标题:
大型LED显示屏之色彩均匀调校
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作者:
look_w
时间:
2017-10-24 23:59
标题:
大型LED显示屏之色彩均匀调校
前在街头有越来越多的广告看板使用
LED
显示屏,在许多的运动竞赛场地和音乐会也都有它的身影,甚至在北京为
2008
年奥运而准备的光廊,也是举世闻名。
LED
之所以会被用作显示屏的发光组件,不仅是因为它的发光强度够强,而且色彩鲜丽。但是在生产这类大型显示屏时,技术上有很多挑战。最为显著的挑战就是每颗
LED
的辉度及色度多少都有些许的差异,而这些差异使得要制造出具有均匀输出的大面积显示面板,变得困难。此外,
LED
的发光特性也会随着时间而产生变化(劣化),这种变化使得已安装好的显示屏在影像上之表现,也跟着时间而变化。本文将简述目前
LED
显示屏的技术,并说明
Radiant Imaging
所开发的自动化在线及显示屏调校系统
PM-LED
。
LED
看板之构装
过去数十年间,高亮度红色、绿色和蓝色
LED
发光特性,有长足的进步,这个进步使得它们成为大型显示屏最具吸引力的光源。此外,在技术方面,也因为持续地积极开发,使得它们的价格性能不断地改善。其中,
LSI Saco
科技公司自
1995
年就已经开始生产自有品牌的大型
LED
显示屏
──
Smartvision
®
。比较众所皆知的安装场所包括:美国时代广场
Nasdaq
的
MarketSite
,这里所安装的是全世界最大的视讯显示屏;许多的运动场所如
Cincinnati Reds
、
Baltimore Ravens
、
Edmonton Oilers
、
Houston Astros
以及
Milwaukee Brewers
的主场;以及各式的音乐会和娱乐活动等场所如
Madonna
、
U2
、
Janet Jackson
、
Celine Dion
、
Athens Olympics 2004
、
Paul McCartney
、
Robbie Williams
以及
Bon Jovi
等的音乐会都有用到。
基本上,
LED
显示屏是由一个个称为 「模块」的模块拼装而成,模块有一个塑料基板,
LED
组件就是安装在这个塑料基板上面。传统上,每个画素是由一个红色、一个绿色和一个蓝色
LED
组合而成,但是也有一些模块会有不同的组合,以支持不同的配置。最常见的模块画素分辨率有
16 x 16
、
8 x 16
和
12 x 48
。为了配合安装地点的需求,有一些模块的画素间距会不太一样。它的计算方式是在预计的观看距离,使得两个画素点的视线夹角为
2 mrad
。这也就是为什么画素的间距通常是在
3
毫米到
25
毫米之间。
每个模块都有它自己的控制器,所以每个
LED
的驱动电流可以用模拟以及数字的方式来控制。在运作时,直流驱动电流
(DC)
的设定方式是使每个
LED
在特定的环境,能够产生最大的发光强度。例如:在较为明亮的环境时
(
也就是户外阳光照耀之下
)
,这个
DC
的输出会比较高,使得影像在阳光照耀之下也能清晰可见;而在室内或夜间时,由于周遭环境的光线较弱,此时这个
DC
的输出就会比较低,使得影像的光线不会太刺眼。因此,为了控制显示屏的亮度变化,就必须要用到脉冲宽度调变
(pulse width modulation)
技术。具体的说,在显示屏显示的每一个周期内,被指定的
LED
会被关闭一段时间,来降低
LED
的辉度。这样子,不管
DC
的驱动如何,都能使
12
位真实色彩的显示器得以实现。
最后组装好的显示屏,理论上,可随意的使用任意一个模块,而且由于塑料基板的柔软特性,甚至可将显示屏的表面作成有弧状。典型的室内显示屏尺寸可能是在
9
呎
x 16
呎的大小,而室外显示屏的尺寸通常会到
90
呎
x 27
呎。整个显示屏是由一个主控制器来驱动,这个主控制器的功能是将输入的原始讯号(
NTSC
、
PAL
、
