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学习资料光学测量部分综述
第二章:
光学测量
张锋陆海锋刘金良尚光强
1.科技中心Westar机台光学测量
1.1测量环境和条件
Ø环境温度:
25±2℃
Ø环境湿度:
50±10%RH
Ø环境照度:
<2Lux(暗室)
Ø预热:
待测试面板以最高亮度设立状态预热
<20"之面板预热时间为30分钟;>20“之面板预热时间为40~60分钟
Ø测量距离和角度:
为了保证测量的稳定性,避免个别像素波动造成的误差,测量光斑要包含大于等于500像素,我们测量时一般选为测量角度1º、1000mm测量距离或是测量角度2º、500mm,如图2.1。
图2.1
1.2测量光学机
BM-5A(ColorFilterPhotometer-PMTbased):
亮度色度计
SR-3(Spectroradiometer):
亮度色度计
TRD(photometers):
测量响应时间
1.3测量项目
亮度;亮度均匀性;对比度;色度;色温;色域;视角;响应时间;10;Gamma;串扰;Flicker;残像;绿付;Mura;坏点;漏光
1.3.1亮度
定义:
单位面积单位立体角内的光通量(单位面积的光强度),单位:
cd/m2
测量位置和画面:
LCD屏中心L255(P5),
可依据厂商的要求测试中心点(1点)、5点(SPWG)平均数值作为面板的亮度,图2.2
结果判定:
根据不同机种规格值
图2.2
1.3.2亮度均匀性
测量画面:
全白画面L255
测量位置:
5点均匀性:
P5,P10~P13,9点均匀性:
P1~P9,13点均匀性:
P1~P13,见图2.3。
图2.3
测量结果:
Uniformity=Lmax/Lmin
结果判定:
15寸:
5PUniformity≤1.2,注:
15寸5点位置为距离1/6H(W)处
19W:
9PUniformity≤1.2
1.3.3对比度
定义:
CR=L255(P5)/L0(P5)
测量画面:
L255(P5):
中心点全部画面为100%输出之白色画面
L0(P5):
中心点全部画面为0%输出之黑色画面
结果判定:
根据不同机种规格值
1.3.4色度
定义:
量测主要颜色画面之CIE1931或CIE1976色度值,见图2.4。
测试图案:
白,红,绿,蓝L255画面(中心点)
测量结果:
Wx,Wy,Rx,Ry,Gx,Gy,Bx,By或Wu',Wv',Ru',Rv',Gu',Gv',Bu',Bv'
结果判定:
一般有两种规格:
Wx=0.313,Wy=0.329(对应色温6500K)
Wx=0.283,Wy=0.297(对应色温9300K)
误差范围:
±0.005
图2.4
1.3.5色温
定义:
光源发射光颜色与黑体在某一温度下辐射光颜色相同时,黑体的温度称为光源的色温。
维恩定律:
黑体温度增高,向短波方向移动,所以高色温白光偏蓝,低色温白光偏红。
测量画面和位置:
中心点L255全白画面
色温计算公式:
测量出中心色度Wx,Wy,代入下面公式计算得出色温
T(K)=-437n3+3601n2-6861n+5514.31(n=(Wx-0.332)/(Wy-0.1858))
判定标准:
根据规格确定,一般推荐色温为6500K和9300K。
1.3.6色域
定义:
量测主要颜色画面之色度值,并计算其三角形面积与NTSC百分比(NTSC—(NationalTelevisionSystemCommittee,国际电视标准委员会,它规定了彩色电视广播标准,上图中蓝色的三角形区域为NTSC所规定的色域范围,所有彩色显示和印刷等设备均以NTSC区域为标准,以%表示),见图2.5。
