（物理电子学专业论文）基于光学模型的led显示屏图像质量评估方法的研究.pdf

摘要 摘要 在l e d 显示屏图像质量评估中，需要使用光学测量仪器采集显示屏的亮度信 息。光学测量仪器要求在显示屏屏面法线方向进行测量，但是受到现场环境的制 约，很多时候只能在与屏面法线有倾斜角的方向进行测量。因此采集得到的信息 并不精确，从而影响了评估结果的精度。 为了提高l e d 显示屏图像质量评估的精度，本文基于光度学、l e d 显示屏原理 等理论基础，分析了l e d 显示屏的光学特性；进而推导出了l e d 发光强度空间分布 函数；从而建立了l e d 显示屏光学模型；并进行了分析和仿真。最后将该光学模 型应用于l e d 显示屏的图像质量评估中。实验结果表明，使用该光学模型可以减 小光学测量仪器测量时与显示屏屏面法线有倾斜角引起的误差，从而提高l e d 显 示屏图像质量评估的精度。 关键词：l e d 显示屏图像质量评估方法光学模型 a b s t r a e tu i a b s t r a c t i nt h el e d p a n e lp i c t u r e sq u a l i t ya s s e s s m e n t ，u s eo p t i c a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n tt o c o l l e c tl u m i n a n c ei n f o r m a t i o n o p t i c a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sr e q u i r em e a s u r i n gi nt h e d i r e c t i o no fl e d p a n e ls u r f a c en o r m a l ，h o w e v e rc o n s t r a i n e db yt h es c e n ec i r c u m s t a n c e s ， m e a s u r i n go n l yi nt h ed i r e c t i o no f at i l ta n g l eo fl e d p a n e ls u r f a c en o r m a l t h e r e f o r et h e c o l l e c t e di n f o r m a t i o na r en o tp r e c i s e ，t h u st h ep r e c i s i o no ft h ea s s e s s m e mr e s u l t sa r e a f f e c t e d i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h ea s s e s s m e n t ，t h i sp a p e rb a s eo nt h et h e o r i e s o fp h o t o m e t r ya n dl e d p a n e lp r i n c i p l e ，d i s c u s s e dt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fl e dp a n e l ； t h e nd e d u c e dl e dl u m i n o u si n t e n s i t ys p a t i a ld i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ；t h e r e b ye s t a b l i s h e d l e dp a n e lo p t i c a lm o d e l ；a n da n a l y z e da n ds i m u l a t e d a tl a s tt h eo p t i c a lm o d e li s a p p l i e dt ol e dp a n e li m a g eq u a l i t ya s s e s s m e m ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt l l 她 u s i n gt h eo p t i c a lm o d e lc a nr e d u c et h ee r r o rc a u s e db yi n s t r u m e n tm e a s u r i n gi nt h e d i r e c t i o no fat i l to fl e d p a n e ls u r f a c en o r m a l ，t h e r e f o r et h ep r e c i s i o no ft h el e dp a n e l i m a g eq u a l i t ya s s e s s m e n tc a nb ei m p r o v e k e y w o r d ：l e dp a n e l p i c t u r eq u a l i t ya s s e s s m e n tm e t h o d o p t i c a lm o d e l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：盗监 本人承担一切相关责任。 