戶外LED顯示屏的對(duì)比度問(wèn)題探討

引言

直視型發(fā)光二極管（led）技術(shù)是當(dāng)今實(shí)現(xiàn)戶外數(shù)字標(biāo)識(shí)系統(tǒng)所采用的主流技術(shù)，但這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展也為測(cè)量和評(píng)估對(duì)比度帶來(lái)了很多有趣的挑戰(zhàn)。當(dāng)人們?cè)跒槟骋惶囟ㄓ猛驹诙喾N顯示技術(shù)或多個(gè)顯示屏廠商中選擇適宜器件的時(shí)候，與其它幾項(xiàng)重要的顯示器參數(shù)一樣，對(duì)比度也是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。

大多數(shù)顯示行業(yè)的人士都認(rèn)同，最終用戶中很少有人能真正了解圖像的亮度、色域廣度及保真度對(duì)顯示器的對(duì)比度有何種影響，然而以電視作主要消費(fèi)品的液晶顯示（LCD）消費(fèi)制造商之間，在對(duì)比度方面的激烈競(jìng)爭(zhēng)卻絲毫沒(méi)有減緩。隨著與測(cè)試變量多變性相關(guān)聯(lián)的測(cè)試方法的不同，制造商公布的對(duì)比度指標(biāo)幾乎可出現(xiàn)任意數(shù)值，然而，對(duì)比度實(shí)際可變化的空間卻是有限的。當(dāng)前，動(dòng)態(tài)對(duì)比度技術(shù)指標(biāo)參數(shù)（dynamic- contrast- ratio specifications） 變得越來(lái)越普遍，并逐漸為人們所接受。

不光是消費(fèi)類顯示屏廠商如此，在消費(fèi)類顯示市場(chǎng)銷售壓力的驅(qū)使下，各大LED 顯示屏廠商在對(duì)比度方面也面臨著巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。戶外LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)尤其如此，因?yàn)樽罱K用戶在選擇產(chǎn)品時(shí)最先考慮的總是該產(chǎn)品的對(duì)比度技術(shù)指標(biāo)，即使他們可能并不完全了解戶外顯示屏的測(cè)試環(huán)境和現(xiàn)實(shí)觀看環(huán)境中各個(gè)變量的意義。

1 大尺寸液晶顯示屏的組成部分

為了更好地談?wù)摫疚牡闹黝}，我們很有必要先來(lái)了解一下大尺寸LED顯示屏的基本單元———LED 模組。通過(guò)將模組排布在預(yù)制好的框架內(nèi)，再將這些框架拼裝在一起，最后通過(guò)協(xié)調(diào)它們之間的功率消耗和信號(hào)，就可以構(gòu)成任意尺寸和任意分辨率的顯示屏。

例如美國(guó)堪薩斯州皇家棒球隊(duì)的顯示屏，寬85 英尺，高105 英尺，由36 個(gè)部件共計(jì)5，940 個(gè)LED 模組組成，分辨率達(dá)1，584×1，800 像素，如圖1 所示。

圖1 位于美國(guó)職棒大聯(lián)盟賽場(chǎng)的高清顯示屏由約6，000 個(gè)LED 模組構(gòu)成

LED 模組正表面的機(jī)械參數(shù)是影響顯示屏關(guān)態(tài)測(cè)試的關(guān)鍵影響因素。雖然不同公司的LED 顯示屏的設(shè)計(jì)和制造會(huì)有一定的差別，但是大多數(shù)公司都投入了大量的精力，從各方面來(lái)改善顯示屏的“視頻-黑場(chǎng)”狀態(tài)（video- black），如圖2 所示。

圖2 該LED 模組配備遮陽(yáng)罩， 常被用來(lái)提高戶外標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的對(duì)比度

在大多數(shù)LED 模組中，遮光罩是最后安裝的部分，這種被稱為“遮光罩”的組件是一種百葉窗式的集合體，它在基本的模組裝配完成后才被固定安裝上去，這個(gè)組件對(duì)關(guān)態(tài)下亮度性能的測(cè)量極為重要，遮光罩的名稱來(lái)自于它能使LED 面板免受陽(yáng)光照射。