测试图案:
红,绿,蓝L255画面(中心点)
公式:
Gamut=316.1*|(Rx-Bx)*(Gy-By)-(Gx-Bx)*(Ry-By)]
Gamut=256.1*|(Ru´-Bu´)*(Gv´-Bv´)-(Gu´-Bu´)*(Rv´-Bv´)|
判断标准:
根据规格确定,一般普通显示器要求色域≥72%
NTSC标准(100%)
普通显示器(72%)准(100%)
图2.5
1.3.7视角
定义:
CR大于10的可视角度
测试画面和位置:
全白全黑画面中心点位置
测量步骤:
1.沿X轴+90°至-90°不同角度测全白全黑画面时中心亮度,间隔≦5°量测一次。
见图2.6。
2.沿Y轴+90°至-90°不同角度测全白全黑画面时中心亮度,间隔≦5°量测一次。
3.计算出对比度等于10的角度θX+(上视角),θX-(下视角),θY+(左视角)和θY-(右视角)。
判断标准:
根据规格确定
图2.6
1.3.8响应时间
定义:
分传统响应时间和灰阶响应时间
1)传统(黑白)响应时间:
T=Tr+Tf,Tr是亮度由最暗(10%)到最亮(90%)的上升时间(或相反),Tf是亮度90%到10%的下降时间(或相反),见图2.7。
2)灰阶响应时间(GTG):
任意两个灰阶A与B(A
3)此外还有动态响应时间(MPRT):
动态影像模糊边界的测量方法
测量方法:
图2.7
结果判定:
根据Panel规格值
1.3.9Gamma
定义:
画面亮度随灰阶变化的程度
测试图案:
0-255灰阶W(R,G,B)画面;0-255分成7等份测试(VESA)
测试步骤:
1.量测0-255灰阶画面之亮度
2.绘制亮度L(G.L)对灰阶数(G.L)的趋势线,见图2.8;
3.依照公式log(L(G.L)-L(0))=γlog(G.L)+Log(a);
重新绘制log(L(G.L)-L(0))对log(G.L)的趋势线,求出γ
VESA
图2.8
判定标准:
Gamma值:
2.2
1.3.10串扰
定义:
画面显示亮度受到周遍信号影响所改变的程度
测试画面:
L127灰阶画面,以及中间加入黑白画面L127灰阶画面,见图2.9。
测试步骤:
1.量测127(128)灰阶下LL,LR,LU,LD之亮度值
2.量测中心加入黑色画面(L0),LB,L,LB,R,LB,U,LB,D之亮值
量测中心加入白色画面(L255)LW,L,LW,R,LW,U,LW,D之亮值
3.计算4点的Crosstalk(BlackOnGL127)=|LB-L|/L*100%和Crosstalk(WhiteOnGL127)=|LB-L|/L*100%,Crosstalk=8个结果中的最大值
结果判定:
根据规格书,一般要求≤1.3%
图2.9
1.3.11Flicker
定义:
最大波动信号与直流信号的比值
Dominantflickercomponent(DFC)=20log(|largesta.c.component|/d.c.level),dB
测试画面:
1+2HLine画面
测量方法:
测量亮度随时间的波动信号关系,然后作快速傅立叶变换将时域波动信号转化成频谱信号,我们一般取人的眼睛最敏感的30HZ处的Flicker信号作为测量结果,见图2.10。
图2.10
判定标准:
Flicker≤-30dB
1.3.12残像
定义:
画面转换后仍然残留前一画面图案痕迹的现象
测量方法:
定性评定:
目视方法,棋盘格点亮10个小时以上切换成L127,眼睛观察残像现象。
定量评价(SPWG):
1.点亮棋盘格(5X5)2mins后测量CR,CR=(WL+WR)/2BC,见图2.11。