HDTV
、复合视讯等),做高画质去杂纹(如果需要的话)之后,将适当的信号传送到每个模块的控制器。
LED
的限制
虽然
LED
的电子及光学特性使得它们成为显示屏最具吸引力的光源,但是对
LED
显示屏制造商而言,仍存在着一些缺点,例如,经由大量生产的
LED
,在辉度及中心波长方面,缺乏一致性(通常可容忍的误差为
±
20 nm
)。过去,具有空间辉度均匀分布的显示屏,是使用经过严格筛选的
LED
制作出来的。对于一个相当大的显示屏而言(例如,在时代广场的显示屏幕就用了
2,200
万个
LED
),这个筛选的动作就显得非常有必要。
另一个特性是输出波长会随着驱动电流的大小而变化,也就是说,当电流随着环境而变化时,显示屏的颜色也就会跟着改变。此外,在固定的驱动电流下,经过长时间的使用,
LED
的辉度也会产生劣化。而且,若只是以增加电流的方式来改善这种情形,也会引起波长的变化。更糟的是,红色、绿色和蓝色
LED
通常是使用不同的材料制作,所以由于使用时间所造成的劣化,在这三种颜色的
LED
也会有不同的劣化速率。
为了最大经济效益及弹性,制造商通常会以量少样多的方式来订购
LED
组件 ,然后使用在不同的产品中,而且还要能达到面板的均匀性以及面板间的一致性。可是,花在筛选
LED
所需的时间与费用也还是无法接受的。此外,如果能够在尚未看到新旧模块间的差异前,也就是避免 「壁砖」现象,就能更换模块,那就更好了。
色彩量测
要对
LED
显示屏做调校,量测系统必须要能够同时一次撷取整个显示屏或模块上,每个画素的辉度以及色度的特性,这个工作可以利用
Radiant Imaging
的
PM-LED
量测系统并搭配该公司所生产的影像式色度计来完成。影像式色度计的重要组件包括摄像镜头、符合
CIE
曲线的彩色滤光镜、快门、
CCD
相机,以及数据撷取,影像处理等硬件/软件。在运作时,系统会透过三个彩色滤光镜连续撷取待测物的影像,然后组合及处理这些影像以得到影像里每个画素的辉度及色度值。
使用
CCD
做影像撷取的商品有很多,但是影像式色度计的性能跟装置的构造、运作参数、以及校正技术等有关。尤其是大型显示屏方面的调校应用,除了需要足够大的动态范围以及优异的色彩准确性之外,噪声必须要够低,以获得较佳的讯噪比
(Signal to Noise Ratio)
。
要使颜色的量测符合人眼视觉的经验,就必须要在一个已经校正过的色彩空间做量测,例如:那些由国际照明委员会
(CIE)
所定义的色彩空间。在这个要求之下,量测系统就必须要使用符合
CIE
定义的
X
、
Y
、
Z
三刺激值曲线的侦测器来做量测。在实务上,要符合
CIE
定义的
X
、
Y
、
Z
三刺激值曲线,需使用外加的彩色滤光镜,如此才能使量测达到较高的准确性。虽然有些
CCD
的彩色滤光镜是直接整合制作在侦测器的表面上,但是这些彩色滤光镜对色彩的反应并不符合
CIE
所定义的曲线,使得这些
CCD
并不适合做为高准确度色彩量测之用。
一般来说,为了要能够有很好的颜色调校,
12
位的数据动态范围是有必要的。
CCD
动态范围的定义是侦测器的全景深除以读取噪声(两者的单位为电子
)
。由于全景深和实际画素的尺寸大小成正比,所以
CCD
的画素点必须要够大。而读取噪声则可以藉由减慢读出速度来降低,而且也可藉由冷却
CCD
来降低热噪声。
为了要达到大动态范围和低噪声,在量测时,显示屏上的每个
LED
都必须用数个
CCD
画素来撷取(至少是
6X6
个
CCD
画素对应一个
LED
),因此,就必须要使用全像
CCD (full frame CCD)
,而不是用扫瞄型
CCD (interline transfer CCD)
。在扫瞄型
CCD
,每一行感光区与每一行感光区间都有一行的屏蔽,所以一个
LED
的量测结果是来自于少数几个
CCD
画素的数据,结果是讯噪比过低,使得量测上产生较大的误差。
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