面向亮室對(duì)比度測(cè)量應(yīng)用的高精度可變環(huán)境照明條件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

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(jī)交互和信息展示的窗口，隨著社會(huì)信息化的高速發(fā)展，人們對(duì)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(duì)顯示器性能的評(píng)價(jià)和測(cè)量變得越來越重要［2］。

亮室對(duì)比度BRCR(Bright－Room－Contrast－Ratio)是評(píng)價(jià)顯示器性能好壞的重要指標(biāo)，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(huì)受到環(huán)境光的影響，故測(cè)量其亮室對(duì)比度更具有實(shí)際意義。

亮室對(duì)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(duì)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(duì)顯示器的影響。

當(dāng)前對(duì)平板顯示器不同光照條件下的對(duì)比度的測(cè)量主要有兩種方法:一種是采用調(diào)換不同的標(biāo)準(zhǔn)光源來實(shí)現(xiàn)不同的光照條件，這種方法存在的問題是標(biāo)準(zhǔn)的光源照明及標(biāo)準(zhǔn)亮室條件實(shí)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(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量出的數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，轉(zhuǎn)換成所需亮室條件下的對(duì)比度，但這一方法的轉(zhuǎn)換過程是理想的理論計(jì)算，對(duì)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(cè)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(cè)試所需的光照條件，以此來模擬真實(shí)的環(huán)境光照條件應(yīng)用于平板顯示器的亮室對(duì)比度測(cè)量。

1 對(duì)比度測(cè)量系統(tǒng)方案

如圖1 所示，新的平板顯示器亮室對(duì)比度測(cè)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(dòng)電路)、測(cè)量?jī)x器設(shè)備(包括亮度計(jì)、照度計(jì))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(cè)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(jì)的采樣頭放置在積分球的采樣口附近。測(cè)量孔與平板顯示器的法線間的夾角θ=8°，亮度計(jì)通過積分球表面的測(cè)量孔對(duì)平板顯示器的中心區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量孔直徑要比亮度計(jì)的鏡頭大20%到30%，以避免對(duì)到達(dá)亮度計(jì)的光線產(chǎn)生影響，本系統(tǒng)中為8 cm。亮度計(jì)要離開測(cè)量口一定的距離，防止直射光進(jìn)入亮度計(jì)的鏡頭。擋板用來防止光源產(chǎn)生的光線直接照射在待測(cè)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(lán)(B)4 種顏色的大功率LED 光源實(shí)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(duì)色溫進(jìn)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(cè)量設(shè)備包括亮度計(jì)(美能達(dá)，CS－200)和照度計(jì)(美能達(dá)，T－10)。亮度計(jì)主要完成平板顯示器表面亮度的測(cè)量，照在平板顯示器上的環(huán)境光的色坐標(biāo)及相關(guān)色溫的測(cè)量。照度計(jì)主要完成平板顯示器位置的環(huán)境光照度的測(cè)量。

控制電路是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制測(cè)量設(shè)備的測(cè)量及數(shù)據(jù)的讀出，通過PWM 控制LED 光源，另外還負(fù)責(zé)光照條件的設(shè)定以及測(cè)量結(jié)果的顯示。在光照條件的生成階段控制電路利用測(cè)量設(shè)備反饋回來的數(shù)據(jù)對(duì)LED 光源進(jìn)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(shí)現(xiàn)智能控制及良好的人機(jī)交互。

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

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(shí)的光照條件。由此，設(shè)置亮室條件包括兩個(gè)參數(shù):照度E 和相關(guān)色溫T。本系統(tǒng)通過將這兩個(gè)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)亮室條件的生成。