2.持续点亮棋盘格16小时后切换到白色画面,2mins后在同样位置测量对比度。
3.比较点亮棋盘格16小时的CR´和最初的CR,Ratio=CR´/CR
4.SPWG规定Ratio≦1%
图2.11
1.3.14绿付
定义:
画面在应该显示灰度的画面偏绿的现象
测量画面:
绿付画面有两种
第1种是背景色RGB:
(0,127,0)棋盘格分布,中间为RGB:
(255,0,255)棋盘格分布,如图2.12左;第2种是RGB(127,127,127)与RGB(0,0,0)间隔分布,如图2.12右。
测量方法:
目视判定:
如图1,和粉红色两左右两侧和上下两侧差别越大,绿色付越严重。
定量测量:
测量图和普通L127灰阶图象色度的差值,测量点位置1-9点,测量结果取平均数值
标准判定:
绿付≤0.005
图2.12
1.3.15Mura
定义:
LCD显示时所呈现的点状、带状、快状、线状不均匀分布其中之现象,如图2.13。
测试图案:
L127画面
检视距离:
显示器对角线1.5倍或者50cm,垂直(前方)
判定:
依据眼睛之检视而定
图2.13
1.3.16坏点
定义:
TFT-LCD模组依定条件驱动后,画面中有点状的缺陷称为坏点。
坏点种类分为三类:
1.亮点:
全黑画面下,所见到持续全亮的sub-pixel称为亮点。
2.碎亮点:
全黑画面下,所见到持续全亮但面积小于1/2sub-pixel或闪烁之sub-pixel称为碎亮点。
3.暗点:
全白画面下,所见到持续全暗的sub-pixel称为亮点。
测试方法:
模组显示后,于规定的画面下,以目视的方式检查坏点之种类和个数。
检查距离:
面板对角线尺寸*1.5倍之距离检查面板坏点。
1.3.17漏光
定义:
LCD显示黑画面时,在屏幕四周或其它位置有光线渗出之现象
测试图案:
L0画面
观测位置和方向:
对角线尺寸1.5倍距离:
由待测物上下左右±45°观察
备注:
测试角度可以依据厂商协商。
2.国家电子行业标准
《平板显示器测量方法》(SJ/T11348-2006)与
《数字电视液晶显示器通用规范》(SJ/T11343-2006)
2.1适用范围
本标准规定了标准清晰度、高清晰度数字电视平板显示器(以下简称显示器)的测量条件和测量方法。
2.2测试仪器
亮度计:
测量屏幕上小面积的亮度,其范围至少满足0.2cd/m2~2000cd/m2。
色度计:
应能够在亮度低于2cd/m2时,测量屏幕上小面积色度坐标(x,y)或(u′,v′)。
推荐采用分光型色度计。
2.3测量环境与条件
Ø环境条件:
环境温度:
15℃~35℃,优选20℃;相对湿度:
25%~75%;大气压力:
86kPa~106kPa
Ø电源:
测量显示器的特性应在额定电源电压条件下,测试时电源电压的变化为±2%;当采用交流电网供电时,电源频率的波动应为±2%,谐波分量为±5%。
Ø稳定时间
为了确保在测量开始后,显示器的特性不随时间而有明显的变化,显示器应在额定测量条件下工作30min,以使显示器性能稳定。
Ø测试场地
测量应在不受来自外界电磁场干扰的室内进行。
如果干扰可能影响测量结果,测量应在屏蔽室内进行。
测量亮度、色度时应在暗室中进行,杂散光照度小于或等于1lx。
Ø测量位置
光学测试仪器设备的光轴应与显示屏中心区域正交垂直,测试距离为3倍(HDTV)、4倍(SDTV)显示器屏幕高度,如图2.14所示。
图2.14
Ø显示器标准工作状态的调整:
1.额定输入信号电平:
高清晰度(HDTV)视频测试信号在基带信号输入端上的输入电压值如下:
a)Y、PB、PR分量信号:
Y:
700mV;PB:
±350mV;PR:
±350mV(均不含同步信号)。
