技术文章 |浅谈Mini LED 显示屏的光学应用与测试

 

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Mini LED交流群

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Mini LED显示屏是什么鬼?

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这是新型黑科技吗?

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之前都没听说过呢?

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Mini LED我知道呀,显示屏也了解有VA,TN,IPS之分,但Mini LED的显示屏是怎么回事,安全吗???

不要着急,不要着急,听小编细细道来!

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Mini LED及其显示屏
它是由若干个Mini LED的显示模组拼接而成的屏体,而显示模组是由若干个Mini LED显示模块,控制电路,电源转换器以及相应的结构件构成的一个独立单元。通常是指芯片尺寸在50~200um范围,介于小间距LED与Micro LED之间。

 

相比OLED,Mini LED也具有自发光的屏幕显示特性,但Mini LED比OLED具有更高的动态范围,更小范围的区域调光,更好的亮度均匀性,更高的色彩对比度以及更宽广的色域。更关键一点是,Mini LED的寿命比OLED的更长。除此之外,由于Mini LED本身的特性,从而它的结构相比OLED要更更薄一些,能提供更多的给设计者进行优化产品的发挥,如设备整体更薄,更轻。当然,更低廉的价格与更低的功耗,也更有竞争力与市场。

 

正基于这些特点,从而促进了Mini LED的应用推广。不论是背光设计的应用,还是显示屏设计应用,Mini LED相比目前市面上的OLED,LCD,有更突出的优势。比如背光,Mini LED可搭配柔性基板,配合LCD实现曲面屏的显示效果,而成本只是同尺寸大小OLED的70%左右,省电达至80%。再比如,显示屏应用,RGB Mini LED可结合COB封装的优势,能让显示屏的点间距进一步缩小,从而对终端产品的视觉效果体验有更好的提升。

Mini LED行业标准
说了这么多Mini LED的这么多优势,那么在具体应用方面有哪些要求呢?有没有相关标准法规呢?好消息是,目前针对Mini LED的应用,我们可以借鉴5月27日发布的《Mini LED商用显示屏通用技术规范》来进行规范指导,分析与提前准备研发可能出现的问题。该标准也是全球首个关于Mini LED显示屏的标准,定义了相关专业术语及测试要求与评价方式。

 

这里,我们主要浅析光学性能的要求及测量方式。在《Mini LED商用显示屏通用技术规范》(下文简称规范)里,涉及到的一些光学参数如下:

  • 最大亮度;
  • 亮度视角
  • 亮度均匀性
  • 色坐标误差
  • 基色主波长误差
  • 白场色坐标
  • 最高对比度
  • 色域覆盖率

其实可以看到,这些测试项目是建立在《SJ/T 11141-2017 发光二极管(LED)显示屏通用规范》基础上并加以扩展的。下面,看看规范里对每个测试的具体要求与实现:

 

首先放个测试布局图:

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测试距离:2m
测试设备:彩色分析仪,采集范围不得少于20×20个相邻像素
测试环境:在环境照度变化小于±10%且不存在明显有色光源的条件下进行测试
最大亮度

在最高灰度级、全屏白场最高亮度下测量Mini LED显示模组的最大可调亮度,但首先需要测试暗场的状态:

  • 即Mini LED显示模组在全黑情况下,用彩色分析仪测试此时的显示屏背景亮度LD,
  • Mini LED显示模组在最高灰度级、最高亮度级下,在白平衡下测量显示屏白场的最大亮度Lmax
  • 最大亮度:L=Lmax-LD
亮度视角
 

关于亮度视角,可分为水平视角和垂直视角,但两者的测试原理和步骤其实是一致的。

由于涉及到不同角度的测试,肯定需要相关的测试设置,要求见下图:

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从a)图可以获悉,待测试的Mini LED显示模组,需要安放在一个可转动角度的平台上,结合b)图能更好的理解,此时通过角度转动平台以显示模组的中心为原点,实现左右各90°(即±90°)的测试控制。

测试流程:

