液晶显示标准白场仪亮度与色品坐标特性评估与不确定度评定

廖小华

（福建省计量科学研究院 福建 福州 350003）

0 引言

液晶显示器是一种借助于薄膜晶体管（TFT）驱动的有源矩阵液晶显示器，它主要以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。液晶显示器是在电场的作用下，利用液晶分子的排列方向发生变化，使外光源透光率调制，完成光-电转换，再利用RGB 三基色信号的不同激励，通过红绿蓝三基色滤光膜，完场时域和空间域的彩色重显。随着科技的发展，显示器有了飞速发展，从阴极射线管到液晶显示器、等离子体显示器、激光显示器。色彩分析仪是测量显示器的光度、色度的主要仪器，为保障色彩分析仪的测量的数据准确可靠，经常需要应用标准白场仪对色彩分析仪和白平衡仪等色彩测量仪器进行校准[1]，只有校准后的仪器才能对色彩信息进行准确的测量、分析与调整。在校准过程中，标准白场仪作为色彩分析仪溯源标准器，其准确性将直接影响被校准仪器的测量准确性。也有专家[2]对液晶显示白场仪亮度参数均匀性与稳定性做了部分研究，但白场仪作为色彩分析仪溯源的主要标准器，除了亮度参数还有色品坐标等更加重要的参数，本文不仅对液晶显示标准白场仪亮度参数特性探究，还对色品坐标等光学参数进行探究，并与亮度参数进行比较与评估，同时评定了亮度与色品坐标的不确定度。通过该研究为液晶显示标准白场仪的校准方法制定提供技术参考，也为提高色彩分析仪计量溯源准确性与校准效率提供技术支撑。

1 白场仪亮度与色品坐标实验方法

实验条件：在暗室内环境下，环境温度（21.0±2）℃，湿度（55±5）%RH；主要实验设备：液晶标准白场仪（液晶屏尺寸30 mm×23 mm），分光辐射亮度计型号CS-2 000 A，该亮度计经中国计量科学研究院定溯源定标，其中亮度参数校准结果相对不确定度Urel=2.0%，k=2，色品坐标（x，y）校准结果扩展不确定度Ux=Uy=0.003，k=2。实验过程中分光辐射亮度计的光轴和被测区域正交垂直，见图1。

1.1 白场仪亮度与色品坐标参数稳定性实验

开启液晶标准白场仪，并且将其调至白场6 500 K（R255，G255，B215）模式下，将分光辐射亮度计测试液晶显示中心位置，每隔3 min 记录一组白场仪的亮度与色品坐标参数数据，共记录60 min 内的21 组数据。

1.2 白场仪亮度与色品坐标不均匀度实验

考察白场仪6 cm×6 cm、12 cm×12 cm、18 cm×18 cm 3 个区域亮度不均匀度与色品坐标不均匀度，将以液晶显示器中点为中心测试3 个不同面积的区域平均分成9个小区域，见图2。每个小区域的中心点作为测试点，待白场仪稳定后，依次测试6 cm×6 cm、12 cm×12 cm、18 cm×18 cm 区域内的白场6 500 K（R255，G255，B215）模式下的亮度与色品坐标（x，y）值，并记录相应的数值。

2 实验结果与分析

2.1 白场仪亮度与色品坐标参数稳定性比较与评估

图3 为60 min 内标准白场仪白场亮度与色品坐标随时间的变化图，从图中可见，刚开始亮度值较高达到364 cd/m2，但随时时间的变化，20 min 后，亮度值就达到稳定值340 cd/m2；分光辐射亮度计的亮度校准结果不确定为Urel=2.0%，k=2；因标准器不确定度造成的不稳定性，亮度值（6.8 ～7.3）cd/m2，现在亮度变化量在24 cd/m2。色品坐标x值60 min 内在0.274、0273 之间变化，色品坐标y值60 min 在0.375、0.376 之间变化，分光辐射亮度计的色品坐标（x，y）校准结果不确定是Ux=Uy=0.003，k=2；色品坐标（x，y）0.001 的变化量可能由于标准器不确定度引起的，而非因白场仪的不稳定性造成。白场仪亮度值在预热20 min 后才达到稳定值，而色品坐标（x，y），开机即达到稳定值，故标准白场仪色品坐标测试校准过程中无需预热。使用液晶标准白场仪量传色彩分析仪工作时，标准白场仪运行即可开展色彩分析仪色品坐标（x，y）参数的校准工作，而亮度参数需预热20 min。

