新型色度監(jiān)測儀器及方法探究剖析

世界上生產(chǎn)光學(xué)測量儀器的廠商很多，我們通常使用的儀器中，主要有日本東京光學(xué)株式會(huì)社及美國Photoresearch公司的產(chǎn)品。前者主要生產(chǎn)中、低檔測試儀器，用于生產(chǎn)測量及控制。著名的LED生產(chǎn)企業(yè)日亞及豐田等LED制造商在生產(chǎn)線上就大量地使用著該公司生產(chǎn)的BM－5A、BM－7等生產(chǎn)測量設(shè)備。后者不但生產(chǎn)中檔生產(chǎn)用測試儀器，而且生產(chǎn)可以作為標(biāo)準(zhǔn)的高檔標(biāo)準(zhǔn)儀器。在需要定標(biāo)時(shí)，則只能使用后者生產(chǎn)的設(shè)備，只不過價(jià)格太高。
　　表1示出了Photoresearch公司的產(chǎn)品主要技術(shù)規(guī)格，可以看出，采用穩(wěn)定的光電倍增管的只有PR－880、PR－1980B和PR－1530AR三種。其中PR－880是手持式自動(dòng)光度計(jì)，較為簡易；PR－1530AR是單體式輻射度／光度／色度計(jì)，由于不具有獨(dú)立光譜的測量能力，其應(yīng)用范圍也較窄。而PR－1980B則不但具有對于光源全部光特性的測量能力，更具有對于獨(dú)立光譜的分析能力，故名光譜分析儀，它可以對于任何可見光源的光學(xué)特性進(jìn)行標(biāo)定。另外，其他一些型號(hào)的儀器由于采用的是荷藕器件，其穩(wěn)定性及測量精度次于光電倍增管的儀器，在某些場合的測量值須經(jīng)光電倍增管測量儀器校正。
　　需要說明的是中的技術(shù)名詞翻譯采用了色度學(xué)中的慣用方法，而本文中所采用的名詞釋義則是使用了常用說法，這是為了避免混淆，筆者無法在表中將名詞翻譯為通用說法，因?yàn)槟菢涌隙〞?huì)引起定義混淆。
　　對于大屏幕的色度定標(biāo)，用量化的方式制定大屏幕的色度標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)經(jīng)常使用的項(xiàng)目。當(dāng)一定的RGB發(fā)光二極管被確定使用的時(shí)候，可以事先分別測試出各個(gè)基色發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，測試標(biāo)準(zhǔn)有若干可以參照的亮度公式，他們分別是：CCIR601即ITU－Rec.601（原國際無線電咨詢委員會(huì)即現(xiàn)國際電信聯(lián)盟第601號(hào)建議書）提出了電視應(yīng)用基本亮度計(jì)算公式，即：Y＇＝0.299R＇＋0.587G＇＋0.114B＇（1）這是基于NTSC制的基礎(chǔ)上，盡管后來在PAL和SECAM制式的研究過程中，人們提出了不同的三基色數(shù)值，如果嚴(yán)格按照EBU標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，亮度公式應(yīng)改為：Y＝0.222R＋0.707G＋0.071B（2）但為了便于統(tǒng)一，各個(gè)方面均進(jìn)行了折中，現(xiàn)有各種電視制式均以以上公式（1）作為了計(jì)算基礎(chǔ)。
　　但是，為了適應(yīng)HDTV的發(fā)展，國際電信聯(lián)盟綠色LEDCIE1931坐標(biāo)位置ITU提出了用于HDTV的第709號(hào)建議書，在此建議書中，明確了HDTV電視應(yīng)用的亮度計(jì)算公式為：Y＇＝0.2126R＇＋0.7152G＇＋0.0722B＇（3）這與在PAL和SECAM制式的研究過程中擬建議采用新型三基色熒光粉提出的數(shù)值是十分接近的，它更靠近EBU色域標(biāo)準(zhǔn)。比起公式（1）來，這是一個(gè)很大的差異，在任何與色度相關(guān)的大型計(jì)算或者具體的色度測量時(shí)，均必須考慮到這個(gè)差異。