日期兰! ! ! ：至：! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于公开，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期2 堕! ：至：! ! 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了本文的研究背景、研究意义及国内外发展状况；然后提出了 本文的研究对象、范围和内容；最后介绍了本文所做的工作、章节的安排和主要 特点。 1 1 研究背景和研究意义 l e d 显示屏产业和技术的发展使得l e d 显示屏图像质量越来越受到重视，相关 的评估方法也受到越来越多的研究，同时对评估精度的要求也越来越高。现有的 l e d 显示屏图像质量的客观评估方法中，很多参数的评估必须先获得显示屏不同 区域的亮度信息【l 】。目前l e d 显示屏的亮度信息主要是通过两种仪器获得：一种是 传统的光测量仪器，即色度计或亮度测量仪器，可以测量某个视角范围内的光通 量总和【2 l ；一种是专门应用于l e d 显示屏的亮度差异性校正的亮度校正系统，该校 正系统一般使用面阵相机采集l e d 显示屏图像，通过对采集得到的图像数据进行 分析处理，最终得到显示屏上逐点亮度相对值p 4 j 。 不管是传统的光测量仪器还是面阵相机，都需要尽量保证测量仪器的光学轴 心与显示屏屏面法线重合。由于室3 b l e d 显示屏一般悬挂在高处，很难满足这个 要求，因此测量得到的亮度数据存在一定误差【4 刮。目前国内解决这一问题的一般 方法是，根据现场环境将测得的亮度值除以经验值，当作在显示屏屏面法线方向 的亮度值。该方法虽然可以减小误差，但是存在主观性，无法参数化。采取这样 的方法得到的亮度值精度较低，所以使用这些数据得到的评估结果的精度也较低。 针对以上问题进行研究，如果可以建立l e d 显示屏与测量仪器的光学模型， 从而获取测量仪器在不同位置与方向进行测量时的亮度衰减系数，不仅可以得到 比较精确的实际亮度值，从而提高l e d 显示屏图像质量评估的精度，而且可以使 得评估参数的测量更为方便、快捷，为l e d 显示屏图像质量评估带来方便。 1 2 国内外发展状况 2 0 世纪8 0 年代以来，随着l e d 显示屏技术的不断发展，对l e d 显示屏图像质量 评估的研究逐步开展以来。最初的l e d 显示屏比较简单，一般用于显示文字或简 单图形。一般由人主观观钡x j l e d 显示屏，然后简单判断l e d 显示屏的内容显示是否 正确清楚，是否有足够的亮度【7 】，此时l e d 显示屏图像质量的评估的概念还较为模 糊。 随着l e d 器件的发展，产生了用于播放视频的l e d 显示屏，人们开始更多地关 基于光学模型的l e d 显示屏图像质量评估方法的研究 注l e d 显示屏的图像质量。但对于视频显示屏的图像质量进行评价，问题就复杂 得多。有一些研究机构开始对l e d 显示屏图像质量的评估进行研究，提出使用一 些可以体现l e d 显示屏图像质量的测试图像，如亮度成等级递减的亮度同心圆图 形，进行l e d 显示屏图像质量评估。其方法是在l e d 显示屏上播放这些测试图像， 由具有经验的观测人员根据主观感受，对灰度等级、均匀性等l e d 显示屏图像质 量评估参数进行评分，最后根据评分结果经过一些数据处理最终得到评估结果瞵j 。 然而主观评价方法会受到观测者主观因素的影响，评估结果并不精确，而且测量 结果无法参数化。 2 0 0 3 年公布的行业标准l e d 显示屏测试方法中包含了图像质量评估的部 分参数的测试方法及等级标准i l 弗】。l e d 显示屏的各项光电参数可以通过测量仪器 获得，从而对l e d 显示屏图像质量进行客观评价。客观评价方法相对而言精确度 较高，而且测量结果可参数化，是目前l e d 显示屏图像质量评估的主要手段。 目前已经有一些研究表明，测量仪器的光学轴心与显示屏屏面法线存在夹角 与测量误差存在关系，并对l e d 显示屏图像质量评估的精度产生不利影响。研究 也表明，夹角在多少度范围内可以近似忽略测量误差的影响【5 】。但是室夕b l e d 显示 屏一般悬挂在高处，现场测量时很多情况下并不能满足保持夹角一定范围内的要 求，误差依然存在。 然而，目前国内并没有研究机构对如何有效地减少该测量误差的进一步研究。 国外已经有了这方面的研究和应用，美国r a d i a n ti m a g i n g 公司的基于c c d 相机的 l e d 显示屏校正系统中已经具有了倾斜角的校正能力【6 9 】。 1 3 1 研究内容 1 3 本文的研究内容 l e d 显示屏的现场环境与工厂环境有很大的差别，要快速、准确的将l e d 显示 屏上百万个l e d 发光管的光色信息采集、计算，从而对l e d 显示屏图像质量进行准 确的评估还有很多的技术难题需要解决。 