成像式亮度色度計原理及應用

可選電子聚焦鏡頭系列

隨著彩色顯示器應用范圍日漸拓寬及其產品質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，近年來逐漸應用于電視產品顯示質量的測量。全面深入掌握該類設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原理進行比較，然后通過設計測試實驗，研究此類設備的測量特性，對實際測試應用具有指導意義。

傳統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、光譜輻射特性曲線等參數，主要應用于LED光譜特性測量、會議室顯示器的校準、交通燈車燈測量等，對點式亮度色度計更多詳細內容可查找相應型號的詳細講解。對于不同的測試需求，需要應用不同的解決方案，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，導致其在顯示器件亮度均勻性測量中速度慢，不能滿足生產線上的需要，同時由于用戶對測量可視化的需求，出現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分別對應于CCD或CMOS水平和垂直像素數。

影像式彩色亮度色度計雖與國家標準中規(guī)定的標準裝置完全不同，測量方法也有很大區(qū)別，卻已得到廣泛應用。

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、亮度均勻性、Mura值，背光鍵盤、汽車與航空電子設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，基本結構是由視覺（或色覺）匹配的探測器、光學系統以及亮度色度（利用三色濾鏡，WP的成像亮度色度計采用的是四片濾光片）等參數的信號輸出處理系統所組成。

亮度測試原理：

其測量原理如圖1所示。

物面與像面亮度關系為：

                             （1）

式中：τ為光學系統的透射比；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。可以通過測量成像面上的亮度來測量發(fā)光體的亮度。

根據圖１，利用光度學和幾何光學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 為光學系統的透過率；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為系統的相對孔徑，且有f_m＝f／D，其中D為孔徑直徑。

當系統的設計能使f／l小到可忽略不計時（在某誤差范圍內），發(fā)光體的亮度L與成像面照度E呈線性關系。

色度測量原理：

光源的色度用色品坐標x，y表示，與光源的相對光譜功率分布有關。如果一個光源的相對功率分布函數用P（λ）來表示，`x（λ）、`y（λ）、`z（λ）代表CIE1931標準光譜三刺激值，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，是通過使用合適的濾光片模擬人眼對光的響應，從而使加濾光片以后的探測器的相對光譜響應度與圖2 所示的CIE 1931 標準色度觀察者色匹配函數相接近。

注意圖2，由于`x（λ）在藍光波段也有響應，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計變成四片濾光片設計，實現更精確的色度測試。

圖3為四片濾光片設計，實現更精準的色度測試

圖3是Westboro Photonics WP 6Series：WP640/690/6120成像式色度亮度計的四色濾波設計示意圖，X_red與X_blue圖分別測試X響應曲線紅光波段與藍光波段的響應。實現色度測試精度的提升。亮度精度可達+/- 4%及亮度重復性達+/-0.03%，色度測試精度達+/- 0.003與可重復性均可達到+/- 0.00005（CIE 1931標準光源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，結合相應的ND濾鏡，最大可測量的亮度可達1.5×10⁷cd/m²。可集成點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）,軟件測試的結果與分析功能實現高效的自動化，該系列成像亮度色度計結合多種可選鏡頭，為行業(yè)內的應用需求提供相應的測試解決方案。

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用提供高分辨率、高精確度的成像質量，調焦應用方便。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的解決方案。