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新型色度监测仪器及方法探究剖析

发布时间:2016-11-17 阅读:0次

  世界上生产光学测量仪器的厂商很多,我们通常使用的仪器中,主要有日本东京光学株式会社及美国Photoresearch公司的产品。前者主要生产中、低档测试仪器,用于生产测量及控制。著名的LED生产企业日亚及丰田等LED制造商在生产线上就大量地使用着该公司生产的BM-5A、BM-7等生产测量设备。后者不但生产中档生产用测试仪器,而且生产可以作为标准的高档标准仪器。在需要定标时,则只能使用后者生产的设备,只不过价格太高。 

  Photoresearch公司的产品主要技术规格,可以看出,采用稳定的光电倍增管的只有PR-880、PR-1980B和PR-1530AR三种。其中PR-880是手持式自动光度计,较为简易;PR-1530AR是单体式辐射度/光度/色度计,由于不具有独立光谱的测量能力,其应用范围也较窄。而PR-1980B则不但具有对于光源全部光特性的测量能力,更具有对于独立光谱的分析能力,故名光谱分析仪,它可以对于任何可见光源的光学特性进行标定。另外,其他一些型号的仪器由于采用的是荷藕器件,其稳定性及测量精度次于光电倍增管的仪器,在某些场合的测量值须经光电倍增管测量仪器校正。 

 需要说明的是中的技术名词翻译采用了色度学中的惯用方法,而本文中所采用的名词释义则是使用了常用说法,这是为了避免混淆,笔者无法在表中将名词翻译为通用说法,因为那样肯定会引起定义混淆。 

 对于大屏幕的色度定标,用量化的方式制定大屏幕的色度标准是一个经常使用的项目。当一定的RGB发光二极管被确定使用的时候,可以事先分别测试出各个基色发光二极管的发光强度,测试标准有若干可以参照的亮度公式,他们分别是:CCIR601即ITU-Rec.601(原国际无线电咨询委员会即现国际电信联盟第601号建议书)提出了电视应用基本亮度计算公式,即:Y'=0.299R'+0.587G'+0.114B'(1)这是基于NTSC制的基础上,尽管后来在PAL和SECAM制式的研究过程中,人们提出了不同的三基色数值,如果严格按照EBU标准计算,亮度公式应改为:Y=0.222R+0.707G+0.071B(2)但为了便于统一,各个方面均进行了折中,现有各种电视制式均以以上公式(1)作为了计算基础。 

 但是,为了适应HDTV的发展,国际电信联盟绿色LEDCIE1931坐标位置ITU提出了用于HDTV的第709号建议书,在此建议书中,明确了HDTV电视应用的亮度计算公式为:Y'=0.2126R'+0.7152G'+0.0722B'(3)这与在PAL和SECAM制式的研究过程中拟建议采用新型三基色荧光粉提出的数值是十分接近的,它更靠近EBU色域标准。比起公式(1)来,这是一个很大的差异,在任何与色度相关的大型计算或者具体的色度测量时,均必须考虑到这个差异。 

 大屏幕是在大型公共场所使用的设备,其色度标准并不一定要与广播电视相同。在参照以上若干亮度计算公式的情况下,更重要的是要以所采用的发光器件本身的色度值作为基础,因此,在测量之前,首先要对于所采用的发光器件进行测量。前提是,所采用的发光器件的原始坐标值与上述计算公式接近,如果相差很大,则要在系统中先行校正,这些校正是有条件的,而且使得系统变得很复杂。为了使得系统更便于理解,这里列出在ITU-RBT.709reference发布的关于RGB(sRGB)及标准白光D65的具体数据如下:以上对于标准色度的测量及大屏幕色度标准的制定具有指导关系。一般来讲,如果以泛束CRT或者FDT作为大屏幕的发光器件,则实际采用发光管的三基色色度坐标值与上述数值可以很接近,但是目前往往采用迅速发展的LED作为三基色发光器件,其色度坐标值经常会呈现红色饱和度偏高或y值偏低(即"过红"),蓝色饱和度则略低或y值稍高(即偏蓝绿)的情况,这里要说明的是绿色LED的坐标在生产工艺雷同的情况下仍然会呈现离散度很大的现象。以上的偏差在广告屏应用及中低档体育场用大屏幕中,可以不必过虑,但在高档次的体育场馆的大屏幕应用中必须加以注意及采取校正。

 1LED大屏幕色度标准制定过程举例

 1.1确定三基色LED理论坐标值,这三基色的坐标值必须是可以接受的,如果有较大差距,则要先行引入校正。这样才使得三基色及合成白都有符合标准的可能。这是大屏幕色度标准制定的前提条件。三基色分别发光时,其基色光必须在一定的范围之内,而这个范围必须先行得知,并经过测量验证。

 1.2根据基本情况做出的简单计算值初步确定三基色LED的电流分配或功率分配。这一步在初始可以分成几步进行,比如先用标准亮度计对三基色发光亮度情况分别进行测量。图2以绿色LED的测定说明,其中在计算机上显示的CIE1931色度图中,标出了标准A光源的位置及被测绿管的色度位置,在其谱线图上,不但清楚地标出了其在CIE1931色度图上的坐标,也标出了在CIE1960和1976UCS图上的坐标。经过分析,这个绿色是可以接受的。 

