秦曉霞、劉騰海、孫建佩

摘要：高色域顯示屏在色域范圍上有大幅提升，顏色表現(xiàn)更加豐富，層次感也更好，是目前顯示屏發(fā)展的一個重要趨勢。相應(yīng)的高色域顯示技術(shù)也發(fā)展迅猛，諸如OLED、量子點LED顯示技術(shù)等。高色域顯示屏的基色色飽和度和彩色光色純度都很高，這也對顏色測量技術(shù)和設(shè)備也提出了更高的要求。本文將結(jié)合近年典型的高色域顯示技術(shù)，以實驗案例和數(shù)據(jù)分析各類評測手段，并提出的高精度光譜測量方案。

關(guān)鍵字：顯示屏；高色域；顏色測量；光譜測量

Abstract: Wide color gamut display is a major current trend in display field with richer color and better layering. Corresponding technologies such as OLED, QLED also have much progress. Wide color gamut display has high color saturation and color purity, which puts forward higher requirements for color measurement technology and instruments. This paper analyzes measurement methods based on recent typical wide gamut technology and experiment cases&data, and then proposes the latest spectral measurement scheme which has high accuracy.

Keywords: Display; Wide color gamut; Color measurement; Spectral measurement

1.  概述

顯示屏的顏色表現(xiàn)能力與其色域相關(guān)，直接影響到人們對顯示屏的觀感。為了得到色彩豐富、顏色鮮艷的畫面，高色域顯示產(chǎn)品[1] 一直是顯示發(fā)展的一個重要趨勢，如圖1所示。近年來，OLED和量子點LED顯示（QLED）[2]在色域方面均做到了100%NTSC以上，色彩表現(xiàn)能力，畫面質(zhì)感也有了大幅提升。同時，高色域顯示產(chǎn)品的突出顏色表現(xiàn)也對相應(yīng)的測量技術(shù)以及測量設(shè)備的精度提出了更高的要求。

圖1 色域越廣，色彩的表現(xiàn)越好

1.  高色域顯示屏的特點及評價參數(shù)

通俗來講，色域可以理解為顯示屏能顯示的色彩的范圍。色域越廣，顯示屏能呈現(xiàn)的顏色越多，畫面層次感也更強，對顏色的還原能力也就越強，一般用色域覆蓋率Gp評價，也就是均勻色度空間中，三基色坐標所圍成的三角形的面積，常見的顯示屏色域如圖2所示。色域計算公式如下：

                                  (1)

其中，(ur’,vr’)、(ug’,vg’)、(ub’,vb’)分別是顯示屏在全紅場、全綠場、全藍場下測得的色品坐標，S為顯示屏的色域面積。

圖2 常見顯示屏色域

一般，以NTSC所規(guī)定的三角區(qū)域作為100%參比，色域覆蓋率大于92%則被稱為高色域顯示屏。對于高色域顯示屏來說，其基色光色坐標更加靠近光譜軌跡，色飽和度更高。圖3是典型的OLED以及QLED基色光的光譜，其光譜能量主要分布在紅、綠、藍波段且光譜較窄。不同于白光，基色光的亮度和顏色對于測量方法和設(shè)備均有很高的要求。

（a）OLED                 （b）QLED

圖3 顯示屏光譜

1.  顯示屏的顏色測量方法和設(shè)備

根據(jù)CIE標準，人眼對光以及顏色的視覺響應(yīng)曲線如下圖所示，、、為CIE三刺激值曲線，其中與人眼明視覺光譜光視效率曲線V(λ)一致，既表示了顏色又表示了亮度。顯示屏的亮度和顏色測量都是基于人眼的視覺特性進行的，根據(jù)三刺激值的獲取方法可將測量方法分為積分法和分光光譜法[3]。

圖4 CIE三刺激值曲線和V(λ)

