Mini LED直顯屏的灰階響應時間特性測試方法研究

關鍵詞： Mini LED 直顯屏; 灰階響應時間; 刷新率; 實時測試

中圖分類號： TB9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）02–0106–06

0 引言

LED（light emitting diode）是一種半導體固體發光器件，LED 的核心部分是P 型、N 型半導體組成的晶片。在P 型半導體和N 型半導體中間形成PN 結，施加正向電壓使PN 結導通時，可以將電能轉換為光能；當施加反向電壓到PN 結時，少數載流子難以注入，因此無法發光[1]。在20 世紀80 年代以前，LED 只有紅、橙、黃、綠顏色的光產生，主要應用于指示信息階段[2]。基于三原色的原理，加入熒光粉后LED 的發展和應用進入全彩普通照明階段[3]。隨著對LED 顯示屏的進一步開發研究，其憑借著綠色環保、高節能、長壽命、體積小、高光效等優勢在戶外商業廣告、影院數字娛樂、監控指揮、軍事科技等領域廣泛應用[4-5]。

隨著科學技術的發展，投影顯示朝著微型化、高亮度、高節能和快速響應等趨勢發展，微小型顯示設備逐漸受到越來越多的關注。常見的顯示技術包括LCD（ liquid crystal display）液晶顯示技術[6]、LED 顯示技術、OLED（organic light-emitting diode）顯示技術[7]。其中，LCD 為背光源式發光，較難實現高清、微小型顯示設備的開發；而OLED 雖然具有自發光屬性，但其像素密度難以進一步突破，且顯示設備壽命短；則 LCD 和OLED 顯示技術均存在難以進一步提升顯示性能的弊端。本文研究的顯示技術主要聚焦于Mini LED 顯示技術[8]，其作為新型的自發光顯示器件，同時具備照明和顯示的功能，像素尺寸可達微米量級，可以設計實現高分辨率和低損耗的微型投影成像設備。隨著新興顯示技術的產生和興起，市場上衍生出許多投影顯示設備等其他娛樂消費電子產品，其產品參數信息標注參差不齊，測試手段變化不一，缺少統一的約束標準[9-10]，因此本文著重研究搭建實時的Mini LED 直顯屏的灰階響應時間測試裝置，以及實驗測試Mini LED直顯屏在不同顯示條件下的灰階響應時間變化規律。

響應時間是指顯示器各像素點對輸入信號反應的速度[11]，即像素由暗轉亮或者由亮轉暗所需的時間，它是各類顯示器的重要性能參數。響應時間包括黑白響應時間和灰階響應時間。早期LED 顯示屏顯示顏色單一，簡單考慮黑白響應時間即可粗略表示顯示屏的響應時間。隨著顯示器的全彩顯示，其具有不同亮度的層次級別，層次越多，所呈現的畫面越細膩，因此顯示屏的動態響應更傾向于對其灰階響應時間進行測試標定，通常灰階響應時間越短的顯示器，運動圖像的顯示特性越好。響應時間過長則會導致動態畫面顯示出現“殘影”現象。

本文內容結構可劃分為四節：第一節主要描述搭建Mini LED 直顯屏的響應時間控制及測試裝置；第二節簡述實驗操作流程；第三節進行測試實驗，測試Mini LED 直顯屏在不同刷新率及顯示不同顏色時的灰階響應時間，并且進行數據分析；第四節總結文章內容。

1 Mini LED直顯屏響應時間測試裝置

1.1 灰階響應時間測試原理

顯示器品質決定因素包括分辨率（像素數量）、像素密度（ PPI） 、觀察距離等。一般而言， MiniLED是指100～300μm大小的芯片， 芯片間距在0.1～1mm之間，往往應用于直顯[10] 或者LCD背光[12]。其中Mini LED背光源具有成本低、應用范圍廣、壽命長等優勢，在智能手機、汽車、VR 顯示等領域有巨大的發展潛力。Mini LED直顯技術延續小間距技術路線，進一步對芯片進行微縮化，彌補了傳統LED顯示與Micro LED顯示技術的空白，Mini LED自發光方案更多應用于公共顯示領域，如廣告傳媒、交通控制、安防、夜景經濟等領域。經過二十余年的發展，LED芯片尺寸不斷縮小，像素間距不斷減小，像素密度不斷提高。隨著Mini LED直顯技術不斷成熟，其應用需求也不斷增長，針對Mini LED顯示屏的電學特性參數進行實時標定顯得尤為重要。在使用顯示屏時，人們能比較直觀的感受到顯示屏在使用時的流暢程度，這種感官可以通過響應時間的長短定量分析，因此本文著重介紹了Mini LED顯示屏的灰階響應時間測量。