　　大屏幕是在大型公共場所使用的設(shè)備，其色度標(biāo)準(zhǔn)并不一定要與廣播電視相同。在參照以上若干亮度計(jì)算公式的情況下，更重要的是要以所采用的發(fā)光器件本身的色度值作為基礎(chǔ)，因此，在測量之前，首先要對于所采用的發(fā)光器件進(jìn)行測量。前提是，所采用的發(fā)光器件的原始坐標(biāo)值與上述計(jì)算公式接近，如果相差很大，則要在系統(tǒng)中先行校正，這些校正是有條件的，而且使得系統(tǒng)變得很復(fù)雜。為了使得系統(tǒng)更便于理解，這里列出在ITU－RBT.709reference發(fā)布的關(guān)于RGB（sRGB）及標(biāo)準(zhǔn)白光D65的具體數(shù)據(jù)如下：以上對于標(biāo)準(zhǔn)色度的測量及大屏幕色度標(biāo)準(zhǔn)的制定具有指導(dǎo)關(guān)系。一般來講，如果以泛束CRT或者FDT作為大屏幕的發(fā)光器件，則實(shí)際采用發(fā)光管的三基色色度坐標(biāo)值與上述數(shù)值可以很接近，但是目前往往采用迅速發(fā)展的LED作為三基色發(fā)光器件，其色度坐標(biāo)值經(jīng)常會(huì)呈現(xiàn)紅色飽和度偏高或y值偏低（即＂過紅＂），藍(lán)色飽和度則略低或y值稍高（即偏藍(lán)綠）的情況，這里要說明的是綠色LED的坐標(biāo)在生產(chǎn)工藝?yán)淄�的情況下仍然會(huì)呈現(xiàn)離散度很大的現(xiàn)象。以上的偏差在廣告屏應(yīng)用及中低檔體育場用大屏幕中，可以不必過慮，但在高檔次的體育場館的大屏幕應(yīng)用中必須加以注意及采取校正。
1LED大屏幕色度標(biāo)準(zhǔn)制定過程舉例 
　　1.1確定三基色LED理論坐標(biāo)值，這三基色的坐標(biāo)值必須是可以接受的，如果有較大差距，則要先行引入校正。這樣才使得三基色及合成白都有符合標(biāo)準(zhǔn)的可能。這是大屏幕色度標(biāo)準(zhǔn)制定的前提條件。三基色分別發(fā)光時(shí)，其基色光必須在一定的范圍之內(nèi)，而這個(gè)范圍必須先行得知，并經(jīng)過測量驗(yàn)證。
　　1.2根據(jù)基本情況做出的簡單計(jì)算值初步確定三基色LED的電流分配或功率分配。這一步在初始可以分成幾步進(jìn)行，比如先用標(biāo)準(zhǔn)亮度計(jì)對三基色發(fā)光亮度情況分別進(jìn)行測量。圖2以綠色LED的測定說明，其中在計(jì)算機(jī)上顯示的CIE1931色度圖中，標(biāo)出了標(biāo)準(zhǔn)A光源的位置及被測綠管的色度位置，在其譜線圖上，不但清楚地標(biāo)出了其在CIE1931色度圖上的坐標(biāo)，也標(biāo)出了在CIE1960和1976UCS圖上的坐標(biāo)。經(jīng)過分析，這個(gè)綠色是可以接受的。
　　合成白的光譜分析確定合成白的標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)色溫，如D白還是C白；在經(jīng)常采用的D白中，一般采用D65作為演播室調(diào)光的標(biāo)準(zhǔn)白，但日本在演播室中采用D93作為標(biāo)準(zhǔn)白，這說明了有些人是愿意接受高色溫白（比起低色溫白來說向藍(lán)色方向偏色），這使得在顯示端進(jìn)行色彩還原時(shí)膚色不太黃，既引入了記憶色概念。為了折中，就提出了7000K至8000K白光作為標(biāo)準(zhǔn)白的要求。
　　1.3用標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行初步測量，得出合成白的坐標(biāo)。對于測量得出的合成白進(jìn)行計(jì)算，即得出與欲實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)合成白的差距。這可以用方程計(jì)算得出，由于PR－1980B在測量時(shí)不但直接讀出了x，y及u＇，v＇的數(shù)值，而且在顯示圖形上直接標(biāo)出了合成白在CIE1931及1960／1976色度圖上的位置及與標(biāo)準(zhǔn)A白光的關(guān)系，也可以用測量得出的圖形上用幾何方法采用比例計(jì)算得出。圖4示出了當(dāng)客戶強(qiáng)烈要求將D93白作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)初步計(jì)算得出的進(jìn)行組合得出的測量結(jié)果。只管可以看出，藍(lán)色多了一些。
