微型显示器子像素亮度测试方法研究

王少水 阮育娇 费 丰 赵发财 吕子敬

(1.中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛 266555；2.厦门市计量检定测试院，福建厦门 361004；3.中电科思仪科技有限公司，山东青岛 266555)

1 引 言

微型显示器，又称为“数字像源”，是指在信号传输、处理及显示等过程中可采用数字方式进行控制的小型显示器，尺寸通常小于1英寸。微型显示器的种类主要有薄膜晶体管液晶显示器(LCD：Liquid Crystal Display)、有机电致发光二极管(OLED：Organic Light-Emitting Diode)、硅基液晶(LCOS：Liquid Crystal on Silicon)、数字微镜(DMD：Digital Micromirror Device)等[1]。相比于传统CRT模拟像源，微型显示器具有体积小、重量轻、功耗低、像素亮度可调节且可独立控制等优势，逐渐成为航空平视显示器系统(HUD)和头盔显示系统(HMD)的核心部件[2]。

应用于飞机舱内的信息显示屏及头盔显示器，具有亮度范围大、分辨率高等特点，子像素的尺寸已接近3μm，而市面上现有的瞄点式光谱辐亮度计和成像亮度计最小测试区域均在毫米量级，配备望远镜式放大镜的成像亮度计可实现50μm目标的测试，仍无法满足微型显示器的测试需求。为此，本文将显微物镜引入到成像亮度计中，设计开发了一套显微成像式彩色亮度计，利用积分球面光源和标准刻线板进行亮度、色度和尺寸的标定，对不同像素排列的显示屏进行了测试，验证了方案的可行性和准确性。

2 显微成像式彩色亮度计的工作原理

彩色亮度计是一种具备亮度、色度测试功能的光学设备，目前主要采用两种实现方法。一种是光谱光度法，利用扫描或分光方式得到被测物体的光谱辐射曲线，然后根据国际照明委员会(CIE)推荐的计算公式得到三刺激值XYZ，从而得到亮度和色度参数，该方法测量精度高，主要用于瞄点式彩色亮度计的研制；另一种是光电积分法，采用三色或四色滤光片与探测器进行光谱匹配，探测器采用面阵相机时，研制的亮度计称为“成像彩色亮度计”[3-7]。

为解决微型显示器子像素亮度的测试，本文将显微物镜引入到成像亮度计设计中，研制了一套显微成像彩色亮度计，主要由镜头、主机和工控机组成，如图1所示。镜头由显微物镜和测试转接镜组成，测试转接镜一端采用标准RMS螺纹接口与显微物镜相连，另一端采用F卡口与主机相连；镜头主要用于待测件的图像光学放大；主机对放大后的图像进行光电转换，并将电信号通过USB数据线传至工控机；工控机对主机获取的图像进行数据分析处理，并将结果显示出来。

图1 显微成像亮度计组成框图

主机主要由机壳、底座、高分辨率黑白相机、电机1、电机2、滤光片轮1、滤光片轮2、中性滤光片、XYZ三色滤光片和图像采集卡等部分组成，结构如图2所示。

图2 主机内部结构框图

被测样品的光辐射由F卡口进入主机后，依次通过中性滤光片、XYZ三色滤光片，最后到达高分辨率黑白相机；黑白相机将待测件的物像转换成电信号，图像采集卡将黑白相机的电信号进行数字化处理，并通过USB数据线传送至工控机。其中，中性滤光片用于提升亮度计的上限测量能力，当测试高亮度信号时，利用电机1驱动滤光片轮1，将相应的中性滤光片移入光路中；XYZ三色滤光片用于三刺激值的光谱匹配，电机2驱动滤光片轮2，将X，Y，Z三个滤光片依次移入光路中，完成屏幕子像素XYZ三刺激值的测试，通过计算还可以得到每个像素的色度参数。

CCD相机对于光的响应都在存在非线性问题，非线性的校正一般可分为两种：一种是积分时间不变，改变标准光源的光强；另一种是标准光源光强不变，改变CCD的积分时间[8]。本文将两种方法进行结合，得到不同光强和相机积分时间的校正系数，并利用矩阵进行存储，对应关系如下式所示，m,n分别表示不同的光信号与积分时间。测试过程中，亮度计首先通过预测试选取校正系数。

(1)

亮度计中XYZ滤光片与CCD相机视为一体，光谱响应曲线必须与CIE1931标准色度观察者光谱三刺激曲线匹配，首先测得CCD的相对光谱响应曲线，然后计算得到所需XYZ滤光片的光谱透过率，最后利用Cary5000分光光度计测试并筛选所需的XYZ滤光片。中性滤光片主要用于扩大亮度计的测试量程上限，光谱透过率利用Cary5000分光光度计进行校准，不确定度小于0.5%(k=2)。