 合成白的光谱分析确定合成白的标准及相关色温,如D白还是C白;在经常采用的D白中,一般采用D65作为演播室调光的标准白,但日本在演播室中采用D93作为标准白,这说明了有些人是愿意接受高色温白(比起低色温白来说向蓝色方向偏色),这使得在显示端进行色彩还原时肤色不太黄,既引入了记忆色概念。为了折中,就提出了7000K至8000K白光作为标准白的要求。

 1.3用标准仪器进行初步测量,得出合成白的坐标。对于测量得出的合成白进行计算,即得出与欲实现的目标合成白的差距。这可以用方程计算得出,由于PR-1980B在测量时不但直接读出了x,y及u',v'的数值,而且在显示图形上直接标出了合成白在CIE1931及1960/1976色度图上的位置及与标准A白光的关系,也可以用测量得出的图形上用几何方法采用比例计算得出。图4示出了当客户强烈要求将D93白作为标准时,根据初步计算得出的进行组合得出的测量结果。只管可以看出,蓝色多了一些。

 1.4进行第二次LED电流分配或功率分配调整。三基色LED的电流分配或功率分配可能要进行多次,在取得足够经验之后,就可能在减少测量次数的情况下用少量步骤得出最终主要色度指标均符合要求的标准制定目的。而且在高档次的使用场合,不但要对于三基色及合成白进行测量,还要对于每两种基色的合成结果即CMY(某些理论书籍上称为三间色)进行测量。在进行适当调整后再进行测量,直到实现要求为止。

 2 RP-1980B的频谱测量功能其它应用举例

 2.1同色异谱测量由于人眼具有异谱同色感受特性,这使得不具有频谱分析功能的测量仪器的功能发挥相形见绌。

 举例说明,汽车的雾灯一般设计为555nm的橙黄色光,这种光具有较强的穿雾能力,这是指单一波长下发出的光,但是用三基色发光管完全可以合成与555nm具有完全相同视觉感受的橙黄光,而这种橙黄光则不具有象单一555nm一样的大雾强穿透能力,这是一个典型例子,即人眼无法区别非三基色光是单一波长的,还是有若干独立波长的光合成的,而且许多低档次仪器仅能得出x,y值,也不具有同色异谱分析功能。事实证明用这种仪器测量偏差是较大的,只有用类似于1980B这样的频谱分析仪才能够得出正确的测量结果,需要指出的是,同一非基色光并非仅能用两种光合成,也完全可以用三种或以上不同的光合成,比如黄光,它可以是单一波长的黄光,也可以用一种红光和一种绿光合成,也可以用几种不同的红光和几种不同的绿光甚至加上蓝合成,这在使用1980B进行测量时,可以把从380nm至780nm的可见光范围频谱透彻分析。完全可以根据具体情况进行具体调整。

 示出了一种希望应用于汽车雾灯的琥珀色发光管,其波长离要求的波长在CIE1931色度图上看来虽然有些距离,但仍然是可以接受的。但是在光谱分析中,由于其主波长距离要求甚远,根据谱线分析的结果就可以否定这种管作为汽车雾灯的意义。

 另外,显示技术中所讲的黄光是一种特定的光,它是指加权后等量红光和绿光的合成效果,大屏幕Amber琥珀色单色屏通常被称为了单黄屏幕,这里人们往往把琥珀色当作黄色光。当然,如果用户接受,以上叫法是否严格是不必多虑的,但是在理论分析时则必须注意。实际上的测量指出,琥珀色不但含有红和绿,也含有蓝色成分,即它的饱和度并不高。

 2.2滤光玻璃标准检定示出了通常使用三色荧光粉的可见光谱曲线,其中可见,绿色及红色荧光粉由于采用了稀土元素,故呈针状曲线;蓝色荧光粉由于没有采用稀土元素,则呈现馒头状曲线,另外,红色荧光粉的副瓣曲线其幅度也可见一斑。为了使得滤光玻璃可以与荧光粉相容,则必须采用可以产生等能透光特性的玻材。

 主要是由此玻材造成的玻璃在荧光粉RGB三个主要波长及其附近必须具有较大透光系数。否则,就要增减玻材主要成份的比例及考虑增加添加剂。此种情况不但适用于通常CRT的玻璃制造,也适用于PDP滤光玻璃的制造,以上由于采用一种玻璃对于三种基色荧光粉进行滤光,及由于其他因素的影响,比如在CRT玻璃内加铅,综合透光系数往往控制在48 ̄52%之间。以上原理也应用于LCD滤光片的制造。

 在另外一种三色分开发光的场合下,如泛束CRT大屏幕。投影CRT或三色LCD、DLP滤光片等情况,则采用三种不同的滤光玻璃对于各自不同的荧光粉进行滤光,这种滤光玻璃的透光特性如图10所示。由于没有相互兼顾的需要,各自的滤光玻璃仅仅对于一种荧光粉进行滤光,则由图10可见,选择透光系数可达75 ̄85%。而阻止透光系数则在30%以下,在实现对比度得以提高的前提下大大提高了光效。这种原理也适用于三色LED的滤光材料检定。

 以上的检定中,PR-1980B可以对于待测荧光粉及滤光玻璃分别进行发光及透光在各个可见光波长上进行测量,根据测量结果进行校正。

通讯员:羽轩转载

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