显示器件亮度色度量值统一问题

案例

中国计量科学研究院

一、案例概况

（一）背景摘要

亮度和色度是平板显示产品光学性能质量检测中两个非常重要的参数，平板显示器的对比度、色域覆盖率、视场角、均匀性等很多参数都是基于这两个参数的，目前LED显示屏产业普遍采用的亮度和色度测量仪器有：

（1）精度较高的点式成像分光辐射亮度计，如柯尼卡美能达的CS-2000、托普康的SR-3AR、Photo Research的PR788等；（

2）测量速度较快的滤光片三刺激值式彩色分析仪或亮度计，如柯尼卡美能达的CA-310，托普康的BM-7A等；

3）新近发展的二维成像亮度计，如radiant，IS，topcon公司发展的主力产品以及国内企业研发的相应设备

前两者在行业内部应用得到了一定的证明，二维成像亮度计依旧在发展中，前者测量精度高，但针对大屏测试或LED显示特点而言有一定的局限，后者硬件成本较高，测量速度慢，算法评估操作难度大，一般用于实验室研发部门和质检部门，后者需要精密的校准和分析提高精度，适应不同场景和显示屏，保证一致性应用于企业的产线。这两类仪器在平板显示产业中的应用非常多，而且对产品质量的管控具有重要的意义，企业对这类仪器的校准也非常关注。

（二）设备分析

根据企业特点，考虑LED显示屏的性能测试需求，首先考虑设备的需求，信号的需求，现场大屏测试或LED显示特点的要求，对图卡的研发和最终测试算法的评估，逐步建立标准设备和图卡酷，一般用于实验室研发部门和质检部门，后者需要精密的校准和分析提高精度，也同时提高了显示屏显示内容观看距离，观看时间，观看舒适度的评价。

表1：标准设备

表2：标准图卡

（三）校准的基本参数

仪器使用中需对LED显示屏检测客观参数的项目和内容基于表1所列出的国际国家标准测试方法，基本参数如下描述：

亮度：是指显示屏全白的时候单位面积的发光强度，所测试的亮度以可实现的亮度范围为主，最佳亮度可根据显示内容和室内背景进行调试，亮度特性是人眼最敏感的性能，是显示屏光学性能的重要参数。

大屏幕对比度：分为绝对对比度和使用环境对比度，一般由于使用环境的未确定性，会给出模组的绝对LED屏对比度，来证明显示模组的表现，实际测试对LED显示屏评价时，不同环境光下LED显示屏对比度会相差很大，最佳对比度通过实验室内全黑环境测试，也可以一定程度模拟用户使用情况，具有更重要的评估意义。

大屏幕反射比：屏幕反射比是led显示屏重要参数，表明了屏幕受使用环境的影响程度，一般考虑的是屏幕漫反射比，通过标准白板和暗场屏幕在使用环境下的亮度的对比测试实现，实际上时屏幕的漫射比的测试；

基色：测试包括红绿蓝三个基色全屏显示下的色品坐标测试，根据需要显示各基色下的色彩均匀性，色域以及色彩还原（色调准确性）。色度也是显示屏的重要参数。

色域：表示可显示的颜色广度；

色彩还原：指的是色调的准确性（如严格色彩还原还需要包含饱和度和亮度）。

大屏幕蓝光指标是保证屏幕的蓝光辐射在人眼舒适范围之内，通过测试屏幕相对光谱功率分布获得在某特定亮度下蓝光波长的辐射功率，

大屏幕均匀性：考察的是在观看亮度下全白色场下九点屏幕的均匀性，特指亮度均匀性，目的是为保证在人眼可视区域显示屏的显示一致性，无可见的亮度模组不一致；

屏幕的几何量参数：通过定标的激光测距仪，卷尺，游标卡尺完成大屏幕系统厚度、屏幕尺寸测试；

LED屏幕可视角：视角的测试有不同的描述，亮度降到中心亮度的50%的定义比较传统，根据室内LED屏的要求，这个可视角度肯定是完全满足观看者的需求，对于演示者而言需要更大一些的视角，实际测试是按照亮度法进行测试的，保证有合适的视角需求；