本文将在l e d 显示屏图像质量评估、光度学、l e d 显示屏原理等理论基础上， 分析l e d 显示屏图像质量评估测量方法及存在的问题；分析l e d 及l e d 显示屏的光 学特性、分析l e d 显示屏视角亮度关系；研究l e d 发光强度分布函数，研究l e d 显示屏照度衰减规律，以建立l e d 显示屏光学模型。并对光学模型在l e d 显示屏图 像质量评估中的应用进行分析、探讨和论证实现。 第一章绪论 1 3 2 章节安排 本文共分5 章，其主要结构安排和内容如下： 第一章绪论。主要阐述了l e d 显示屏图像质量评估的研究背景、意义及其发 展历程与发展趋势，并在此基础上介绍了本文展开的工作。 第二章l e d 显示屏图像质量评估测量方法研究。主要介绍了l e d 显示屏图像质 量客观评估的测量方法；基于光度学理论对光学测量仪器的测量误差进行了研究。 第三章l e d 显示屏光学模型的研究。本章基于光度学理论，分析了l e d 及l e d 显示屏的光学特性；提出了l e d 发光强度分布函数，并结合实际测量数据进行了 拟合和分析；研究了l e d 显示屏照度衰减规律，建立了l e d 显示屏光学模型；最后 对光学模型进行了仿真和分析。 第四章光学模型在图像质量评估中的应用。本章介绍了l e d 显示屏图像质量 的评估参数，介绍了评估中的均匀性及最大亮度这两个重要参数的测试方法。通 过将光学模型应用于均匀性及最大亮度的评估当中，实现l e d 显示屏与测量仪器 视角误差修正。 第五章总结与展望。对本文完成的工作进行总结和概括，并指出今后工作的 重点和内容。 第二章l e d 显示屏图像质量评估测量方法研究 第二章l e d 显示屏图像质量评估测量方法研究 要快速、准确的将l e d 显, - i ：屏的光色信息采集、计算，对l e d 显示屏图像质量 进行准确的评估，还存在很多困难。本章主要介绍了显示屏图像质量评估中亮度 信息的测量方法，分析了光学测量仪器测量倾斜角引起误差的原因及解决思路。 2 1l e d 显示屏图像质量评估测量方法 l e d 显示屏图像质量的客观评价方法，是指使用测量仪器获取与l e d 显示屏图 像质量相关的光、电参数，根据测量数据进行评估的方法【1 2 ，1 0 1 。客观评价方法根 据使用的测量仪器不同可分为两种：一种是使用传统的光测量仪器( 如亮度计、彩 色分析仪等) 进行测量；另一种是使用面阵相机进行测量。 2 1 1 基于彩色分析仪的测试方法 为了对l e d 显示屏的图像质量进行客观的评估，需要使用彩色分析仪对l e d 显示屏的亮度、色度等光学性能参数进行测量【l j 。彩色分析仪是一种在几分之一秒 内完成全部光度、色度以及辐射测量的光学仪器。能用于测量l e d 显示屏亮度、 色度坐标、白场色温等显示屏光学性能指标。彩色分析仪的亮度测量精度一般优 于5 ，色坐标测量误差在0 0 0 1 左右，其价格相对较耐引。彩色分析仪等亮度、 色度测量仪器是较复杂的工程计量装置，使用前需要送到国家或各省市计量部门 进行标定。 业内一般使用美能达彩色分析仪c s 1 0 0 a 或c s 一2 0 0 0 ，对l e d 显示屏的亮度及 色度等各项指标进行测量。c s 1 0 0 a 女n 图2 1 所示，是便携式的测量设备，用于进 行光源的亮度和色度的测量。它的亮度测量范围是0 0 1 - 2 9 9 ，0 0 0 c d m 2 ，亮度测量 误差为2 ，色坐标测量误差为o 0 0 4 】。c s 1 0 0 a 的特点是精确度高、测量时 间快、操作简易、并可整体携带，在l e d 显示屏亮度及色度测量中被广泛使用。 c s 2 0 0 0 女n 图2 1 所示，c s 一2 0 0 0 的亮度测量范围是0 0 0 3 - - - 5 0 0 ，0 0 0 c d m z ，亮度测量 误差为2 ，色坐标测量误差为0 0 0 1 5 t 1 2 1 。相对c s 1 0 0 a 而言c s 2 0 0 0 的测量范 围更广，精度也更高。但是体积与重量都更大，一般需要三脚架支持固定，不便 于随身携带。 c s 1 0 0 a 的测量角为1 0 ，c s 一2 0 0 0 有1 、o 2 。、0 1 0 三种测量角可以选择。1 0 测 量角适用于传统的测量对象，如中、大尺寸的显示器及户外大屏幕显示设备。0 2 。 和0 r 测量角适用于小面积或极小面积光源，如交通信号灯、背光灯。由于l e d 显 示屏是大屏幕显示设备，使用c s 1 0 0 a 或c s 2 0 0 0 进行测量时，都是选择l 。测量角。 基于光学模型的l e d b 示屏图像质量评估方法的研究 圈2 ic s 1 0 0 a目2 2c s 2 0 0 0 进行测量时，c s 1 0 0 a 必须按照标准放置，即将光学镜头的光学轴心垂直于被 测物体的表面，如图23 所示，以保证测量的精度。c s 1 0 0 a 的测量系统如同24 所 不，光线从被测物体发出通过光学系统 入光纤线路。