引言

　　直視型發光二極管（LED）技術是當今實現戶外數字標識系統所采用的主流技術，但這項技術的發展也為測量和評估對比度帶來了很多有趣的挑戰。當人們在為某一特定用途在多種顯示技術或多個顯示屏廠商中選擇適宜器件的時候，與其它幾項重要的顯示器參數一樣，對比度也是一個關鍵的考慮因素。

　　大多數顯示行業的人士都認同，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顯示器的對比度有何種影響，然而以電視作主要消費品的液晶顯示（LCD）消費制造商之間，在對比度方面的激烈競爭卻絲毫沒有減緩。隨著與測試變量多變性相關聯的測試方法的不同，制造商公布的對比度指標幾乎可出現任意數值，然而，對比度實際可變化的空間卻是有限的。當前，動態對比度技術指標參數（dynamic- contrast- ratio specifications） 變得越來越普遍，并逐漸為人們所接受。

　　不光是消費類顯示屏廠商如此，在消費類顯示市場銷售壓力的驅使下，各大LED 顯示屏廠商在對比度方面也面臨著巨大的競爭壓力。戶外LED 顯示屏產業尤其如此，因為最終用戶在選擇產品時最先考慮的總是該產品的對比度技術指標，即使他們可能并不完全了解戶外顯示屏的測試環境和現實觀看環境中各個變量的意義。

　　1 大尺寸液晶顯示屏的組成部分

　　為了更好地談論本文的主題，我們很有必要先來了解一下大尺寸LED顯示屏的基本單元———LED 模組。通過將模組排布在預制好的框架內，再將這些框架拼裝在一起，最后通過協調它們之間的功率消耗和信號，就可以構成任意尺寸和任意分辨率的顯示屏。

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

　　圖1 位于美國職棒大聯盟賽場的高清顯示屏由約6，000 個LED 模組構成

　　LED 模組正表面的機械參數是影響顯示屏關態測試的關鍵影響因素。雖然不同公司的LED 顯示屏的設計和制造會有一定的差別，但是大多數公司都投入了大量的精力，從各方面來改善顯示屏的“視頻-黑場”狀態（video- black），如圖2 所示。

　　圖2 該LED 模組配備遮陽罩， 常被用來提高戶外標識系統的對比度

　　在大多數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，這個組件對關態下亮度性能的測量極為重要，遮光罩的名稱來自于它能使LED 面板免受陽光照射。

　　一般來說，顯示屏直接反射的陽光越少，它的總對比度也就越高。對于大多數戶外裝置而言，它們在白天的大部分時間里都要經受太陽的照射，所以制造商必須嚴格地設計遮陽板，以保證顯示屏能正常工作。遮陽板的設計也是一個在顯示屏對比度和視角之間尋找最佳平衡點的工作。

　　除了LED 模組的遮陽罩設計之外，遮陽罩表面的紋理結構處理（texturing approach）也會影響最終會有多少環境光被反射到觀察者眼中。一般說來，這與加工方法有關，毛糙面與半光滑表面的不同之處在于，它會以漫反射的方式更有效地反射環境光，這就為觀眾提供了一個更暗的關態，從而提高了顯示屏各個視角對比度的均勻性。相比較而言，最后一道處理的拋光涂層，對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比度。但是該涂層在反射角方向上將會產生嚴重的眩光，這會影響側邊觀看（side- angle viewing）的效果。

　　實現遮陽罩設計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）的黑漆來處理LED 模組遮陽罩的表面，力圖更進一步地減小LED 模組表面對光線的反射。外界環境條件對顯示屏的總對比度也會產生重要影響。顯示屏長時間使用之后，如果不定期清理就會積累大量灰塵和污垢，超過一定時限之后就會開始影響顯示屏的總對比度，使“黑”狀態逐漸變成褐色。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挑戰就是應對紫外線對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。