3.1 積分法測量--色度計存在光譜失配問題

積分法的典型測量設(shè)備為亮度計/色度計，色度計一般具有三或四個光電探測器，或者在光電探測器前具有可切換的三或四個修正濾色片，以匹配圖4中的CIE三刺激值曲線、、。探測器接收到入射光后直接進行積分測量，得到三刺激值X、Y、Z，測量原理如圖5所示。

圖5 積分法測量原理

實際上，探測器的相對光譜靈敏度并不能與V(λ)，、、曲線匹配，總會存在一定的偏差，一般以f1'表示光度探頭的失匹配程度[4]。

                                      (2)

其中，，為A光源相對光譜功率分布，為被測光度探頭的光譜靈敏度曲線。

根據(jù)標準JJG245-2005，標準級光度探頭的V(λ)f1'需在3.5%以內(nèi)。CIE/ISO TC-40的統(tǒng)計表明，世界上僅5家公司能提供f1'<3%的光度探頭，遠方光電也在列其中。而對于色度計來說，一般采用在光電器件前加多個濾色片匹配、、三刺激值曲線，匹配難度更高，失匹配誤差更大。CIE用f1,x'、f1,y'、f1,z'來表示色度探頭的光譜失匹配，算法與f1'相類似。而另一方面，色度探頭的失匹配對彩色光的測量誤差影響非常大[5]。

（a）失匹配在曲線兩側(cè)                （b）失匹配在曲線峰值

圖6 失匹配不同的兩種色度探頭

本文模擬了fx1', fy1'和fz1'為3%的兩種高精度色度探頭，對應(yīng)的失匹配情況如圖6所示。利用這兩種探頭測量典型的紅綠藍基色光，對應(yīng)光譜的峰值波長分別為630nm、530nm、450nm（帶寬為20nm），模擬計算得到的相應(yīng)基色光的色品坐標誤差和亮度誤差如表1所示?？梢娂词故枪庾V失匹配如此低的情況下，測量得到的色品坐標誤差高達0.01，亮度誤差近20%，色域覆蓋率誤差達到了4%。

表1 色品坐標誤差

而一般商用色度計（彩色亮度計）的fx1', fy1'和fz1'遠遠大于3%，大到有些儀器制造商根本不標示光譜失匹配系數(shù)的值，這樣的儀器*地影響了顯示屏品質(zhì)的正確測量評估。雖然也有廠家針對彩色亮度計提出了一些修正方法，如圖7所示，通過一組標準色和測量值計算得到修正系數(shù)Kx、Ky、Kz，并以此來修正色度計的測量結(jié)果。但修正系數(shù)使用有限，測量顏色與標準色往往有差異，需要使用不同的修正系數(shù)，且每個顯示屏的三基色不可能*相同，這就要求每次改變測量對象時都必須重新獲得修正系數(shù)，實際操作復(fù)雜，效率低下。

圖7 測量結(jié)果修正

基于此，目前一些認證標準（如TCO顯示屏認證標準）在其版本中，提出顏色測量需采用分光光譜法。

3.2 分光光譜法-光譜輻亮度計

光譜輻亮度計是基于光譜測量技術(shù)的高度集成的高精度測量儀器，主要特點在于采用光譜法測量顯示屏亮度和顏色，計算方法如式(3)所示，其中為光譜輻亮度。由于在計算過程中采用理想的CIE三刺激值曲線、、直接加權(quán)積分，不存在三刺激值色度計中的光譜失匹配誤差，測量精度*[6]。

                                                    (3)

過去，高精度光譜輻亮度計因成本因素限制，主要用于認證實驗室、計量機構(gòu)或者企業(yè)的基準設(shè)備。遠方光電在保證高測量精度的前提下，開發(fā)了一系列適用于工業(yè)領(lǐng)域的光譜輻亮度計，以提高顯示產(chǎn)品的顏色測量精度，更好地評價和控制產(chǎn)品品質(zhì)。

