面向亮室对比度测量应用的高精度可变环境照明条件控制系统设计*

张 健，王 原，汤勇明

(东南大学电子科学与工程学院，南京210096)

显示器件是人机交互和信息展示的窗口，随着社会信息化的高速发展，人们对显示器件的要求越来越高［1］。随着近年LCD、PDP、OLED、电子纸等显示技术的发展，对显示器性能的评价和测量变得越来越重要［2］。

亮室对比度BRCR(Bright－Room－Contrast－Ratio)是评价显示器性能好坏的重要指标，反映了显示器在特定光照条件下的反射特性和可读性［3］。由于显示器在使用中不可避免的会受到环境光的影响，故测量其亮室对比度更具有实际意义。

亮室对比度的定义是指在一定环境光照明条件下显示器表面最大亮度和最小亮度的比值:

其中LW和LB分别为显示器本身产生的最大和最小的亮度值，L'AM和L″AM分别是最大亮度图案和最小亮度图案下环境光照射到显示屏上产生的亮度［3－5］。由式(1)我们可以看出，亮室对比度不仅取决于显示器的发光特性，还取决于环境光对显示器的影响。

当前对平板显示器不同光照条件下的对比度的测量主要有两种方法:一种是采用调换不同的标准光源来实现不同的光照条件，这种方法存在的问题是标准的光源照明及标准亮室条件实现较困难;另一种方法是光谱幅亮度系数法，在固定的光照条件下进行测量，并对测量出的数据进行换算，转换成所需亮室条件下的对比度，但这一方法的转换过程是理想的理论计算，对显示器存在的荧光效应等非理想情况不易处理，故存在一定的误差［2］。随着近年来大功率及多色彩LED 技术的发展，结合传统光学测量中成熟的积分球方案，我们尝试采用WRGB 四种不同颜色及光谱的大功率LED 在积分球内合成测试所需的光照条件，以此来模拟真实的环境光照条件应用于平板显示器的亮室对比度测量。

1 对比度测量系统方案

如图1 所示，新的平板显示器亮室对比度测量系统包括积分球、大功率LED 光源(包括LED 光源和光源驱动电路)、测量仪器设备(包括亮度计、照度计)及系统控制电路四大部分。

在本系统中采用内径为30 cm 的采样积分球来获得均匀的漫反射光照条件，并通过采样口照射到平板显示器上。待测平板显示器紧靠在直径为10 cm 的采样口上，并且使其中心与采样口的中心重合。照度计的采样头放置在积分球的采样口附近。测量孔与平板显示器的法线间的夹角θ=8°，亮度计通过积分球表面的测量孔对平板显示器的中心区域进行测量。测量孔直径要比亮度计的镜头大20%到30%，以避免对到达亮度计的光线产生影响，本系统中为8 cm。亮度计要离开测量口一定的距离，防止直射光进入亮度计的镜头。挡板用来防止光源产生的光线直接照射在待测平板显示器上［5－8］。

图1 系统示意图

光源采用白(W)、红(R)、绿(G)、蓝(B)4 种颜色的大功率LED 光源实现环境光照条件的模拟。其中白光作为主光源，主要用来提供照度，其他3 种有色光源主要用来对色温进行修正。本系统中我们采用的是Cree 公司的MC－E 型WRGB 4 色大功率LED 芯片。它是一款照明用多核芯LED，采用小规格封装，能提供高流明输出。与分立式LED 相比，可以减少LED 芯片的间距，产生小面积的光源，从而获得突出的光学控制能力和高效的色彩混合性［11］。

测量设备包括亮度计(美能达，CS－200)和照度计(美能达，T－10)。亮度计主要完成平板显示器表面亮度的测量，照在平板显示器上的环境光的色坐标及相关色温的测量。照度计主要完成平板显示器位置的环境光照度的测量。

控制电路是系统的核心，负责控制测量设备的测量及数据的读出，通过PWM 控制LED 光源，另外还负责光照条件的设定以及测量结果的显示。在光照条件的生成阶段控制电路利用测量设备反馈回来的数据对LED 光源进行反馈调节，用来产生精确稳定的光照条件，本系统中采用PC+ARM 的组合方案，实现智能控制及良好的人机交互。