　　最后一點則是，各個LED 管相對于顯示屏表面會高出1～3mm，這也會降低顯示屏對比度的性能。

　　來自于各LED 所反射光線的強度與LED 尺寸及LED 環氧樹脂外殼的色彩有一定關系，每個LED 都包含一個用于聚焦光線的反射罩，而這個反射罩也會反射進入LED 內部的各種環境光，因此，每個LED本身都有可能降低顯示屏總的對比度。不過，幸運的是LED 制造商已經通過提高功率效率和提高亮度的方法，采用了只要一個紅色LED、一個綠色LED 和一個藍色LED 像素點的優化設計。過去生產的LED 顯示屏，針對當時百葉窗的設計及其表面紋理處理的狀況，每個像素點必須包含12、8、6 或4 個LED 才能夠提供足夠強的光強（如圖3 所示），而當前LED 技術的不斷前進已大大提高了顯示屏的對比度。

　　最近出現在LED 視頻產業界的一種新的運營手段是用所謂的黑LED 封裝（black LED package），來提高戶外燈型LED 視頻顯示器的對比度。大多數紅綠藍室外燈型LED 都在環氧樹脂封裝料中分別添加了更多的紅綠藍染料，以有效改善辨色性和提高顯示屏的對比度。所謂“黑封裝”LED，簡而言之，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黑。因為添加了更多的著色染料，黑LED 封裝確實最大限度地改善了總的顯示對比度，但卻是以提高功耗和犧牲顯示屏亮度為代價的。圖4 中通過對比可以看出標準LED 和黑LED 的區別。

　圖4 標準LED（上排）和黑LED（下排）的區別

　　需要補充說明的是，所有增強對比度的方法不僅要在一批模組生產過程中用統一的方式協調起來，也要將所有模塊在合適的時間范圍內予以協調。一部分消費群在顯示屏使用5～10 年之后將會定期要求對模組進行協調校準。LED 視頻顯示屏的正常工作壽命一般是75，000～100，000 小時。到使用壽命末期，公司一共需要提供11 年的支持以保障對比度不變，這就需要在每個工程項目一開始就計劃好。

　　引言

　　直視型發光二極管（LED）技術是當今實現戶外數字標識系統所采用的主流技術，但這項技術的發展也為測量和評估對比度帶來了很多有趣的挑戰。當人們在為某一特定用途在多種顯示技術或多個顯示屏廠商中選擇適宜器件的時候，與其它幾項重要的顯示器參數一樣，對比度也是一個關鍵的考慮因素。

　　大多數顯示行業的人士都認同，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顯示器的對比度有何種影響，然而以電視作主要消費品的液晶顯示（LCD）消費制造商之間，在對比度方面的激烈競爭卻絲毫沒有減緩。隨著與測試變量多變性相關聯的測試方法的不同，制造商公布的對比度指標幾乎可出現任意數值，然而，對比度實際可變化的空間卻是有限的。當前，動態對比度技術指標參數（dynamic- contrast- ratio specifications） 變得越來越普遍，并逐漸為人們所接受。

　　不光是消費類顯示屏廠商如此，在消費類顯示市場銷售壓力的驅使下，各大LED 顯示屏廠商在對比度方面也面臨著巨大的競爭壓力。戶外LED 顯示屏產業尤其如此，因為最終用戶在選擇產品時最先考慮的總是該產品的對比度技術指標，即使他們可能并不完全了解戶外顯示屏的測試環境和現實觀看環境中各個變量的意義。

　　1 大尺寸液晶顯示屏的組成部分

　　為了更好地談論本文的主題，我們很有必要先來了解一下大尺寸LED顯示屏的基本單元———LED 模組。通過將模組排布在預制好的框架內，再將這些框架拼裝在一起，最后通過協調它們之間的功率消耗和信號，就可以構成任意尺寸和任意分辨率的顯示屏。