圖8所示為典型的光譜輻亮度計及其測量原理圖，在標準視場角測量條件下，瞄準被測發(fā)光區(qū)域，測量光束經(jīng)色散系統(tǒng)（一般為光柵）分光后，投射至陣列探測器的探測表面，陣列探測器的像素與光譜波長一一對應(yīng)，從而獲得瞄準區(qū)域的光譜輻亮度。分別在全白場和三基色信號輸入下對顯示屏進行測量，就可以得到白場色坐標、基色色度坐標、色域覆蓋率等顏色參數(shù)。

圖8 典型的光譜輻亮度計及其測量原理圖（遠方光電SRC-600）

此外，該光譜輻亮度計可滿足顯示屏上不同測量區(qū)域大小的切換以及不同產(chǎn)品的測量要求；測量速度極快，可以以毫秒級測量速度實現(xiàn)整個光譜范圍的測量；現(xiàn)場測量還可采用WIFI，方便分享實時數(shù)據(jù)，應(yīng)用靈活。圖9是其對顯示屏的典型測試報告，通過一次測量即可以得到顯示屏的亮度、光譜數(shù)據(jù)、色品坐標、主波長、相關(guān)色溫等參數(shù)，在三基色信號下分別進行測量后軟件即可自動計算色域覆蓋率等參數(shù)，評價參數(shù)全面。

圖9 光譜輻亮度計典型測試報告

4. 顯示屏均勻性高精度測量的綜合解決方案-光譜圖像亮度計

亮度均勻性也是顯示屏的另一項重要評價指標，可通過成像亮度計快速測量。為了綜合評價顯示屏的亮度、顏色以及均勻性，提高測量精度和測量速度，光譜圖像亮度計應(yīng)運而生，圖10為光譜圖像亮度計的測量原理和典型設(shè)備，通過采用雙CCD設(shè)計，既能夠一次成像測量二維空間的亮度分布，也能夠得到點的高精度光學特性參數(shù)。光譜測量不存在失匹配誤差，測量精度高，可用于校正其他點的測量值；結(jié)合的數(shù)字圖像定位，被測對象的對準精度高、復(fù)現(xiàn)性好。該方案不僅可以很好地避免了傳統(tǒng)亮度、色度等測量存在的失匹配誤差，而且能夠快速地獲得二維空間的亮度、色度等參數(shù)，實現(xiàn)高精度測量。

圖10 光譜圖像亮度計測量原理及典型設(shè)備（遠方光電SIRC-2000）

5. 小結(jié)

人們對顯示品質(zhì)的要求已經(jīng)不止于其亮度和清晰度，色彩的還原和表現(xiàn)能力成為顯示技術(shù)高度發(fā)達以及自媒體時代更為重要的衡量標準，高色域顯示技術(shù)也在快速發(fā)展。對此，傳統(tǒng)的顏色測量技術(shù)已經(jīng)難以滿足精度和應(yīng)用要求，局限性越來越大。而日趨成熟的光譜輻亮度測量憑借其高精度、率以及全面的測評參數(shù)，正在逐漸成為顯示測量的新選擇，被新版TCO顯示屏認證標準極力*，值得業(yè)界重視。

參考文獻

[1] 許祖彥. 大色域顯示-新一代顯示技術(shù)[J]. 物理, 2010,39(04):227-231

[2] 張鋒,薛建設(shè),喻志農(nóng),等. 量子點發(fā)光在顯示器件中的應(yīng)用[J]. 液晶與顯示, 2012,27(2):163-167

[3] 杜春玲,張唏,葛蕾. 顏色測量儀器及其發(fā)展[J]. 現(xiàn)代儀器, 2005,11(3):56-57

[4] 潘建根,閔芳勝. 測量LED用高精度光度探頭及其性能評價[J]. 液晶與顯示, 2011, 20(2):150-154

[5] 沈海平,潘建根,馮華君. 彩色成像亮度計用于顯示測量及其不確定度分析[J]. 電子器件, 2008, 31(1):370-372

[6] 蔣月娟. 分光測色儀的設(shè)計研究[J]. 光學技術(shù), 2001, 27(3):281-283