無論是LCD、OLED或者是Mini LED顯示屏，其核心發光原理可以簡化為單個像素點發光，其中每個像素內含紅綠藍（RGB）三個子像素，通過對RGB三個子像素分別做不同的明暗亮度變化處理，就能實現彩色畫面的顯示。這中間明暗亮度變化的等級越多，所呈現的畫面越細膩。不同的亮度即不同的灰階，從一個亮度變化到另一個亮度所用的時間即灰階響應時間。若要控制像素點的亮度，就需要傳輸代表亮度的信號，用二進制0 和1 表示不同電信號，如果有21 個信號，二進制0 表示全黑狀態，1表示全亮狀態，則這個子像素就能有兩種亮度信號，其動態響應時間即為黑白響應時間；若有22個信號，則該像素有全黑（00）、低亮（01）、高亮（10）、全亮（11）四種亮度狀態；以此類推，當輸入23個信號時，像素可以有八種亮度狀態，如圖1 所示。隨著亮度控制信號的冪級數增加，像素點能調整的亮度等級也越多，在呈現連續色彩過渡時越平滑。以8 bit 的面板為例，該顯示屏能夠顯示256 個亮度等級，也稱之為256 個灰階[13]。

LED顯示屏從某一個灰階到另一個灰階時，其電信號如圖2（a） 所示，為一個方波激勵信號。對于像素點中的LED芯片而言，其響應過程如圖2（b）所示，其中10% 的亮度變化到90% 亮度所用的時間即為上升時間，用Tr 表示；當電壓信號撤銷后，亮度由90% 變化到10% 所用的時間即為下降時間，記為Tf，而上升時間與下降時間之和為該亮度等級變化區間的灰階響應時間[14]。特殊地，當灰階由0級變化到255級時即為黑白響應時間，實現了灰階響應時間與黑白響應時間的統一。

1.2灰階響應時間測試裝置的搭建

搭建了Mini LED直顯屏的灰階響應時間測試裝置，為了研究刷新率和不同顏色對灰階響應時間的影響，為響應時間的計量提供技術支持，在不同刷新率、不同顏色下采用高速光電探測器測量MiniLED直顯屏的灰階響應時間。搭建的LED直顯屏灰階響應時間實時控制裝置的設計方案如圖3所示。

該測試裝置主要包括待測Mini LED直顯屏、控制器、直流穩壓電源和PC端控制軟件。其中Mini" LED直顯屏的型號為深圳雷曼光電科技股份有限公司YF0.9，物理尺寸為300mm×337.5mm（長×寬），像素間距為0.9375μm；控制器內含接收卡和發送器，通過電腦端的軟件進行控制，其控制界面如圖4所示。整個控制流程可以概述為：1）啟動穩壓電源，同時為控制器及Mini LED直顯屏供電，可以觀察到LED直顯屏被點亮；2）連接PC 端與控制器，打開LED 控制軟件，可以提前保存所需測量的灰階文件，在實驗過程中便于對LED顯示器進行不同顏色和不同灰度值的控制，刷新率同樣可在屏幕配置頁面內進行更改。

該灰階響應時間測試過程中需要搭建光學測試裝置，主要包括顯微物鏡、高速光電探測器，如圖5所示。考慮到Mini LED顯示屏響應時間在ns 數量級范圍，因此本文實驗時選用索雷博公司的一款硅基高速光電探測器，其帶寬為150MHz，最小能夠測試上升時間為2.3ns的信號。其測試原理為：穩壓源給Mini LED 直顯屏供電，采用高倍率的顯微物鏡捕捉顯示屏的光信號，再由高速光電探測器把光信號轉化為電信號，通過BNC 接口導線與示波器相連，即可完成信號采集。圖5中示波器顯示波形為某一灰階狀態下的實時波形。結合實時控制裝置及光學測試裝置示意圖，本文搭建的實物測試裝置如圖6 所示。

2灰階響應時間測試流程

對于Mini LED直顯屏，通過軟件控制能夠顯示標準的255級灰階亮度。其中0 級灰階和255級灰階分別表示全暗和全亮。本文測量的特征灰階等級分別為0、63、127、191、255級灰階，同時需要進一步測量LED 直顯屏在某一灰階響應時間的上升時間和下降時間。此外，本文使用的控制軟件是通過更改像素時鐘信號DCLK 的設置參數，進而實現Mini LED直顯屏刷新率的改變，本文主要測試的特征刷新率為2 160、2880、3 420Hz。因此完成某一特征刷新率下LED直顯屏顯示某一顏色時灰階響應時間的測試過程可以描述為：1）分別測試相鄰灰階等級的上升時間，如0 級灰階變換到63階、127階、191階、255階的上升時間，并且相鄰灰階測試上升時間時需要進行至少5次的重復實驗，取平均值，減小誤差；2）上升時間測試結束后再逆序，測量顯示屏從255 級灰階依次變換到191階、127階、63階、0階的下降時間，重復測試取平均值；3）當直顯屏處于某固定刷新率且顯示某一顏色時，需要測試的灰階區間包含10 個遞增灰階區間及對應的逆序10個遞減灰階區間，處理測試數據，分別記錄各個特征灰階等級的平均上升時間和平均下降時間，再次進行數據處理，計算獲得該顯示狀態下Mini LED直顯屏的灰階響應時間值。根據實驗要求，靈活改變Mini LED 直顯屏的灰階等級、顯示顏色、刷新率即可滿足測量需求。