一般來(lái)說(shuō)，顯示屏直接反射的陽(yáng)光越少，它的總對(duì)比度也就越高。對(duì)于大多數(shù)戶外裝置而言，它們?cè)诎滋斓拇蟛糠謺r(shí)間里都要經(jīng)受太陽(yáng)的照射，所以制造商必須嚴(yán)格地設(shè)計(jì)遮陽(yáng)板，以保證顯示屏能正常工作。遮陽(yáng)板的設(shè)計(jì)也是一個(gè)在顯示屏對(duì)比度和視角之間尋找最佳平衡點(diǎn)的工作。

除了LED 模組的遮陽(yáng)罩設(shè)計(jì)之外，遮陽(yáng)罩表面的紋理結(jié)構(gòu)處理（texturing approach）也會(huì)影響最終會(huì)有多少環(huán)境光被反射到觀察者眼中。一般說(shuō)來(lái)，這與加工方法有關(guān)，毛糙面與半光滑表面的不同之處在于，它會(huì)以漫反射的方式更有效地反射環(huán)境光，這就為觀眾提供了一個(gè)更暗的關(guān)態(tài)，從而提高了顯示屏各個(gè)視角對(duì)比度的均勻性。相比較而言，最后一道處理的拋光涂層，對(duì)從光入射角方向觀看顯得較為黯淡，因此理論上可使制造商提供更高的對(duì)比度。但是該涂層在反射角方向上將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的眩光，這會(huì)影響側(cè)邊觀看（side- angle viewing）的效果。

實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)罩設(shè)計(jì)和毛糙面面罩的方法多采用涂層方式（coating approach），很多但并不是全部的LED 顯示屏廠商都采用防反射、抗紫外線（UV）的黑漆來(lái)處理LED 模組遮陽(yáng)罩的表面，力圖更進(jìn)一步地減小LED 模組表面對(duì)光線的反射。外界環(huán)境條件對(duì)顯示屏的總對(duì)比度也會(huì)產(chǎn)生重要影響。顯示屏長(zhǎng)時(shí)間使用之后，如果不定期清理就會(huì)積累大量灰塵和污垢，超過(guò)一定時(shí)限之后就會(huì)開始影響顯示屏的總對(duì)比度，使“黑”狀態(tài)逐漸變成褐色。目前已引入了幾種清理灰塵和污垢的方法，其實(shí)際效果還有待考證。顯示屏制造商和用戶所面臨的另外一個(gè)挑戰(zhàn)就是應(yīng)對(duì)紫外線對(duì)顯示屏前表面的影響，顯示屏前表面的抗UV涂層或塑料便有助于最大限度地降低這種影響。

最后一點(diǎn)則是，各個(gè)LED 管相對(duì)于顯示屏表面會(huì)高出1～3mm，這也會(huì)降低顯示屏對(duì)比度的性能。

來(lái)自于各LED 所反射光線的強(qiáng)度與LED 尺寸及LED 環(huán)氧樹脂外殼的色彩有一定關(guān)系，每個(gè)LED 都包含一個(gè)用于聚焦光線的反射罩，而這個(gè)反射罩也會(huì)反射進(jìn)入LED 內(nèi)部的各種環(huán)境光，因此，每個(gè)LED本身都有可能降低顯示屏總的對(duì)比度。不過(guò)，幸運(yùn)的是LED 制造商已經(jīng)通過(guò)提高功率效率和提高亮度的方法，采用了只要一個(gè)紅色LED、一個(gè)綠色LED 和一個(gè)藍(lán)色LED 像素點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。過(guò)去生產(chǎn)的LED 顯示屏，針對(duì)當(dāng)時(shí)百葉窗的設(shè)計(jì)及其表面紋理處理的狀況，每個(gè)像素點(diǎn)必須包含12、8、6 或4 個(gè)LED 才能夠提供足夠強(qiáng)的光強(qiáng)（如圖3 所示），而當(dāng)前LED 技術(shù)的不斷前進(jìn)已大大提高了顯示屏的對(duì)比度。