2.2 白场仪亮度与色品坐标均匀度特性比较与评估

表1 白场6 cm×6 cm 区域的亮度与色品坐标测量值

表2 白场12 cm×12 cm 区域的亮度与色品坐标测量值

表3 白场18 cm×18 cm 区域的亮度与色品坐标测量值

3 亮度与色品坐标的扩展不确定度分析

亮度与色品坐标（x，y）是液晶显示标准白场仪的主要光学参数，分析其主要参数的稳定性与均匀性后，在液晶显示标准白场仪6 500 K（255，255，215）模式下，对中心点的亮度、色品坐标（x，y）参数测量结果不确定度[3]进行分析，亮度与色品坐标（x，y）参数的不确定度主要来源于标准器分光辐射亮度计的最大允许误差或者上一级溯源带来的不确定，测量的过程中液晶标准白场仪的稳定性以及多次测量的重复性带来的不确定度。由于测量过程中选择标准器的同一点进行检测，故由液晶显示标准白场仪不均匀度带来的不确定度忽略不计。分析过程包括模型建立、方差和灵敏系数确定、标准不确定分量评定、合成标准不确定度与扩展不确定度过程。

3.1 亮度校准结果的不确定度分析

3.1.1 不确定度评定的测量模型

L=L 式中：L 为被检标准白场仪的亮度值。

3.1.2 方差和灵敏系数c1=1

3.1.3 标准不确定度分量评定

（1）标准器（分光辐射亮度计）最大允许误差带来的不确定度u1。用分光辐射亮度计来测量，亮度计最大允许误差±2.5%，=1.44%。

（2）被测标准白场仪的测量重复性u2。将标准白场仪调至6 500 K（255，255，215）模式，分光辐射亮度计对准被校标准白场仪中心P0，通过调节物镜，使被校白场仪成像最清晰时，读取测量值2 次，取平均值，如此重复测量10 次，并记录测量的亮度值Li（356.4 cd/m2、355.9 cd/m2、356.8 cd/m2、356.7 cd/m2、356.7 cd/m2、356.4 cd/m2、356.0 cd/m2、356.5 cd/m2、356.9 cd/m2、357.2 cd/m2)，根据贝塞尔公式计算得到单次测量相对标准偏差，×100%=0.12%，每个数据测量2 次，被测标标准白场仪的测量重复性带来的测量不确定度=0.08%。

（3）标准白场仪不稳定性带来的测量不确定度u3。据标准白场仪不稳定度技术要求±1.0%，故不稳定度带来的不确定度u3：u3== 0.58%。

3.1.4 合成相对标准不确定度

合成相对标准不确定度的各分量见表4。

表4 不确定度来源列表

以上各不确定度分量不相关，因此合成相对标准不确定度uc==1.58%；相对扩展不确定度的表示：Urel=kuc= 3.2%，k=2。

3.2 色品坐标（x，y）校准结果的不确定度评定

3.2.1 不确定度评定的测量模型

x=x,y=y；式中：x——被检标准白场仪的色品坐标x；y——被检标准白场仪的色品坐标y。

3.2.2 方差和灵敏系数

c1=1

3.2.3 标准不确定度分量评定

（1）分光辐射亮度计标准器的色品坐标（x，y）最大允许误差（±0.0015）带来的不确定度u1，u1==0.0009。

（2）被测标准白场仪的测量重复性u2。将标准白场仪调至6500K（255，255，215）模式，分光辐射亮度计对准被校准标准白场仪中心P0，通过调节物镜，使被校白场仪成像最清晰时，读取2 次测量色品坐标，重复测量10 次，并记录测量的色品坐标（x，y）值xi与yi（i= 1，2，…10），根据贝塞尔公式计算测量的标准偏差，即为被测标准白场仪的测量重复性带来的测量不确定度u2x与u2y，分别为0.000045 与0.00004，数据见表5。

表5 被测标准白场仪重复测量的色品坐标（x，y）数据表（n=10）

（3）标准白场仪不稳定性带来的测量不确定度u3。依据标准白场仪色品坐标（x，y）不稳定性技术要求±0.001，故不稳定性带来的不确定度u3：u3==0.0006。

3.2.4 合成相对标准不确定度

合成相对标准不确定度的各分量见表6。

表6 不确定度来源列表

4 结语

通过实验表明：（1）使用标准白场仪作为色彩分析仪亮度参数的量传时，需要开机预热20 min 以上，亮度才能到达稳定，随着液晶标准白场仪测试区域的不断增大，亮度不均匀度越来越大，需要对液晶标准白场仪划分有效区域以保证亮度参数溯源的准确度，尽量保持测试点与标准白场仪的溯源点为同位置，可减小白场仪亮度不均匀度带来不确定度；（2）量传色品坐标（x，y）时，液晶白场仪无需预热，随着测试区域的增大，不均匀度变化量小，位置的不一致性对色彩分析仪量传色品坐标（x，y）校准结果影响小，测试校准过程无需与液晶标准白场仪溯源点保持一致的位置，只要测试点在标准白场仪溯源点附近位置即可。通过对液晶显示标准白场仪的亮度、色品坐标稳定性、均匀度等参数的全面评估，同时对液晶显示器校准结果的亮度与色品坐标（x，y）进行不确定度分析，为液晶显示标准白场仪校准方法的制定提供技术依据，同时也为色彩分析仪的量传中工作效率的提高提供参考。