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

　　圖1 位于美國職棒大聯盟賽場的高清顯示屏由約6，000 個LED 模組構成

　　LED 模組正表面的機械參數是影響顯示屏關態測試的關鍵影響因素。雖然不同公司的LED 顯示屏的設計和制造會有一定的差別，但是大多數公司都投入了大量的精力，從各方面來改善顯示屏的“視頻-黑場”狀態（video- black），如圖2 所示。

　　圖2 該LED 模組配備遮陽罩， 常被用來提高戶外標識系統的對比度

　　在大多數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，這個組件對關態下亮度性能的測量極為重要，遮光罩的名稱來自于它能使LED 面板免受陽光照射。

　　一般來說，顯示屏直接反射的陽光越少，它的總對比度也就越高。對于大多數戶外裝置而言，它們在白天的大部分時間里都要經受太陽的照射，所以制造商必須嚴格地設計遮陽板，以保證顯示屏能正常工作。遮陽板的設計也是一個在顯示屏對比度和視角之間尋找最佳平衡點的工作。

　　除了LED 模組的遮陽罩設計之外，遮陽罩表面的紋理結構處理（texturing approach）也會影響最終會有多少環境光被反射到觀察者眼中。一般說來，這與加工方法有關，毛糙面與半光滑表面的不同之處在于，它會以漫反射的方式更有效地反射環境光，這就為觀眾提供了一個更暗的關態，從而提高了顯示屏各個視角對比度的均勻性。相比較而言，最后一道處理的拋光涂層，對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比度。但是該涂層在反射角方向上將會產生嚴重的眩光，這會影響側邊觀看（side- angle viewing）的效果。

　　實現遮陽罩設計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）的黑漆來處理LED 模組遮陽罩的表面，力圖更進一步地減小LED 模組表面對光線的反射。外界環境條件對顯示屏的總對比度也會產生重要影響。顯示屏長時間使用之后，如果不定期清理就會積累大量灰塵和污垢，超過一定時限之后就會開始影響顯示屏的總對比度，使“黑”狀態逐漸變成褐色。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挑戰就是應對紫外線對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。

　　最后一點則是，各個LED 管相對于顯示屏表面會高出1～3mm，這也會降低顯示屏對比度的性能。

　　來自于各LED 所反射光線的強度與LED 尺寸及LED 環氧樹脂外殼的色彩有一定關系，每個LED 都包含一個用于聚焦光線的反射罩，而這個反射罩也會反射進入LED 內部的各種環境光，因此，每個LED本身都有可能降低顯示屏總的對比度。不過，幸運的是LED 制造商已經通過提高功率效率和提高亮度的方法，采用了只要一個紅色LED、一個綠色LED 和一個藍色LED 像素點的優化設計。過去生產的LED 顯示屏，針對當時百葉窗的設計及其表面紋理處理的狀況，每個像素點必須包含12、8、6 或4 個LED 才能夠提供足夠強的光強（如圖3 所示），而當前LED 技術的不斷前進已大大提高了顯示屏的對比度。

　　最近出現在LED 視頻產業界的一種新的運營手段是用所謂的黑LED 封裝（black LED package），來提高戶外燈型LED 視頻顯示器的對比度。大多數紅綠藍室外燈型LED 都在環氧樹脂封裝料中分別添加了更多的紅綠藍染料，以有效改善辨色性和提高顯示屏的對比度。所謂“黑封裝”LED，簡而言之，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黑。因為添加了更多的著色染料，黑LED 封裝確實最大限度地改善了總的顯示對比度，但卻是以提高功耗和犧牲顯示屏亮度為代價的。圖4 中通過對比可以看出標準LED 和黑LED 的區別。

　圖4 標準LED（上排）和黑LED（下排）的區別

　　需要補充說明的是，所有增強對比度的方法不僅要在一批模組生產過程中用統一的方式協調起來，也要將所有模塊在合適的時間范圍內予以協調。一部分消費群在顯示屏使用5～10 年之后將會定期要求對模組進行協調校準。LED 視頻顯示屏的正常工作壽命一般是75，000～100，000 小時。到使用壽命末期，公司一共需要提供11 年的支持以保障對比度不變，這就需要在每個工程項目一開始就計劃好。

