液晶顯示標(biāo)準(zhǔn)白場儀亮度與色品坐標(biāo)特性評估與不確定度評定

廖小華

（福建省計量科學(xué)研究院 福建 福州 350003）

0 引言

液晶顯示器是一種借助于薄膜晶體管（TFT）驅(qū)動的有源矩陣液晶顯示器，它主要以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。液晶顯示器是在電場的作用下，利用液晶分子的排列方向發(fā)生變化，使外光源透光率調(diào)制，完成光-電轉(zhuǎn)換，再利用RGB 三基色信號的不同激勵，通過紅綠藍(lán)三基色濾光膜，完場時域和空間域的彩色重顯。隨著科技的發(fā)展，顯示器有了飛速發(fā)展，從陰極射線管到液晶顯示器、等離子體顯示器、激光顯示器。色彩分析儀是測量顯示器的光度、色度的主要儀器，為保障色彩分析儀的測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，經(jīng)常需要應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)白場儀對色彩分析儀和白平衡儀等色彩測量儀器進(jìn)行校準(zhǔn)[1]，只有校準(zhǔn)后的儀器才能對色彩信息進(jìn)行準(zhǔn)確的測量、分析與調(diào)整。在校準(zhǔn)過程中，標(biāo)準(zhǔn)白場儀作為色彩分析儀溯源標(biāo)準(zhǔn)器，其準(zhǔn)確性將直接影響被校準(zhǔn)儀器的測量準(zhǔn)確性。也有專家[2]對液晶顯示白場儀亮度參數(shù)均勻性與穩(wěn)定性做了部分研究，但白場儀作為色彩分析儀溯源的主要標(biāo)準(zhǔn)器，除了亮度參數(shù)還有色品坐標(biāo)等更加重要的參數(shù)，本文不僅對液晶顯示標(biāo)準(zhǔn)白場儀亮度參數(shù)特性探究，還對色品坐標(biāo)等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行探究，并與亮度參數(shù)進(jìn)行比較與評估，同時評定了亮度與色品坐標(biāo)的不確定度。通過該研究為液晶顯示標(biāo)準(zhǔn)白場儀的校準(zhǔn)方法制定提供技術(shù)參考，也為提高色彩分析儀計量溯源準(zhǔn)確性與校準(zhǔn)效率提供技術(shù)支撐。

1 白場儀亮度與色品坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)條件：在暗室內(nèi)環(huán)境下，環(huán)境溫度（21.0±2）℃，濕度（55±5）%RH；主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備：液晶標(biāo)準(zhǔn)白場儀（液晶屏尺寸30 mm×23 mm），分光輻射亮度計型號CS-2 000 A，該亮度計經(jīng)中國計量科學(xué)研究院定溯源定標(biāo)，其中亮度參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果相對不確定度Urel=2.0%，k=2，色品坐標(biāo)（x，y）校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度Ux=Uy=0.003，k=2。實(shí)驗(yàn)過程中分光輻射亮度計的光軸和被測區(qū)域正交垂直，見圖1。

1.1 白場儀亮度與色品坐標(biāo)參數(shù)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

開啟液晶標(biāo)準(zhǔn)白場儀，并且將其調(diào)至白場6 500 K（R255，G255，B215）模式下，將分光輻射亮度計測試液晶顯示中心位置，每隔3 min 記錄一組白場儀的亮度與色品坐標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)，共記錄60 min 內(nèi)的21 組數(shù)據(jù)。

1.2 白場儀亮度與色品坐標(biāo)不均勻度實(shí)驗(yàn)

考察白場儀6 cm×6 cm、12 cm×12 cm、18 cm×18 cm 3 個區(qū)域亮度不均勻度與色品坐標(biāo)不均勻度，將以液晶顯示器中點(diǎn)為中心測試3 個不同面積的區(qū)域平均分成9個小區(qū)域，見圖2。每個小區(qū)域的中心點(diǎn)作為測試點(diǎn)，待白場儀穩(wěn)定后，依次測試6 cm×6 cm、12 cm×12 cm、18 cm×18 cm 區(qū)域內(nèi)的白場6 500 K（R255，G255，B215）模式下的亮度與色品坐標(biāo)（x，y）值，并記錄相應(yīng)的數(shù)值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 白場儀亮度與色品坐標(biāo)參數(shù)穩(wěn)定性比較與評估