光线被光钎分割为3 个部分 包括镜头保护滤镜和物镜，来到光圈进 每个部分都有个感应嚣。每个感应器 都被调整符合c i e 标准中的一种光谱的色彩功能：( c s 一1 0 0 a 使用c i e l 9 3 1 年2 。观测 者灵敏标准) 。进入的光线被转换成电流信号，再被转换成电压信号，然后通过数 模转换器转换成数字信号。取景窗上可以显示测量区域，在确认测量区域的同时 可以从取景窗读取被测物体的亮度值。将c s 一1 0 0 a 通过数据传输端口与外部的计算 机相连，把测量得到的数字信号传送到计算机上，通过与c s 一1 0 0 a 配套的数据处理 软件c s s 1 0 w 来可以方便地获得被测物体的亮度y 和色度x 和一”j 。 捌眯- q 图23c s 1 0 0 a 测量示意圈 图24c s 一1 0 0 a 翘f l 量系统 彩色分析仪用于测量l e d 显示屏光学参数时，一般首先要抽取少数的测试样 第二章l e d 显示屏图像质量评估测量方法研究 7 点或区域。彩色分析仪只测试这些样点或区域及其关联像素或区域的光学性能， 而且一次只能测到一个样点或区域的数据。由于测量时必须将彩色分析仪的光学 轴心垂直于被测区域的表面，所以每测量一次一般都需要移动仪器并且重新对焦。 这样，用传统的测试方法不但耗时费力，而且要测量全屏像素的性能是比较随机 和片面的。 2 1 2 基于c c d 图像传感器的测试方法 已有的对l e d 显示屏亮色度等光学性能的测试方法，大多局限于采用亮度计 或彩色分析仪测试屏幕中少数样点或区域及其关联显示像素或区域的光学性能， 并将测试结果作为显示屏全屏光学性能的表征，这种方法不仅工作量较大，而且 稳定性也较差【1 4 j 。 目前，c c d 图像传感器以其获取信息量大，实时性好等优点在光色科学领域 得到了广泛的应用。通过c c d 获得的感光图像可以确定l e d 显示屏像素的几何形 状和空间位置信息，这样可以方便地定位每一像素的亮度以及它的发光形状【l 训，。 如图2 5 所示。 c c d 芯片即电荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。它是由大量的独立光敏 元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的，以百万像素为单位。c c d 上感光 组件的表面具有储存电荷的能力，当其表面感受到光线时，会产生相应量的电荷。 以像素取样的方式将图像信号顺序传送到外部，从而完成光电转换过程。整个c c d 上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一幅完整的画面。通常认为c c d 感光 像素的输出响应信号与通过空间积分所接收的光信号( 照度) 存在着线性关系，这为 对数据进行线性叠加处理提供了理论依据【l 引。 从c c d 感光图像提取的l e d 像素亮度特征数据与人对显示屏本身以及感光图 像观察的效果是一致的。这些数据虽然与亮度计等光学测量仪器测的数据不能严 格对等，但是由于光谱辐射通量和c c d 注入电荷量呈线性关系。从图像分析的角 度讲，关键是获取l e d 显示屏整屏像素点之间的亮度差异。所以从c c d 感光图像 通过一定的算法处理提取的l e d 像素亮度特征数据，可以用来作为评价屏幕亮度 一致性的依据【1 5 , 1 6 】。正是由于从c c d 感光图像中得到的亮度信息量大、快速、准 确等特点，所以通过对c c d 感光图像的分析对l e d 显示屏亮度一致性进行评价将 成为一种非常有效的方法。 基f 光学模型的l e d 显示* 图像质蓝评估方法的研究 圈2 5l e d 感光图像亮度分布 2 2 光学测量仪器测量误差研究 使用传统光学测量仪器如亮度计、彩色分析仪等对l e d 显示屏的亮度进行测 量时，必须保证测量仪器的光学轴心与l e d 显示屏的光学轴心重合，同时测量时 的视角保持为l “1 3 1 。当测量仪器无法在l e d 显示屏光学轴心方向进行测量，而是在 与l e d 显示屏光学轴心有一定夹角的方向进行测量时，测量结果会与在l e d 显示屏 光学轴心方向得到的测量值不一致，表明灾角会引起一定的测量误差t ”。 2 2 1 相关光度学基本知识 光度学( p h o t o m e t r y ) 5 ) t 究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量， 以人的视觉习惯为基础建立。辐射度学( r a d i o m e t r y ) 适用于整个电磁波谱的能量计 算，主要用于x 光、紫外光、红外光以及其它非可见的电磁辐射。光度学是辐射度 学的一部分或特倒，主要研究人眼可以感觉到的3 8 0 n r n 7 8 0 n m 范围内的光辐射。 根据光度学定义：光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小 的度量。光度量是具有平均人眼视觉响麻特性的人限( 标准人眼) 所接收到的辐射量 的度量。因此，光度量除了包括辐射能客观物理量的度量外，还包括人眼视觉机 理的生理和感觉印象等心理因素【l t ”i 。 