　　2 影響對比度的變數

　　了解了戶外LED 顯示屏的設計及其如何對對比度構成影響，對深入了解那些會影響該類產品對比度測試的變數有較大幫助。如前所述，戶外大尺寸LED視頻顯示屏的對比度極大地依賴于之前所描述過的模組的構造方法，即包括：百葉窗的設計、織構化（texturing）、涂層以及LED 密度。

　　為了使對比度測試有實際意義并有可重復性，很有必要準備一個完全黑暗的暗室用以排除外界光線的干擾。在對比度測試中，LED 模組、測試儀器和光源是相互作用的三個關鍵因素。大多數LED 顯示屏制造商只會做一個基本的開- 關（on- off） 測試流程，其關態對應即是視頻黑場（video black）。而在全行業范圍內卻沒有形成統一的測試技術標準，雖然對某些顯示屏技術存在著一些測量對比度的法定標準，例如VESA FPDM（視頻電子標準協會平板顯示屏測試），但是這對LED 行業卻并不完全適用。和平板顯示器測量不同，環境光源（太陽）和測量工具（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，這一點很難在測試中予以重復，也很難在一本產品說明書里解釋得清楚。

　　還有一點需要注意的是，在測試條件下，相對于較大尺寸的完整LED 顯示屏來說，實際只能對單個的模組或是一些模組的集合來進行測試。

　　在實測環境內，環境光是用人造光源來再現真實的戶外觀看環境的。顯然，通過調節測試環境中的光源亮度（單位為lux）會大大影響測試結果，這可以用來增強產品宣傳的優勢。由于照在顯示屏表面的陽光本身就是多變的，故任何結果都可認為是合理的。

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

　　也可以通過調節光源相對于顯示屏模組的角度來提高對比度的測試結果。如前所述，LED 模組會有水平的百葉窗，即遮陽罩，分布在每排LED 或每排像素點之間，增大光源相對于LED 的角度就可以在模組表面創造出更大的陰影面積，從而最終可以改良顯示屏的黑場狀態。

　　最后再聯系前面所講的，顯示屏制造商還能通過調節測試儀器相對于顯示屏表面的角度，來為自己控制最終的對比度參數提供方便。需要再次說明的是，這也有可能是光源和水平遮陽罩相互作用的結果。

　　這三個基本的可變因素———光源強度、光源角度和測試儀器的角度———共同決定了最終公布的LED顯示屏對比度。除非不同顯示屏的測試被統一起來，不然在不同產品的測試結果之間作比較是不太恰當的。因此，顯示屏制造商出版的對比度說明書并沒有太大的實際意義（如圖5 所示）。

　　現實的觀看環境和測試環境中，光源強度、光源角度及測試角度這三個變量還是有一定的對應性的。天空的狀況，對于照射在顯示屏表面的陽光光強就有非常大的影響。在一年中的不同時節以及一天中的不同時刻，陽光照射在顯示屏表面的角度會不斷變換，而且觀看者與顯示屏前表面的相對位置也會不斷變化。這同前面所述的兩個變量相互作用，使人們只能得到某一特定觀看狀態下的精確對比度。

　　這種環境和室內家庭影院有著本質的區別，而室內環境卻是挑起對比度紛爭的發源地。在室內，光線條件和觀看的位置在這里都是人為預先設置的。

　　3 結論

　　LED 顯示屏制造商將會繼續發布對比度的參數，以便更好地吸引消費者的注意力，這也是市場的現實環境使然。然而，工業界有責任和義務對消費者就有關幾個變量進行必要的“教育”，隨著對比度參數值攀升得越來越高，對客戶的教育也會變得越來越困難。就目前的LED 顯示市場而言，我們會看到戶外顯示屏對比度的參數指標將要達到100，000:1，在不久的將來還會達到更高，但是將來這么高的數值可能仍然沒有太大的實際意義。