当需要测量某一光照条件下平板显示器的亮室对比度时，先将相应的照度(E)和相关色温(CCT)两个变量输入到系统，系统会控制LED 光源在积分球内自动生成所需的亮室光照条件。等亮室光照条件稳定后再进行亮室对比度的测量:首先测量出平板显示器表面的最大亮度值(LAW)，然后再测量出平板显示器表面的最小亮度值(LAB)，这样就可以计算出在这一光照条件下平板显示器的亮室对比度(CA=LAW/LAB)。以上测量过程除输入照度和相关色温两个变量外，系统均可在无人为干预的情况下完成，并将测量结果显示出来。

2 可变环境照明条件控制系统设计

本系统中，亮室条件的生成是在积分球内合成具有特定照度及光谱的光照条件，以此来模拟真实的光照条件。由此，设置亮室条件包括两个参数:照度E 和相关色温T。本系统通过将这两个设置参数转换成相应的LED 控制参数——PWM 占空比，来实现相应亮室条件的生成。

2.1 照度

图2 是实验获得WRGB 四色LED 在单独点亮时PWM 占空比与积分球采样口照度值之间的关系。由此图可以看出，照度值与PWM 占空比基本上呈线性关系，另外不同颜色混合后的照度值基本上呈简单的叠加关系，据此我们可以以线性累加处理积分球内获得想要的照度值。因为LED 的发光特性具有一定的离散型，LED 的发光效率也跟温度有一定的关系［9］，所以系统在保持LED 良好的散热条件基础上，在每次系统初始化的时候对上述的PWM 占空比与照度间线性关系进行测量。另外为了提高系统的精度，我们将积分球内的照度值实时反馈给控制电路，然后由控制电路对系统内照明条件进行反馈调节。

图2 PWM 占空比与照度关系图

2.2 相关色温

调节光源的相关色温的方法是将其转换为LED 的控制参数来调节WRGB 四种光的比例。根据在CIE 1960 UCS 均匀色度图中的黑体轨迹曲线数据，在保证后面合成光线的相关色温的精度下，利用MATLAB 可以拟合出色温T 与(u，v)坐标的关系如下:

其中A=lnT，各系数分别为a1=0.001 6，a2=－0.068 1，a3= 1. 121 6，a4= －9. 043 1，a5= 35. 332 5，a6=－52.372 3，b1=－0.006 3，b2=0.228 2，b3=－3.101 2，b4=18.551 2，b5=－40.923 9。

图3 uv 坐标的向量分解

假设我们要在积分球内生成相关色温为T 的光照条件，根据以上方程可求出色温T 的色坐标(uT，vT)，因为WRGB 4 色LED 的uv 色坐标是固定的，分别为(uW，vW)、(uR，vR)、(uG，vG)和(uB，vB)，如图3 所示从白光LED 的相关色温W 到T 有一个向量，我们可以将此向量沿和两个方向分解为和，其中G'和R'的uv 色坐标分别为(uG'，vG')，(uR'，vR')。

其中t1=vT－k1uT。所在直线的方程为

其中t2=vw－k2uw。

由式(6)、式(7)两个函数方程可以求出(uR'，vR')，同理可以求得(uG'，vG')。

当白光LED 的光通量一定的时候我们逐渐增加绿光LED 的光通量，合成的光的uv 色坐标在直线WG 上由W 端逐渐向G 端移动，当移动到G'(uG'，vG')点时记下白光与绿光光通量的比例。同样可得到白光与红光合成R'(uR'，vR')时白光与红光的比例。接下来按照WRG 的比例将3 种LED 的光混合，这样得到的合成光为T'(uT'，vT')，这跟T(uT，vT)还有一定的差距，我们可以再将T'作为起点(类似于之前的W)重复上面的分解合成过程，如此重复迭代n 次直到合成的光线与T(uT，vT)之间的误差符合要求为止。

2.3 照度与相关色温的组合

照度和相关色温这两个光照参数组合起来才具有实际意义。假设生成照度为E，相关色温为T 的亮室条件，其组合过程如下:

