LED显示屏亮度测量仪器分析.doc

LED显示屏亮度均匀性测试仪器分析
邹锋1 周妮2 钟妮2
（1.绍兴市质量监督技术研究院 2.深圳市计量质量检测研究院）

引言

LED显示屏的亮度均匀性不好会导致LED显示屏出现麻点及马赛克等现象。LED显示屏的亮度均匀性测量现在有较多的手段,本文就LED显示屏亮度均匀性测试手段进行探讨。

1．亮度的定义

亮度的定义：亮度是对发光面所出的光的明亮程度的定量表征。亮度的法定单位是坎德拉每平方米（）。
它的物理定义是，在某一观测方向上，某一发光面元ds所产生的发光强度dI与该面元在该方向上投影面积之比。如下图所示：

图中PN是微小发光面元ds上任一个点的法向方向，在该法线PN成夹角的PQ方向上以W为立体角内的光强dI。那么，该方向上发光面元的光亮度为

2．LED显示屏亮度测量原理介绍

现在LED显示屏的亮度测量仪器大致有三种类型：1.常用的成像式亮度计和遮光筒式亮度计；2.采用CCD的像素灰度测量系统；3.采用CCD技术的亮度计。
下面就简单介绍这三种类型亮度测量的原理。

2.1 成像式亮度计和遮光筒式亮度计

成像式亮度计就是我们常见的彩色亮度计和色彩辉度计。常常用在LED显示屏的亮度测试，它只能测试LED显示屏较小区域的亮度值。

2.1.1遮光筒式亮度计

结构图如下:

从图可见，亮度L的发光面与在探测面P点的面元上的法向照度为

式中，为以P为顶点，S面为底所张的立体角，P点为遮光筒的中心点。
现在有些LED显示屏厂家采用它做成机台检测系统，利用多台遮光筒式亮度计对LED显示模组进行亮度测量。

2.1.2成像式亮度计

结构图如下

亮度计小孔H处的照度为

式中，E为光学系统成像面上的照度,L是光源发光面得亮度,f为透镜的焦距,D为透镜的孔径,l’为物距(m),为透射比。
现在LED显示屏厂用的较多都是成像式亮度计，如BM-7,CS-100,CS-200等。

2.2 CCD技术的像素灰度测量系统

主要原理是利用CCD采集LED显示屏的图像，再用图像处理技术对图像进行处理，提取LED显示屏的每个像素的灰度值。从而对出LED显示屏的每个像素的相对亮度值。

2.3 CCD成像型亮度计

这是一种新型的亮度计，它是成像式亮度计的改进，测量原理和成像式亮度计是一样的。它将成像式亮度计的探测器改为CCD，使得能够实现更大面积的平面光源亮度测量，和更灵活的亮度分布测量。
CCD成像式亮度计是利用经修正工作在标准视觉特性区的CCD，通过光学系统同时获取LED显示屏的光辐射强度和图像，再经信号处理系统，得出LED显示屏的实际亮度，也可以获取单点LED像素的实际亮度值

3．LED显示屏亮度均匀性测量仪器分析

3.1遮光筒式亮度计：
遮光筒式亮度计是以机台中的亮度测量部分出现在LED显示屏亮度测量中。厂家会采用其测量LED显示屏的模组的单个LED的亮度。
从遮光筒式亮度计的测量原理可以知道，遮光筒式亮度计受到入射光的角度、测量距离、采样区域的影响。
在用遮光筒式亮度计测量时，需要保证每次测量角度和测量距离一致，并且要保证所采样的区域是一样的。但采用遮光筒式亮度计测量时无法知道观察被测区域的情况，所以这些在测量LED显示屏比较难保证的。其测量精度和重复不是很高。另外，遮光筒式亮度计的探测器是光敏元件，使用久了其精度会下降，导致测量亮度时带来不确定度。采用该种方式，测量LED显示屏的亮度的效率还是比较低的。适合应用在对测量速度要求不高的场合。

