成像式亮度色度計原理及應(yīng)用
成像式亮度色度計原理及應(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)量評估體系逐步完善，對顯示器的色度和亮度進行精確測量體現(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的測量原理，與點式亮度計的實現(xiàn)原理進行比較，然后通過設(shè)計測試實驗，研究此類設(shè)備的測量特性，對實際測試應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
傳統(tǒng)點式亮度色度計以硅光電二極管（或光電倍增管）作為光電接收探測器，特點是：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�？蓽y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、會議室顯示器的校準(zhǔn)、交通燈車燈測量等，對點式亮度色度計更多詳細(xì)內(nèi)容可查找相應(yīng)型號的詳細(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，點式亮度色度計視場小，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。
點式亮度色度計是逐點成像測量，成像式亮度色度計采用面陣CCD或CMOS作為光電接收單元，每個CCD或CMOS像素都可看作一個獨立的檢測器，能夠瞬間將整個測量面成像在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個點式亮度計的組合，X、Y分別對應(yīng)于CCD或CMOS水平和垂直像素數(shù)。
影像式彩色亮度色度計雖與國家標(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。
成像式亮度色度計是一種基于成像原理來進行測光和測色的計量儀器，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的成像亮度色度計采用的是四片濾光片）等參數(shù)的信號輸出處理系統(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）；fm為系統(tǒng)的相對孔徑，且有fm＝f／D，其中D為孔徑直徑。
當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)計能使f／l小到可忽略不計時（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的色度測量功能的實現(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)計變成四片濾光片設(shè)計，實現(xiàn)更精確的色度測試。
圖3為四片濾光片設(shè)計，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的色度測試
圖3是Westboro Photonics WP 6Series：WP640/690/6120成像式色度亮度計的四色濾波設(shè)計示意圖，Xred與Xblue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 亮度的弱信號都可以可靠地進行分析，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�？杉牲c式光譜輻射計和點式頻閃計。
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)果與分析功能實現(xiàn)高效的自動化，該系列成像亮度色度計結(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：640E/ES，690E/ES，6120E/ES，這些儀器的獨特之處在于其鏡頭的控制可以進行電動變焦和光圈控制。這些電動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。
