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影響LED顯示屏逐點校正效果的因素分析

發(fā)布時間:2011-08-18

中心議題:

  • LED顯示屏逐點校正后可能出現(xiàn)的問題
  • LED顯示屏逐點校正效果影響因素
  • LED顯示屏逐點校正效果問題原因分析


逐點校正做為一項大幅度提升顯示質(zhì)量的技術(shù),無論是廠家還是客戶,其首要的關(guān)注點無疑是校正效果。然而,當(dāng)前逐點校正應(yīng)用的效果還存在著各種各樣的不盡如人意的地方。筆者通過大量的觀察、交流與校正實踐,對逐點校正效果存在的常見問題及其出現(xiàn)的原因進(jìn)行了歸納與分解。

1 常見問題

這里所說的逐點校正效果是個廣義的范疇,包括了廠家與客戶所關(guān)心的校正后的各種顯示質(zhì)量問題,而不僅僅是校正前后的均勻度簡單對比。

校正后效果可能出現(xiàn)的問題如下:
1. 校正后顯示屏亮度下降;
2. 校正后均勻度改善不理想,尤其是校正原始均勻度較好的顯示屏?xí)r看不出效果;
3. 校正后區(qū)域/箱體出現(xiàn)邊緣亮暗線或亮暗帶,顯示白平衡時出現(xiàn)邊緣亮度差或色差;
4. 校正后顯示屏出現(xiàn)區(qū)域/箱體間亮度差;
5. 校正2R1G1B的屏?xí)r,紅色校正效果不佳;
6. 校正后顯示屏觀看視角變小,變換視角、偏離校正位置觀看均勻度改善程度下降;
7. 校正后顯示低灰時均勻度惡化;
8. 校正后RGB單色看均勻度良好,顯示白色時有模塊級嚴(yán)重色偏;
9. 冷屏狀態(tài)采集,當(dāng)屏體溫升后出現(xiàn)規(guī)則條紋、色塊或色偏;
10. 逐點校正后良好的均勻度效果的維持時間?

2 影響因素

逐點校正的效果都與哪些因素相關(guān)?這需要先簡單梳理下逐點校正的原理與過程,如下圖所示:


(圖一 注:圖中點劃線左側(cè)是顯示屏系統(tǒng),右側(cè)是逐點校正數(shù)據(jù)采集與運算系統(tǒng)。)

逐點校正正是在這兩大系統(tǒng)的互動中完成的:分別單色點亮LED顯示屏,逐點數(shù)據(jù)測量/采集系統(tǒng)得到屏上每個燈點的原始亮度/色度數(shù)據(jù),并做必要的修正,計算出逐點的校正數(shù)據(jù),交給控制系統(tǒng),由控制系統(tǒng)運用校正數(shù)據(jù),實現(xiàn)對屏上每個燈點的實時的精確驅(qū)動,完成逐點校正。

連接箭頭線代表聯(lián)系與數(shù)據(jù)交換,兩大系統(tǒng)的互動與數(shù)據(jù)交換使用虛線箭頭線連接,因為這種連接只是校正過程臨時搭建起的數(shù)據(jù)傳輸通道,校正完成后即可切斷。

由于只有逐點校正采集系統(tǒng)和它提供的校正數(shù)據(jù)是原顯示屏系統(tǒng)外部引入的,因此,校正后的瑕疵或不足常常被歸咎于采集設(shè)備。但事實上,雖然采集設(shè)備的精準(zhǔn)穩(wěn)定是保障逐點校正效果的必要條件和堅實基礎(chǔ),但校正的過程分為四個環(huán)節(jié):原始數(shù)據(jù)的采集—校正數(shù)據(jù)的生成—控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用—顯示屏的實現(xiàn)。采集設(shè)備參與的只是前兩個環(huán)節(jié),影響校正效果的因素還有很多:

除了采集設(shè)備的精準(zhǔn)穩(wěn)定外,還有原理方面的,校正策略方面的,環(huán)境條件和作業(yè)流程方面的,控制系統(tǒng)方面的,還有很多因素來自于顯示屏本身:驅(qū)動芯片的固有瑕疵,LED燈的視角,套件與面罩的瑕疵、PCB板的走線、顯示屏散熱的不足甚至電源的負(fù)載分配等客觀物理特性都會影響到校正后的效果,而顯示屏校正后效果維持的時間則主要取決于顯示屏的使用狀態(tài)和設(shè)計。

3 原因分析

本文第一部分中列舉的校正后出現(xiàn)的問題現(xiàn)象僅有一部分的原因在于采集設(shè)備本身。以下將逐一進(jìn)行分析說明:

3.1 校正后顯示屏亮度下降
校正后亮度下降的原因在于逐點校正技術(shù)的原理。逐點校正的原理是測量出同樣的工作條件下,每顆led燈的亮度,然后根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)值計算出每顆燈的校正系數(shù),用校正系數(shù)調(diào)整驅(qū)動電流的幅度或者占空比,使每顆燈的亮度都達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值。
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然而,提高LED工作電流幅度將導(dǎo)致光衰嚴(yán)重,壽命下降,且電流變化還會引起LED波長變化,因此控制系統(tǒng)多采用調(diào)整占空比即點亮?xí)r長的方法來實現(xiàn)逐點校正。而占空比的調(diào)整區(qū)間只能為0~1,這就意味著:校正系數(shù)的值域區(qū)間為0~1,原始亮度低于目標(biāo)值的LED燈無法提高亮度達(dá)到目標(biāo)值。

為保證校正后大多數(shù)燈都能達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值,讓校正有意義,目標(biāo)值必須設(shè)定在平均值以下。因此,校正后顯示屏亮度必然下降,其下降幅度與校正后均勻度改善之間的關(guān)系。

值得注意的是,有些控制系統(tǒng)廠商使用某種特殊策略,可讀取>1的校正數(shù)據(jù),實現(xiàn)中低灰度時的無損亮度校正,但使用這種策略校正,在高灰度尤其是顯示白255時將和沒有校正一樣。

3.2 校正后均勻度改善不理想,校正原始均勻度較好的顯示屏?xí)r沒有效果
這種現(xiàn)象多出現(xiàn)于采用數(shù)碼相機(jī)作為采集設(shè)備的情況,原因在于采集設(shè)備的精度不足。

數(shù)碼相機(jī)作為民用成像設(shè)備,用作亮度數(shù)據(jù)測量有著先天的局限性。其CCD像素之間的靈敏度差異以及線性度都未經(jīng)校正,而覆蓋在CCD上的Byer彩色濾光片的通光特性也存在著相當(dāng)?shù)牟灰恢?,鏡頭的瑕疵、黑圈、畸變等都未經(jīng)校正,輸出的圖像和數(shù)據(jù)還經(jīng)過了相機(jī)內(nèi)部圖像處理引擎的污染,這些不可控的因素大大增加了原始數(shù)據(jù)的不確定性。

原始數(shù)據(jù)不可靠,校正效果自然不理想。而用精度不足的采集設(shè)備來校正原始均勻度較好如分光比1:1.1的屏,就好比用最小刻度為毫米的尺子來量頭發(fā)直徑,怎么可能測量得準(zhǔn),校正出效果呢?