(1)首先设定白光的照度E'W=500 lx(也可以为其他值)，根据相关色温合成方法合成色温为T的光照条件，测出此时的照度值E'。

(2)求出照度为E 时白光的照度值

(3)设定白光的照度为EW，然后根据相关色温合成方法合成色温为T 的光照条件，测出此时的照度值E″。

(4)因为LED 光源的一些非线性的原因，E″跟E 还有一定的差距，然后将EW加1 或减1。具体的做法是当E″小于E 时加1，反之则减1。

(5)重复过程(3)、(4)两个步骤直到E″与E 之间的误差在可接受的范围内为止。

3 测量结果

表1、表2、表3 分别是按照前面的方法步骤在本测试系统中得到的环境照明条件控制情况。

表1 WRGB 四种LED 设定照度与测量结果对比 单位:lx

表2 设定的相关色温与测量结果对比 单位:K

表3 照度(E)、相关色温(T)的设定值与测量结果对比

表1 可以得出当LED 调光比为100 ∶1(即PWM分辨率为1/100)时WRGB 四种LED 光源单独点亮时得到的照度与设定的照度间的相对误差大于1%，而LED 调光比为1000 ∶1(即PWM 分辨率为1/1 000)时其相对误差远小于1%。这是因为LED 控制电路的PWM 占空比与LED 光源在积分球内得到的照度基本上是线性的关系，PWM 的分辨率对调光精度有很大的影响，又由于有照度的反馈回路进行反馈调节，所以精度较高。表2 是在白光的照度值为500 lx 时，设定的相关色温与测量出的相关色温的对比，我们可以看出其相对误差小于1‰，这样的精度也是由于加入了反馈调节的原因。表3 是在系统生成的亮室光照条件(照度、相关色温)与设定的光照条件(照度、相关色温)的对比关系。其中我们将系统可接受的照度的相对误差设定为5%，相关色温的相对误差设定为1%，从表3 可以看出测量出的结果在设定的误差范围之内。

4 结论

本系统采用了采样积分球和大功率LED 技术，自动合成所需的亮室条件来模拟真实的光照条件并对平板显示器的亮室对比度进行测量。经测试，本系统生成的亮室条件最终照度范围在50 lx 到2 500 lx 之间，误差在5%之内，色温在3 000 K 到10 000 K 之间，误差在1%之内。若测试需要获得更大的照度范围，可以增加所选LED 芯片的数量。另外，目前选型的LED 产品光谱特性与原有标准光源的差异，及其是否对亮室对比度测试结果有影响将在后续的研究中重点关注。

［1］ 王幼林，李晓华，王浩平.平板显示技术标准化的进展［J］. 信息技术与标准化，2004，(10):5－8.

［2］ 牟同升，王建平.亮室条件下的亮度对比度测量新方法［J］.电子器件，2008，31(1):377－380.

［3］ VESA.Flat Panel Display Measurements Standard，VER.2.0［S］.2001:135－152.

［4］ 应根裕，胡文波，邱勇，等. 平板显示技术［M］. 人民邮电出版社，2002:5－6.

［5］ Edward F Kelley.Proposed Diffuse Ambient Contrast Measurement Methods for Flat Panel Displays［C］//NISTIR 6738，2001:1－6.

［6］ IEC 62341－6－2，Ed. 1:Organic Light Emitting Diode(OLED)Displays－Part 6－2:Measuring Methods of Visual Quality and Ambient Performance［S］.8－28.

［7］ IEC 61988－2－1，Ed.2:Plasma Display Panels－Part 2－1:Measuring Methods－Optical and Optoelectrical［S］.7－25.

［8］ Edward F Kelley，Max Lindfors，John Penzek. Display Daylight Ambient Contrast Measurement Methods and Daylight Readability［J］.Society of Information Display，2006，14(11):1019－1030.

［9］ 刘雁潮，付桂翠.照明用大功率LED 散热研究［J］.电子器件，2008，31(6):1716－1719.

［10］ 代彩红，于家琳. 光源相关色温计算方法的讨论［J］. 计量学报，2000，21(3):183－188.

［11］ Cree.Cree XLamp MC－E LED Data Sheet［R］.