LED显示屏像素亮度均匀性的评估与校正

LED显示屏像素亮度均匀性的评估与校正深圳中科维优科技有限公司安宁前言近年来，在市场驱动和政府扶持下，我国的LED显示屏产业经历了令世界瞩目的高速成长，同时，产业内竞争也日趋激烈，客户对质量要求也越来越高，越来越专业。像素亮度均匀性是LED全彩显示屏显示质量的一个关键指标。均匀性差的显示屏，轻则感觉屏幕不干净，色彩不匀净，重则会看到暗斑、亮斑、色斑，甚至马赛克，严重影响显示效果。为改善LED屏的像素亮度均匀性，生产厂家和控制系统厂商都付出了相当大的努力，从严格筛选分档LED灯或芯片，到逐点校正技术的开发应用，然而，由于缺乏一个客观、科学、稳定的测试方法和评价指标，这些改进措施的效果如何却难以量化评估，有时甚至对均匀性改善与否都无法达成共识。本文将讨论现有的亮度均匀性评估方法，提出像素亮度均方差作为均匀性评估指标，并应用维优公司SV-1型测量系统进行均匀性评估和逐点校正实践，最后对实验结果进行分析和总结。现行的评估手段对于LED显示屏的像素光强均匀性评估方法，在2007年发布的行业标准《SJ/T11281-2007发光二极管LED显示屏测试方法》中有明确说明：“全屏范围内任意离散抽取30个像素，在最高灰度级、最高亮度级下，全屏显示单红色，用光强仪分别测量出这30个像素的光强值，再进行算术平均计算得到I：用公式%100Imax×−=IIIiRJ计算出红色像素光强均匀性RJI式中，；～301i=30/I301i∑==iI用同样方法分别计算出绿色和蓝色像素的光强均匀性，，取最大值即为该屏像素光强均匀性”GJIBJIPJI对于像素光强均匀性等级的评定，《SJ/T11281-2007》中由低到高分为A,B,C三级。A级B级C级%50I25%PJ≤≤%52I5%PJ≤≤5%IPJ≤撇开测试方法本身的效率、可操作性、可复现性等不谈，像素光强均匀性这个指标本身存PJI在着先天的不足。LED屏由大量的LED灯点组成，一个1平方米左右的显示屏，就会包含上万个单基色灯，从全屏抽取30个像素来做均匀性评估，样本个体差异性大，数量相对总体却太过单薄，代表性堪忧。实验证明，按照这个评估方法测出的像素光强均匀性指标，随着像素点抽样的改变，会呈现非常大的浮动，甚至同一张屏体的几次独立测量，会导致该屏的像素均匀性级别分别落在A,B,C三个级别上。这样不稳定的指标自然无法推广实用。因此，LED屏生产厂商普遍使用另一个指标来粗略评估像素亮度均匀性，就是分光分色机对LED管分类时的参数设置，一般用最大最小值比来表示，如1:1.2，1:1.4等。这个指标是在采购原材料时由上游供应商提供的，获取容易，但也存在很多问题：1、对于自己不做封装的显示屏制造商来说，这个指标无法检验，和供应商之间存在严重的信息不对称。对于显示屏的应用客户来说，也存在同样的问题2、为了兼顾效率和测量精度的平衡，LED分光分色机标称的光度测量指标，最好的也在±5%，一般都在±10%。这样大的系统误差，叠加到分光时预设的阈值两端，使这个本已很粗糙的指标更加扑朔迷离。3、LED管老化衰减特性的不一致，使原材料采购时的指标，难以简单移植，用于老化后的成品LED屏的均匀性评估。对于经过逐点校正的显示屏均匀性的评估，这个指标更是无能为力。于是，对于逐点校正的改善效果评估，现在还普遍停留在人眼目测的水平上。像素亮度均方差LED显示屏的像素亮度均匀性评估，是一个数理统计问题。对于显示屏上的单个LED管，其光强值是一个随机变量，其光强的分布概率近似于正态分布。随机变量偏离平均值的分散程度，数理统计学中使用“均方差”这个概念做为其离散性评估的指标。均方差越小，意味着相对于均值越集中，一致性越好。应用在LED屏像素亮度均匀性评估上，测试和计算方法如下：全红点亮一像素总数为N的显示屏，获取全屏每个像素的亮度值，取算术平均得到RiLRL，则红色像素亮度均方差为：）））（NLLRiR∑=−=N1i2R(LD；为了方便比较不同亮度的LED屏的均匀性，使用相对均方差，即均方差相对于亮度均值的百分比作为统一的评估指标，即：%100)/)D(L(RR×=RLσ按同样方法，可得到Gσ，Bσ。