3.3 校正后區(qū)域/箱體出現(xiàn)邊緣亮暗線或亮帶,顯示白平衡時出現(xiàn)邊緣亮度差或色差
這種現(xiàn)象一般有兩種成因,都在于采集系統(tǒng)。一是光學(xué)系統(tǒng)的黑圈、畸變、透過率與光譜響應(yīng)等未經(jīng)校正;二是對于原始數(shù)據(jù)的邊緣修正不理想。

光學(xué)系統(tǒng)未經(jīng)校正,會使得采集的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出邊緣暗中心亮的系統(tǒng)誤差,導(dǎo)致校正后邊緣亮度高于中心亮度,出現(xiàn)邊緣的亮帶。

高速采集時通常是一個區(qū)域或箱體的燈點同時點亮?xí)r測量,因為中心區(qū)域燈點周邊雜散光的影響,會讓采集到的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)邊緣燈點亮度低于中心燈點亮度的現(xiàn)象,在校正后就會出現(xiàn)邊緣的亮線。逐點校正的專業(yè)采集系統(tǒng)必須對此進(jìn)行修正,修正的不足或過度就會產(chǎn)生采集區(qū)域或箱體邊緣的亮線和暗線。

而顯示白平衡時的邊緣亮度差或色差則來源于RGB三色邊緣與中心區(qū)域的亮度差總和與比例。

3.4 校正后顯示屏出現(xiàn)區(qū)域/箱體間亮度差
由于顯示屏上燈點太多,不可能一次采集完全部數(shù)據(jù),只能分區(qū)域或分箱體采集。而校正后顯示屏則可能出現(xiàn)采集區(qū)域或者箱體之間的亮度差。

這種亮度差的產(chǎn)生源于兩個方面:一是采集設(shè)備的穩(wěn)定性不佳;二是分區(qū)域或分箱體采集時環(huán)境條件不一致;穩(wěn)定性不佳是設(shè)備問題,導(dǎo)致原始測量數(shù)據(jù)誤差;而環(huán)境條件不一致則是流程設(shè)計和環(huán)境條件控制的問題。

采用數(shù)碼相機(jī)校正,穩(wěn)定性完全沒有保障,對于同樣條件下點亮的顯示屏,采集到的數(shù)據(jù)卻每次不同,忽高忽低,校正后的箱體間自然會有亮度差。正是因為這種采集設(shè)備的缺陷,數(shù)碼相機(jī)采集方案始終無法解決工廠模式逐箱體校正后箱體間的亮度差問題。

而采用穩(wěn)定性滿足需求的高精度專業(yè)采集設(shè)備,依然需要優(yōu)化流程設(shè)計和嚴(yán)格控制環(huán)境條件的穩(wěn)定一致,才能避免區(qū)域/箱體間的亮度差出現(xiàn)。常見的環(huán)境因素包括:
1)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置變化
2)環(huán)境光變化
3)屏體溫度變化
4)電源輸出變化

上述環(huán)境條件的變化都會引起顯示屏原始亮度的變化,如果不能加以控制,就會導(dǎo)致被測物理量本身的不穩(wěn)定,源頭不穩(wěn)定,即便是采用高穩(wěn)高精的采集設(shè)備,也無法得到穩(wěn)定一致的校正結(jié)果。也是為保證被測屏亮度處于穩(wěn)定狀態(tài),逐點校正流程要求在屏體充分老化后進(jìn)行。

上述環(huán)境因素中,最難控制的是屏體的溫度一致。因此工廠常見的有兩種校正流程,一是冷屏校正,即箱體或指定區(qū)域從黑屏狀態(tài)點亮后立刻測量;二是熱屏校正,即將屏點亮一段時間,讓溫度與亮度都處于一個穩(wěn)定狀態(tài)后再測量。

3.5 校正2R1G1B的屏?xí)r,紅色校正效果不佳,遠(yuǎn)遜于綠色和藍(lán)色
2R1G1B的屏校正的前提是:采集系統(tǒng)能夠識別處理這種像素排布方式,正確輸出數(shù)據(jù)。在此前提下,出現(xiàn)紅色校正效果不佳的現(xiàn)象,原因在于顯示屏本身及控制系統(tǒng)能力的局限。

