王少水 阮育嬌 費(fèi) 豐 趙發(fā)財(cái) 呂子敬

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東青島 266555；2.廈門市計(jì)量檢定測(cè)試院，福建廈門 361004；3.中電科思儀科技有限公司，山東青島 266555)

1 引 言

微型顯示器，又稱為“數(shù)字像源”，是指在信號(hào)傳輸、處理及顯示等過(guò)程中可采用數(shù)字方式進(jìn)行控制的小型顯示器，尺寸通常小于1英寸。微型顯示器的種類主要有薄膜晶體管液晶顯示器(LCD：Liquid Crystal Display)、有機(jī)電致發(fā)光二極管(OLED：Organic Light-Emitting Diode)、硅基液晶(LCOS：Liquid Crystal on Silicon)、數(shù)字微鏡(DMD：Digital Micromirror Device)等[1]。相比于傳統(tǒng)CRT模擬像源，微型顯示器具有體積小、重量輕、功耗低、像素亮度可調(diào)節(jié)且可獨(dú)立控制等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為航空平視顯示器系統(tǒng)(HUD)和頭盔顯示系統(tǒng)(HMD)的核心部件[2]。

應(yīng)用于飛機(jī)艙內(nèi)的信息顯示屏及頭盔顯示器，具有亮度范圍大、分辨率高等特點(diǎn)，子像素的尺寸已接近3μm，而市面上現(xiàn)有的瞄點(diǎn)式光譜輻亮度計(jì)和成像亮度計(jì)最小測(cè)試區(qū)域均在毫米量級(jí)，配備望遠(yuǎn)鏡式放大鏡的成像亮度計(jì)可實(shí)現(xiàn)50μm目標(biāo)的測(cè)試，仍無(wú)法滿足微型顯示器的測(cè)試需求。為此，本文將顯微物鏡引入到成像亮度計(jì)中，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套顯微成像式彩色亮度計(jì)，利用積分球面光源和標(biāo)準(zhǔn)刻線板進(jìn)行亮度、色度和尺寸的標(biāo)定，對(duì)不同像素排列的顯示屏進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了方案的可行性和準(zhǔn)確性。

2 顯微成像式彩色亮度計(jì)的工作原理

彩色亮度計(jì)是一種具備亮度、色度測(cè)試功能的光學(xué)設(shè)備，目前主要采用兩種實(shí)現(xiàn)方法。一種是光譜光度法，利用掃描或分光方式得到被測(cè)物體的光譜輻射曲線，然后根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)推薦的計(jì)算公式得到三刺激值XYZ，從而得到亮度和色度參數(shù)，該方法測(cè)量精度高，主要用于瞄點(diǎn)式彩色亮度計(jì)的研制；另一種是光電積分法，采用三色或四色濾光片與探測(cè)器進(jìn)行光譜匹配，探測(cè)器采用面陣相機(jī)時(shí)，研制的亮度計(jì)稱為“成像彩色亮度計(jì)”[3-7]。

為解決微型顯示器子像素亮度的測(cè)試，本文將顯微物鏡引入到成像亮度計(jì)設(shè)計(jì)中，研制了一套顯微成像彩色亮度計(jì)，主要由鏡頭、主機(jī)和工控機(jī)組成，如圖1所示。鏡頭由顯微物鏡和測(cè)試轉(zhuǎn)接鏡組成，測(cè)試轉(zhuǎn)接鏡一端采用標(biāo)準(zhǔn)RMS螺紋接口與顯微物鏡相連，另一端采用F卡口與主機(jī)相連；鏡頭主要用于待測(cè)件的圖像光學(xué)放大；主機(jī)對(duì)放大后的圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將電信號(hào)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線傳至工控機(jī)；工控機(jī)對(duì)主機(jī)獲取的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，并將結(jié)果顯示出來(lái)。

圖1 顯微成像亮度計(jì)組成框圖

主機(jī)主要由機(jī)殼、底座、高分辨率黑白相機(jī)、電機(jī)1、電機(jī)2、濾光片輪1、濾光片輪2、中性濾光片、XYZ三色濾光片和圖像采集卡等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

被測(cè)樣品的光輻射由F卡口進(jìn)入主機(jī)后，依次通過(guò)中性濾光片、XYZ三色濾光片，最后到達(dá)高分辨率黑白相機(jī)；黑白相機(jī)將待測(cè)件的物像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，圖像采集卡將黑白相機(jī)的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，并通過(guò)USB數(shù)據(jù)線傳送至工控機(jī)。其中，中性濾光片用于提升亮度計(jì)的上限測(cè)量能力，當(dāng)測(cè)試高亮度信號(hào)時(shí)，利用電機(jī)1驅(qū)動(dòng)濾光片輪1，將相應(yīng)的中性濾光片移入光路中；XYZ三色濾光片用于三刺激值的光譜匹配，電機(jī)2驅(qū)動(dòng)濾光片輪2，將X，Y，Z三個(gè)濾光片依次移入光路中，完成屏幕子像素XYZ三刺激值的測(cè)試，通過(guò)計(jì)算還可以得到每個(gè)像素的色度參數(shù)。