3 显示屏子像素排列方法

显示屏由多个像素按一定的排列顺序构成，为了使每一个单独的像素可以显示出各种颜色，需要把其分解为红绿蓝3个比像素更低一级的子像素，即3个子像素构成一个整体的彩色像素。当需要显示不同颜色的时候，3个子像素分别以不同的亮度发光，子像素的尺寸非常小，在视觉上就会混合成所需要的颜色[8,9]。

3.1 RGB排列法

液晶显示器和LCD手机屏幕的子像素按照标准RGB排列法进行排列，如图3(a)所示。OLED屏幕具有无需背光层和液晶层，单个子像素自发光的特点，但是OLED屏采用标准RGB排列时寿命较短，为解决此问题，三星研究出了PenTile的子像素排列方式，如图3(b)所示。PenTile排列法增大了蓝色和红色面积，绿色像素被完整保留下来，再通过软件算法的优化，OLED屏幕寿命短的问题得到了明显的改善。但是PenTile排列导致实际分辨率降低，为提高分辨率，厂家对PenTile排列进行了改进。

图3 显示屏子像素RGB排列示意图

3.2 PenTile排列法的改进版

为了弥补分辨率被降低的问题，三星采用了特殊的子像素排列方式，如图4所示，子像素不是传统的竖条排列形式，4个子像素呈菱形排列，由此又被称作“钻石排列”。钻石排列让子像素之间更加紧密，将分辨率提升至标准RGB的80%左右。

图4 三星屏幕子像素“钻石排列”示意图

由于PenTile排列和钻石排列方式都已经被三星已申请了专利。国内厂商为解决子像素寿命问题，对子像素的排列进行了创新性设计，例如Delta排列和周冬雨排列，如图5所示。

图5 国内PenTile排列示意图

周冬雨排列的设计方案出自京东方，它把一个绿色像素拆成两个子像素，看起来像一只只鸭子，被网友们亲切地称为“周冬雨排列”。目前这两种排列方式的原理与PenTile排列一样，通过扩大蓝色和红色子像素面积来延长屏幕的寿命，同时也避开了三星的专利。

4 实验及结果分析

显微测试需要高精度的位移机构配合，实现上下左右前后的位移调节、旋转及俯仰等角度调节，确保聚焦定位的准确。本文中设计的显微成像亮度计工作距离15mm左右，聚焦过程要求调节步进在μm量级，高精度调整系统如图6所示，可带动显微成像亮度计在垂直方向移动；被测件放置在载物台上，可实现XYZ三轴直线运动，水平面内角度旋转，以及俯仰角度调整。其中，XYZ轴向导轨配有光栅尺，步进分辨率优于1μm；水平面内转盘配有编码器，调整精度优于5″；俯仰角度采用手动调节，调节范围±5°。

图6 微型显示器子像素亮度测试装置结构图

4.1 显微成像亮度计校准

成像亮度计可配备放大倍数为2倍,10倍，20倍和50倍的显微物镜，此次实验选用50倍的物镜，用于验证成像亮度计测试小尺寸样品的能力。在测试之前要进行校准，首先利用积分球光源作为标准，在100cd/m2条件下(x=0.463，y=0.417)对成像亮度计的亮度和色度进行定标，然后利用20μm标准刻线板对尺寸进行标定，校准后再进行测试[9,10]。校准后的设备具有很高的测试精度，计算得到相机每个像元对应的样品尺寸小于0.1μm，远大于子像素尺寸，实验结果见表1。

表1 显微成像亮度计校准后实验结果

校准采用的积分球光源的亮度量值溯源至中国计量科学研究院，不确定度为2.0%，增加测量重复性和均一性引入的不确定度分量，最终得到的不确定度为2.5%(k=2)。

4.2 手机屏幕及微显示器测试

实验选用国内某知名厂商的高端机型，采用三星公司的钻石屏；微显示器选用国内某OLED生产商，0.61英寸彩色显示器，分辨率为1 280×1 024。测试过程中，显示屏均设置为白场，手机屏幕的子像素排列测试结果如图7(a)所示，具体数据见表2，绿色子像素小于蓝色和红色子像素，宽度在14μm左右。

表2 手机屏幕子像素亮度色度结果

微显示器的子像素排列测试结果如图7(b)所示，合成像素尺寸的测试结果为9.1μm×9.1μm，厂家给出的出厂指标是9.3μm×9.3μm。由于采用的是随机选取像素测试，产品指标给出的是平均值，符合预期。

图7 显示屏子像素图像排列测试结果图

5 结束语

为满足微型显示器对子像素亮度和色度参数的测试需求，利用高分辨率黑白相机、XYZ三色滤光片和显微物镜等器件，设计并研制了一套显微式彩色成像亮度计，经校准后测试误差小于1%，相机单个像元对应的样品尺寸小于0.1μm。通过对手机屏幕、微型显示器进行测试，验证了成像亮度计方案的有效性和准确性，亮度量值溯源至中国计量科学研究院，不确定度为2.5%(k=2)。

在测试过程中，配置了高精度多维调整系统，有力保证了成像质量，但是软件系统还不具备图像拼接、坏点检测等功能，有待完善。