技術文章丨淺談Mini LED 顯示屏的光學應用與測試

Mini LED顯示屏是什么鬼？這是新型黑科技嗎？之前都沒聽說過呢？Mini LED我知道呀，顯示屏也了解有VA,TN,IPS之分，但Mini LED的顯示屏是怎么回事，安全嗎？？？別急，且聽小編細細道來！

       Mini LED及其顯示屏

       它是由若干個Mini LED的顯示模組拼接而成的屏體，而顯示模組是由若干個Mini LED顯示模塊，控制電路，電源轉(zhuǎn)換器以及相應的結(jié)構件構成的一個獨立單元。通常是指芯片尺寸在50~200um范圍，介于小間距LED與Micro LED之間。

       相比OLED，Mini LED也具有自發(fā)光的屏幕顯示特性，但Mini LED比OLED具有更高的動態(tài)范圍，更小范圍的區(qū)域調(diào)光，更好的亮度均勻性，更高的色彩對比度以及更寬廣的色域。更關鍵一點是，Mini LED的壽命比OLED的更長。除此之外，由于Mini LED本身的特性，從而它的結(jié)構相比OLED要更更薄一些，能提供更多的給設計者進行優(yōu)化產(chǎn)品的發(fā)揮，如設備整體更薄，更輕。當然，更低廉的價格與更低的功耗，也更有競爭力與市場。

       正基于這些特點，從而促進了Mini LED的應用推廣。不論是背光設計的應用，還是顯示屏設計應用，Mini LED相比目前市面上的OLED,LCD，有更突出的優(yōu)勢。比如背光，Mini LED可搭配柔性基板，配合LCD實現(xiàn)曲面屏的顯示效果，而成本只是同尺寸大小OLED的70%左右，省電達至80%。再比如，顯示屏應用，RGB Mini LED可結(jié)合COB封裝的優(yōu)勢，能讓顯示屏的點間距進一步縮小，從而對終端產(chǎn)品的視覺效果體驗有更好的提升。

Mini LED行業(yè)標準

       說了這么多Mini LED的這么多優(yōu)勢，那么在具體應用方面有哪些要求呢？有沒有相關標準法規(guī)呢？好消息是，目前針對Mini LED的應用，我們可以借鑒5月27日發(fā)布的《Mini LED商用顯示屏通用技術規(guī)范》來進行規(guī)范指導，分析與提前準備研發(fā)可能出現(xiàn)的問題。該標準也是全球首個關于Mini LED顯示屏的標準，定義了相關專業(yè)術語及測試要求與評價方式。

       這里，我們主要淺析光學性能的要求及測量方式。在《Mini LED商用顯示屏通用技術規(guī)范》（下文簡稱規(guī)范）里，涉及到的一些光學參數(shù)如下：

1)     亮度范圍；

2)     亮度視角

3)     亮度均勻性

4)     色坐標誤差

5)     基色主波長誤差

6)     白場色坐標

7)     對比度范圍

8)     色域覆蓋率

其實可以看到，這些測試項目是建立在《SJ/T 11141-2017 發(fā)光二極管（LED）顯示屏通用規(guī)范》基礎上并加以擴展的。下面，看看規(guī)范里對每個測試的具體要求與實現(xiàn)：

首先放個測試布局圖：

測試距離：2m

測試設備：彩色分析儀，采集范圍不得少于20x20個相鄰像素

測試環(huán)境：在環(huán)境照度變化小于±10%且不存在明顯有色光源的條件下進行測試

>>亮度極大值

在高灰度級、全屏白場高亮度下測量Mini LED顯示模組的可調(diào)亮度極大值，但首先需要測試暗場的狀態(tài)，

1)    即Mini LED顯示模組在全黑情況下，用彩色分析儀測試此時的顯示屏背景亮度L_D，

2)    Mini LED顯示模組在高灰度級、高亮度級下，在白平衡下測量顯示屏白場的亮度極大值Lmax

3)    亮度極大值：L=Lmax-L_D

>>亮度視角

關于亮度視角，可分為水平視角和垂直視角，但兩者的測試原理和步驟其實是一致的。

由于涉及到不同角度的測試，肯定需要相關的測試設置，要求見下圖

從a）圖可以獲悉，待測試的Mini LED顯示模組，需要安放在一個可轉(zhuǎn)動角度的平臺上，結(jié)合b）圖能更好的理解，此時通過角度轉(zhuǎn)動平臺以顯示模組的中心為原點，實現(xiàn)左右各90°（即±90°）的測試控制。
測試流程：
1)將Mini LED顯示模組放置在轉(zhuǎn)臺上，在Mini LED顯示模組高灰度級、高亮度級下全白場顯示；
2） 用彩色分析儀測出Mini LED顯示模組中心區(qū)域內(nèi)法向方向（見b）圖的0°方向）的亮度L_f；
3）  在水平方向左右轉(zhuǎn)動平臺，當亮度值下降到L_f/3，測量并記錄兩條觀察線之間的夾角

