与所有显示屏或显示器件一样,描述、评价或选择LED 显示屏需要用到一些基本的概念与术语。本节将向读者简要说明这样的概念或术语,以帮助读者更好地理解本章及其他章节中的内容。

设计或应用一个显示屏时,人们关心的主要问题是：屏幕的几何尺寸是多大?分辨率有多高?是彩色的还是单色的?若是彩色的,有多少种颜色?若是单色的,是什么颜色?显示屏的亮度是多少?显示均匀吗?要给出准确严谨的回答,须明白它们在技术上的确切含义。

1.LED 显示屏的几何结构、像素及空间分辨率

LED 显示屏最常用的几何结构是阵列形式,即把许多个发光单元(称为像素,pixel)规则地排列成行列结构。

像素是LED 屏中最小的发光单元,可以把它理解为屏幕上的一个发光点。LED屏的像素并不一定是单个LED,它也可以是由多个LED 构成的发光单元。一般来说,单色小型LED 屏的像素由单个LED 构成,彩色屏上的像素通常由红、绿、蓝多个LED 复合构成,大型LED 屏中即便是单色像素,也可能是由很多个LED 合成的。

屏幕的尺寸是指屏幕的物理大小,通常人们关切的是发光部分的尺寸,即可视区域的大小。屏幕中包含许许多多像素,屏幕的像素密度即分辨率。准确地说,这个分辨率称为LED 的空间分辨率,与之相对的还有后面讨论的亮度分辨率。

空间分辨率可以有两种表述：①屏幕水平与垂直方向的像素总数量；②水平与垂直方向单位长度上的像素数量。像素数量总数是指水平方向上共有多少个像素构成一行,垂直方向上有多少个这样的行构成完整的一个图像帧。例如,640×480意味着你所见到的这个LED 屏幕水平方向有640个像素构成一个显示行,这样的显示行在垂直方向上则总共分布了480行。然而这样的表述并不能完全反映显示屏的显示效果,显示效果还取决于屏幕的尺寸。比方说,如果640×480的显示屏大小是3.2m×2.4m,可以计算出像素大小为5mm×5mm,在几米开外观看的显示效果比较细腻；若把它做成32m×24m 的大屏幕,若非在很远的距离来观看,显示效果会显得较粗糙。因此,说到LED 屏的分辨率还可以使用水平与垂直两个方向单位长度所包含的像素个数表示,如水平方向200dpm,即200像素点/米。需要指出的是,常用于计算机或手机屏的分辨率指标dpi(像素/英寸)不适合于LED 屏,因为LED 屏的几何尺寸通常会比计算机屏大得多,相应的像素尺寸也会大出许多倍,甚至很多时候1英寸还没有一个像素。从以上的讨论可以看出,确定LED 屏的分辨率要从屏幕的观看距离、屏幕大小、显示的细腻程度等方面综合考虑。理论上讲,两个方向上单位长度所包含的像素点越多,显示效果越好,但分辨率的提高会导致屏幕总的像素数量以平方关系增加,成本也以相同的方式急剧升高。

2.可见光谱与色彩

LED 是发光器件,最早的LED 仅能发出红光,现在的LED 不仅能发出红、绿、蓝色光,还能组合出各种色彩,包括用于照明的白光,甚至能发出看不见的红外线或紫外线等。用LED 构成显示屏则要求它们发出的是能为人眼所感知的可见光。

光是电磁波,电磁波范围很宽,能为人眼感知的电磁波即可见光,其范围相当有限,可见光谱可以用波长或频率范围来表示。用波长表示的可见光光谱范围大概为390(紫色)～700nm(红色),这就是日常生活中所说的赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩。这个范围还可以根据以下公式转换成对应的电磁波频率：

c=fλ

其中,c=300 000km/s,λ 是某种颜色的波长,f 是该颜色对应的电磁波频率。由上式可得出可见光谱的光波频率范围为430(红色)～770THz(紫色)。收音机的调频台是104.8MHz,手机CPU 主频是1.2GHz,由此可知,光作为电磁波,其频率是很高的。LED 屏能向外辐射出这样的电磁波,使我们能看到它们呈现的缤纷色彩。

3.亮度与发光强度

LED 显示屏应用中最重要的事情之一是要控制它每个像素的发光强度,本小节将厘清有关亮度的概念与表达方式。

LED 显示屏本质上是发光体,发光体向外辐射的是能量,这种能量以光子的形态出现。我们希望这样发出的光足够亮,以便我们能看清楚所显示的内容。光足够亮到底是多亮?要把这个问题解释清楚,我们需要稍微拓展一下。这里会涉及发光体的多个概念：辐射功率、发光强度、光通量、相对视率以及亮度。(www.daowen.com)

