LED视角对显示屏亮度均匀性的视觉影响分析

1、引言

       2003年颁布的电子行业标准SJ/T11281-2003《LED显示屏测试方法》，其中亮度均匀性的测量是以色度学理论为基础，测量数据与人的视觉无关，并不牵涉到观察者在空间位置以及观察角度的变化等因素。由于led显示屏作为一种大屏幕显示产品，它给人们的视觉效应可想而知，因此需要从不同角度对LED显示屏进行观察，定性分析不同视角对LED显示屏亮度均匀性的影响，以便对LED显示屏给予更客观的评价。

2、 LED视角

LED发光管的出光面特征一般分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。

led封装时所采用的出光面形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。

LED的半值角（或称半功率角）是指发光强度值为光轴方向强度值一半的方向与光轴方向之间的夹角。半值角的2倍称为LED的视角。

LED的发光强度随观察角度的变化而变化，从不同角度观察LED发光管，它的发光强度有很大差别。发光强度的大小由LED发光管自身的发光强度角分布曲线决定，其分布曲线如图1所示。LED光轴方向相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）为1，即发光强度最大。离开光轴方向的角度越大，相对发光强度越小。由图1可以估算出该LED的半值角，视角值为。

为了满足LED显示屏大视角显示效果的要求，一般选择视角较大的LED发光管。本文针对出光面为圆形的LED发光管进行分析。

3 、LED显示屏亮度均匀性测量

《LED显示屏测试方法》所规定的亮度均匀性的测量只是针对LED发光管的光轴方向的亮度测量。图2为LED显示屏的亮度测量的正视图，为方便起见，只对LED显示屏图三个区域进行分析。显示区域1、显示区域2、显示区域3的位置参见图2。显示区域1、显示区域2、显示区域3的发光强度角分布曲线及检测位置1、检测位置2、检测位置3如图3所示。根据《LED显示屏测试方法》对的三个显示区域进行亮度测量，检测位置1、检测位置2、检测位置3分别位于显示区域1、显示区域2、显示区域3的光轴方向。所测量的亮度值是各个区域最大的亮度值。本文假定三个显示区域的发光强度角分布曲线相同，因此得到LED显示屏三个显示区域的发光强度相同， LED显示屏的亮度均匀性达到国家C级标准。

4 、LED视角对显示屏亮度均匀性的影响

由于LED本身视角的问题，LED显示屏的亮度会随观察角度的改变而改变，影响了显示屏的显示效果。观察者从不同的角度观看显示屏，亮度的改变会对LED显示屏亮度均匀性产生负面影响。

LED显示屏在实际使用中，观察者会在一定范围内对显示屏进行观察。以图4为例，假设观察者在观察位置1、观察位置2、观察位置3对LED显示屏进行观察，观察者在观察位置1、观察位置2、观察位置3的视轴与图2所示的显示区域1、显示区域2、显示区域3的光轴重合。

在观察位置1时，显示区域1的亮度最大，显示区域3的亮度最小，显示区域2的亮度介于两者之间；在观察位置2时，显示区域2的亮度最大，显示区域1和显示区域3的亮度基本相同，但小于显示区域2的亮度；在观察位置3时，显示区域3的亮度最大，显示区域1的亮度最小，显示区域2的亮度介于两者之间。虽然三个显示区域的LED发光强度角分布曲线相同，但是由于LED视角的影响，导致在同一个观察位置，三个区域亮度值都不相同。

显示区域1，在观察位置1时亮度最大，在观察位置3时亮度最小，在观察位置2时亮度介于两者之间；显示区域2，在观察位置2时亮度最大，在观察位置1和观察位置3时亮度基本相同，但小于在观察位置2时的亮度；显示区域3，在观察位置3时亮度最大，在观察位置1时亮度最小，在观察位置2时亮度介于两者之间，因此LED显示屏相同区域的亮度会随观察角度的不同发生变化。

根据LED发光强度角分布曲线的变化规律，对观察位置1、观察位置2、观察位置3进行LED显示屏整屏亮度分布仿真。LED显示屏亮度分布情况如图5所示。图5(a) 是仿真在观察位置1观察到的LED显示屏亮度分布情况。图5(b) 是仿真在观察位置2观察到的LED显示屏亮度分布情况。图5(c) 是仿真在观察位置3观察到的LED显示屏亮度分布情况。

在一定的观察范围内，LED显示屏的相邻区域的亮度变化大小是由发光强度角分布曲线的斜率决定的。发光强度角分布曲线的曲率大，相邻区域的LED亮度变化越大；发光强度角分布曲线的曲率小，相邻区域的LED亮度变化越小。亮度以观察位置在显示屏上的投影为圆心，呈同心圆分布，圆心处最亮，亮度随半径的增加而减小，亮度变化与发光强度角分布曲线的曲率有关。

对三种情况的亮度分布进行分析，可知观察位置1、观察位置3的LED显示屏不同显示区域的最高亮度与最低亮度差别比较大，因此在观察位置1、观察位置3所观测到LED显示屏亮度均匀性较差。观察位置2所观测的LED显示屏不同显示区域的最高亮度与最低亮度差别较小，因此在观察位置2所观测到的LED显示屏亮度均匀性较好。但观察位置2所观测的LED显示屏亮度均匀性要远低于由《LED显示屏测试方法》所测得的LED显示屏的亮度均匀性。

在理想状态下，观察者在不同位置观察LED显示屏，所得到不同位置所观测到的显示屏亮度均匀性数据，由这些数据构成图6所示三维分布图。通过对图6的分析，观察者在LED显示屏中心区观察时，LED显示屏的亮度均匀性最好，但中心观察区域所观测的LED显示屏亮度均匀性要远低于由《LED显示屏测试方法》所测得的LED显示屏的亮度均匀性。在边缘位置观察LED显示屏，亮度均匀性较差。观察位置与中心观察区域距离越远，LED显示屏的亮度均匀性越差。

5 、讨论

在LED显示屏的实际应用中，通过LED发光强度角分布曲线可以仿真出LED显示屏亮度均匀性与观测位置之间关系，利用客观评价标准来完成以前只能通过人眼进行的评估可以估算出最佳观测范围。它的优点是在研发阶段就能预知其最终的显示效果以降低风险，节约时间和资金。由于显示屏的评估是一个较为繁琐的过程，有很多不确定的方面，本文也只是简单的介绍了LED视角对显示屏亮度均匀性的视觉影响，并没有考虑到其它LED封装形式以及全彩色LED显示屏的色灯排列，模块发光分布的不均匀性以及混色效果等更为复杂的情况。
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