圖3 為60 min 內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)白場儀白場亮度與色品坐標(biāo)隨時間的變化圖，從圖中可見，剛開始亮度值較高達(dá)到364 cd/m2，但隨時時間的變化，20 min 后，亮度值就達(dá)到穩(wěn)定值340 cd/m2；分光輻射亮度計的亮度校準(zhǔn)結(jié)果不確定為Urel=2.0%，k=2；因標(biāo)準(zhǔn)器不確定度造成的不穩(wěn)定性，亮度值（6.8 ～7.3）cd/m2，現(xiàn)在亮度變化量在24 cd/m2。色品坐標(biāo)x值60 min 內(nèi)在0.274、0273 之間變化，色品坐標(biāo)y值60 min 在0.375、0.376 之間變化，分光輻射亮度計的色品坐標(biāo)（x，y）校準(zhǔn)結(jié)果不確定是Ux=Uy=0.003，k=2；色品坐標(biāo)（x，y）0.001 的變化量可能由于標(biāo)準(zhǔn)器不確定度引起的，而非因白場儀的不穩(wěn)定性造成。白場儀亮度值在預(yù)熱20 min 后才達(dá)到穩(wěn)定值，而色品坐標(biāo)（x，y），開機(jī)即達(dá)到穩(wěn)定值，故標(biāo)準(zhǔn)白場儀色品坐標(biāo)測試校準(zhǔn)過程中無需預(yù)熱。使用液晶標(biāo)準(zhǔn)白場儀量傳色彩分析儀工作時，標(biāo)準(zhǔn)白場儀運(yùn)行即可開展色彩分析儀色品坐標(biāo)（x，y）參數(shù)的校準(zhǔn)工作，而亮度參數(shù)需預(yù)熱20 min。

2.2 白場儀亮度與色品坐標(biāo)均勻度特性比較與評估

表1 白場6 cm×6 cm 區(qū)域的亮度與色品坐標(biāo)測量值

表2 白場12 cm×12 cm 區(qū)域的亮度與色品坐標(biāo)測量值

表3 白場18 cm×18 cm 區(qū)域的亮度與色品坐標(biāo)測量值

3 亮度與色品坐標(biāo)的擴(kuò)展不確定度分析

亮度與色品坐標(biāo)（x，y）是液晶顯示標(biāo)準(zhǔn)白場儀的主要光學(xué)參數(shù)，分析其主要參數(shù)的穩(wěn)定性與均勻性后，在液晶顯示標(biāo)準(zhǔn)白場儀6 500 K（255，255，215）模式下，對中心點(diǎn)的亮度、色品坐標(biāo)（x，y）參數(shù)測量結(jié)果不確定度[3]進(jìn)行分析，亮度與色品坐標(biāo)（x，y）參數(shù)的不確定度主要來源于標(biāo)準(zhǔn)器分光輻射亮度計的最大允許誤差或者上一級溯源帶來的不確定，測量的過程中液晶標(biāo)準(zhǔn)白場儀的穩(wěn)定性以及多次測量的重復(fù)性帶來的不確定度。由于測量過程中選擇標(biāo)準(zhǔn)器的同一點(diǎn)進(jìn)行檢測，故由液晶顯示標(biāo)準(zhǔn)白場儀不均勻度帶來的不確定度忽略不計。分析過程包括模型建立、方差和靈敏系數(shù)確定、標(biāo)準(zhǔn)不確定分量評定、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴(kuò)展不確定度過程。

3.1 亮度校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析

3.1.1 不確定度評定的測量模型

L=L 式中：L 為被檢標(biāo)準(zhǔn)白場儀的亮度值。

3.1.2 方差和靈敏系數(shù)c1=1

3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定

（1）標(biāo)準(zhǔn)器（分光輻射亮度計）最大允許誤差帶來的不確定度u1。用分光輻射亮度計來測量，亮度計最大允許誤差±2.5%，=1.44%。

（2）被測標(biāo)準(zhǔn)白場儀的測量重復(fù)性u2。將標(biāo)準(zhǔn)白場儀調(diào)至6 500 K（255，255，215）模式，分光輻射亮度計對準(zhǔn)被校標(biāo)準(zhǔn)白場儀中心P0，通過調(diào)節(jié)物鏡，使被校白場儀成像最清晰時，讀取測量值2 次，取平均值，如此重復(fù)測量10 次，并記錄測量的亮度值Li（356.4 cd/m2、355.9 cd/m2、356.8 cd/m2、356.7 cd/m2、356.7 cd/m2、356.4 cd/m2、356.0 cd/m2、356.5 cd/m2、356.9 cd/m2、357.2 cd/m2)，根據(jù)貝塞爾公式計算得到單次測量相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，×100%=0.12%，每個數(shù)據(jù)測量2 次，被測標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)白場儀的測量重復(fù)性帶來的測量不確定度=0.08%。