(1) 将Mini LED显示模组放置在转台上,在Mini LED显示模组最高灰度级、最高亮度级下全白场显示;
(2) 用彩色分析仪测出Mini LED显示模组中心区域内法向方向(见b)图的0°方向)的亮度Lf;
(3) 在水平方向左右转动平台,当亮度值下降到Lf/3,测量并记录两条观察线之间的夹角
(4) 将显示模组翻转90°,重复1)~3)的测量步骤,实现垂直视角的测试
亮度均匀性
 

我们知道,通常对显示屏分析均匀性,一般有5点法,9点法,13点法等等,那么Mini LED 显示屏的均匀性是延用之前经典标准,还是另辟新径呢?从规范中了解到,仍是采用具有代表性的9点,不多说先上图:

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测试流程:

(1) 仍然要求经典的白场画面,即显示屏设置为白场;
(2) 采用彩色分析仪,测量上图即图3中的9点,P0~P8,亮度记为L0~L8;
(3) 计算各点的亮度均匀性技术文章 |浅谈Mini LED 显示屏的光学应用与测试
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i为(1~8)中任意一点的值
(4) 取技术文章 |浅谈Mini LED 显示屏的光学应用与测试当中的最小值来表示Mini LED显示屏的亮度均匀性Lp
色坐标误差
 

规范里所说的色坐标误差,主要是对白场的色坐标进行评估,对其它色场暂未提出明确的要求。

测试流程:

(1) 显示屏仍然显示经典的白场
(2) 测试显示模组的中心区域的色坐标x,y
(3) 参考规范中的参考表,然后计算色坐标差异

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∆x=|x-X|

∆y=|y-Y|

X,Y对应上表的各色温点的色坐标
白场色坐标范围
 

从规范中来看,虽然Mini LED显示模组在最高灰度级、最高亮度级下,显示白、红、绿、蓝场;用彩色分析仪进行对应色场的测量,但只是对白场进行对应评估,参考上表。

基色主波长误差
 

条件要求(SJ/T 11281-2017):

a.  环境照度小于10lx
b.  不允许周围存在有色光源
c.  彩色分析仪采集范围不少于16个相邻像素
d.  显示屏置于最高灰度级和最高亮度级
e.  测量布局见规范图1

测试流程:

(1) 用彩色分析仪,分别测量红、绿、蓝各基色的主波长
(2) 计算实测主波长与标称主波长的差值
(3) 取最大值为该基色主波长误差∆λ
最高对比度
 

条件要求(SJ/T 11281-2017):

a.  室内显示屏屏面法线方向的照度 10*(1+10%)lx
b.  室外显示屏屏面法线方向的照度 5000*(1+10%)lx
c.  彩色分析仪采集范围不少于16个相邻像素
d.  测量布局见规范图1

测试流程:

(1) 用彩色分析仪,采用最大亮度测量方法,分别测出显示屏的亮度Lmax和背景亮度LD
(2) 计算最高对比度C
C=(Lmax-LD)/LD
C:最高对比度

Lmax:显示屏的亮度,单位为坎德拉每平方米(cd/m²)

LD:背景亮度,单位为坎德拉每平方米(cd/m²)

色域覆盖率
 

规范中提到的色域覆盖率,是根据CIE 1931色度图来表征,与NTSC色域面积进行比较得出的。

测试流程:

(1) 在全红场、全绿场、全蓝场条件下,用色度计依次测量规范中图1的中心点P0的色坐标(xr,yr)、(xg,yg)、(xb,yb);
(2) 将色度坐标(x,y),按照公式,计算色域面积S∆rgb和色域覆盖率Gp;
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如何实现精准测试
结合以上的光学性能要求,可以看到在测量过程中,有几个影响的关键因素:

a.   测试环境
b.   测试仪器
c.   测试布局
在这里,小编简单对测量的影响因素进行较为详细的分析。从规范的整个文件来看及从实际测量的角度,如操作便捷性等,在实验室进行相关的测量可能更方便。

首先,测试环境。规范中有关于测试的条件要求,明确了具体的照度值lx,比如10x,或者环境的照度变化小于10%,这就意味着需要在进行测量前记录当前的照度,查看是否满足测试要求。

 