b)当用100%彩条信号测量时,Y信号应含有同步信号。
c)同步信号(三电平):
±300mV。
输入端上的Y、PB和PR之间的时延差应在3ns以内。
应当注意:
如采用独立电缆连接视频信号发生器的输出端和显示器的输入端时,三路信号应采用相同型号的电缆,长度应相等。
如果采用R、G、B信号,对于不含同步信号的白色基准信号,其电平为700mV。
音频信号频率为1kHz时,额定输入电压为500mV(有效值)。
标准清晰度(SDTV)视频测试信号符合GB/T17309.1-1998的规定。
2.图像对比度和亮度的调整
输入极限八灰度等级信号,调整对比度和亮度控制器位置,调整到极限八灰度等级信号在最亮时能够清晰分辨的极限状态。
如果不能得到上述状态,应调整到最佳图像质量,同时在测量结果中加以说明。
此时对比度、亮度的位置分别定义为“正常对比度位置”和“正常亮度位置”。
(注:
极限八灰度等级信号是在50%的灰色背景上产生的如图2.15所示的两排灰度等级信号。
第一排灰度为:
0%、5%、10%、15%;第二排灰度为:
85%、90%、95%、100%,每个灰度矩形占满屏面积的5%,并且具有与整个显示图像一致的幅型比,该信号用来调整显示器的标准状态)。
图2.15
3.色温的调整
将显示器色温置于出厂位置,如果没有预置的位置设置,应调整到最佳图像质量。
4.图像(质量增强)控制或开关。
如果显示器有图像(质量增强)控制或开关,将其置于出厂位置,如果没有预置的位置设置,将其调整到关闭状态。
5.彩色(饱和度)和色调控制
将显示器控制器置于出厂位置,如果没有预置的位置设置,将其调到中心位置。
2.4测量项目
2.4.1亮度
概述:
本条是测量在标准工作状态下显示器的亮度。
测量信号或图案:
全白场信号;白窗口信号(注:
白窗口信号是一个亮度信号,它是在黑色背景上形成一个白色窗口信号,如图2.16所示。
窗口的宽度是图像高度的1/2,窗口信号的幅度从10%~100%可变)。
图2.16
测量步骤:
1.将显示器调整到标准工作状态;
2.将全白场信号输入到显示器,用亮度计测量图所规定的P0点上的亮度值,所测得的值为亮度(有用平均亮度);
3.将白窗口信号输入到显示器,用亮度计测量图所规定的P0点上的亮度值,所测得的值为有用峰值亮度。
结果表示:
测量结果用坎德拉每平方米(cd/m2)表示。
图2.17
2.4.2对比度
概述:
本条是测量在标准工作状态下显示器的对比度。
测量信号或图案:
黑白窗口信号。
测量步骤:
1.将显示器调整到规定的标准工作状态;
2.将黑白窗口信号输入到显示器(注:
黑白窗口信号是一个亮度信号,它可在50%和40%的灰色背景上产生一个白色的矩形窗口和四个黑色矩形窗口),如图2.18所示,白窗口的尺寸分别是图像高度的2/15(HDTV)和1/6(SDTV)),分别测量L0,L1,L2,L3和L4的亮度值,见图13。
如果在这些位置上不能测量黑色窗口亮度,应调节亮度控制器,在黑色窗口上测得仪器可测量的最低亮度,并在测量结果中注明;
3.用下式计算对比度Cr:
Cr=L0/Lbw ....................
(1)
式中:
Lbw——L1,L2,L3,L4的平均值。
图2.18
结果表示:
测量结果用倍表示。
2.4.3亮度均匀性
概述:
本条是测量显示器屏幕中心与屏幕边缘图像之间的亮度差。
测量信号或图案:
全白场信号。
测量步骤
1.将显示器调整到标准工作状态;
2.将全白场信号输入到显示器,用亮度计测量图14所规定的P0~P8各个点的亮度值分别为L0~L8。
3.用以下公式计算亮度均匀性Pi:
Pi=
...............................
