微型顯示器子像素亮度測試方法研究

王少水 阮育嬌 費 豐 趙發(fā)財 呂子敬

(1.中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島 266555；2.廈門市計量檢定測試院，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”，是指在信號傳輸、處理及顯示等過程中可采用數(shù)字方式進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)且可獨立控制等優(yōu)勢，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]。

應用于飛機艙內(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，子像素的尺寸已接近3μm，而市面上現(xiàn)有的瞄點式光譜輻亮度計和成像亮度計最小測試區(qū)域均在毫米量級，配備望遠鏡式放大鏡的成像亮度計可實現(xiàn)50μm目標的測試，仍無法滿足微型顯示器的測試需求。為此，本文將顯微物鏡引入到成像亮度計中，設計開發(fā)了一套顯微成像式彩色亮度計，利用積分球面光源和標準刻線板進行亮度、色度和尺寸的標定，對不同像素排列的顯示屏進行了測試，驗證了方案的可行性和準確性。

2 顯微成像式彩色亮度計的工作原理

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

為解決微型顯示器子像素亮度的測試，本文將顯微物鏡引入到成像亮度計設計中，研制了一套顯微成像彩色亮度計，主要由鏡頭、主機和工控機組成，如圖1所示。鏡頭由顯微物鏡和測試轉接鏡組成，測試轉接鏡一端采用標準RMS螺紋接口與顯微物鏡相連，另一端采用F卡口與主機相連；鏡頭主要用于待測件的圖像光學放大；主機對放大后的圖像進行光電轉換，并將電信號通過USB數(shù)據(jù)線傳至工控機；工控機對主機獲取的圖像進行數(shù)據(jù)分析處理，并將結果顯示出來。

圖1 顯微成像亮度計組成框圖

主機主要由機殼、底座、高分辨率黑白相機、電機1、電機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，結構如圖2所示。

圖2 主機內(nèi)部結構框圖

被測樣品的光輻射由F卡口進入主機后，依次通過中性濾光片、XYZ三色濾光片，最后到達高分辨率黑白相機；黑白相機將待測件的物像轉換成電信號，圖像采集卡將黑白相機的電信號進行數(shù)字化處理，并通過USB數(shù)據(jù)線傳送至工控機。其中，中性濾光片用于提升亮度計的上限測量能力，當測試高亮度信號時，利用電機1驅(qū)動濾光片輪1，將相應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2驅(qū)動濾光片輪2，將X，Y，Z三個濾光片依次移入光路中，完成屏幕子像素XYZ三刺激值的測試，通過計算還可以得到每個像素的色度參數(shù)。

CCD相機對于光的響應都在存在非線性問題，非線性的校正一般可分為兩種：一種是積分時間不變，改變標準光源的光強；另一種是標準光源光強不變，改變CCD的積分時間[8]。本文將兩種方法進行結合，得到不同光強和相機積分時間的校正系數(shù)，并利用矩陣進行存儲，對應關系如下式所示，m,n分別表示不同的光信號與積分時間。測試過程中，亮度計首先通過預測試選取校正系數(shù)。

(1)

亮度計中XYZ濾光片與CCD相機視為一體，光譜響應曲線必須與CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激曲線匹配，首先測得CCD的相對光譜響應曲線，然后計算得到所需XYZ濾光片的光譜透過率，最后利用Cary5000分光光度計測試并篩選所需的XYZ濾光片。中性濾光片主要用于擴大亮度計的測試量程上限，光譜透過率利用Cary5000分光光度計進行校準，不確定度小于0.5%(k=2)。

3 顯示屏子像素排列方法

顯示屏由多個像素按一定的排列順序構成，為了使每一個單獨的像素可以顯示出各種顏色，需要把其分解為紅綠藍3個比像素更低一級的子像素，即3個子像素構成一個整體的彩色像素。當需要顯示不同顏色的時候，3個子像素分別以不同的亮度發(fā)光，子像素的尺寸非常小，在視覺上就會混合成所需要的顏色[8,9]。

3.1 RGB排列法

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

圖3 顯示屏子像素RGB排列示意圖

3.2 PenTile排列法的改進版

為了彌補分辨率被降低的問題，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，將分辨率提升至標準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)被三星已申請了專利。國內(nèi)廠商為解決子像素壽命問題，對子像素的排列進行了創(chuàng)新性設計，例如Delta排列和周冬雨排列，如圖5所示。

圖5 國內(nèi)PenTile排列示意圖

周冬雨排列的設計方案出自京東方，它把一個綠色像素拆成兩個子像素，看起來像一只只鴨子，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，通過擴大藍色和紅色子像素面積來延長屏幕的壽命，同時也避開了三星的專利。

4 實驗及結果分析

顯微測試需要高精度的位移機構配合，實現(xiàn)上下左右前后的位移調(diào)節(jié)、旋轉及俯仰等角度調(diào)節(jié)，確保聚焦定位的準確。本文中設計的顯微成像亮度計工作距離15mm左右，聚焦過程要求調(diào)節(jié)步進在μm量級，高精度調(diào)整系統(tǒng)如圖6所示，可帶動顯微成像亮度計在垂直方向移動；被測件放置在載物臺上，可實現(xiàn)XYZ三軸直線運動，水平面內(nèi)角度旋轉，以及俯仰角度調(diào)整。其中，XYZ軸向?qū)к壟溆泄鈻懦?，步進分辨率優(yōu)于1μm；水平面內(nèi)轉盤配有編碼器，調(diào)整精度優(yōu)于5″；俯仰角度采用手動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍±5°。

圖6 微型顯示器子像素亮度測試裝置結構圖

4.1 顯微成像亮度計校準

成像亮度計可配備放大倍數(shù)為2倍,10倍，20倍和50倍的顯微物鏡，此次實驗選用50倍的物鏡，用于驗證成像亮度計測試小尺寸樣品的能力。在測試之前要進行校準，首先利用積分球光源作為標準，在100cd/m2條件下(x=0.463，y=0.417)對成像亮度計的亮度和色度進行定標，然后利用20μm標準刻線板對尺寸進行標定，校準后再進行測試[9,10]。校準后的設備具有很高的測試精度，計算得到相機每個像元對應的樣品尺寸小于0.1μm，遠大于子像素尺寸，實驗結果見表1。

表1 顯微成像亮度計校準后實驗結果

校準采用的積分球光源的亮度量值溯源至中國計量科學研究院，不確定度為2.0%，增加測量重復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 手機屏幕及微顯示器測試

實驗選用國內(nèi)某知名廠商的高端機型，采用三星公司的鉆石屏；微顯示器選用國內(nèi)某OLED生產(chǎn)商，0.61英寸彩色顯示器，分辨率為1 280×1 024。測試過程中，顯示屏均設置為白場，手機屏幕的子像素排列測試結果如圖7(a)所示，具體數(shù)據(jù)見表2，綠色子像素小于藍色和紅色子像素，寬度在14μm左右。

表2 手機屏幕子像素亮度色度結果

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

圖7 顯示屏子像素圖像排列測試結果圖

5 結束語

為滿足微型顯示器對子像素亮度和色度參數(shù)的測試需求，利用高分辨率黑白相機、XYZ三色濾光片和顯微物鏡等器件，設計并研制了一套顯微式彩色成像亮度計，經(jīng)校準后測試誤差小于1%，相機單個像元對應的樣品尺寸小于0.1μm。通過對手機屏幕、微型顯示器進行測試，驗證了成像亮度計方案的有效性和準確性，亮度量值溯源至中國計量科學研究院，不確定度為2.5%(k=2)。

在測試過程中，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、壞點檢測等功能，有待完善。