1. 概述

　　顯示屏的顏色表現(xiàn)能力與其色域相關(guān)，直接影響到人們對(duì)顯示屏的觀感。為了得到色彩豐富、顏色鮮艷的畫面，高色域顯示產(chǎn)品[1] 一直是顯示發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，如圖1所示。近年來(lái)，OLED和量子點(diǎn)LED顯示(QLED)[2]在色域方面均做到了100%NTSC以上，色彩表現(xiàn)能力極佳，畫面質(zhì)感也有了大幅提升。同時(shí)，高色域顯示產(chǎn)品的突出顏色表現(xiàn)也對(duì)相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)以及測(cè)量設(shè)備的精度提出了更高的要求。

　　2. 高色域顯示屏的特點(diǎn)及評(píng)價(jià)參數(shù)

　　通俗來(lái)講，色域可以理解為顯示屏能顯示的色彩的范圍。色域越廣，顯示屏能呈現(xiàn)的顏色越多，畫面層次感也更強(qiáng)，對(duì)顏色的還原能力也就越強(qiáng)，一般用色域覆蓋率Gp評(píng)價(jià)，也就是均勻色度空間中，三基色坐標(biāo)所圍成的三角形的面積，常見(jiàn)的顯示屏色域如圖2所示。色域計(jì)算公式如下：

　　其中，(ur’,vr’)、(ug’,vg’)、(ub’,vb’)分別是顯示屏在全紅場(chǎng)、全綠場(chǎng)、全藍(lán)場(chǎng)下測(cè)得的色品坐標(biāo)，S為顯示屏的色域面積。

　　一般，以NTSC所規(guī)定的三角區(qū)域作為100%參比，色域覆蓋率大于92%則被稱為高色域顯示屏。對(duì)于高色域顯示屏來(lái)說(shuō)，其基色光色坐標(biāo)更加靠近光譜軌跡，色飽和度更高。圖3是典型的OLED以及QLED基色光的光譜，其光譜能量主要分布在紅、綠、藍(lán)波段且光譜較窄。不同于白光，基色光的亮度和顏色對(duì)于測(cè)量方法和設(shè)備均有很高的要求。

　　3. 顯示屏的顏色測(cè)量方法和設(shè)備

根據(jù)CIE標(biāo)準(zhǔn)，人眼對(duì)光以及顏色的視覺(jué)響應(yīng)曲線如下圖所示，

為CIE三刺激值曲線，其中

與人眼明視覺(jué)光譜光視效率曲線V(λ)一致，既表示了顏色又表示了亮度。顯示屏的亮度和顏色測(cè)量都是基于人眼的視覺(jué)特性進(jìn)行的，根據(jù)三刺激值的獲取方法可將測(cè)量方法分為積分法和分光光譜法[3]。

　　3.1 積分法測(cè)量--色度計(jì)存在光譜失配問(wèn)題

積分法的典型測(cè)量設(shè)備為亮度計(jì)/色度計(jì)，色度計(jì)一般具有三或四個(gè)光電探測(cè)器，或者在光電探測(cè)器前具有可切換的三 或四個(gè)修正濾色片，以匹配圖4中的CIE三刺激值曲線

。探測(cè)器接收到入射光后直接進(jìn)行積分測(cè)量，得到三刺激值X、Y、Z，測(cè)量原理如圖5所示。

實(shí)際上，探測(cè)器的相對(duì)光譜靈敏度并不能與V(λ)，

曲線完美匹配，總會(huì)存在一定的偏差，一般以f1'表示光度探頭的失匹配程度[4]。

其中

為A光源相對(duì)光譜功率分布，

為被測(cè)光度探頭的光譜靈敏度曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJG245-2005，標(biāo)準(zhǔn)級(jí)光度探頭的V(λ)f1'需在3.5%以內(nèi)。CIE/ISO TC-40的最新統(tǒng)計(jì)表明，世界上僅5家公司能提供f1'<3%的光度探頭，遠(yuǎn)方光電也在列其中。而對(duì)于色度計(jì)來(lái)說(shuō)，一般采用在光電器件前加多個(gè)濾色片匹配