一光度学基本物理量 1 7 1 9 j i最大光谱光视效能和光谱光视效率 光视效能世定义为光通量m 。与辐射通量中，之比，即 k = 口， 第二章l e d 显示屏图像质量评估测量方法研究 9 由于人眼对不同波长的光有不同的响应，随着光的波长a 的变化，k 值也在 变化，因此人们定义了光谱光视效能k n ) ，即 k o ) = 鼍 k o ) 的单位是l m w ( 流明瓦) ，值的大小表示在某一波长上的每1 w 光功率对 目视引起刺激的光通量。它是评定辐射能对人眼引起视觉刺激值的基础，即人眼 对不同波长的光的光能产生光感觉的效率。k n ) 值在整个可见光谱区的每一波长 处均不同。光谱光视效能k ( z ) 的最大值在波长允= 5 5 5 n m 处，平均光谱光视效能 的最大值为k 。= 6 8 3 l m w 。 光视效率y 定义为光视效能k 与最大光谱光视效能k 。之比，即 肚乏 ， y 值随着光的波长a 的变化而变化，因此定义了光谱光视效率( 视在函数) ，即 y ) ：掣( 2 - 4 ) a 所 在人眼视网膜上分布有两种感光细胞椎体细胞和杆体细胞，椎体细胞在 较强的光线下反应才灵敏，杆体细胞在光线极端暗的条件下才起作用。眼睛对强 光和弱光的视觉适应过程是由这两种不同的视细胞来完成的，而这两种感光细胞 的光谱响应特性是不同的。明视觉一般指人眼已适应亮度为几个尼特( 光亮度单位) 以上的环境，这时其作用的是椎体细胞；暗视觉一般指人眼已适应在亮度为百分 之几尼特以下的很低的亮度水平，此时起作用的是杆体细胞；处于这两者之间的 视觉叫中间视觉。 由于光度测量依赖于人的视觉器官的生理特性，为了统一评价标准，国际照 明委员会( c i e ) 经过大量实验和统计在1 9 2 4 年给出了平均相对光谱光视效率值 y a ) ( 即视见函数) ，作为在明适应条件下2 。视场光度测量的基础。1 9 5 1 年国际照 明委员会公布了在暗适应条件下，青年人眼的光谱光视效率值y q ) 。通常明视觉 和暗视觉的光谱光视效率分别用矿q ) 和v o ) 表示，如下图所示。 基于光学模型的l e d 显示屏图像质量评估方法的研究 簌 圜 ；t t ：- q 幂 图2 6 光谱光视效率曲线 2 光通量 光通量表示用“标准人眼”来评价的光辐射通量。这表示把看不见的红外线 和紫外线光通量排除在外，而且光通量在数值上并不等于看得见的那部分光辐射 的功率值。光通量的表达式，对于明视觉为 ，= k 。j 8 0 m 矿n 归。丑d a 4 7 8 0 n m ( 2 _ 5 ) ，、 对于暗视觉为 ：= k ：f ：v o 加以觑( 2 - 6 ) 国际计量委员会规定，在标准明视觉函数y n ) 的峰值波长5 5 5 n m 处的光谱光 效能k m = 6 8 3 1 m w ；对于暗视觉，峰值波长在处5 0 7 n m ，其最大光谱光视效能为 k 二= 1 7 0 0 l m w 。光通量的单位是：流i j f j ( 1 m ) ，光通量的大小是反映某一光源所发 出的光辐射引起人眼的光亮感觉的能力的大小。 由以上两式可知，由于y n ) 没有简单的函数关系，因而从辐射通量变换到光 通量一般没有简单的关系，所以积分值只能用图解法或离散数值法计算。例如， 对线光谱，其光通量为 中，= 6 8 3 v ( a , 净以仇) 从 ( 2 7 ) = 3 8 0 n m 3 发光强度 点光源在包含给定方向上的单位立体角内所发出的光通量，称为该点光源在 给定方向上的发光强度。发光强度的表达式为 ，：d o v ( 2 - 8 ) 第二章l e d 显示屏图像质量评估测量方法研究 l l 发光强度在数值上等于在单位立体角内所发出的光通量，在国际单位制中， 发光强度的单位是：坎德拉( c d ) 。 立体角搬= 矿d s ，因此整个空间q = 等= 4 万。 当光源在各个方向上发光强度相同时，总光通量为。= 4 r d 。 图2 7 发光强度的定义 4 亮度 光源在给定方向上的亮度工是指在该方向的单位投影面积向单位立体角所发 出的光通量。在与面元幽法线成p 角的方向上，如果面元刎在该方向上的立体角 元d d 内发出的光通量为d 2 。，则其亮度为 三= j d d m 堕ac o l s 0 ( 2 9 )、， 根据发光强度的定义，亮度又可表示为 = 面d i ( 2 一i 。) 即亮度是给定方向上单位投影面积上的发光强度，在国际单位制中，亮度的 单位是尼特( c d m 2 ) 。 图2 8 亮度的定义 5 被照表面的单位面积上接收到的光通量称为该被照表面的光照度，用e 表 示，照度的单位是勒克斯( 1 x ) 。 e = 鲁 p 叠加原理：若干光源在一个面元上建立的照度等于各光源单独建立的照度之 和。 二光度学基本定理【1 7 】 1 朗伯余弦定理 对于大多数发光体来说，其在各个方向的发光强度值并不相等，但某些发光 基于光学模型的l e d 显示屏图像质量评估方法的研究 面却可能有一定的规律。如图l 所示，有一小发光面元，设其法线上的发光强度为 t ，与法线夹角为p 的方向上发光强度为 i = l c o s 0 ( 2 - 1 2 ) 在该方向上的亮度为 l = l d s c o s o ( 2 1 3 ) 图2 9 朗伯余弦体发光强度的特征 可见，沿各方向的发光强度总是与c o s 0 成正比，各方向上的亮度相等，称为 朗伯余弦定律。