成像式色度亮度计原理及应用

        随着彩色显示器应用范围日渐拓宽及其产品质量评估体系逐步完善，对显示器的色度和亮度进行精确测量体现出前所未有的重要性。

        以硅光电二极管（或光电倍增管）作为探测器的小视场滤光片式彩色亮度计因其低成本,在显示器生产线上广泛用于色度和亮度测量。在我国液晶显示器件测量标准中，此种彩色亮度计符合测量要求，是目前显示器测量的常用装置。然而由于此种彩色亮度计的视场小,导致其在显示器件亮度和色度均匀性测量中速度慢，不能满足生产线上的需要,同时由于用户对测量可视化的需求,出现了一种以电荷耦合元件（Charge-Coupled-Device,CCD）作为探测器的影像式彩色亮度计。影像式彩色亮度计虽与国家标准中规定的标准装置完全不同，测量方法也有很大区别，却已得到广泛应用。

        本文就Westboro Photonics公司最新的WP640/690/6120成像式色度亮度计在屏幕测试中的应用作研究。首先介绍亮度与色度的测试原理。

        图一亮度测试原理：

        成像式亮度色度计是一种基于成像原理来测光和测色的光度仪器，其基本结构是由视觉（或色觉）匹配的探测器（一般为CCD或CMOS）、光学系统以及亮度色度系统（利用三色滤镜，WP的成像亮度色度计采用的是四片滤光片方案）等参数的信号输出处理系统组成。

        根据图１，利用光度学和几何光学的原理可以推出：

        式中E为成像面上的照度；L为发光面上的亮度；τ 为光学系统的透过率；f为透镜焦距；l为透镜与发光面的距离（称为测量距离）；fm为系统的相对孔径，且有fm＝f／D，其中D为孔径直径。

        当系统的设计能使f／l 小到可忽略不计时（在某误差范围内），发光体的亮度L与成像面照度E呈线性关系。

        色度测量原理：

        光源的色度用色品坐标x，y表示，与光源的相对光谱功率分布有关。如果一个光源的相对功率分布函数用P（λ）来表示,`x（λ）、`y（λ）、`z（λ）代表CIE1931标准光谱三刺激值，如图２所示，则此光源的三刺激值可用如下公式来表示：

        滤光片式彩色亮度计的色度测量功能的实现，是通过使用合适的滤光片模拟人眼对光的响应，从而使加滤光片以后的探测器的相对光谱响应度与图2 所示的CIE 1931 标准色度观察者色匹配函数相接近。

        注意图2，由于`x（λ）在蓝光波段也有响应,因此可以把`x（λ）拆分成两块滤光片，即，原来只需三片滤光片的设计变成四片滤光片设计，实现更精确的色度测试。

        上图是Westboro Photonics 公司WP640/690/6120成像式色度亮度计的四色滤波设计示意图，Xred与Xblue图分别测试X响应曲线红光波段与蓝光波段的响应。实现色度测试精度的提升,色度测试精度达（x,y）+/-0。003与可重复性均可达到+/-0.00005（CIE 1931标准光源A）。

        WP640/WP690/WP6120均使用帕帖尔冷却CCD，能使测试的噪音与温漂降到最低。在低于0.01cd/m2 亮度的弱信号都可以可靠地进行分析。结合相应的ND滤镜，最大可测量的亮度可达1.5x10⁷cd/m2，并可集成点式光谱辐射计和点式频闪计。

成像式亮度色度计的应用：

        由于成像式亮度色度计采用面阵CCD或CMOS作为光电接受单元,每个CCD或CMOS像素都可以看作是一个独立的检测器,能够瞬间将整个测量面成像在CCD或CMOS传感器上,测量速度快,CCD或CMOS传感器可以看作是X x Y个点式亮度计的组合,X、Y分别对应于CCD或CMOS水平和垂直像素数,因此相比于点式亮度色度计,成像式亮度色度计能大幅度提高测试效率。通过拍摄一张测试样品的图像,便可在图像上进行亮度色度的分析计算,还可以输出相应的测试数据报告,操作方便简单。

        近年来成像亮度色度计逐渐应用于电视电脑产品的显示屏测试和汽车仪表盘测试以及背光键盘测试等,测量参数主要是：显示屏缺陷测试、显示屏亮度均匀性测试、显示屏Mura检测等，汽车仪表盘及背光键盘亮度测试（设置fail/pass参数）。通过分析得到相应的结果，满足用户对产品的需求，实现对测试样品的校准与设计。