3灰階響應時間測試結果

3.1不同顏色時的灰階響應時間

基于第一節介紹的灰階響應時間實時測試裝置和第二節的實驗流程，可以在PC 端控制顯示屏處于3 420 Hz 的刷新率，并且Mini LED直顯屏始終顯示白色時進行實驗。還需要不斷改變灰階級數，使得Mini LED直顯屏能夠平滑地進行亮度切換。調整高速光電探測器的位置，保證示波器能夠捕捉到類似方波的脈沖信號。測試該信號的頻率為控制器所讀取的3420Hz時，可以判斷出該信號即為待測信號。適當調整示波器的水平時基，使示波器顯示屏恰能夠觀測到一個周期的完整信號，此時測試上升時間以及下降時間最佳。如圖7 所示即為刷新率在3 420 Hz 時，LED直顯屏亮白光的灰階響應時間測試表。保證刷新率不變的基礎上，使Mini LED 直顯屏分別顯示紅、綠、藍三種顏色，分別進行測試，可繪制如圖8 所示的不同顏色的灰階響應時間圖。

測試結果表明，當刷新率為3420Hz 時，MiniLED直顯屏顯示不同顏色時，灰階響應時間不同，且當Mini LED直顯屏顯示白色時其灰階響應時間最長；當顯示三原色RGB時，顯示紅色的灰階響應時間最短，約為526.21ns，其次是顯示綠色，顯示藍色時測試的灰階響應時間最長，約為700.10ns。

3.2不同刷新率時的灰階響應時間

LED顯示屏的刷新率又叫“刷新頻率”或者“視覺刷新率”，是指每秒鐘畫面被顯示器重復顯示的次數，單位是Hz。顯示屏的刷新率越高，畫面顯示越穩定，視覺閃爍越小。一般情況下，當LED 顯示屏的刷新率高于960Hz 時，肉眼就很難分辨出顯示屏是否閃爍，但是可以通過手機高清攝像或者錄像設備分辨。較為直觀的區別在于普通刷新率960Hz的屏幕用手機拍攝時有水波紋，畫面閃爍較為明顯，而高刷的顯示屏不會有水波紋。考慮到Mini LED直顯屏屬于高刷LED顯示屏，因此本文選取的特征刷新頻率為2 160、2880、3420Hz。測試了不同刷新率對灰階響應時間的影響。如圖9 所示即為Mini LED直顯屏為白色時，不同刷新率下測試的灰階響應時間圖。為了減小實驗誤差，提高測量精度，進一步實驗分析不同顏色和不同刷新率對MiniLED直顯屏的灰階響應時間的影響，測試結果如圖10所示。

測試結果表明，隨著Mini LED直顯屏刷新率的增加，白光的灰階響應時間縮短，并且當LED直顯屏顯示不同顏色時，該規律同樣適用。由此，本文提出并搭建的灰階響應時間測試系統能夠較好地滿足實時、高效、穩定地進行實驗測試的需求。

4結束語

本文提出了一種Mini LED直顯屏的灰階響應時間控制及實時測試裝置，并且進行實驗測試LED直顯屏顯示不同顏色及不同刷新率時灰階響應時間的變化，測試結果可以總結為：1）當LED直顯屏顯示三原色（RGB）時，亮紅光的灰階響應時間最短、綠光次之、顯示為藍色光時灰階響應時間最長；當Mini" LED直顯屏顯示白光時，灰階響應時間較長；歸因于LED直顯原理，在測試RGB光時，捕捉到的是三原色像素點發出的光，不同顏色的光源其響應時間不同，而白光是通過RGB 混合后實現，因此在測試結果獲得的響應時間較長。2）隨著顯示屏刷新率的增加，其測試的灰階響應時間會隨之加快。顯然刷新率的加快會使顯示屏畫面更新速度加快，則灰階之間的變換速度也會隨之加快。

實驗結果表明，本文提出的灰階響應時間測試裝置結構簡單、方便實時、測試結果穩定，不隨外界環境的變化而影響測試結果。因此，可以通過本文所述的測試方法為市場上各種LED顯示屏的灰階響應時間的測試標定提供指導。