成像式亮度色度計(jì)原理及應(yīng)用

成像式亮度色度計(jì)原理及應(yīng)用

可選電子聚焦鏡頭系列

隨著彩色顯示器應(yīng)用范圍日漸拓寬及其產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估體系逐步完善，對顯示器的色度和亮度進(jìn)行精確測量體現(xiàn)出前所未有的重要性。

成像式亮度色度計(jì)能夠大幅提高測試效率，近年來逐漸應(yīng)用于電視產(chǎn)品顯示質(zhì)量的測量。全面深入掌握該類設(shè)備的測量原理計(jì)測量特性，將有助于更好地發(fā)揮其作用，并指導(dǎo)測試。首先分析了成像式亮度色度計(jì)的測量原理，與點(diǎn)式亮度計(jì)的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行比較，然后通過設(shè)計(jì)測試實(shí)驗(yàn)，研究此類設(shè)備的測量特性，對實(shí)際測試應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

傳統(tǒng)點(diǎn)式亮度色度計(jì)以硅光電二極管（或光電倍增管）作為光電接收探測器，特點(diǎn)是：視場角小，成本低，集成光譜儀（更精準(zhǔn)測量三刺激值），體積小巧。可測量亮度照度、色度色溫及顯色系數(shù)、光譜輻射特性曲線等參數(shù)，主要應(yīng)用于LED光譜特性測量、會(huì)議室顯示器的校準(zhǔn)、交通燈車燈測量等，對點(diǎn)式亮度色度計(jì)更多詳細(xì)內(nèi)容可查找相應(yīng)型號(hào)的詳細(xì)講解。對于不同的測試需求，需要應(yīng)用不同的解決方案，如測量顯示屏Mura值，測試背光鍵盤、汽車與航空電子設(shè)備的儀表盤和面板亮度分析等需求，點(diǎn)式亮度色度計(jì)視場小，導(dǎo)致其在顯示器件亮度均勻性測量中速度慢，不能滿足生產(chǎn)線上的需要，同時(shí)由于用戶對測量可視化的需求，出現(xiàn)了一種以電荷耦合元件（CCD或CMOS）作為探測器的影像式彩色亮度計(jì)。

點(diǎn)式亮度色度計(jì)是逐點(diǎn)成像測量，成像式亮度色度計(jì)采用面陣CCD或CMOS作為光電接收單元，每個(gè)CCD或CMOS像素都可看作一個(gè)獨(dú)立的檢測器，能夠瞬間將整個(gè)測量面成像在CCD或CMOS傳感器上，測量速度快。CCD或CMOS傳感器可以看作是X×Y個(gè)點(diǎn)式亮度計(jì)的組合，X、Y分別對應(yīng)于CCD或CMOS水平和垂直像素?cái)?shù)。

影像式彩色亮度色度計(jì)雖與國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)裝置完全不同，測量方法也有很大區(qū)別，卻已得到廣泛應(yīng)用。

本文就Westboro Photonics公司最新的WP640/690/6120成像式亮度色度計(jì)可用于顯示屏的特征顯示與校準(zhǔn)、亮度均勻性、Mura值，背光鍵盤、汽車與航空電子設(shè)備的儀表盤和面板測試分析、固態(tài)光源分析、光束分布分析。首先介紹亮度與色度的測試原理。

成像式亮度色度計(jì)是一種基于成像原理來進(jìn)行測光和測色的計(jì)量儀器，基本結(jié)構(gòu)是由視覺（或色覺）匹配的探測器、光學(xué)系統(tǒng)以及亮度色度（利用三色濾鏡，WP的成像亮度色度計(jì)采用的是四片濾光片）等參數(shù)的信號(hào)輸出處理系統(tǒng)所組成。

亮度測試原理：

其測量原理如圖1所示。

物面與像面亮度關(guān)系為：

                             （1）

式中：τ為光學(xué)系統(tǒng)的透射比；n’和n為像方和物方的折射率，通常n’≈ n ≈ 1。則上式簡化為L’=τL�？梢酝ㄟ^測量成像面上的亮度來測量發(fā)光體的亮度。

根據(jù)圖１，利用光度學(xué)和幾何光學(xué)的原理可以推出成像面照度為：

式中E為成像面上的照度；L為發(fā)光面上的亮度；τ 為光學(xué)系統(tǒng)的透過率；f為透鏡焦距；l為透鏡與發(fā)光面的距離（稱為測量距離）；f_m為系統(tǒng)的相對孔徑，且有f_m＝f／D，其中D為孔徑直徑。

當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能使f／l小到可忽略不計(jì)時(shí)（在某誤差范圍內(nèi)），發(fā)光體的亮度L與成像面照度E呈線性關(guān)系。

色度測量原理：

光源的色度用色品坐標(biāo)x，y表示，與光源的相對光譜功率分布有關(guān)。如果一個(gè)光源的相對功率分布函數(shù)用P（λ）來表示，`x（λ）、`y（λ）、`z（λ）代表CIE1931標(biāo)準(zhǔn)光譜三刺激值，如圖２所示，則此光源的三刺激值可用如下公式來表示：

濾光片式彩色亮度計(jì)的色度測量功能的實(shí)現(xiàn)，是通過使用合適的濾光片模擬人眼對光的響應(yīng)，從而使加濾光片以后的探測器的相對光譜響應(yīng)度與圖2 所示的CIE 1931 標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者色匹配函數(shù)相接近。

注意圖2，由于`x（λ）在藍(lán)光波段也有響應(yīng)，因此可以把`x（λ）拆分成兩塊濾光片，即，原來只需三片濾光片的設(shè)計(jì)變成四片濾光片設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更精確的色度測試。

圖3為四片濾光片設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的色度測試

圖3是Westboro Photonics WP 6Series：WP640/690/6120成像式色度亮度計(jì)的四色濾波設(shè)計(jì)示意圖，X_red與X_blue圖分別測試X響應(yīng)曲線紅光波段與藍(lán)光波段的響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)色度測試精度的提升。亮度精度可達(dá)+/- 4%及亮度重復(fù)性達(dá)+/-0.03%，色度測試精度達(dá)+/- 0.003與可重復(fù)性均可達(dá)到+/- 0.00005（CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)光源A）

WP640、WP690、WP6120均使用帕帖爾冷卻CCD，能使測試的噪音與溫漂降到最低。則低于0.01cd/m² 亮度的弱信號(hào)都可以可靠地進(jìn)行分析，結(jié)合相應(yīng)的ND濾鏡，最大可測量的亮度可達(dá)1.5×10⁷cd/m²�？杉�成點(diǎn)式光譜輻射計(jì)和點(diǎn)式頻閃計(jì)。

WP自帶Photometrica@軟件為用戶提供的軟件環(huán)境，無論是簡單或深入的分析。使用選配的腳本或者軟件開發(fā)工具包（SDK）,軟件測試的結(jié)果與分析功能實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化，該系列成像亮度色度計(jì)結(jié)合多種可選鏡頭，為行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用需求提供相應(yīng)的測試解決方案。

WP6E/ES系列成像亮度計(jì)：640E/ES，690E/ES，6120E/ES，這些儀器的獨(dú)特之處在于其鏡頭的控制可以進(jìn)行電動(dòng)變焦和光圈控制。這些電動(dòng)變焦鏡頭可以為其應(yīng)用提供高分辨率、高精確度的成像質(zhì)量，調(diào)焦應(yīng)用方便。為顯示屏，發(fā)光鍵盤，圖像和其他的亮度色度檢測提供相應(yīng)的解決方案。