3．2成像式亮度计
成像式亮度计是测量亮度的高精度标准级仪器。它常用在小亮度源的测量，配以自动装置可以测量做LCD等尺寸的亮度评估。
它的构造是由物镜、带孔反射目镜等光学元件组成，其目镜系统方便使用者准确选择所需要测量的亮度区域。通过视场角的改变来测量不同的亮度源。一般有等视场角。物镜上的黑色的圆就是视场角，也是测量采样的区域。
由其测量原理可以知道，亮度计和被测物体的角度及和采样的区域有关。
1.对于LED显示屏亮度测量时，在采样LED显示屏不同区域时应该保持同一角度，最好是垂直LED显示屏，因为这个角度最容易保证。
2.采集区域应该包括较多的像素点，LED显示屏的规范规定是30个像素点或者更多，这样可以减少因采样区域带来的误差。
3.亮度计的物镜和目镜应该先调清晰,物镜的清晰保证LED显示屏像能成像在探测器面上,目镜清晰是保证选择测量的区域。
4.它虽然可以测量LED显示屏上的单个LED的亮度，由于采样LED时很难定位及重复，所以它不太适合用于测量LED显示屏的单点亮度。
成像式亮度计可以应用在LED显示屏的光性能验收中。不适用于逐点测量，即便结合机械步进装置，也很难同时满足效率和精度的需求。

3.3 基于CCD的像素灰度测量系统
利用CCD采集LED显示屏灰数据,它改善了前面两种亮度计无法测量大面积亮度源的缺陷，实时性好，可获取信息量大，可得到LED显示屏的每个像素成像在CCD上的灰度值。但这个灰度值不能和实际亮度值对等，甚至和亮度值缺乏严格的线性关系。
这种测量系统有的简单采用数码单反相机，有的采用工业CCD 器件，适用于粗略的逐点校正场合，但难以满足逐点校正的测量稳定性、一致性的需要，因此，使用中，常常需要对已单箱校正完成的一批箱体组屏后做二次校正。
虽然采用图像处理技术可以提取LED显示屏每个像素点的灰度值，为逐点校正提供一个依据。但由于其利用的不是实际的亮度值，所以无法评估校正前后的亮度均匀性，也无法给出亮度损失，并且测量数据没有溯源性。有的测量系统会配有成像式亮度计作为溯源的途径,这种方法隐含着一个假设：LED显示屏是稳定光源,可以经由它向上溯源。然而，首先，LED屏的亮度并不那么稳定，会随着供电电流的漂移、灯老化程度，以及温度而变化；其次，这种溯源方式要求亮度计和CCD灰度测量系统的测量区域严格一致，然而事实上，LED屏的亮度空间分布并不均匀，轻微的空间位移就会带来很大的误差，而成像式亮度计也会引入测量误差，从而给CCD灰度测量系统的亮度测量结果引入相当大的不确定度。

3.4 CCD成像式亮度计
随着LED显示屏行业发展，原有的测试方法已经不能满足行业的发展。行业需要知道LED显示屏的实际亮度值，这样可以为厂家提供更客观的数据，能更好地进行逐点校正。
现在出现了结合亮度计和像素测量的优点的测量方法,就是CCD 成像亮度计。代表产品有美能达公司的CA2000,和维优公司最新出品的LM200。CCD成像亮度计由高分辨率的科学级CCD和精确标定的光学系统组成，将传统的亮度计的探测器改为CCD,拓宽了亮度测量范围和适用领域。CA2000适用于平面光源的亮度分布分析，而LM200 CCD成像亮度计除此功能外，结合专业软件LEDChecker,构成SV-1型LED屏多像素亮度测量系统，可以高速测量LED显示屏上每个像素的实际亮度值，以作逐点校正的依据及屏均匀性的评估。
该系统的主要测量误差来源是CCD成像系统，包括CCD成像误差，如光学畸变、噪声的影响等。该系统通过对每个器件的校正和标定，如CCD的均匀性校正、线性校正、光谱响应校正，光学系统的几何畸变校正，光谱响应校正等措施，保证标准级的测量精度（±2.5%）和测量重复性。测量重复性在LED屏逐点校正和均匀性评估的应用上，是个非常重要的指标。SV-1 系统的数据重复性指标为±1%，远高于其他LED显示屏的测量设备。
由于采用准确、稳定可靠的实际亮度值作为校正依据，SV-1系统可以实现批量的数据采集，批量的数据处理，和最后的批量校正数据导入，三个流程相互独立，提高了单点校正的效率。且一次测量，即可成功完成校正，无需现场二次校正的流程。

4.总结
以上对现有的LED显示屏的亮度测量手段进行了介绍和分析，包括它们的测量原理，测量时应注意的问题，以及适用的场合。对于LED显示屏的亮度测量，以上所述的亮度计都可以满足要求，只是测量精度有差别。但对于LED屏的均匀性评估、以及逐点校正的大规模推广应用，可供选择的测量设备就不多了，用遮光筒亮度计组配合自动步进装置构成专用测量机台，是用速度换取精度，而CCD灰度测量系统，是牺牲精度和校正效果来换取速度，都不是完美的解决方案，最新推出的CCD成像式亮度计应该是比较好的选择。