LED显示屏作为多媒体设施的显示终端，对其光学柱能的检测和评价十分重要。亮度是评价显 示屏光学性能的核心量值,本文从LED显示屏的光学特性和测量要求出发，分析了影响LED显示屏亮 度测量精度的主要因素,并围绕这些关键因素，介绍了常用亮度测量设备的原理及其优缺点。同时本文 还介绍了具有高精度的集成化LED显示屏测量方法及系统,希望能对相关技术人员有所帮助。

1 概述

近年来,LED显示屏凭借其可靠性高、寿命长、 亮度高、功耗低、色彩丰富等特点迅速成长为平板显 示的主流产品，并广泛应用于工业、交通、商业广告、 信息发布、体育比赛等领域山。随着LED显示屏的广 泛应用，其产品的品质和性能评价也备受关注，我国 近年来在某些关键检测技术和相关检测设备上取得 了显著进步。

LED显示屏性能评价主要包括机械性能、光学 性能和电学性能的评价％其中光学性能检测尤为重 要，精确测量的难度也最大。此外，一些电性能测试项 目（如模组负载变化率）,也需要采用光学方法进行测 试。因此有必要对LED显示屏的光学性能的精确测 定进行深入研究，以提供客观准确的量值，从而为 LED显示屏的研发和生产提供指导。

2 LED显示屏的光学性能测试项目

根据SJ/T11281-2007(发光二极管(LED)显 示屏测试方法＞,LED显示屏的光学性能测试主 要包括以下几个项目：

最大亮度,包括红、绿、蓝、黄、白等的最大亮度； 视角，包括水平方向的视角和垂直方向的视角； 基色主波长误差和白场色坐标，均为考察 LED显示屏的颜色特性；均匀性，包括像素光强均匀性、显示模块亮 度均匀性和模组亮度均匀性；

其它光色测试项目：包括最高对比度、亮度 鉴别等级等。

从以上的测试项目中可以看出，亮度是LED 显示屏光学特性最为核心的参数。要达到精确测 量LED显示屏光学性能的目的，关键在于亮度 的准确测量。亮度是指光源单位投影面积上的发 光强度，单位为cd/m。，其表达式为：

同时注意到，上述测试项目中既有绝对亮度 测量又有相对亮度测量。通过绝对亮度测量可获 得具有绝对单位的量值，如最大亮度等。而相对 亮度测量一般通过测量不同位置、角度或时间下 的亮度并进行比较，从而获得无量纲或与亮度单 位不相关的量值，如视角、均匀性等。

绝对亮度测量对测量设备精度的要求较高， 因为任何误差都会对测量结果贡献不确定度。而 在相对测量中由于量值相比，可以大幅降低亮度 测量的系统误差影响，如光谱失配误差等，因此 对测量设备的精度要求相对较低，但从另一层面 讲，相对亮度测量对测试的便捷性要求较高，且 要求目标能精确定位。

3现有亮度测量设备及影响亮度测 量的主要因素

3.1 现有典型的亮度测量设备

测量亮度的常用设备为亮度计，根据测量原 理，亮度计可分为遮光筒式亮度计、瞄点式亮度 计和成像式亮度计。

(1 )遮光筒式亮度计由光度探头和遮光简组 成，测试时，必须将遮光筒接触或靠近光源的表 面，因此它仅能测试自发光体某一区域内的亮 度，并且较难控制光源的测试面积大小。

(2)瞄点式亮度计的典型原理如图1所示， 根据光度学和几何光学的基本原理，探测面上的 照度E与发光面的亮度L成以下比例关系：

E=kuL (2 )

式中，k为比例常数，由光学系统的透射比 T、焦距f、视场角3等决定。

如图1所示，视场角3是指由测量面对瞄 准点所张的角度，在一定的测量距离下，视场角越大，被测瞄准点就越大，亮度计实际测量的是 该瞄准点区域内的平均亮度。

(3)成像亮度计的原理如图2所示。成像式 亮度计采用CCD面阵代替瞄点式亮度计中的单 通道探测器，CCD面阵一般具有百万像素，因此 成像亮度计可看作是百万个亮度计同时工作。