CCD相機(jī)對(duì)于光的響應(yīng)都在存在非線性問(wèn)題，非線性的校正一般可分為兩種：一種是積分時(shí)間不變，改變標(biāo)準(zhǔn)光源的光強(qiáng)；另一種是標(biāo)準(zhǔn)光源光強(qiáng)不變，改變CCD的積分時(shí)間[8]。本文將兩種方法進(jìn)行結(jié)合，得到不同光強(qiáng)和相機(jī)積分時(shí)間的校正系數(shù)，并利用矩陣進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下式所示，m,n分別表示不同的光信號(hào)與積分時(shí)間。測(cè)試過(guò)程中，亮度計(jì)首先通過(guò)預(yù)測(cè)試選取校正系數(shù)。

(1)

亮度計(jì)中XYZ濾光片與CCD相機(jī)視為一體，光譜響應(yīng)曲線必須與CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激曲線匹配，首先測(cè)得CCD的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線，然后計(jì)算得到所需XYZ濾光片的光譜透過(guò)率，最后利用Cary5000分光光度計(jì)測(cè)試并篩選所需的XYZ濾光片。中性濾光片主要用于擴(kuò)大亮度計(jì)的測(cè)試量程上限，光譜透過(guò)率利用Cary5000分光光度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，不確定度小于0.5%(k=2)。

3 顯示屏子像素排列方法

顯示屏由多個(gè)像素按一定的排列順序構(gòu)成，為了使每一個(gè)單獨(dú)的像素可以顯示出各種顏色，需要把其分解為紅綠藍(lán)3個(gè)比像素更低一級(jí)的子像素，即3個(gè)子像素構(gòu)成一個(gè)整體的彩色像素。當(dāng)需要顯示不同顏色的時(shí)候，3個(gè)子像素分別以不同的亮度發(fā)光，子像素的尺寸非常小，在視覺(jué)上就會(huì)混合成所需要的顏色[8,9]。

3.1 RGB排列法

液晶顯示器和LCD手機(jī)屏幕的子像素按照標(biāo)準(zhǔn)RGB排列法進(jìn)行排列，如圖3(a)所示。OLED屏幕具有無(wú)需背光層和液晶層，單個(gè)子像素自發(fā)光的特點(diǎn)，但是OLED屏采用標(biāo)準(zhǔn)RGB排列時(shí)壽命較短，為解決此問(wèn)題，三星研究出了PenTile的子像素排列方式，如圖3(b)所示。PenTile排列法增大了藍(lán)色和紅色面積，綠色像素被完整保留下來(lái)，再通過(guò)軟件算法的優(yōu)化，OLED屏幕壽命短的問(wèn)題得到了明顯的改善。但是PenTile排列導(dǎo)致實(shí)際分辨率降低，為提高分辨率，廠家對(duì)PenTile排列進(jìn)行了改進(jìn)。

圖3 顯示屏子像素RGB排列示意圖

3.2 PenTile排列法的改進(jìn)版

為了彌補(bǔ)分辨率被降低的問(wèn)題，三星采用了特殊的子像素排列方式，如圖4所示，子像素不是傳統(tǒng)的豎條排列形式，4個(gè)子像素呈菱形排列，由此又被稱作“鉆石排列”。鉆石排列讓子像素之間更加緊密，將分辨率提升至標(biāo)準(zhǔn)RGB的80%左右。

圖4 三星屏幕子像素“鉆石排列”示意圖

由于PenTile排列和鉆石排列方式都已經(jīng)被三星已申請(qǐng)了專利。國(guó)內(nèi)廠商為解決子像素壽命問(wèn)題，對(duì)子像素的排列進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，例如Delta排列和周冬雨排列，如圖5所示。

圖5 國(guó)內(nèi)PenTile排列示意圖

周冬雨排列的設(shè)計(jì)方案出自京東方，它把一個(gè)綠色像素拆成兩個(gè)子像素，看起來(lái)像一只只鴨子，被網(wǎng)友們親切地稱為“周冬雨排列”。目前這兩種排列方式的原理與PenTile排列一樣，通過(guò)擴(kuò)大藍(lán)色和紅色子像素面積來(lái)延長(zhǎng)屏幕的壽命，同時(shí)也避開了三星的專利。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