4）  將顯示模組翻轉(zhuǎn)90°，重復1）~3）的測量步驟，實現(xiàn)垂直視角的測試

>>亮度均勻性

       我們知道，通常對顯示屏分析均勻性，一般有5點法，9點法，13點法等等，那么Mini LED 顯示屏的均勻性是延用之前經(jīng)典標準，還是另辟新徑呢？從規(guī)范中了解到，仍是采用具有代表性的9點，不多說先上圖

測試流程：

1)     仍然要求經(jīng)典的白場畫面，即顯示屏設置為白場；

2)     采用彩色分析儀，測量上圖即圖3中的9點，P0~P8，亮度記為L0~L8；

3)     計算各點的亮度均勻性Pi；

Pi=1-Li-L0L0*100%

i為（1~8）中任意一點的值

4)     取Pi當中的最小值來表示Mini LED顯示屏的亮度均勻性Lp

>>色坐標誤差

規(guī)范里所說的色坐標誤差，主要是對白場的色坐標進行評估，對其它色場暫未提出明確的要求。

測試流程：

1)     顯示屏仍然顯示經(jīng)典的白場

2)     測試顯示模組的中心區(qū)域的色坐標x，y

3)     參考規(guī)范中的參考表，然后計算色坐標差異

?x=|x-X|

?y=|y-Y|

X,Y對應上表的各色溫點的色坐標

>>白場色坐標范圍

從規(guī)范中來看，雖然Mini LED顯示模組在高灰度級、高亮度級下，顯示白、紅、綠、藍場；用彩色分析儀進行對應色場的測量，但只是對白場進行對應評估，參考上表。

>>基色主波長誤差

條件要求（SJ/T 11281-2017）：

a. 環(huán)境照度小于10lx

b. 不允許周圍存在有色光源

c. 彩色分析儀采集范圍不少于16個相鄰像素

d. 顯示屏置于高灰度級和高亮度級

e. 測量布局見規(guī)范圖1

測試流程：

1)用彩色分析儀，分別測量紅、綠、藍各基色的主波長

2)計算實測主波長與標稱主波長的差值

3)取極大值為該基色主波長誤差?λ

>>對比度范圍

條件要求（SJ/T 11281-2017）：

a.室內(nèi)顯示屏屏面法線方向的照度 10*（1+10%）lx

b.室外顯示屏屏面法線方向的照度 5000*（1+10%）lx

c.彩色分析儀采集范圍不少于16個相鄰像素

d.測量布局見規(guī)范圖1

測試流程：

1)     用彩色分析儀，采用亮度極大值測量方法，分別測出顯示屏的亮度Lmax和背景亮度L_D

2)     計算對比度極大值C

C=（Lmax-L_D）/L_D

C：對比度極大值

Lmax：顯示屏的亮度，單位為坎德拉每平方米（cd/m2）

L_D：背景亮度，單位為坎德拉每平方米（cd/m2）

>>色域覆蓋率

規(guī)范中提到的色域覆蓋率，是根據(jù)CIE 1931色度圖來表征，與NTSC色域面積進行比較得出的。

測試流程：

1)     在全紅場、全綠場、全藍場條件下，用色度計依次測量規(guī)范中圖1的中心點P0的色坐標（x_r，y_r）、（x_g，y_g）、（x_b，y_b）；

2)     將色度坐標（x，y），按照公式，計算色域面積S_?rgb和色域覆蓋率G_p；

G_p=S_?rgb0.157*100%

S_?rgb=12[(x_r-x_b)( y_g- y_b)-(x_g- x_b)( y_r- y_b)]

如何實現(xiàn)精準測試

       結(jié)合以上的光學性能要求，可以看到在測量過程中，有幾個影響的關鍵因素：

a.      測試環(huán)境

b.      測試儀器

c.      測試布局

在這里，小編簡單對測量的影響因素進行較為詳細的分析。從規(guī)范的整個文件來看及從實際測量的角度，如操作便捷性等，在實驗室進行相關的測量可能更方便。

首先，測試環(huán)境。規(guī)范中有關于測試的條件要求，明確了具體的照度值lx，比如10x，或者環(huán)境的照度變化小于10%，這就意味著需要在進行測量前記錄當前的照度，查看是否滿足測試要求。

