LED显示屏可靠性分析存在的问题

阮育娇 康品春 邓水发 李鹭虹 周萍 崔潼 黄艺滨

厦门市计量检定测试院

一、引言

LED显示屏经过多年的高速发展，无论在显示性能还是应用范围上都取得了很大进展。由于LED显示屏具有高亮度、低能耗等优点，而且近年来随着LED器件材料性能的不断提高和控制电路技术的不断提升，LED显示屏的应用范围不断扩大，市场空间不断拓展，已广泛应用于生产生活的各个领域。如以LED显示为主的景观亮化、广告宣传、装饰工程、智能交通系统等市场迅速崛起，已形成一定规模的市场需求。人们享受它所带来的视觉震撼，同时也对其质量和可靠性提出了更高的要求。LED显示屏作为多媒体设施的显示终端，被普遍用于高质量的大屏幕图像显示。其中可靠性是显示屏最重要的性能和指标之一，各厂商都非常重视产品的可靠性。然而由于LED显示屏是个集成的庞大系统，LED和其它元器件数量众多，受自身和使用环境的影响，目前可靠性水平仍偏低[1]。LED显示屏可靠性主要可从以下方面来描述[2]，一是初始性能参数随时间、环境的变化，二是寿命，即以规定的失效判据对产品耐久性的描述。要提高LED显示屏可靠性，就需要能够对产品可靠性进行正确的评估，以得到影响产品可靠性的主要因素，从而进行改善。本文主要论述LED可靠性分析过程中存在的一些问题。

二、测试数据采集中存在的问题

在LED显示屏可靠性分析中，首先需要对LED显示屏的性能参数进行采集，为了保证数据采集结果的准确可靠，一方面要选择合适的测试方法，另一方面则是要对测试设备进行合理的校准。该部分主要针对LED显示屏光学性能测试和校准中存在的问题进行分析。

根据行业标准SJ/T 11281-2017《发光二极管（LED）显示屏测试方法》[3]里面规定的光学性能测试项目主要包括最大亮度、视角、最高对比度、基色主波长误差、白场色坐标、亮度鉴别等级和均匀性。从以上测试项目中可以看出，LED显示屏光学性能测试的关键参数是亮度、色度和光谱分布。

目前国内外对显示屏的测试主要有两种方法，一种是采用传统的瞄点式亮度计或彩色分析仪进行单点检测，可以得到显示屏单点的亮度、色温、色品坐标等重要指标。其中对于色度的测量设备，分为滤光片式和光谱式，滤光片式彩色亮度计是采用合适的滤光片模拟人眼对光的响应，从而使加滤光片后的探测器的相对光谱响应度与CIE 1931标准色度观察者色匹配函数相接近，其测试主要优点是速度快，但由于滤光片匹配误差导致的不准确性，使得在色度测量方面精度较低。而光谱式亮度计采用分光的方式，能够比滤光片式彩色亮度计提供更加精确的色度值，而且还可以得到LED显示屏的光谱功率分布。该方法使用瞄点式测试设备，在LED显示屏均匀性等整屏性能评价过程中需要移动测试仪器或屏幕，存在采点有限且速度慢、耗时长。第二种方法是采用二维影像式亮度计，影像亮度计测试速度快，无需多次采集数据，只需一次成像，便可得到显示屏的亮度色度分布。但是由于目前大部分影像亮度计并不是采用分光技术，探测器存在色匹配误差，所以测试精度不如光谱式的，且无法得到光谱分布等重要信息。尽管现在有些仪器公司已开发出光谱图像亮度计，但也只能得到视场内各点的亮度和瞄准点的光谱颜色信息。

当选定合适的测试方法及相应的测试设备后，对测试设备进行校准也是相当重要的。不同亮度测量设备由于其测光原理不同，所采用的校准方法也应不同[4]。目前针对亮度计的校准，现有的国家规程是《JJG 211-2005 亮度计检定规程》[5]，规程中采用发光强度标准灯和标准白板作为标准器对亮度计校准。但由于LED显示屏的发光光谱与标准灯的光谱并不一致，因此现有的规程已无法满足显示用亮度计的校准，简单地用标准灯或积分球亮度源对其进行校准并不合适。针对显示用亮度计的计量，建议使用积分球亮度源进行校准后，需要再用标准白场仪对校准后的亮度计做进一步的判断，看该亮度计是否适用于显示屏测试。另外，如果使用彩色分析仪对LED显示屏进行测试，根据彩色分析仪的结构和工作原理，由于三个探测器匹配不完善等原因，仪器的测量值与标准值之间会出现偏差，因此需要校准后方可使用，一般采用标准白场仪进行标定，现有的国家规范是《JJF 1079-2002 阴极射线管彩色分析仪》[6]。但由于LED显示屏与传统CRT显示器的显示原理不同，LED光源与CCFL背光的光谱特性也有着较大区别，导致彩色分析仪的测试结果也不一样，因此现有的阴极射线管彩色分析仪校准规范已不能适用LED显示屏测试用彩色分析仪的校准要求，但里面的校准方法仍可参考使用。对于影像式亮度计的校准，目前还没有相应的检定规程或校准规范，但根据仪器测试原理，除了对亮度和色度值进行标定外，还应增加CCD亮度均匀性的校准，使之可以应用于大面积视场、大范围内的亮度色度测量。

三、寿命评估方法不完善

寿命是LED可靠性的重要指标之一，一直是LED可靠性研究的重点。然而当前对LED光源的寿命评估较多，而对于LED显示屏的寿命评估较少。目前对显示屏的寿命有两种说法[7]，第一种是平均寿命（又称平均无故障工作时间或MTBF），是指两次故障之间所经历的时间，是一种统计平均值，MTBF值的确定，通常采用理论统计法和经验统计法。第二种则是以亮度下降到一定程度表示的寿命，目前有的厂商以下降到75%作为屏幕的寿命，也有以50%为准的，目前究竟规定为多少合适，尚未有一个统一的标准。其中在第二种方法中仅提到了亮度的下降，缺少寿命衰退过程中的色度、均匀性变化等关键指标，特别是缺乏对LED显示屏温度漂移的检测研究，这就制约了显示屏性能的进一步提高。

LED显示屏充分应用了现代信息技术，将声、光、电、机等学科结合并集视频、动画、字幕、图片于一体。近年来随着逐点校正技术、色域修正技术等新技术的出现和不断发展，显示屏亮度色度的均匀性得到了提高，可获得更优异的图像显示质量。尽管与其他光源相比，LED拥有稳定性高的突出优点，但在长时间工作的情况下，由于工艺、散热和老化等问题，也会使显示屏产生光衰减以及色度漂移，从而导致显示的图像发生色度和亮度不均匀的情况。而且由于显示屏中LED芯片的集成度较高，芯片结温产热会造成局部坏点，从而影响LED显示屏的整体使用。尤其对于户外屏，亮度要求高，功耗和发热量大，显示屏自身温升较大。而且LED的光学参数与结温有很大的关系，若环境温度较高，LED主波长就会向长波长漂移，尤其是点阵、大屏幕的温升对LED的可靠性、稳定性影响很大，会导致显示屏发光的均匀性、一致性变差。同时在显示屏的使用过程中需要考虑光色的稳定性问题，因此应综合分析其光度参数、色度参数、结温的变化，才能对LED显示屏的可靠性进行更为客观的评估。

四、结语

解决LED显示屏测试数据采集过程中的问题，并且完善寿命评估方法，以正确评估产品可靠性，从而使LED显示屏向更高可靠性、智能化方向发展，提高产品性价比，增强市场竞争力。