满足该定律的发光体称为朗伯余弦体。虽然郎伯余弦定律是一个 理想化的概念，但是实际中许多辐射源在一定的范围内都十分接近于郎伯余弦定 律的辐射规律。导电材料的表面在工程计算中在相对于表面法线方向的观察角不 超过5 0 。时，也能运用郎伯余弦定律。 2 距离平方反比定律 距离平方反比定律是描述点源( 或小面源) 的发光强度i 与其所产生的照度e 之 间的关系。如图2 所示，设点源的发光强度为i ，点源到面元d a 的距离为r ，面元对 点源所张的立体角为讹，则投射到面元d a 上的光通量为： 抛，：尉q ：i d a c 7 0 s 一0 ( 2 1 4 ) r 所以点源在被照面上x 点处产生的照度为： e ：堕：一i c o s 0 ( 2 - 1 5 ) d ar 该式表明，一个发光强度为i 的点源，在距离它r 处且与光线垂直的平面上产 生的照度与发光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，这称为照度与距离 平方反比定律。如果平面与光线不垂直，则必须乘以平面发现与光线之间的夹角 的余弦，称之为照度的余弦法则。 实际上，光源总是有一定大小的，只有当观测距离比光源本身的线度大1 0 倍 时，才能够应用距离平方反比法则，使误差小于1 ，否则必须引入适当的修正。 第二章l e d 显示屏图像质量评估测量方法研究 1 3 图2 1 0 点源产生的照度 3 立体角投影定理 如图2 11 所示，小面元的亮度为l ，小面源和被照面的面积分别为a 。和a ， 两者相距为r ，0 。和0 分别为a 。和a a 的法线与r 的夹角。小面源a 。在0 。方向的发光 强度为i = 鲋，c o s 0 s ，利用公式( 2 1 5 ) ，可得出a 。在a 上所产生的照度为 e = 丁i c o s 0 = l 些警塑 ( 2 - 1 6 ) r 2尺2 、 因为a a 。对a 所张开的立体角 皿= 瓮芋 ( 2 - 1 7 ) 所以有 e = 三q 。c o s 0 ( 2 1 8 ) 上式称为立体角投影定理。即a 。在a a 上所产生的照度等于a a 。的亮度与哦 对a 所张的立体角以及被照面a 的法线和r 夹角的余弦值三者的乘积。 当仇= 0 = 0 时，即a 。与a 相互平行且垂直与两者的连线时，e = 三q 。 图2 1 1 立体角投影定理 基于光学模型的l e d 显示屏图像质量评估方法的研究 2 2 2 光学测量仪器测量误差分析 量位置l 量位置2 i 图2 1 2 亮度测量示意图 使用亮度计、彩色分析仪等光学测量仪器，要求必须在l e d 显示屏屏面法线 方向测量，如图2 1 2 所示。此时光学镜头的法线与l e d 显示屏光学轴心的夹角为0 ， 因此c o s 0 = 1 ，根据公式( 2 1 8 ) 可以推导出 ff 三= 二，_ = 兰 陀1 9 ) a f t 2 ，c o s 0赵2 。 亮度计、彩色分析仪测量l e d 显示屏时保持1 0 测量角，即立体角q 。保持不变。 当立体角q ，保持不变时，根据公式( 2 1 9 ) 可知光学测量仪器测得的亮度与接收到 的光通量即照度存在比例关系1 9 1 。即随着l e d 显示屏在不同位置的照度的变化， 光学测量仪器测得的亮度值也会发生改变。 在l e d 显示屏出厂前，设其在观测位置l 的照度为e l ，在该位置测得的亮度为 l l 。室外l e d 显示屏一般悬挂在高处，很难保证在l e d 显示屏屏面法线方向测量， 测量仪器与l e d 显示屏有一定的倾斜角，如图2 1 2 所示。室夕b l e d 显示屏，设在观 测位置2 的照度为e 2 ，在该位置测得的亮度为l 2 。l e d 显示屏在不同位置处的照度 并不相同，所以l l 与l 2 的值也不同。这就是出厂前测得的亮度值与室外测得的亮度 值不一致的原因。 由于使用亮度计进行测量时，立体角地，保持不变，此时根据式( 2 1 9 ) n - i 得 f l l = ，= z , 1 厶 ( 2 2 0 ) 乜2 公式( 2 2 0 ) 表明，知道亮度l 2 ，如果知道照度e l 和e 2 的比例关系，就可以计算 出亮度l l 。即知道l e d 显示屏在不同位置的照度比例关系，就可以利用在不同位置 测得的亮度值，计算出在l e d 显示屏屏面法线方向上的亮度值，从而减小测量误 差。 第二章l e d 显示屏图像质量评估测量方法研究 1 5 2 3 本章小结 本章从l e d 显示屏图像质量评估的角度出发，介绍了使用彩色分析仪或c c d 面阵相机等测量仪器进行客观评估的测量方法。使用仪器测量l e d 显示屏的数据 时，需要尽量保证测量仪器的光学轴心与显示屏屏面法线重合。而室j ，i l e d 显示 屏一般悬挂在高处，很难满足这个要求，使得测量得到的数据存在误差。特别在 夹角增大时，误差明显。 本章基于光度学理论及亮度计工作原理，对测量倾斜角与l e d 显示屏的照度 及仪器测得的亮度数据之间的关系进行了研究，得出了仪器测得的亮度与l e d 显 示屏的照度之间的关系式。 