图1亮度计视场角示意图

图2成像式亮度计原理图

3.2 影响显示屏亮度测量精度的主要因素

从亮度的定义出发，影响绝对亮度测量精度 的主要因素包括光谱失配误差和视场角等。

亮度计一般通过在探测器前加滤色片使探 测器的光谱响应与CIE入眼光视效率函数V( A) 或颜色三刺激值x( A ),y( A ),z( A )相匹配， 从而测量亮度和颜色特性。亮度计的光谱失匹配 误差是指其相对光谱灵敏度s(入扁与CIE人眼 光视效率函数V(入)的失配所引起的误差，如图 3所示，大部分光度计在红蓝区域的匹配欠佳， 因此特别是在测量红、蓝等基色亮度时，由光谱 失配带来的误差可能高达百分之十几甚至百分之百。

由于是单通道匹配，瞄点式亮度计的光谱失 配误差比成像亮度计要小。目前在瞄点式亮度计基础上又发展了光谱辐亮度计，是采用光谱测量 装置取代了原有的滤色片加探测器的部分，光谱 辐亮度计不存在光谱失配误差，因此能够更为准 确地测量亮度和颜色特性。

亮度计的视场角影响其测量区域，LED显示 屏等应用对于测量区域有较为具体的要求，如像 素光强的测量区域为单个像素，而模块亮度则应 至少取16个像素区域。遮光筒式亮度计很难控 制视场角，瞄点式亮度计可实现的视场角有限， 且往往最小视场角也不能满足特定测量要求，目 前最小视场角一般在0.1。。而成像亮度计由于 具有百万像素，每个像素对应的测量视场角都非 常小，并且通过宏模式，多个像素组合，能够实 现各种视场角，并能准确分析均匀性。

表1

4 LED显示屏的精确测定方案

如上分析，绝对亮度的精确测量可采用光谱 辐亮度计实现，而对于均匀性等分析可采用成像 亮度计便捷准确的获取。

然而，对于LED显示屏的测量，影响测量精度的因素还包括视场测量中的角度精度、被测目标的精确瞄准以及瞄准的复现性等。为了克服这 些误差因素，可采用五维对准高精度显示屏光学 测试系统，如图4所示。

图4 五维对准高精度显示屏光学测试系统

系统采用精密两轴转台实现待测样品的装 夹和角度定位，转台可使被测样品绕旋转中心沿 水平轴和垂直轴旋转-90。~90。。同时采用精 密三轴平移台实现对亮度测量设备的装夹和定 位，三个相互垂直的平移轴（x轴、y轴、z轴）能 够实现测量取样设备的三维空间平移。

根据测量项目的不同，三轴平移台上的亮度测量 设备可为瞄点式亮度计、光谱辐亮度计或成像亮度 计。利用五维机械对准系统，能方便实现被测目标精 确定位和对准，大幅提高测量精度和复现性。

图5所示为杭州远方开发的具有五维对准系统 的高精度显示屏光学测试系统的软件界面图，可综合 精确分析LED显示屏的各项光学性能。

图5

5 结论

综上所述，亮度的精确测量是准确评价LED 显示屏光学性能的重要前提。亮度测量设备主要 有遮光筒式亮度计、瞄点式亮度计、光谱辐亮度 计（瞄点式）以及成像亮度计，它们各具特点。其 中，光谱辐亮度计在绝对亮度和颜色参数的测量 上具有高精度，而成像亮度计则能准确快速地分 析显示屏的均匀性等相对亮度参数。杭州远方光于LED显示 屏、LCD、LED灯具以及照明工程等领域。针对 LED显示屏、灯具等对光谱、亮度、颜色以及颜 色分布的测量需求，远方光电正在国家863课 题的支持下，研究二维光谱和亮度测量装置并取 得了初步进展131,相信该研究成果将会为LED 显示屏的光学性能测定技术带来革命性突破，达到更全面和更精确的测量。

图6 水平/垂直视角测试