“像素亮度均方差”这个指标，样本空间涵盖了LED屏的全体像素，使用数理统计中均方差的概念来表征LED屏的像素亮度离散性，较之现行的标准、指标，显然更为科学合理。SV-1型LED屏多像素高速测量系统“工欲善其事，必先利其器”，科学的评估依赖于适用的工具。事实上，多年来业内有识之士一直呼吁使用均方差做为均匀性评估指标，并做出诸多尝试，但始终没有得到推广。其原因在于：缺乏高效测量数以万计的像素亮度的工具。通用的亮度测量仪表，仅能得到某一区域的平均亮度值，使用亮度计人工逐点测量每个像素的亮度，是不现实的。业内也有尝试采用步进电机机械定位，用光电传感器或通用亮度计自动逐点读取每个像素的亮度值，这种方法相对于人工逐点取样，稳定性和效率都有很大提高，但依然难以满足实际的需要，且只能对模块模组进行测试，对于组装完成的显示屏就无能为力了。针对LED屏产业的迫切需求，维优公司自主研发，于09年推出SV-1型LED屏多像素高速测量系统，一举攻克了均匀性评估及逐点校正中面临的高速数据采样的难题。SV-1系统基于维优公司自主开发的LM200型成像亮度计，结合LEDChecker软件，实现了精确和高效的完美结合。其亮度测量准确度为标准级±2.5%，稳定度达到±1%。一次测量，不到1分钟即可获取上万个灯点的亮度数据，并给出统计分析数据和图表，包括直方图、数据线、数据表、平均值、最大值、最小值、相对均方差等。从此，逐点校正结果不再是雾里看花，均匀性评估一目了然！均匀性评估与逐点校正实践以下是我们使用SV-1测量系统对一宽96高64，分光指标为1：1.1的显示屏在最高亮度级最高灰度级时，分别对RGB三基色进行测量的数据直方图：R255（校正前）G255（校正前）B255（校正前）直方图的横轴是像素亮度，单位是cd/m2，左边线代表整组亮度值中的最小值，右边线是整组亮度值的最大值；纵轴是像素点的数量。直方图直观显示出像素亮度的分布。结果显示，即便已经按照分光的最高标准1：1.1进行筛选，老化后的LED屏像素亮度最大最小值比依然在1：1.4左右，均方差在4%左右。在我们对未经逐点校正的屏的数百次实验中，这组R255的均匀性表现为最佳，像素亮度均方差达到2.56%，甚至优于很多经过逐点校正的屏。使用SV-1系统的实测亮度数据，以平均亮度的90%为基准线，对该屏进行逐点校正，校正后RGB三基色的直方图如下：R255（校正后）G255（校正后）B255（校正后）校正前后的像素亮度均方差对比见下表：像素亮度均方差σ（%）颜色校正前校正后红基色（R）2.5611.438绿基色（G）3.9161.058蓝基色（B）4.3591.498对校正前后的显示屏进行的3次重复测量，数据见下表：像素亮度均方差σ（%）颜色校正前校正后12.5611.43822.5631.429红基色（R）32.6111.43013.9161.05823.9151.049绿基色（G）33.9071.05614.3591.49824.3521.493蓝基色（B）34.3541.499实验数据表明：1、老化后1:1.1的分光指标难以保持，已降档到1：1.3，1：1.4。2、即便是对按1:1.1分光的LED显示屏，逐点校正依然可以显著改善其均匀性。3、未作逐点校正的LED屏，最优均方差也在4%左右，逐点校正后，均方差指标达到2%以内。4、像素亮度均方差指标，重复测量时，稳定性良好，可用于LED屏亮度均匀性的客观评价。总结此前，像素亮度均方差这一科学指标，因为缺乏测量手段而迟迟无法走向实用，逐点校正技术也因缺乏高速亮度采集工具和评估手段，难以大规模推广。如今，维优公司SV-1型LED屏多像素亮度高速测量系统的问世，让LED屏像素亮度均匀性终于有了客观、科学且高效便捷的评估手段。更重要的是，SV-1攻克了LED像素亮度数据高效采集的难关，可望为逐点校正技术的产业化应用起锚扬帆，用自主创新的核心技术，托起中国LED显示屏产业在国际市场搏击长空的双翼！