需要进一步研究l e d 显示屏的照度分布，用非显示屏屏面法线方向测得的亮 度，根据亮度与照度的关系式，计算出在显示屏屏面法线方向的亮度。从而提高 数据的精度，提高l e d 显示屏图像质量评估的精度。 第= 章l e d b 示屏光学模型的研究 第三章l e d 显示屏光学模型的研究 本文以室外l e d 显示屏为研究对象，研究了l e d 显示屏的光学特性，进而推导 出了l e d 光强空间分布函数，从而建立了l e d 显示屏的发光模型，为l e d 显示屏图 像质量的客观评估和校正提供基础研究。 3 1l e d 显示屏相关基础知识 l e d 显示屏是由l e d 阵列组成的显示屏幕。l e d 的光学性能可以说是决定显示 屏光学显示性能的主体，直接影响观众对显示屏的评价。 3 1 1l e d 显示屏基础知识 全彩显示屏的每一个像素点，都是由红绿蓝三色l e d 组成。像素点普遍采用 两红一绿一蓝，四颗l e d 的组合方式。一般像素之间距离均匀，l e d 灯之间的距离 也均等，如图3l 所示。任意相邻的两个像素的物理中心的间距叫做点间距，另一 种叫法把点间距当成像素的发光直径q 1 2 0 】。l e d , 幔示屏的点问距根据像素的大小分 为中3 、币5 、币1 6 、币1 8 等。点问距越小，在近距离观赏时显示屏的图片细腻程度 越好。点间距越大时，最佳观测距离增大，l e d 昏j 发光强度也需适当增高删。 盛阒望 o o l e d 像素 图3 1l e d 显示屏点阵图 l e d 显示屏由成千上万只l e d 组成，由于制造工艺的原因，这些l e d 的光电参 数不可避免地存在离散性。每种颜色l e d 的亮度、波k 的一致性决定了整个显示 屏的亮度一致性、白平衡的一致性、色度一致性”埘i 。由于l e d 是有角度的，故全 彩显示屏同样具有角度方向性，即在不同角度观看时，其亮度是会递增或递减的。 解决l e d 性能参数的不一致现象，主要有两种技术途径：一是通过l e d 生产厂 家把发光二极管按亮度和色品等规格参数进行细分，同一档的l e d 的光电参数基 本一致口“。l e d 显示屏生产厂商使用经过严格分档的l e d 来制造l e d 显示屏，从 基于光学模型的l e d 显示屏图像质量评估方法的研究 而提高l e d 显示屏各项性能的一致性；二是通过后续校正的方式来改善显示屏均 匀性。后续校正从早期的模组校正、模块校正，已发展到今天的逐点校i t 2 5 1 。 3 1 2l e d 基础知识 l e d 工作电压低( 仅1 5 - 3 v ) ，能主动发光且有一定亮度，亮度能用电压( 或电流) 调节，本身耐冲击、抗振动、寿命长( 1 0 万小时) 。所以在大型的显示设备中，得到 了越来越多的应用，目前尚无其他的显示方式与l e d 显示方式匹敌。 1 l e d 发光原理 l e d 发光二极管是f l 了i i i i v 族化合物如g a a s ( 砷化镓) 、g a p ( 磷化镓) 、g a a s p ( 磷 砷化镓) 等半导体制成的，其发光的实质是固体发光。l e d 基本原理如图3 2 所示， 构成l e d 的两种半导体材料之间有一个过渡层p n 结，因此它具有一般p - n 结的正 向导通，反向截止、击穿等特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。 在p n 结上加正向电压时，电子由n 区注入p 区，空穴由p 区注入n 区。进入对方 区域的少数载流子( 少子) 一部分与多数载流子( 多子) 复合而发光【2 6 1 。除了这种发光 复合外，还有些电子被非发光中心捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不 大，不能形成可见光。发光复合量相对于非发光复合量的比例越大，发光效率越 高。l e d 的发光颜色和发光效率与制作l e d 的材料和工艺有关，目前广泛使用的有 红、绿、蓝三种。 n 区 结区! ： 图3 2l e d 发光原理图 2 l e d 结构 l e d 顶部包封的环氧树脂做成一定的形状，有几种作用：保护管芯等不受外 界侵蚀；采用不同的形状和材料性质，起透镜或漫反射透镜功能，控制光的发散 角；有源层产生的光线在管芯内部经多次反射而被吸收，选用不同折射率的环氧 树脂做过渡，提高管芯的光出射效率。不同折射率的封装材料、封装几何形状对 光子逸出效率的影响是不同的。发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、 第三章l e d 显示屏光学模型的研究 1 9 封装透镜所用材质和形状有关。 环氧树 出射光线 l e d 芯片 反射杯 图3 3l e d 芯片结构 3 l e d 光学特性 l e d 一般要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性。 发光强度是表征发光器件发光强弱的重要性能。如图3 4 所示，一般l e d 位于法向 方向的光强最大，当偏离法向不n o 角度，光强也随之变化【2 7 , 2 8 1 。