显示器计量学:显示器质量测量科学

话题:
作者:
Shaina Warner & Anne Corning

根据国际计量局(Bureau International des Poids et Mesures,简称“BIPM”)的定义,计量学是“一门测量科学,包括在任何科学和技术领域在任何不确定性程度下的实验性和理论性测定”。

显示器计量学是指采用科学方法测量(量化)显示器的视觉输出。现如今,数字显示器的主要输出是光线,这可以根据显示器的亮度、色度、对比度及其他视觉质量进行测量。

Multiple display screens

显示屏照亮现代生活。

光谱功率分布与光谱灵敏度

然而,量化和表征光源的方法不止一种。我们可以测量光线电磁输出的绝对值,称为“光谱功率分布(SPD)”。光源的SPD通常以图表形式显示,其描绘了光源在每种波长下的相对强度。

Normalized spectral power distributions_SPD

不同光源的归一化光谱功率分布:(a)卤素灯、(b)荧光灯、(c)日光和(d)另一种荧光灯。(图片来源

然而,人眼并不能完全感知电磁波谱中的每一种波长,也无法感知每一种波长下发出的光线的原始功率。因此,人类无法感知许多光源的整个光谱功率分布(SPD)。人眼中共有三种类型的视锥细胞(S、M和L),每种视锥细胞对一定范围的波长敏感。下图粗略地描绘了人眼中每种视锥细胞的归一化反应——即我们的眼睛所感知的每种波长的强度。

2-degree cone response

人眼中每种视锥细胞的光谱灵敏度。

人眼中的视锥细胞并不能探测到单个波长。它们看到的是光量总和,即所有三种视锥细胞能够感应到的光量总和,这是由上图中每条曲线下的面积定义的。充分了解人类的这种视觉反应(称为“人眼的光谱灵敏度”)有助于我们绘制出人眼是如何感知各种光谱功率分布(SPD)的。

从人类视觉感知的角度测量显示器

显示器设备是专为人类使用而设计的,因此显示器性能的测量和表征(在光度和色度输出方面)应当使用人类光谱灵敏度作为衡量标准。很重要的一点是,必须与人类的视觉反应相匹配,原因有很多,包括:

  • 人类的视觉感知最终决定了我们对光输出的体验,包括光源、显示器等设备中色度的准确性和外观。
  • 显示器的测试目标在于按照人类视觉感知的方式测量光线和色彩,以确保显示器的视觉质量与人类体验相匹配,这是有道理的。
  • 只有通过获取基于人类感知的标准化测量值,我们才能执行自动化显示器计量,并提供富有含义的测量结果。

为了评估显示器,我们需要了解光的两个基本方面:显示器产生的光输出(SPD),以及人类通过视觉系统接收到的光输入。

亮度测量学是计量学的一个分支,主要从人眼感知的角度测量所发射光线的强度(亮度)。同样地,色度测量学主要测量人眼所看到的光线的色彩(色度)。因此,有些类型的显示器测量方法依赖于亮度测量和色度测量仪器。

显示器的关键质量和性能特征

如今的显示器制造商需要对显示器设备进行广泛的测量、测试和检测,以确保质量和性能符合品牌标准和客户期望。在复杂的全球供应链中,该行业依赖于在制造过程的所有环节对显示器及其组件进行一致且客观的评估。

显示器评估涵盖的一些关键特征包括:

  • 亮度和色度
  • 色域范围
  • 色彩容量
  • 伽马曲线
  • 均匀性
  • Mura及其他缺陷
  • 定向视图
  • 反射
  • 闪烁及其他时域特性

显示器计量仪器

为了在研发实验室和生产线上测量所有这些特性,显示器制造商们依赖于各种不同的计量仪器,包括点式亮度计、分光辐射度计、亮度计和色度计:

仪器类型 被测量显示器的典型特性
点式亮度计 色度、亮度、对比度、色域、伽玛曲线、闪烁…
成像系统(亮度测量型或色度测量型) 色度、亮度、对比度、均匀性、Mura缺陷、其他缺陷、像素级分析、失真…
分光辐射度计 光谱数据...
其他 响应时间、视角相关性能...


瑞淀的ProMetric® Y系列成像亮度计ProMetric I系列成像色度计 属于“成像系统”类别。成像系统擅长于测量显示器设备,尤其是从人类观看者视觉感知的角度测量显示器外观。基于图像的测量系统使用2D检测器同时测量多个光点。这模拟了人类的视觉体验,能够一次性采集整个显示器的图像,就像我们的眼睛一眼就能看到整个场景一样。

通过一次性采集显示器的完整图像,成像系统可以同时评估和比较数百万个数据点。此功能可以实现:

  • 背景评估:均匀性、梯度变化、对比度、Mura缺陷、失真
  • 缺陷(包括像素缺陷、线缺陷、斑点缺陷)的位置、识别和严重程度
  • 同时测量多个关注区域(LED阵列、像素、亚像素)
  • 确定尺寸、失真和聚焦质量(投影显示器)
  • 执行高级分析,对所采集的每个图像进行多次分析

深化学习:显示器计量学基础知识

这篇博客文章只是触及了显示器质量测量的表面。如需了解更多相关信息,请观看该领域的一些专家开展的名为“显示器计量学基础知识”的短课程,该课程最初是作为“2021年显示周(2021 Display Week)”虚拟活动计划的一部分提供的,现在以按需网络研讨会的形式提供。

该课程的主讲人包括Jens Jensen(瑞淀光学系统产品开发副总裁)、Reto Häring博士(Instrument Systems GmbH客户解决方案副总裁)和Yutaka Maeda(柯尼卡美能达业务拓展负责人),时长不到4小时,主要涵盖以下主题:

  • 光线和色彩科学以及如何量化人类视觉反应(例如:SPD、CIE标准函数)
  • 测量单位(例如:亮度、色域)、测量标准(例如:IEC、ISO)以及各种计量系统(从点式亮度计到成像设备)
  • 用于解决显示器性能参数问题(比如:Mura缺陷、像素均匀性和闪烁)的测试方法
  • 用于测试新兴显示器技术(比如:microLED和AR/VR设备等)的最新计量解决方案。
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