(2)
式中:
i——(0…8)点中的任意一个点数。
边角的平均值:
............................(3)
结果表示:
测量结果用表表示
2.4.4白色色度误差
概述:
本条是测量显示器屏幕中心的白色色度坐标与企业规定的白色色度坐标的差值。
测量信号或图案:
全白场信号。
测量步骤:
1.将显示器调整到标准工作状态;
2.将全白场信号输入到显示器,在图14所规定的P0点,用色度计测量其白色色度坐标(
,
);
3.用以下公式计算其白色色度误差:
,
......................(4)
式中:
,
——产品规范规定的白色色度坐标。
结果表示:
测量结果用表表示。
2.4.5基色色度坐标
概述:
本条是测量显示器屏幕中心的基色色度坐标。
测量信号或图案:
全红场信号;全绿场信号;全蓝场信号。
测量步骤:
1.将显示器调整到标准工作状态;
2.分别将全红场、全绿场和全蓝场测试信号输入到显示器,在图14所规定的P0点,用色度计测量其色度坐标(
,
)。
结果表示:
测量结果用色度坐标表示。
2.4.6相关色温
概述:
本条是测量显示器屏幕中心的色温。
测量信号或图案:
全白场信号。
测量步骤:
1.将显示器调整到标准工作状态;
2.将全白场信号输入到显示器,在图14所规定的P0点,用色度计测量其色温值。
结果表示:
测量结果用开尔文(K)表示。
2.4.7色域覆盖率
概述:
本条表征均匀色度空间坐标中基色(R、G、B)所对应显色三角形的面积度量。
测量信号或图案:
全红场信号;全绿场信号;全蓝场信号。
测量步骤
1.将显示器调整到4.4.2规定的标准工作状态;
2.将全红场、全绿场和全蓝场信号分别输入到显示器,用色度计依次测量如图14所示P0点的色度坐标(
,
)、(
,
)和(
,
);
3.按色度坐标(
,
),用以下公式计算色域面积及色域覆盖率GP:
GP=100(1/0.1952){色域面积};
=1/2{(
-
)(
-
)-(
-
)(
-
)}.........(5)
结果表示:
测量结果用百分率(%)表示。
2.4.8白色色度不均匀性
概述:
本条是测量显示器屏幕中心和边缘的色度差。
测量信号或图案:
全白场信号。
测量步骤:
1.将显示器调整到4.4.2规定的标准工作状态;
2.将全白场信号输入到显示器,用色度计测量图14所规定的P0~P8点的色度坐标(
,
),表示为(
,
)~(
,
);
3.用以下公式计算P0~P8点的色度差:
.............................(6)
...............................(7)
4.白色色度不均匀性用以下公式计算:
...................................(8)
式中:
和
——屏幕中心P0与边缘Pi之差。
i是(1~8)点中的任意一个点数。
5.如果在屏幕的其它点上观察到色度的变化,也应在这些点上进行测量。
结果表示:
测量结果用表表示。
2.4.9可视角
概述:
由于屏幕的方向性,图像的亮度会随视角而改变。
本条是测量在屏幕中心的亮度减小到1/3时的水平可视角和垂直可视角。
测量方法:
亮度计的位置:
亮度计的位置应能水平和垂直地移动,保持观察距离不变,亮度计位置如图2.19所示。
图2.19
测量信号或图案:
全白场信号。
测量步骤
1.将显示器调整到标准工作状态;
2.将全白场信号输入到显示器,在额定观察位置S0用亮度计测量图14中所规定的P0点的亮度值L0;
3.水平移动测量仪的位置当P0点的亮度变为L0/3时得到左视角和右视角。
1/3亮度的水平可视角即为左视角和右视角之和;
4.垂直上、下移动测量仪的位置,当P0点的亮度变为L0/3时,得到上视角和下视角,1/3亮度的垂直可视角即为上视角和下视角之和。
