將3 種LED 的光混合，這樣得到的合成光為T'(uT'，vT')，這跟T(uT，vT)還有一定的差距，我們可以再將T'作為起點(類似于之前的W)重復(fù)上面的分解合成過程，如此重復(fù)迭代n 次直到合成的光線與T(uT，vT)之間的誤差符合要求為止。

2.3 照度與相關(guān)色溫的組合

照度和相關(guān)色溫這兩個光照參數(shù)組合起來才具有實際意義。假設(shè)生成照度為E，相關(guān)色溫為T 的亮室條件，其組合過程如下:

(1)首先設(shè)定白光的照度E'W=500 lx(也可以為其他值)，根據(jù)相關(guān)色溫合成方法合成色溫為T的光照條件，測出此時的照度值E'。

(2)求出照度為E 時白光的照度值

(3)設(shè)定白光的照度為EW，然后根據(jù)相關(guān)色溫合成方法合成色溫為T 的光照條件，測出此時的照度值E″。

(4)因為LED 光源的一些非線性的原因，E″跟E 還有一定的差距，然后將EW加1 或減1。具體的做法是當(dāng)E″小于E 時加1，反之則減1。

(5)重復(fù)過程(3)、(4)兩個步驟直到E″與E 之間的誤差在可接受的范圍內(nèi)為止。

3 測量結(jié)果

表1、表2、表3 分別是按照前面的方法步驟在本測試系統(tǒng)中得到的環(huán)境照明條件控制情況。

表1 WRGB 四種LED 設(shè)定照度與測量結(jié)果對比 單位:lx

表2 設(shè)定的相關(guān)色溫與測量結(jié)果對比 單位:K

表3 照度(E)、相關(guān)色溫(T)的設(shè)定值與測量結(jié)果對比

表1 可以得出當(dāng)LED 調(diào)光比為100 ∶1(即PWM分辨率為1/100)時WRGB 四種LED 光源單獨點亮?xí)r得到的照度與設(shè)定的照度間的相對誤差大于1%，而LED 調(diào)光比為1000 ∶1(即PWM 分辨率為1/1 000)時其相對誤差遠小于1%。這是因為LED 控制電路的PWM 占空比與LED 光源在積分球內(nèi)得到的照度基本上是線性的關(guān)系，PWM 的分辨率對調(diào)光精度有很大的影響，又由于有照度的反饋回路進行反饋調(diào)節(jié)，所以精度較高。表2 是在白光的照度值為500 lx 時，設(shè)定的相關(guān)色溫與測量出的相關(guān)色溫的對比，我們可以看出其相對誤差小于1‰，這樣的精度也是由于加入了反饋調(diào)節(jié)的原因。表3 是在系統(tǒng)生成的亮室光照條件(照度、相關(guān)色溫)與設(shè)定的光照條件(照度、相關(guān)色溫)的對比關(guān)系。其中我們將系統(tǒng)可接受的照度的相對誤差設(shè)定為5%，相關(guān)色溫的相對誤差設(shè)定為1%，從表3 可以看出測量出的結(jié)果在設(shè)定的誤差范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用了采樣積分球和大功率LED 技術(shù)，自動合成所需的亮室條件來模擬真實的光照條件并對平板顯示器的亮室對比度進行測量。經(jīng)測試，本系統(tǒng)生成的亮室條件最終照度范圍在50 lx 到2 500 lx 之間，誤差在5%之內(nèi)，色溫在3 000 K 到10 000 K 之間，誤差在1%之內(nèi)。若測試需要獲得更大的照度范圍，可以增加所選LED 芯片的數(shù)量。另外，目前選型的LED 產(chǎn)品光譜特性與原有標準光源的差異，及其是否對亮室對比度測試結(jié)果有影響將在后續(xù)的研究中重點關(guān)注。

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