LED視角對顯示屏亮度均勻性的視覺影響分析

1、引言

? ? ? ?2003年頒布的電子行業標準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理論為基礎，測量數據與人的視覺無關，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品，它給人們的視覺效應可想而知，因此需要從不同角度對LED顯示屏進行觀察，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。

2、 LED視角

LED發光管的出光面特征一般分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、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視角和光強分布。一般來說相同的LED視角越大，最大發光強度越小，但在整個立體半球面上累計的光通量不變。

LED的半值角（或稱半功率角）是指發光強度值為光軸方向強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的發光強度隨觀察角度的變化而變化，從不同角度觀察LED發光管，它的發光強度有很大差別。發光強度的大小由LED發光管自身的發光強度角分布曲線決定，其分布曲線如圖1所示。LED光軸方向相對發光強度（即發光強度與最大發光強度的之比）為1，即發光強度最大。離開光軸方向的角度越大，相對發光強度越小。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發光管。本文針對出光面為圓形的LED發光管進行分析。

3 、LED顯示屏亮度均勻性測量

《LED顯示屏測試方法》所規定的亮度均勻性的測量只是針對LED發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顯示屏圖三個區域進行分析。顯示區域1、顯示區域2、顯示區域3的位置參見圖2。顯示區域1、顯示區域2、顯示區域3的發光強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《LED顯示屏測試方法》對的三個顯示區域進行亮度測量，檢測位置1、檢測位置2、檢測位置3分別位于顯示區域1、顯示區域2、顯示區域3的光軸方向。所測量的亮度值是各個區域最大的亮度值。本文假定三個顯示區域的發光強度角分布曲線相同，因此得到LED顯示屏三個顯示區域的發光強度相同， LED顯示屏的亮度均勻性達到國家C級標準。

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生負面影響。

LED顯示屏在實際使用中，觀察者會在一定范圍內對顯示屏進行觀察。以圖4為例，假設觀察者在觀察位置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所示的顯示區域1、顯示區域2、顯示區域3的光軸重合。

在觀察位置1時，顯示區域1的亮度最大，顯示區域3的亮度最小，顯示區域2的亮度介于兩者之間；在觀察位置2時，顯示區域2的亮度最大，顯示區域1和顯示區域3的亮度基本相同，但小于顯示區域2的亮度；在觀察位置3時，顯示區域3的亮度最大，顯示區域1的亮度最小，顯示區域2的亮度介于兩者之間。雖然三個顯示區域的LED發光強度角分布曲線相同，但是由于LED視角的影響，導致在同一個觀察位置，三個區域亮度值都不相同。

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

根據LED發光強度角分布曲線的變化規律，對觀察位置1、觀察位置2、觀察位置3進行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，LED顯示屏的相鄰區域的亮度變化大小是由發光強度角分布曲線的斜率決定的。發光強度角分布曲線的曲率大，相鄰區域的LED亮度變化越大；發光強度角分布曲線的曲率小，相鄰區域的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，亮度變化與發光強度角分布曲線的曲率有關。

對三種情況的亮度分布進行分析，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據，由這些數據構成圖6所示三維分布圖。通過對圖6的分析，觀察者在LED顯示屏中心區觀察時，LED顯示屏的亮度均勻性最好，但中心觀察區域所觀測的LED顯示屏亮度均勻性要遠低于由《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域距離越遠，LED顯示屏的亮度均勻性越差。

5 、討論

在LED顯示屏的實際應用中，通過LED發光強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系，利用客觀評價標準來完成以前只能通過人眼進行的評估可以估算出最佳觀測范圍。它的優點是在研發階段就能預知其最終的顯示效果以降低風險，節約時間和資金。由于顯示屏的評估是一個較為繁瑣的過程，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，模塊發光分布的不均勻性以及混色效果等更為復雜的情況。
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