垂直色差偏移△u v’串扰：为表征显示屏某区域显示对其他显示区域的影响。

（四）案例简介

针对检测公司，显示屏生产企业的设备测量的亮度色度量值不统一的问题，计量院过现场考察、调研，对问题进行分析，针对性的制定了研制符合显示产业的专用标准器、统一校准方法和校准途径、建立光谱辐射亮度计量标准装置、现场交流、培训和演示等措施，解决了两者遇到的问题，并得到了良好的推广和应用。

（五）案例详情

TCL公司在使用不同部门不同类型的仪器对同一块显示屏进行测量时，发现相互之间测量偏差严重超出了他们的技术要求，即亮度不超过2%，色度不超过0.002，实际测量偏差最大达到了10%以上，色度偏差达到了0.04以上，而且企业开展此次比对所用的仪器均经过计量机构校准且在计量有效期内，因此在解决此类问题时遇到了困难。

课题组在了解到企业困难之后，先后多次去现场对企业的实验室和产线的设备进行调研和探讨，结合我们在计量领域和光学领域的经验，我们发现企业存在以下问题：

（1）企业比对所用的显示器的稳定性无法控制，使用一般的显示器，在显示器打开时和一段时间后的亮度和色度值是不一致的，普通显示器并不适合作为比对样品使用。

（2）企业的仪器虽然都经过计量校准，但不同设备选的计量校准机构不一致，据我们了解，国内一般使用标准A光源对亮度计进行校准，使用LED标准白场仪对彩色分析仪进行校准，但柯尼卡美能达原厂对彩色分析仪的校准是使用LCD标准屏进行校准的，校准方式和校准机构不一致也会导致示值出现偏差的问题。

（3）企业的仪器在校准时，普遍校准的是A光源下的亮度和色度参数，但是企业实际测量的是LED类产品，对于滤片式仪器，由于仪器人眼视觉匹配函数滤光片光谱失配的问题，使用A光源校准后，测量LED光源本身就容易产生偏差，对于分光辐射类的仪器，如果只对亮度校准，很难发现光谱中存在的问题，需要对光谱辐射亮度进行校准。

（4）我们在现场考察后发现，产线上的人员对于仪器了解较少，有时候无法正确的操作测量仪器，例如使用彩色分析仪CA-310时，无法正确的选择校准通道；使用光谱辐射亮度计时，仅仅确定了测试距离，但是测量值仪器焦距已经偏了，操作员工依旧未发现。

（5）LED产品受环境影响较大，特别是温度和环境光的影响，实际上不同部门不同产线上的温度变化较大，而且并不是在合格的光学暗室下测试的，甚至在普通室内环境下直接测试。

针对上述问题，我们组织了专业团队与企业技术人员对接，通过现场调研、研讨、对问题进行分析，针对性的制定了研制符合显示产业的专用标准器、统一校准方法和校准途径、建立光谱辐射亮度计量标准装置、现场交流、培训和演示等措施。

（1）研制标准白场仪，该白场仪具有亮度校准和亮度补偿功能，在仪器监测到屏幕亮度发生变化时，会调整屏幕亮度使屏幕亮度保持在设定值，而且对标准白场仪进行了强制预热时间限制，保证用户在使用时，仪器都是预热完成的，保证企业在场内比对时有一个标准比对样品，并对厂内仪器进行核查和监控。

图1 课题研制的标准白场仪

（2）统一校准方法和校准途径，利用计量院在成像与显示计量领域的引领地位，对企业的仪器进行针对性的统一校准，使企业内的所有仪器减少溯源环节，实现量值传递扁平化，直接溯源至国家基标准。

（3）建立光谱辐射亮度计量标准装置，针对光谱辐射亮度计，我们利用可以溯源至国家光谱反射率标准白板和光谱辐射照度标准灯，搭建了光谱辐射亮度计量标准装置，切实保证了仪器在测量不同光源时均可得到准确的测量结果。