視角對LED顯示屏亮度均勻性的影響分析

　1、引言　

　　2003年頒布的電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T11281-2003《LED顯示屏測試方法》，其中亮度均勻性的測量是以色度學(xué)理論為基礎(chǔ)，測量數(shù)據(jù)與人的視覺無關(guān)，并不牽涉到觀察者在空間位置以及觀察角度的變化等因素。由于LED顯示屏作為一種大屏幕顯示產(chǎn)品，它給人們的視覺效應(yīng)可想而知，因此需要從不同角度對LED顯示屏進(jìn)行觀察，定性分析不同視角對LED顯示屏亮度均勻性的影響，以便對LED顯示屏給予更客觀的評價(jià)。

　　2、 LED視角

　　LED發(fā)光管的出光面特征一般分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。

　　LED封裝時(shí)所采用的出光面形狀和LED芯片距頂部透鏡的位置決定了LED視角和光強(qiáng)分布。一般來說相同的LED視角越大，最大發(fā)光強(qiáng)度越小，但在整個(gè)立體半球面上累計(jì)的光通量不變。

　　LED的半值角（或稱半功率角）是指發(fā)光強(qiáng)度值為光軸方向強(qiáng)度值一半的方向與光軸方向之間的夾角。半值角的2倍稱為LED的視角。

　　LED的發(fā)光強(qiáng)度隨觀察角度的變化而變化，從不同角度觀察LED發(fā)光管，它的發(fā)光強(qiáng)度有很大差別。發(fā)光強(qiáng)度的大小由LED發(fā)光管自身的發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線決定，其分布曲線如圖1所示。LED光軸方向相對發(fā)光強(qiáng)度（即發(fā)光強(qiáng)度與最大發(fā)光強(qiáng)度的之比）為1，即發(fā)光強(qiáng)度最大。離開光軸方向的角度越大，相對發(fā)光強(qiáng)度越小。由圖1可以估算出該LED的半值角，視角值為。

　　為了滿足LED顯示屏大視角顯示效果的要求，一般選擇視角較大的LED發(fā)光管。本文針對出光面為圓形的LED發(fā)光管進(jìn)行分析。

　　3 、LED顯示屏亮度均勻性測量

　　《LED顯示屏測試方法》所規(guī)定的亮度均勻性的測量只是針對LED發(fā)光管的光軸方向的亮度測量。圖2為LED顯示屏的亮度測量的正視圖，為方便起見，只對LED顯示屏圖三個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析。顯示區(qū)域1、顯示區(qū)域2、顯示區(qū)域3的位置參見圖2。顯示區(qū)域1、顯示區(qū)域2、顯示區(qū)域3的發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線及檢測位置1、檢測位置2、檢測位置3如圖3所示。根據(jù)《LED顯示屏測試方法》對的三個(gè)顯示區(qū)域進(jìn)行亮度測量，檢測位置1、檢測位置2、檢測位置3分別位于顯示區(qū)域1、顯示區(qū)域2、顯示區(qū)域3的光軸方向。所測量的亮度值是各個(gè)區(qū)域最大的亮度值。本文假定三個(gè)顯示區(qū)域的發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線相同，因此得到LED顯示屏三個(gè)顯示區(qū)域的發(fā)光強(qiáng)度相同， LED顯示屏的亮度均勻性達(dá)到國家C級標(biāo)準(zhǔn)。

　　4 、LED視角對顯示屏亮度均勻性的影響

　　由于LED本身視角的問題，LED顯示屏的亮度會隨觀察角度的改變而改變，影響了顯示屏的顯示效果。觀察者從不同的角度觀看顯示屏，亮度的改變會對LED顯示屏亮度均勻性產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　LED顯示屏在實(shí)際使用中，觀察者會在一定范圍內(nèi)對顯示屏進(jìn)行觀察。以圖4為例，假設(shè)觀察者在觀察位置1、觀察位置2、觀察位置3對LED顯示屏進(jìn)行觀察，觀察者在觀察位置1、觀察位置2、觀察位置3的視軸與圖2所示的顯示區(qū)域1、顯示區(qū)域2、顯示區(qū)域3的光軸重合。