顯微測(cè)試需要高精度的位移機(jī)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)上下左右前后的位移調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)及俯仰等角度調(diào)節(jié)，確保聚焦定位的準(zhǔn)確。本文中設(shè)計(jì)的顯微成像亮度計(jì)工作距離15mm左右，聚焦過(guò)程要求調(diào)節(jié)步進(jìn)在μm量級(jí)，高精度調(diào)整系統(tǒng)如圖6所示，可帶動(dòng)顯微成像亮度計(jì)在垂直方向移動(dòng)；被測(cè)件放置在載物臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)XYZ三軸直線運(yùn)動(dòng)，水平面內(nèi)角度旋轉(zhuǎn)，以及俯仰角度調(diào)整。其中，XYZ軸向?qū)к壟溆泄鈻懦?，步進(jìn)分辨率優(yōu)于1μm；水平面內(nèi)轉(zhuǎn)盤配有編碼器，調(diào)整精度優(yōu)于5″；俯仰角度采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍±5°。

圖6 微型顯示器子像素亮度測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖

4.1 顯微成像亮度計(jì)校準(zhǔn)

成像亮度計(jì)可配備放大倍數(shù)為2倍,10倍，20倍和50倍的顯微物鏡，此次實(shí)驗(yàn)選用50倍的物鏡，用于驗(yàn)證成像亮度計(jì)測(cè)試小尺寸樣品的能力。在測(cè)試之前要進(jìn)行校準(zhǔn)，首先利用積分球光源作為標(biāo)準(zhǔn)，在100cd/m2條件下(x=0.463，y=0.417)對(duì)成像亮度計(jì)的亮度和色度進(jìn)行定標(biāo)，然后利用20μm標(biāo)準(zhǔn)刻線板對(duì)尺寸進(jìn)行標(biāo)定，校準(zhǔn)后再進(jìn)行測(cè)試[9,10]。校準(zhǔn)后的設(shè)備具有很高的測(cè)試精度，計(jì)算得到相機(jī)每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的樣品尺寸小于0.1μm，遠(yuǎn)大于子像素尺寸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 顯微成像亮度計(jì)校準(zhǔn)后實(shí)驗(yàn)結(jié)果

校準(zhǔn)采用的積分球光源的亮度量值溯源至中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，不確定度為2.0%，增加測(cè)量重復(fù)性和均一性引入的不確定度分量，最終得到的不確定度為2.5%(k=2)。

4.2 手機(jī)屏幕及微顯示器測(cè)試

實(shí)驗(yàn)選用國(guó)內(nèi)某知名廠商的高端機(jī)型，采用三星公司的鉆石屏；微顯示器選用國(guó)內(nèi)某OLED生產(chǎn)商，0.61英寸彩色顯示器，分辨率為1 280×1 024。測(cè)試過(guò)程中，顯示屏均設(shè)置為白場(chǎng)，手機(jī)屏幕的子像素排列測(cè)試結(jié)果如圖7(a)所示，具體數(shù)據(jù)見表2，綠色子像素小于藍(lán)色和紅色子像素，寬度在14μm左右。

表2 手機(jī)屏幕子像素亮度色度結(jié)果

微顯示器的子像素排列測(cè)試結(jié)果如圖7(b)所示，合成像素尺寸的測(cè)試結(jié)果為9.1μm×9.1μm，廠家給出的出廠指標(biāo)是9.3μm×9.3μm。由于采用的是隨機(jī)選取像素測(cè)試，產(chǎn)品指標(biāo)給出的是平均值，符合預(yù)期。

圖7 顯示屏子像素圖像排列測(cè)試結(jié)果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

為滿足微型顯示器對(duì)子像素亮度和色度參數(shù)的測(cè)試需求，利用高分辨率黑白相機(jī)、XYZ三色濾光片和顯微物鏡等器件，設(shè)計(jì)并研制了一套顯微式彩色成像亮度計(jì)，經(jīng)校準(zhǔn)后測(cè)試誤差小于1%，相機(jī)單個(gè)像元對(duì)應(yīng)的樣品尺寸小于0.1μm。通過(guò)對(duì)手機(jī)屏幕、微型顯示器進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了成像亮度計(jì)方案的有效性和準(zhǔn)確性，亮度量值溯源至中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，不確定度為2.5%(k=2)。

在測(cè)試過(guò)程中，配置了高精度多維調(diào)整系統(tǒng)，有力保證了成像質(zhì)量，但是軟件系統(tǒng)還不具備圖像拼接、壞點(diǎn)檢測(cè)等功能，有待完善。