发光体发光时向外辐射能量,能量的单位是焦耳(J),焦耳是国际单位(SI)制中的一个导出单位；单位时间内发出的能量称为辐射功率,功率的单位是瓦特(W),1W 是指每秒辐射出1J的能量。在照明与显示学科中,通常把辐射功率称为辐射通量。直观的理解是LED 屏或任何别的发光体的辐射通量愈大,它就应该愈亮。但是这个结论并不完全正确,还需要考虑另外两个因素。第一个因素是需要理解这个辐射通量是指整个LED 屏幕的辐射功率还是其在单位面积上所发出的功率。显然,如果给出的只是全屏的辐射功率,看到的实际亮度会随着屏幕尺寸的大小急剧变化,从视觉效果看它几乎没有任何意义。因此,应该使用单位面积的辐射功率即功率密度才是比较恰当的。第二个因素是关于人眼对于光的感知特性,即使你看到的是辐射通量完全相同的两个点光源,其中一个是红光,另一个是绿光,人的感知通常会觉得绿光比红光显得亮,原因在于人类眼睛作为一个光传感器,对于不同波长(不同颜色)的光的响应灵敏度是不同的。上述视觉灵敏度关系可以用光视效率函数来描述。光视效率函数亦称为视见函数V(λ),国际照明委员会(CIE)推荐的光视效率曲线如图5.1所示。这是一个相对函数,响应最大值为1,它包含亮视觉与暗视觉两条曲线,分别代表明视觉条件下(适合亮度大于几个坎德拉每平方米)及暗视觉条件下(适合亮度小于0.01cd/m2)人眼的响应特性。CIE 给出的亮视觉的峰值波长λm亮≈555nm,暗视觉的峰值波长λm暗≈505nm,它们都位于绿光范围。

图5.1　CIE推荐的光视效率曲线

借助于光视效率函数V(λ),通过将辐射通量做加权处理,得到一个能更好地反映视觉感知明暗程度的光通量(luminous flux),它可以由辐射通量转换而来,单位是流明(lm),光通量通常用符号Φ 表示,而辐射通量则用Φe表示。光通量、辐射通量及光视效率函数之间的关系为

式中,Km是当波长取光视效率函数极大值时的最大光谱光视效能值,其量纲为lm/W。在CIE标准中,亮视觉曲线对应的Km=683.002 lm/W,而暗视觉曲线对应的Km=1 754 lm/W；实际应用的发光体发出的光除非是理想的激光,一般都有一个光谱分布,这就是为什么上式中是用辐射能量关于波长的分布密度函数即来表示,从而能得到任意分布的辐射通量向光通量的转换值了。对于单波长纯光,转换过程就不用做上式这样的微分与积分,只要做代数运算即可。例如,根据CIE 的标准,如果是波长为555nm 的绿光,它所对应的光通量Φ=683.002 lm；如果是同为1W 的辐射通量,而波长是635nm 的红光,由于该红光的V(635)=0.242,于是可以求出光通量仅约154.4 lm,不足前面绿光的。

有了上述准备后,就可以说明LED 显示屏及其他发光体的亮度与发光强度技术指标了,它们二者是互相关联的。如图5.2所示为一个点亮的蜡烛,它向四周都辐射通量,但并非绝对均匀,如“灯下黑”的部分。这支点亮的蜡烛告诉我们至少两件事：它发出的总的光通量或辐射通量应该是基本不变的；另外,它发出的光通量与空间分布有关。事实上,前一个属性正是人们早期用来作为衡量发光体亮度的,即相当于几支蜡烛的光通量。后一个属性则提示我们在研究发光体亮度的时候应该考虑到它的空间位置与范围。

图5.2　烛光

亮度定义为单位面积的发光体在指定方向每单位实体角(sr)上的光通量,用符号L 表示,单位为lm·sr-1·m-2。如果不计发光体面积,仅考虑它在单位实体角上发出的光通量,则称之为发光强度,用符号I 表示,单位为坎德拉(cd),它是国际单位制中的七个基本单位之一,用来表征光源发出的光的强度。显然,一个面积为A、发光强度为I 的光源,其亮度为

于是可以给亮度一个新的描述,即单位面积的发光强度,其单位是坎德拉/平方米,即cd/m2。

这里有些概念需要明确一下。从上可知,亮度与空间方向有关,从左右两边观看蜡烛,可能“亮度”差不多；但从上下两个方向观看蜡烛,就会发现明显差别。理想的点光源可认为在每个方向上光通量呈均匀分布。亮度定义中用到所谓实体角(steradian),也称为球面度(sr),是国际单位制中对球的实体角的一个度量。设球的半径为r,则球面上表面积为r2所对应的以圆心为顶点的圆锥对角被定义为1sr。由于球面的总面积为4πr2,因此一个球共有4πsr,即12.566 4sr。显然,球面度与球的半径无关。如果球的半径为1m,则1sr在其球面上切割出正好1m2的表面积。表5.1所列的是常见发光体的亮度数据。

表5.1　常见发光体的亮度数据