4.如果在S和房间的地板之间的下视角不足以测量1/3亮度,只要不影响显示性能,可倾斜屏幕以增加角度。
结果表示:
测量结果用水平可视角度数(°)和垂直可视角度数(°)表示。
2.4.10像素缺陷
概述:
本条是测量显示器有多少像素不能正常工作。
测量信号或图案:
全白场信号;全黑场信号;全红场信号;全绿场信号;全蓝场信号。
测量步骤:
1.将显示器调整到标准工作状态;
2.显示器分别输入全白场信号及红、绿、蓝基色信号,用放大镜分别在A、B区(A区:
位于屏幕中心且宽度、高度分别为屏幕宽度、高度一半的区域,B区:
屏幕中除A区以外的区域),计算不正常发光点的像素点数,并记录;
3.显示器输入全黑信号,用放大镜分别在A、B区计算不熄灭点的像素点数,并记录。
结果表示:
测量结果为A区的缺陷点统计总数和B区的缺陷点统计总数。
2.4.11残留影像
概述:
本条是用高对比度的棋盘格信号测试图进行测试。
在一定时间后,观测棋盘格在全白场和全黑场留下残余影像的程度。
测量信号或图案:
棋盘格信号;全白场信号;全黑场信号。
测量步骤
1.示器调整到标准工作状态;
2.白场信号输入到显示器,用亮度计测量图2.20所规定的P0、P1、P2点上的亮度值,分别以LW0、LW1、LW2表示;
3.黑场信号输入到显示器,用亮度计测量图2.20所规定的P0、P1、P2点上的亮度值,分别以LB0、LB1、LB2表示;
4.盘格信号输入到显示器,连续显示3h;
5.白场信号输入到显示器,用亮度计测量图2.20所规定的P0、P1、P2点上的亮度值(1min内完成测量),分别以KW0、KW1、KW2表示;
6.场信号输入到显示器,用亮度计测量图2.20所规定的P0、P1、P2点上的亮度值(1min内完成测量),分别以KB0、KB1、KB2表示;
图2.20
图17残留影像测量点示意图
7.用以下公式计算残留影像:
1)亮残留影像:
....................(9)
2)暗残留影像:
......................(10)
结果表示:
测量结果用表表示。
2.4.12白平衡误差
概述:
本条表征显示器的白色色度坐标随图像亮度的变化而变化的程度。
测量信号或图案:
白窗口信号。
测量步骤:
1.将显示器调整到4.4.2规定的标准工作状态;
2.将白窗口信号输入到显示器,以10%为步进,从0%~100%改变窗口信号的电平,用色度计测量白色窗口的色温或色度坐标(
,
)。
结果的表示:
测量结果用每个电平的色度坐标与50%灰电平时的色度坐标之差
和
表示。
2.4.13亮度均匀性与视角的关系
概述:
由于显示器屏幕的方向性,显示器的亮度会随视角的变化而改变。
本条是在屏幕中心的亮度减小到1/3时水平可视角和垂直可视角,从这些视角上观察亮度的均匀性。
测量信号或图案:
全白场信号。
测量步骤
1.将显示器调整到标准工作状态;
2.将全白场信号输入到显示器,在额定观察位置S用亮度计测量图14所规定的P0点的亮度值L0;
3.水平移动测量仪的位置,当P0点的亮度变为L0/3时得到左视角和右视角。
然后从左视角和右视角的位置测量亮度的均匀性;
4.垂直上、下移动测量仪的位置,当P0点的亮度变为L0/3时,得到上视角和下视角。
然后从上视角和下视角的位置测量亮度的均匀性;
5.如果在S0和房间的地板之间的下视角不足以测量1/3亮度,只要不影响显示性能,可倾斜屏幕以增加角度。
然后从上视角、下视角的位置观察测量亮度的均匀性。
结果表示:
测试结果用表表示。
2.4.14色度与视角的关系
概述:
显示器屏幕上显示图像的色度随着视角的变化而改变。
本条是测量色度随视角的变化。
测量信号或图案:
全白场信号。
测量步骤:
1.将显示器调整到标准工作状态;
2.将全白场信号输
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