l e d 的半值角( 即 半功率角) 指发光强度值为光轴发光强度值一半的方向与光轴之间的夹角，半值角 的两倍称为l e d 的视角。l e d 封装时所采用的出光面形状和l e d 芯片距顶部透镜的 位置，决定 l e d 的视角和光强【26 。光强空间分布指l e d 发光强度的空间分布， 配光曲线是光强空间分布在一个剖面的轮廓曲线【2 9 1 。 光轴 一1 j 、 i m a x 半值着j 涉 i m a x 2 图3 4l e d 发光强度空间分布示意图 l e d 显示屏的视角为，观察方向的亮度下降到显示屏法线方向亮度的二分之 一时，同一平面两个观察方向与法线方向所成的夹角，分为水平视角和垂直视角 3 0 1 。室外l e d 显示屏的视角要求左右较大，而上下较小，以适合人们的视觉特点。 椭圆形l e d 的水平视角大，垂直视角小，所以成为室外l e d 显示屏的专用器件【3 1 1 。 接f 光学模型的l e d 显示屏图像质量评估方洼的研究 本文以科锐k v p | 6 8 0 3 2 椭圆形l e d 为样灯，选取该型号分别为r g b ( e j ：绿蓝) 三种颜色的三个l e d 灯。测得它们的水平及垂直方向的配光曲线如图35 所示。从 圈35 ( e ) 可以看出，蓝色l e d 水平方向的半值角为5 2 。，由此得水平方向视角为1 0 4 。 从图35 ( d 可以看出，蓝色l e d 垂直方向的半值角为2 3 。，垂直方向视角为4 6 。 ( e ) b 色水平方向 豳3 5r g b 色l e d 配光曲线 nb 色垂直方向 黪。?黪。蒹缈鎏一渗鎏 ，【、m m，、。、m 府 童。一翥一彝酒。一勇一灞 ，l、m m，im l、，口 第三章l e d 显示屏光学模型的研究 2 1 3 2l e d 显示屏视角亮度关系 l e d 的发光强度随观察角度的变化而变化，从不同角度观察l e d 发光管，它的 发光强度有很大差别。l e d 光轴方向相对发光强度( 即发光强度与最大发光强度的 之比1 为1 ，即发光强度最大。离开光轴方向的角度越大，发光强度越小。由于l e d 光学特性的影响，l e d 显示屏的亮度会随观察角度的改变而改变。l e d 显示屏的视 角指，观察方向的亮度下降到l e d 显示屏法线方向亮度的二分之一时，观察方向 与法线所成的夹角的2 倍，分为水平视角和垂直视角。所以观察者从不同的角度观 看l e d 显示屏，所观察到的亮度会改变。l e d 显示屏在实际使用中，观察者会在一 定范围内对显示屏进行观察。 以图3 6 为例，假设观察者分别在观察位置1 、2 和3 对l e d 显示屏进行观察。观 察者在观察位置l 、2 和3 的视轴与图3 6 所示的显示区域1 、2 和3 的光轴重合。在观 察位置l 时，显示区域1 的亮度最大，显示区域3 的亮度最小，显示区域2 的亮度介 于两者之间；在观察位置2 时，显示区域2 的亮度最大，显示区域l 和显示区域3 的 亮度基本相同，但小于显示区域2 的亮度：在观察位置3 时，显示区域3 的亮度最大， 显示区域l 的亮度最小，显示区域2 的亮度介于两者之间。虽然三个显示区域的l e d 发光强度角分布曲线相同，但是由于l e d 视角的影响，导致在同一个观察位置， 三个区域亮度值都不相同1 9 , 3 2 , 3 3 j 。 显示区域1显示区域2显示区域3 冬一。，毛 ，炙p 、7 、 怒j ， 二，。7 j 二r 7 。 、 观察位置l观察位置2 观察位置3 图3 6l e d 显示屏观察位置示意图 在一定的观察范围内，l e d 显示屏的相邻区域的亮度变化大小是由发光强度 角分布曲线的斜率决定的。发光强度角分布曲线的曲率大，相邻区域的l e d 亮度 变化越大，发光强度角分布曲线的曲率小，相邻区域的l e d 亮度变化越小。亮度 以观察位置在显示屏上的投影为圆心，呈同心圆分布，圆心处最亮，亮度随半径 的增加而减小，亮度变化与发光强度角分布曲线的曲率有关。 基于光学模型的l e d 显示屏图像质量评估方法的研究 3 3l e d 光强空间函数的建立 根据经过对l e d 光强分布及配光曲线的研究，l e d 的发光强度一般在光轴方向 上最大，在光轴夹角方向上随着角度的增大逐渐衰减，在半视角方向上的发光强 度是光轴方向上的一半。设9 h 是观察方向的水平方向与光轴的夹角，以是观察方 向的垂直方向与光轴的夹角。h 是l e d 的水平视角，唧是l e d 的垂直视角。 0 、0 pc o 及嘶均以角度为单位。根据l e d 的配光曲线的曲线特征，考虑用如下 的函数形式表示l e d 的水平配光曲线： 厂 ) = ( c o s 0 h 广 ( 3 1 ) 由于l e d 在半视角方向上的发光强度是光轴方向上的一半，所以 厂( w h 2 ) = ( c o s h 2 妒= i 1 ( 3 2 ) 从而推出 1 n2 z 2 一l n ( c o s ( w n 2 ) ) 3 - 3 ， 所以l e d 水平配光曲线函数表达公式( 3 1 ) 变为 厂p ) ：( c o s 0 日) 司蕊l n 砑2 劢( 3 - 4