三刺激值曲線，匹配難度更高，失匹配誤差更大。CIE用f1,x'、f1,y'、f1,z'來(lái)表示色度探頭的光譜失匹配，算法與f1'相類似。而另一方面，色度探頭的失匹配對(duì)彩色光的測(cè)量誤差影響非常大[5]。

　　本文模擬了fx1', fy1'和fz1'為3%的兩種高精度色度探頭，對(duì)應(yīng)的失匹配情況如圖6所示。利用這兩種探頭測(cè)量典型的紅綠藍(lán)基色光，對(duì)應(yīng)光譜的峰值波長(zhǎng)分別為630nm、530nm、450nm(帶寬為20nm)，模擬計(jì)算得到的相應(yīng)基色光的色品坐標(biāo)誤差和亮度誤差如表1所示?？梢?jiàn)即使是光譜失匹配如此低的情況下，測(cè)量得到的色品坐標(biāo)誤差高達(dá)0.01，亮度誤差近20%，色域覆蓋率誤差達(dá)到了4%。

　　而一般商用色度計(jì)(彩色亮度計(jì))的fx1', fy1'和fz1'遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3%，大到有些儀器制造商根本不標(biāo)示光譜失匹配系數(shù)的值，這樣的儀器極大地影響了顯示屏品質(zhì)的正確測(cè)量評(píng)估。雖然也有廠家針對(duì)彩色亮度計(jì)提出了一些修正方法，如圖7所示，通過(guò)一組標(biāo)準(zhǔn)色和測(cè)量值計(jì)算得到修正系數(shù)Kx、Ky、Kz，并以此來(lái)修正色度計(jì)的測(cè)量結(jié)果。但修正系數(shù)使用有限，測(cè)量顏色與標(biāo)準(zhǔn)色往往有差異，需要使用不同的修正系數(shù)，且每個(gè)顯示屏的三基色不可能完全相同，這就要求每次改變測(cè)量對(duì)象時(shí)都必須重新獲得修正系數(shù)，實(shí)際操作復(fù)雜，效率低下。

　　基于此，目前一些認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)(如TCO顯示屏認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn))在其最新版本中，提出顏色測(cè)量需采用分光光譜法。

　　3.2 分光光譜法-光譜輻亮度計(jì)

光譜輻亮度計(jì)是基于光譜測(cè)量技術(shù)的高度集成的高精度測(cè)量?jī)x器，主要特點(diǎn)在于采用光譜法測(cè)量顯示屏亮度和顏色，計(jì)算方法如式(3)所示，其中為光譜輻亮度。由于在計(jì)算過(guò)程中采用理想的CIE三刺激值曲線

直接加權(quán)積分，不存在三刺激值色度計(jì)中的光譜失匹配誤差，測(cè)量精度極高[6]。

　　過(guò)去，高精度光譜輻亮度計(jì)因成本因素限制，主要用于認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室、計(jì)量機(jī)構(gòu)或者企業(yè)的基準(zhǔn)設(shè)備。遠(yuǎn)方光電在保證高測(cè)量精度的前提下，開發(fā)了一系列適用于工業(yè)領(lǐng)域的光譜輻亮度計(jì)，以提高顯示產(chǎn)品的顏色測(cè)量精度，更好地評(píng)價(jià)和控制產(chǎn)品品質(zhì)。

　　圖8所示為典型的光譜輻亮度計(jì)及其測(cè)量原理圖，在標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)角測(cè)量條件下，瞄準(zhǔn)被測(cè)發(fā)光區(qū)域，測(cè)量光束經(jīng)色散系統(tǒng)(一般為光柵)分光后，投射至陣列探測(cè)器的探測(cè)表面，陣列探測(cè)器的像素與光譜波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)，從而獲得瞄準(zhǔn)區(qū)域的光譜輻亮度。分別在全白場(chǎng)和三基色信號(hào)輸入下對(duì)顯示屏進(jìn)行測(cè)量，就可以得到白場(chǎng)色坐標(biāo)、基色色度坐標(biāo)、色域覆蓋率等顏色參數(shù)。