2.1 照度

圖2 是實(shí)驗(yàn)獲得WRGB 四色LED 在單獨(dú)點(diǎn)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(jiǎn)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?yàn)長(zhǎng)ED 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(shí)候?qū)ι鲜龅腜WM 占空比與照度間線性關(guān)系進(jìn)行測(cè)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(shí)時(shí)反饋給控制電路，然后由控制電路對(duì)系統(tǒng)內(nèi)照明條件進(jìn)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L(zhǎng)ED 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(biāo)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(biāo)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(biāo)(uT，vT)，因?yàn)閃RGB 4 色LED 的uv 色坐標(biāo)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(gè)向量，我們可以將此向量沿和兩個(gè)方向分解為和，其中G'和R'的uv 色坐標(biāo)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(gè)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(shí)候我們逐漸增加綠光LED 的光通量，合成的光的uv 色坐標(biāo)在直線WG 上由W 端逐漸向G 端移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到G'(uG'，vG')點(diǎn)時(shí)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(shí)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(diǎn)(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(gè)光照參數(shù)組合起來才具有實(shí)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(cè)出此時(shí)的照度值E'。

(2)求出照度為E 時(shí)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(cè)出此時(shí)的照度值E″。

(4)因?yàn)長(zhǎng)ED 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(shí)加1，反之則減1。

(5)重復(fù)過程(3)、(4)兩個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果對(duì)比 單位:lx

表2 設(shè)定的相關(guān)色溫與測(cè)量結(jié)果對(duì)比 單位:K

表3 照度(E)、相關(guān)色溫(T)的設(shè)定值與測(cè)量結(jié)果對(duì)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(shí)WRGB 四種LED 光源單獨(dú)點(diǎn)亮?xí)r得到的照度與設(shè)定的照度間的相對(duì)誤差大于1%，而LED 調(diào)光比為1000 ∶1(即PWM 分辨率為1/1 000)時(shí)其相對(duì)誤差遠(yuǎn)小于1%。這是因?yàn)長(zhǎng)ED 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(duì)調(diào)光精度有很大的影響，又由于有照度的反饋回路進(jìn)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(shí)，設(shè)定的相關(guān)色溫與測(cè)量出的相關(guān)色溫的對(duì)比，我們可以看出其相對(duì)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(duì)比關(guān)系。其中我們將系統(tǒng)可接受的照度的相對(duì)誤差設(shè)定為5%，相關(guān)色溫的相對(duì)誤差設(shè)定為1%，從表3 可以看出測(cè)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(dòng)合成所需的亮室條件來模擬真實(shí)的光照條件并對(duì)平板顯示器的亮室對(duì)比度進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)測(cè)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)光源的差異，及其是否對(duì)亮室對(duì)比度測(cè)試結(jié)果有影響將在后續(xù)的研究中重點(diǎn)關(guān)注。

［1］ 王幼林，李曉華，王浩平.平板顯示技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展［J］. 信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2004，(10):5－8.

［2］ 牟同升，王建平.亮室條件下的亮度對(duì)比度測(cè)量新方法［J］.電子器件，2008，31(1):377－380.

［3］ VESA.Flat Panel Display Measurements Standard，VER.2.0［S］.2001:135－152.

［4］ 應(yīng)根裕，胡文波，邱勇，等. 平板顯示技術(shù)［M］. 人民郵電出版社，2002:5－6.

［5］ Edward F Kelley.Proposed Diffuse Ambient Contrast Measurement Methods for Flat Panel Displays［C］//NISTIR 6738，2001:1－6.

［6］ IEC 62341－6－2，Ed. 1:Organic Light Emitting Diode(OLED)Displays－Part 6－2:Measuring Methods of Visual Quality and Ambient Performance［S］.8－28.

［7］ IEC 61988－2－1，Ed.2:Plasma Display Panels－Part 2－1:Measuring Methods－Optical and Optoelectrical［S］.7－25.

［8］ Edward F Kelley，Max Lindfors，John Penzek. Display Daylight Ambient Contrast Measurement Methods and Daylight Readability［J］.Society of Information Display，2006，14(11):1019－1030.

［9］ 劉雁潮，付桂翠.照明用大功率LED 散熱研究［J］.電子器件，2008，31(6):1716－1719.

［10］ 代彩紅，于家琳. 光源相關(guān)色溫計(jì)算方法的討論［J］. 計(jì)量學(xué)報(bào)，2000，21(3):183－188.

［11］ Cree.Cree XLamp MC－E LED Data Sheet［R］.