　　在觀察位置1時(shí)，顯示區(qū)域1的亮度最大，顯示區(qū)域3的亮度最小，顯示區(qū)域2的亮度介于兩者之間；在觀察位置2時(shí)，顯示區(qū)域2的亮度最大，顯示區(qū)域1和顯示區(qū)域3的亮度基本相同，但小于顯示區(qū)域2的亮度；在觀察位置3時(shí)，顯示區(qū)域3的亮度最大，顯示區(qū)域1的亮度最小，顯示區(qū)域2的亮度介于兩者之間。雖然三個(gè)顯示區(qū)域的LED發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線相同，但是由于LED視角的影響，導(dǎo)致在同一個(gè)觀察位置，三個(gè)區(qū)域亮度值都不相同。

　　顯示區(qū)域1，在觀察位置1時(shí)亮度最大，在觀察位置3時(shí)亮度最小，在觀察位置2時(shí)亮度介于兩者之間；顯示區(qū)域2，在觀察位置2時(shí)亮度最大，在觀察位置1和觀察位置3時(shí)亮度基本相同，但小于在觀察位置2時(shí)的亮度；顯示區(qū)域3，在觀察位置3時(shí)亮度最大，在觀察位置1時(shí)亮度最小，在觀察位置2時(shí)亮度介于兩者之間，因此LED顯示屏相同區(qū)域的亮度會隨觀察角度的不同發(fā)生變化。

　　根據(jù)LED發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線的變化規(guī)律，對觀察位置1、觀察位置2、觀察位置3進(jìn)行LED顯示屏整屏亮度分布仿真。LED顯示屏亮度分布情況如圖5所示。圖5(a) 是仿真在觀察位置1觀察到的LED顯示屏亮度分布情況。圖5(b) 是仿真在觀察位置2觀察到的LED顯示屏亮度分布情況。圖5(c) 是仿真在觀察位置3觀察到的LED顯示屏亮度分布情況。

　　在一定的觀察范圍內(nèi)，LED顯示屏的相鄰區(qū)域的亮度變化大小是由發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線的斜率決定的。發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線的曲率大，相鄰區(qū)域的LED亮度變化越大；發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線的曲率小，相鄰區(qū)域的LED亮度變化越小。亮度以觀察位置在顯示屏上的投影為圓心，呈同心圓分布，圓心處最亮，亮度隨半徑的增加而減小，亮度變化與發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線的曲率有關(guān)。

　　對三種情況的亮度分布進(jìn)行分析，可知觀察位置1、觀察位置3的LED顯示屏不同顯示區(qū)域的最高亮度與最低亮度差別比較大，因此在觀察位置1、觀察位置3所觀測到LED顯示屏亮度均勻性較差。觀察位置2所觀測的LED顯示屏不同顯示區(qū)域的最高亮度與最低亮度差別較小，因此在觀察位置2所觀測到的LED顯示屏亮度均勻性較好。但觀察位置2所觀測的LED顯示屏亮度均勻性要遠(yuǎn)低于由《LED顯示屏測試方法》所測得的LED顯示屏的亮度均勻性。

　　在理想狀態(tài)下，觀察者在不同位置觀察LED顯示屏，所得到不同位置所觀測到的顯示屏亮度均勻性數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)構(gòu)成圖6所示三維分布圖。通過對圖6的分析，觀察者在LED顯示屏中心區(qū)觀察時(shí)，LED顯示屏的亮度均勻性最好，但中心觀察區(qū)域所觀測的LED顯示屏亮度均勻性要遠(yuǎn)低于由《LED顯示屏測試方法》所測得的LED顯示屏的亮度均勻性。在邊緣位置觀察LED顯示屏，亮度均勻性較差。觀察位置與中心觀察區(qū)域距離越遠(yuǎn)，LED顯示屏的亮度均勻性越差。

　
　　5 、討論

　　在LED顯示屏的實(shí)際應(yīng)用中，通過LED發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線可以仿真出LED顯示屏亮度均勻性與觀測位置之間關(guān)系，利用客觀評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來完成以前只能通過人眼進(jìn)行的評估可以估算出最佳觀測范圍。它的優(yōu)點(diǎn)是在研發(fā)階段就能預(yù)知其最終的顯示效果以降低風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約時(shí)間和資金。由于顯示屏的評估是一個(gè)較為繁瑣的過程，有很多不確定的方面，本文也只是簡單的介紹了LED視角對顯示屏亮度均勻性的視覺影響，并沒有考慮到其它LED封裝形式以及全彩色LED顯示屏的色燈排列，模塊發(fā)光分布的不均勻性以及混色效果等更為復(fù)雜的情況，由于篇幅所限，以后再撰文詳述。