　　1.4進(jìn)行第二次LED電流分配或功率分配調(diào)整。三基色LED的電流分配或功率分配可能要進(jìn)行多次，在取得足夠經(jīng)驗(yàn)之后，就可能在減少測量次數(shù)的情況下用少量步驟得出最終主要色度指標(biāo)均符合要求的標(biāo)準(zhǔn)制定目的。而且在高檔次的使用場合，不但要對于三基色及合成白進(jìn)行測量，還要對于每兩種基色的合成結(jié)果即CMY（某些理論書籍上稱為三間色）進(jìn)行測量。在進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后再進(jìn)行測量，直到實(shí)現(xiàn)要求為止。
2RP－1980B的頻譜測量功能其它應(yīng)用舉例 
　　2.1同色異譜測量由于人眼具有異譜同色感受特性，這使得不具有頻譜分析功能的測量儀器的功能發(fā)揮相形見絀。
　　舉例說明，汽車的霧燈一般設(shè)計(jì)為555nm的橙黃色光，這種光具有較強(qiáng)的穿霧能力，這是指單一波長下發(fā)出的光，但是用三基色發(fā)光管完全可以合成與555nm具有完全相同視覺感受的橙黃光，而這種橙黃光則不具有象單一555nm一樣的大霧強(qiáng)穿透能力，這是一個(gè)典型例子，即人眼無法區(qū)別非三基色光是單一波長的，還是有若干獨(dú)立波長的光合成的，而且許多低檔次儀器僅能得出x，y值，也不具有同色異譜分析功能。事實(shí)證明用這種儀器測量偏差是較大的，只有用類似于1980B這樣的頻譜分析儀才能夠得出正確的測量結(jié)果，需要指出的是，同一非基色光并非僅能用兩種光合成，也完全可以用三種或以上不同的光合成，比如黃光，它可以是單一波長的黃光，也可以用一種紅光和一種綠光合成，也可以用幾種不同的紅光和幾種不同的綠光甚至加上藍(lán)合成，這在使用1980B進(jìn)行測量時(shí)，可以把從380nm至780nm的可見光范圍頻譜透徹分析。完全可以根據(jù)具體情況進(jìn)行具體調(diào)整。
　　示出了一種希望應(yīng)用于汽車霧燈的琥珀色發(fā)光管，其波長離要求的波長在CIE1931色度圖上看來雖然有些距離，但仍然是可以接受的。但是在光譜分析中，由于其主波長距離要求甚遠(yuǎn)，根據(jù)譜線分析的結(jié)果就可以否定這種管作為汽車霧燈的意義。
　　另外，顯示技術(shù)中所講的黃光是一種特定的光，它是指加權(quán)后等量紅光和綠光的合成效果，大屏幕Amber琥珀色單色屏通常被稱為了單黃屏幕，這里人們往往把琥珀色當(dāng)作黃色光。當(dāng)然，如果用戶接受，以上叫法是否嚴(yán)格是不必多慮的，但是在理論分析時(shí)則必須注意。實(shí)際上的測量指出，琥珀色不但含有紅和綠，也含有藍(lán)色成分，即它的飽和度并不高。
　　2.2濾光玻璃標(biāo)準(zhǔn)檢定示出了通常使用三色熒光粉的可見光譜曲線，其中可見，綠色及紅色熒光粉由于采用了稀土元素，故呈針狀曲線；藍(lán)色熒光粉由于沒有采用稀土元素，則呈現(xiàn)饅頭狀曲線，另外，紅色熒光粉的副瓣曲線其幅度也可見一斑。為了使得濾光玻璃可以與熒光粉相容，則必須采用可以產(chǎn)生等能透光特性的玻材。
　　主要是由此玻材造成的玻璃在熒光粉RGB三個(gè)主要波長及其附近必須具有較大透光系數(shù)。否則，就要增減玻材主要成份的比例及考慮增加添加劑。此種情況不但適用于通常CRT的玻璃制造，也適用于PDP濾光玻璃的制造，以上由于采用一種玻璃對于三種基色熒光粉進(jìn)行濾光，及由于其他因素的影響，比如在CRT玻璃內(nèi)加鉛，綜合透光系數(shù)往往控制在48￣52％之間。以上原理也應(yīng)用于LCD濾光片的制造。
　　在另外一種三色分開發(fā)光的場合下，如泛束CRT大屏幕。投影CRT或三色LCD、DLP濾光片等情況，則采用三種不同的濾光玻璃對于各自不同的熒光粉進(jìn)行濾光，這種濾光玻璃的透光特性如圖10所示。由于沒有相互兼顧的需要，各自的濾光玻璃僅僅對于一種熒光粉進(jìn)行濾光，則由圖10可見，選擇透光系數(shù)可達(dá)75￣85％。而阻止透光系數(shù)則在30％以下，在實(shí)現(xiàn)對比度得以提高的前提下大大提高了光效。這種原理也適用于三色LED的濾光材料檢定。
　　以上的檢定中，PR－1980B可以對于待測熒光粉及濾光玻璃分別進(jìn)行發(fā)光及透光在各個(gè)可見光波長上進(jìn)行測量，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行校正。