（3）標(biāo)準(zhǔn)白場儀不穩(wěn)定性帶來的測量不確定度u3。據(jù)標(biāo)準(zhǔn)白場儀不穩(wěn)定度技術(shù)要求±1.0%，故不穩(wěn)定度帶來的不確定度u3：u3== 0.58%。

3.1.4 合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度的各分量見表4。

表4 不確定度來源列表

以上各不確定度分量不相關(guān)，因此合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc==1.58%；相對擴(kuò)展不確定度的表示：Urel=kuc= 3.2%，k=2。

3.2 色品坐標(biāo)（x，y）校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定

3.2.1 不確定度評定的測量模型

x=x,y=y；式中：x——被檢標(biāo)準(zhǔn)白場儀的色品坐標(biāo)x；y——被檢標(biāo)準(zhǔn)白場儀的色品坐標(biāo)y。

3.2.2 方差和靈敏系數(shù)

c1=1

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定

（1）分光輻射亮度計標(biāo)準(zhǔn)器的色品坐標(biāo)（x，y）最大允許誤差（±0.0015）帶來的不確定度u1，u1==0.0009。

（2）被測標(biāo)準(zhǔn)白場儀的測量重復(fù)性u2。將標(biāo)準(zhǔn)白場儀調(diào)至6500K（255，255，215）模式，分光輻射亮度計對準(zhǔn)被校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)白場儀中心P0，通過調(diào)節(jié)物鏡，使被校白場儀成像最清晰時，讀取2 次測量色品坐標(biāo)，重復(fù)測量10 次，并記錄測量的色品坐標(biāo)（x，y）值xi與yi（i= 1，2，…10），根據(jù)貝塞爾公式計算測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即為被測標(biāo)準(zhǔn)白場儀的測量重復(fù)性帶來的測量不確定度u2x與u2y，分別為0.000045 與0.00004，數(shù)據(jù)見表5。

表5 被測標(biāo)準(zhǔn)白場儀重復(fù)測量的色品坐標(biāo)（x，y）數(shù)據(jù)表（n=10）

（3）標(biāo)準(zhǔn)白場儀不穩(wěn)定性帶來的測量不確定度u3。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)白場儀色品坐標(biāo)（x，y）不穩(wěn)定性技術(shù)要求±0.001，故不穩(wěn)定性帶來的不確定度u3：u3==0.0006。

3.2.4 合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度的各分量見表6。

表6 不確定度來源列表

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)表明：（1）使用標(biāo)準(zhǔn)白場儀作為色彩分析儀亮度參數(shù)的量傳時，需要開機(jī)預(yù)熱20 min 以上，亮度才能到達(dá)穩(wěn)定，隨著液晶標(biāo)準(zhǔn)白場儀測試區(qū)域的不斷增大，亮度不均勻度越來越大，需要對液晶標(biāo)準(zhǔn)白場儀劃分有效區(qū)域以保證亮度參數(shù)溯源的準(zhǔn)確度，盡量保持測試點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)白場儀的溯源點(diǎn)為同位置，可減小白場儀亮度不均勻度帶來不確定度；（2）量傳色品坐標(biāo)（x，y）時，液晶白場儀無需預(yù)熱，隨著測試區(qū)域的增大，不均勻度變化量小，位置的不一致性對色彩分析儀量傳色品坐標(biāo)（x，y）校準(zhǔn)結(jié)果影響小，測試校準(zhǔn)過程無需與液晶標(biāo)準(zhǔn)白場儀溯源點(diǎn)保持一致的位置，只要測試點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)白場儀溯源點(diǎn)附近位置即可。通過對液晶顯示標(biāo)準(zhǔn)白場儀的亮度、色品坐標(biāo)穩(wěn)定性、均勻度等參數(shù)的全面評估，同時對液晶顯示器校準(zhǔn)結(jié)果的亮度與色品坐標(biāo)（x，y）進(jìn)行不確定度分析，為液晶顯示標(biāo)準(zhǔn)白場儀校準(zhǔn)方法的制定提供技術(shù)依據(jù)，同時也為色彩分析儀的量傳中工作效率的提高提供參考。