最近出現(xiàn)在LED 視頻產(chǎn)業(yè)界的一種新的運(yùn)營(yíng)手段是用所謂的黑LED 封裝（black LED package），來(lái)提高戶外燈型LED 視頻顯示器的對(duì)比度。大多數(shù)紅綠藍(lán)室外燈型LED 都在環(huán)氧樹脂封裝料中分別添加了更多的紅綠藍(lán)染料，以有效改善辨色性和提高顯示屏的對(duì)比度。所謂“黑封裝”LED，簡(jiǎn)而言之，只是多添加了一些染料予以著色，使它們稍微變暗而并不是發(fā)黑。因?yàn)樘砑恿烁嗟闹玖?，黑LED 封裝確實(shí)最大限度地改善了總的顯示對(duì)比度，但卻是以提高功耗和犧牲顯示屏亮度為代價(jià)的。圖4 中通過(guò)對(duì)比可以看出標(biāo)準(zhǔn)LED 和黑LED 的區(qū)別。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)LED（上排）和黑LED（下排）的區(qū)別

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，所有增強(qiáng)對(duì)比度的方法不僅要在一批模組生產(chǎn)過(guò)程中用統(tǒng)一的方式協(xié)調(diào)起來(lái)，也要將所有模塊在合適的時(shí)間范圍內(nèi)予以協(xié)調(diào)。一部分消費(fèi)群在顯示屏使用5～10 年之后將會(huì)定期要求對(duì)模組進(jìn)行協(xié)調(diào)校準(zhǔn)。LED 視頻顯示屏的正常工作壽命一般是75，000～100，000 小時(shí)。到使用壽命末期，公司一共需要提供11 年的支持以保障對(duì)比度不變，這就需要在每個(gè)工程項(xiàng)目一開始就計(jì)劃好。

2 影響對(duì)比度的變數(shù)

了解了戶外LED 顯示屏的設(shè)計(jì)及其如何對(duì)對(duì)比度構(gòu)成影響，對(duì)深入了解那些會(huì)影響該類產(chǎn)品對(duì)比度測(cè)試的變數(shù)有較大幫助。如前所述，戶外大尺寸LED視頻顯示屏的對(duì)比度極大地依賴于之前所描述過(guò)的模組的構(gòu)造方法，即包括：百葉窗的設(shè)計(jì)、織構(gòu)化（texturing）、涂層以及LED 密度。

為了使對(duì)比度測(cè)試有實(shí)際意義并有可重復(fù)性，很有必要準(zhǔn)備一個(gè)完全黑暗的暗室用以排除外界光線的干擾。在對(duì)比度測(cè)試中，LED 模組、測(cè)試儀器和光源是相互作用的三個(gè)關(guān)鍵因素。大多數(shù)LED 顯示屏制造商只會(huì)做一個(gè)基本的開- 關(guān)（on- off） 測(cè)試流程，其關(guān)態(tài)對(duì)應(yīng)即是視頻黑場(chǎng)（video black）。而在全行業(yè)范圍內(nèi)卻沒(méi)有形成統(tǒng)一的測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，雖然對(duì)某些顯示屏技術(shù)存在著一些測(cè)量對(duì)比度的法定標(biāo)準(zhǔn)，例如VESA FPDM（視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)平板顯示屏測(cè)試），但是這對(duì)LED 行業(yè)卻并不完全適用。和平板顯示器測(cè)量不同，環(huán)境光源（太陽(yáng)）和測(cè)量工具（觀看者）每一天每一刻都在改變，而駕車或步行的行人每分鐘也都在變化，這一點(diǎn)很難在測(cè)試中予以重復(fù)，也很難在一本產(chǎn)品說(shuō)明書里解釋得清楚。

還有一點(diǎn)需要注意的是，在測(cè)試條件下，相對(duì)于較大尺寸的完整LED 顯示屏來(lái)說(shuō)，實(shí)際只能對(duì)單個(gè)的模組或是一些模組的集合來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