　　此外，該光譜輻亮度計(jì)可滿足顯示屏上不同測(cè)量區(qū)域大小的切換以及不同產(chǎn)品的測(cè)量要求;測(cè)量速度極快，可以以毫秒級(jí)測(cè)量速度實(shí)現(xiàn)整個(gè)光譜范圍的測(cè)量;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量還可采用WIFI，方便分享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，應(yīng)用靈活。圖9是其對(duì)顯示屏的典型測(cè)試報(bào)告，通過(guò)一次測(cè)量即可以得到顯示屏的亮度、光譜數(shù)據(jù)、色品坐標(biāo)、主波長(zhǎng)、相關(guān)色溫等參數(shù)，在三基色信號(hào)下分別進(jìn)行測(cè)量后軟件即可自動(dòng)計(jì)算色域覆蓋率等參數(shù)，評(píng)價(jià)參數(shù)全面。

　　4. 顯示屏均勻性高精度測(cè)量的綜合解決方案-光譜圖像亮度計(jì)

　　亮度均勻性也是顯示屏的另一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，可通過(guò)成像亮度計(jì)快速測(cè)量。為了綜合評(píng)價(jià)顯示屏的亮度、顏色以及均勻性，提高測(cè)量精度和測(cè)量速度，光譜圖像亮度計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，圖10為光譜圖像亮度計(jì)的測(cè)量原理和典型設(shè)備，通過(guò)采用雙CCD設(shè)計(jì)，既能夠一次成像測(cè)量二維空間的亮度分布，也能夠得到指定點(diǎn)的高精度光學(xué)特性參數(shù)。光譜測(cè)量不存在失匹配誤差，測(cè)量精度高，可用于校正其他點(diǎn)的測(cè)量值;結(jié)合精確的數(shù)字圖像定位，被測(cè)對(duì)象的對(duì)準(zhǔn)精度高、復(fù)現(xiàn)性好。該方案不僅可以很好地避免了傳統(tǒng)亮度、色度等測(cè)量存在的失匹配誤差，而且能夠快速地獲得二維空間的亮度、色度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效高精度測(cè)量。

　　5. 小結(jié)

　　人們對(duì)顯示品質(zhì)的要求已經(jīng)不止于其亮度和清晰度，色彩的還原和表現(xiàn)能力成為顯示技術(shù)高度發(fā)達(dá)以及自媒體時(shí)代更為重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，高色域顯示技術(shù)也在快速發(fā)展。對(duì)此，傳統(tǒng)的顏色測(cè)量技術(shù)已經(jīng)難以滿足精度和應(yīng)用要求，局限性越來(lái)越大。而日趨成熟的光譜輻亮度測(cè)量憑借其高精度、高效率以及全面的測(cè)評(píng)參數(shù)，正在逐漸成為顯示測(cè)量的新選擇，被新版TCO顯示屏認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)極力推薦，值得業(yè)界重視。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 許祖彥. 大色域顯示-新一代顯示技術(shù)[J]. 物理, 2010,39(04):227-231

　　[2] 張鋒,薛建設(shè),喻志農(nóng),等. 量子點(diǎn)發(fā)光在顯示器件中的應(yīng)用[J]. 液晶與顯示, 2012,27(2):163-167

　　[3] 杜春玲,張唏,葛蕾. 顏色測(cè)量?jī)x器及其發(fā)展[J]. 現(xiàn)代儀器, 2005,11(3):56-57

　　[4] 潘建根,閔芳勝. 測(cè)量LED用高精度光度探頭及其性能評(píng)價(jià)[J]. 液晶與顯示, 2011, 20(2):150-154

　　[5] 沈海平,潘建根,馮華君. 彩色成像亮度計(jì)用于顯示測(cè)量及其不確定度分析[J]. 電子器件, 2008, 31(1):370-372

　　[6] 蔣月娟. 分光測(cè)色儀的設(shè)計(jì)研究[J]. 光學(xué)技術(shù), 2001, 27(3):281-283