而柯尼卡美能達旗下有多款設備信號可以選擇，小編推薦兩款實驗室常用的照度計，CL-200A和CL-500A，在業(yè)內(nèi)也是經(jīng)典，知 名的產(chǎn)品。

 

CL-500A 照度計

CL-200A照度計

CL-500A為分光輻射照度計，可提供光譜分布，測試量程廣，精度高，穩(wěn)定性好?？梢詽M足照度范圍0.1~100000lx。色度xy精確到 0.002，照度 ±2%。

CL-200A是色彩照度計，測試速度快，便攜，精度高，可擴展。實現(xiàn)0.5~90000lx的測試，照度精度2%，色度xy ±0.002（800lx，標準A光源）。

這兩款照度計，均可以用于評估照明光源，如顯示屏的色溫，色坐標，特征波長，色純度，照度等。

 

其次，測試儀器彩色分析儀。從“彩色”二字，即可知道需要量測色度，再結(jié)合規(guī)范中涉及到白場色坐標，就更明確了亮度，色度都要測量。目前，市面上占據(jù)主流的色度計大體可以分為兩種：點式亮度計和成像亮度計（也稱面式亮度計）。從實驗室的應用角度，小編也推薦兩種型號的色度計。這兩款亮度計既可以單獨使用，也可以搭配使用。他們也是在業(yè)內(nèi)享有盛名的專業(yè)設備，分光輻射亮度計CS-2000及成像亮度計 RVS的ProMetric I系列。

   

CS-2000

 

ProMetric I

一說到CS-2000,相信大家都有一定的了解，精度高，測試穩(wěn)定，速度模式可選，能適應低亮到高亮的廣范圍亮色度測試，而且還有強大的軟件分析控制功能，操作便利，是很多實驗室和計量機構的首選。

關于成像亮度計ProMetric I系列，在3C行業(yè)也是響當當?shù)?，不管是在實驗室，還是批量生產(chǎn)的產(chǎn)線都能看到它的身影。熟悉的人，肯定不用多講，非常了解它的性能；對于初次謀面的看官，小編重點提一點，它的像素分辨率覆蓋范圍，從200萬像素到2900萬像素可選。因為現(xiàn)在的顯示屏越做越大，越做分辨率越高，從而對檢測設備也提供了更高的要求，不僅僅是測量一個點或幾個點就可以了，現(xiàn)在對顯示屏整個面的均勻性要求更嚴格了，那就需要一臺能夠完全覆蓋被測顯示屏的整個面的高精度高像素的量測設備，比如ProMetric I29.

下面，說說測試布局的事。其實，測試布局就是將測試條件要求與測試儀器彩色分析儀緊密結(jié)合起來的產(chǎn)物。雖然，規(guī)范里提到了有8項關于光學特性的測試，但實際上除了亮度視角外，其它的測試示意圖都一樣，而亮度視角的測試是在基本測試的基礎上有進一步的要求，也就是說在進行亮度視角測試時，也能滿足其它需求的測試。簡而言之，一套能實現(xiàn)水平角度旋轉(zhuǎn)的平臺或水平及俯仰都能滿足的系統(tǒng)搭配測試儀器就可以契合規(guī)范的測量需求。如下圖，就是一款非常好的實驗室應用需求系統(tǒng)。

多維控制測試系統(tǒng)

對了，還發(fā)現(xiàn)一個挺有意思的事情。規(guī)范里提到的“墨色一致性”，即在黑屏狀態(tài)下屏體表面所有結(jié)構材料顏色的一致性，這和汽車行業(yè)里經(jīng)常提到的“一體黑”非常一致。一般針對該項測試，通常可以通過色差儀測量就可以實現(xiàn)。色差儀市面上也蠻多的，型號品牌各有特色。小編推薦一款主機廠認可度非常高的設備：分光測色計 CM 700d，結(jié)構緊湊，輕巧便攜

   

CM-700d的測試應用

小結(jié)與展望

不知不覺，小編也叨擾了不少，總結(jié)上文可歸納為以下三大點：

a.    簡單介紹了Mini LED的特性

b.    剛發(fā)布的規(guī)范解析

c.    針對規(guī)范調(diào)到的光學性能測試實現(xiàn)方式

雖然，Mini LED有很多優(yōu)勢，目前也有Mini LED顯示屏小規(guī)模商業(yè)化出貨，但是量產(chǎn)技術仍存難點。即便如此，一些統(tǒng)計資料表示Micro LED仍需要3~5年才能進入商業(yè)化運營階段，當下正是Mini LED的黃金發(fā)展年代，所以小編和諸位也是非?？春眠@支潛力股的。