在實(shí)測(cè)環(huán)境內(nèi)，環(huán)境光是用人造光源來(lái)再現(xiàn)真實(shí)的戶外觀看環(huán)境的。顯然，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)試環(huán)境中的光源亮度（單位為lux）會(huì)大大影響測(cè)試結(jié)果，這可以用來(lái)增強(qiáng)產(chǎn)品宣傳的優(yōu)勢(shì)。由于照在顯示屏表面的陽(yáng)光本身就是多變的，故任何結(jié)果都可認(rèn)為是合理的。

目前顯示屏制造商公布的說(shuō)明書中，所采用的環(huán)境光亮度范圍是40～50，000 lux。

也可以通過(guò)調(diào)節(jié)光源相對(duì)于顯示屏模組的角度來(lái)提高對(duì)比度的測(cè)試結(jié)果。如前所述，LED 模組會(huì)有水平的百葉窗，即遮陽(yáng)罩，分布在每排LED 或每排像素點(diǎn)之間，增大光源相對(duì)于LED 的角度就可以在模組表面創(chuàng)造出更大的陰影面積，從而最終可以改良顯示屏的黑場(chǎng)狀態(tài)。

最后再聯(lián)系前面所講的，顯示屏制造商還能通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)試儀器相對(duì)于顯示屏表面的角度，來(lái)為自己控制最終的對(duì)比度參數(shù)提供方便。需要再次說(shuō)明的是，這也有可能是光源和水平遮陽(yáng)罩相互作用的結(jié)果。

這三個(gè)基本的可變因素———光源強(qiáng)度、光源角度和測(cè)試儀器的角度———共同決定了最終公布的LED顯示屏對(duì)比度。除非不同顯示屏的測(cè)試被統(tǒng)一起來(lái)，不然在不同產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果之間作比較是不太恰當(dāng)?shù)摹Ｒ虼?，顯示屏制造商出版的對(duì)比度說(shuō)明書并沒(méi)有太大的實(shí)際意義（如圖5 所示）。

現(xiàn)實(shí)的觀看環(huán)境和測(cè)試環(huán)境中，光源強(qiáng)度、光源角度及測(cè)試角度這三個(gè)變量還是有一定的對(duì)應(yīng)性的。天空的狀況，對(duì)于照射在顯示屏表面的陽(yáng)光光強(qiáng)就有非常大的影響。在一年中的不同時(shí)節(jié)以及一天中的不同時(shí)刻，陽(yáng)光照射在顯示屏表面的角度會(huì)不斷變換，而且觀看者與顯示屏前表面的相對(duì)位置也會(huì)不斷變化。這同前面所述的兩個(gè)變量相互作用，使人們只能得到某一特定觀看狀態(tài)下的精確對(duì)比度。

這種環(huán)境和室內(nèi)家庭影院有著本質(zhì)的區(qū)別，而室內(nèi)環(huán)境卻是挑起對(duì)比度紛爭(zhēng)的發(fā)源地。在室內(nèi)，光線條件和觀看的位置在這里都是人為預(yù)先設(shè)置的。

3 結(jié)論

LED 顯示屏制造商將會(huì)繼續(xù)發(fā)布對(duì)比度的參數(shù)，以便更好地吸引消費(fèi)者的注意力，這也是市場(chǎng)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境使然。然而，工業(yè)界有責(zé)任和義務(wù)對(duì)消費(fèi)者就有關(guān)幾個(gè)變量進(jìn)行必要的“教育”，隨著對(duì)比度參數(shù)值攀升得越來(lái)越高，對(duì)客戶的教育也會(huì)變得越來(lái)越困難。就目前的LED 顯示市場(chǎng)而言，我們會(huì)看到戶外顯示屏對(duì)比度的參數(shù)指標(biāo)將要達(dá)到100，000:1，在不久的將來(lái)還會(huì)達(dá)到更高，但是將來(lái)這么高的數(shù)值可能仍然沒(méi)有太大的實(shí)際意義。
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