而柯尼卡美能达旗下有多款设备信号可以选择,小编推荐两款实验室常用的照度计,CL-200A和CL-500A,在业内也是经典,知名的产品。

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CL-500A 照度计

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CL-200A照度计

CL-500A为分光辐射照度计,可提供光谱分布,测试量程广,精度高,稳定性好。可以满足照度范围0.1~100000lx。色度xy精确到 0.002,照度 ±2%。

CL-200A是色彩照度计,测试速度快,便携,精度高,可扩展。实现0.5~90000lx的测试,照度精度2%,色度xy ±0.002(800lx,标准A光源)。

 

这两款照度计,均可以用于评估照明光源,如显示屏的色温,色坐标,特征波长,色纯度,照度等。

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其次,测试仪器彩色分析仪。从“彩色”二字,即可知道需要量测色度,再结合规范中涉及到白场色坐标,就更明确了亮度,色度都要测量。目前,市面上占据主流的色度计大体可以分为两种:点式亮度计和成像亮度计(也称面式亮度计)。从实验室的应用角度,小编也推荐两种型号的色度计。这两款亮度计既可以单独使用,也可以搭配使用。他们也是在业内享有盛名的专业设备,分光辐射亮度计CS-2000及成像亮度计 RVS的ProMetric I系列。

 

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CS-2000
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ProMetric I

一说到CS-2000,相信大家都有一定的了解,精度高,测试稳定,速度模式可选,能适应低亮到高亮的广范围亮色度测试,而且还有强大的软件分析控制功能,操作便利,是很多实验室和计量机构的首选。

 

关于成像亮度计ProMetric I系列,在3C行业也是响当当的,不管是在实验室,还是批量生产的产线都能看到它的身影。熟悉的人,肯定不用多讲,非常了解它的性能;对于初次谋面的看官,小编重点提一点,它的像素分辨率覆盖范围,从200万像素到2900万像素可选。因为现在的显示屏越做越大,越做分辨率越高,从而对检测设备也提供了更高的要求,不仅仅是测量一个点或几个点就可以了,现在对显示屏整个面的均匀性要求更严格了,那就需要一台能够完全覆盖被测显示屏的整个面的高精度高像素的量测设备,比如ProMetric I29.

 

最后,说说测试布局的事。其实,测试布局就是将测试条件要求与测试仪器彩色分析仪紧密结合起来的产物。虽然,规范里提到了有8项关于光学特性的测试,但实际上除了亮度视角外,其它的测试示意图都一样,而亮度视角的测试是在基本测试的基础上有进一步的要求,也就是说在进行亮度视角测试时,也能满足其它需求的测试。简而言之,一套能实现水平角度旋转的平台或水平及俯仰都能满足的系统搭配测试仪器就可以契合规范的测量需求。如下图,就是一款非常好的实验室应用需求系统。

 

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多维控制测试系统
 
对了,还发现一个挺有意思的事情。规范里提到的“墨色一致性”,即在黑屏状态下屏体表面所有结构材料颜色的一致性,这和汽车行业里经常提到的“一体黑”非常一致。一般针对该项测试,通常可以通过色差仪测量就可以实现。色差仪市面上也蛮多的,型号品牌各有特色。小编推荐一款主机厂认可度非常高的设备:分光测色计 CM 700d,结构紧凑,轻巧便携。

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CM-700d的测试应用

小结与展望
不知不觉,小编也叨扰了不少,总结上文可归纳为以下三大点:

a.  简单介绍了Mini LED的特性
b.  刚发布的规范解析
c.  针对规范调到的光学性能测试实现方式

虽然,Mini LED有很多优势,目前也有Mini LED显示屏小规模商业化出货,但是量产技术仍存难点。即便如此,一些统计资料表示Micro LED仍需要3~5年才能进入商业化运营阶段,当下正是Mini LED的黄金发展年代,所以小编和诸位也是非常看好这支潜力股的。

 

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来源: 复光智能健康光研究中心
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原文始发于微信公众号(智能汽车俱乐部):技术文章 |浅谈Mini LED 显示屏的光学应用与测试

作者 ma, binxue