對于2R1G1B的實像素顯示屏,一個像素中的2顆紅燈是由一個驅(qū)動芯片管腳同時驅(qū)動的,這就意味著2顆紅燈盡管亮度不同,卻只能應(yīng)用同一個校正系數(shù),只能將2顆紅燈的平均亮度校正到目標(biāo)亮度值上。這種校正對于均勻度的改善可以說是隔靴搔癢,自然達(dá)不到理想效果。曾經(jīng)的實測數(shù)據(jù)中,紅綠藍(lán)三色原始均方差均在8%左右,校正后,綠藍(lán)兩色均方差分別達(dá)到1.2%和1.4%,而紅色均方差只能達(dá)到4.8%。

而對于2R1G1B的虛擬屏來說,一個像素中的2顆紅燈是獨立驅(qū)動的,因此如果控制系統(tǒng)能夠讀取每個像素4個校正系數(shù)(R1, R2, G, B),并正確應(yīng)用,紅色是可以達(dá)到理想的逐點校正效果的。但當(dāng)前大多數(shù)通用控制系統(tǒng)還只能讀取并應(yīng)用每像素3個校正系數(shù)(R,G,B)的校正數(shù)據(jù),無法實現(xiàn)對虛擬屏的校正。

3.6 校正后顯示屏視角變小,偏離校正位置觀看均勻度下降
這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在現(xiàn)場校正,顯示屏視角變小原因在于校正數(shù)據(jù)未做視角修正;而偏離校正位置觀看均勻度下降的根源在于顯示屏所用LED燈的視角特性的不一致,在于封裝過程中的工藝掌控,與采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)無關(guān)。

這里需要先重申下概念,SJ/T11141-2007中LED顯示屏的視角定義為:觀察方向的亮度下降到LED顯示屏法線方向亮度的二分之一時,同一平面兩個觀察方向所成的夾角,分為水平視角和垂直視角。顯示屏視角的概念中并沒有包含顯示均勻度的考量。
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現(xiàn)場校正中,通常選擇最大觀眾區(qū)作為采集機(jī)位。在采集機(jī)位上,顯示屏的各個區(qū)域視角不同。采集到的亮度數(shù)據(jù)攜帶著視角的信息,視角小的區(qū)域亮度高,視角大的區(qū)域亮度低,如下圖的實測亮度模擬圖所示。


(圖二)

如果不對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行視角的修正,則校正數(shù)據(jù)就會是視角小的區(qū)域數(shù)值小,視角大的區(qū)域數(shù)值高,在校正機(jī)位看,亮度是一致的,然而一旦偏離,就會觀察到全屏的亮度分布的不一致,這導(dǎo)致了整屏的視角變小。

視角修正功能可以修正不同采集區(qū)域的視角引入的亮度差,修正后的亮度模擬圖如下所示:


(圖三)

每個燈點在不同的角度觀看時亮度是不同的,且每個燈點隨著角度變化的光強(qiáng)分布曲線也不同。下圖為三顆LED燈點的發(fā)光強(qiáng)度隨垂直視角變化的示意圖線:


(圖四)[page]

逐點校正只能通過控制驅(qū)動來改變LED的法線光強(qiáng),卻無法改變燈點的光強(qiáng)分布特性。假定圖四中示意的三顆LED燈點位于同一水平線上,即垂直視角相同。當(dāng)采集機(jī)位視角為偏離法線方向15°時,校正后三顆LED燈點的光強(qiáng)分布如圖五所示:


(圖五)

可以看到,校正后,在采集機(jī)位同樣視角15°觀看,燈點亮度相同,均勻性良好,但偏離校正位置,在不同的視角觀看時,因為光強(qiáng)分布的視角特性的不一致,燈點亮度出現(xiàn)差異,偏離越遠(yuǎn),差異越大,顯示屏均勻度自然也就隨之下降。

而原始LED燈點的視角越大,一致性越好,均勻度下降的幅度也就會越小,校正后可保持良好的均勻度的觀看區(qū)域也就越大。

此外,顯示屏的面罩翹曲、安裝平整度不佳等因素也會使得偏離校正點,均勻度下降。

3.7 校正后中高亮度顯示時效果好,顯示低灰時均勻度惡化
顯示低灰時,均勻度不佳,甚至比不校正時更差的原因在于控制系統(tǒng)和驅(qū)動芯片。

采集系統(tǒng)在高亮?xí)r采集數(shù)據(jù),得出校正系數(shù)后,交由控制系統(tǒng)和驅(qū)動芯片共同完成對LED燈的灰度/亮度控制。這個控制過程中,控制系統(tǒng)的起輝灰度、線性度,灰度控制精度,伽瑪校正的實現(xiàn)方法等都會影響到顯示屏校正后的低灰表現(xiàn)。而有些驅(qū)動芯片在低灰顯示時,管腳間的輸出不一致,呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。這些都會讓校正后的效果在低灰時出現(xiàn)各種各樣不理想的現(xiàn)象。

以下簡單列舉幾種較常見的校正后低灰問題及原因:
1)  在起輝灰度級的附近,部分燈點亮,部分燈點不亮;
原因:部分燈點經(jīng)過校正系數(shù)的運算已低于控制系統(tǒng)的起輝點,無法點亮;
2)  在個別灰度級別上,部分燈點亮度躍升,導(dǎo)致均勻度比不校正更差;
原因:控制系統(tǒng)的伽瑪表部分級別存在階躍,且校正系數(shù)的運算與灰度控制精度不足。
3)  低灰時,屏上與管腳布線方式相對應(yīng)出現(xiàn)周期性的條紋。
原因:低灰時驅(qū)動芯片管腳間的輸出電流差異。

3.8 校正后RGB單色看均勻度良好,顯示白色時有模塊級嚴(yán)重色偏
兩種可能性,其一是模塊間存在色度差;其二是電源負(fù)載能力不足,造成部分模塊工作不正常。

3.9 冷屏狀態(tài)采集,當(dāng)屏體溫升后出現(xiàn)規(guī)則條紋、色塊或色偏
這種現(xiàn)象的原因在于屏體散熱不充分,熱分布不均勻。

3.10 逐點校正后良好的均勻度效果能維持多久
最后這個問題可以說是所有應(yīng)用逐點校正技術(shù)的廠家和客戶都極為關(guān)注的。然而,這卻是與逐點校正關(guān)聯(lián)性最小的一個問題。

從理論出發(fā),校正后均勻度隨時間下降的根本原因就是LED燈的光衰和燈點間光衰速度的差異。燈點的光衰與屏的工作狀態(tài)相關(guān),燈點間的光衰速度差異與led封裝工藝水平相關(guān),也與LED屏的使用習(xí)慣(如顯示內(nèi)容是動態(tài)視頻還是固定白底畫面)有關(guān)。

事實上,在良好的工作條件下,如小工作電流、良好的散熱,以及經(jīng)常處于動態(tài)視頻播放的使用狀態(tài),LED的光衰是極為緩慢和微小的,也正因如此,LED屏壽命可達(dá)10年,而LED的壽命并不是指從點亮到死燈的時間,而是指LED光強(qiáng)衰減到原始光強(qiáng)的一半的時間。

結(jié)束語

綜上所述,逐點校正是一個系統(tǒng)工程,影響逐點校正效果的因素很多。只有正視問題、究根溯源、對癥下藥,逐步完善逐點校正的各個技術(shù)環(huán)節(jié),這包括采集設(shè)備、控制系統(tǒng)、驅(qū)動芯片、顯示屏的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、工藝材料等硬件部分,也包括校正流程、方法等軟件部分,才能把存在的問題一一解決,發(fā)揮出逐點校正技術(shù)的威力與潛力,以完美的顯示品質(zhì)來提升LED屏中國制造的國際形象與高端市場競爭力!

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