新型色度監(jiān)測儀器及方法探究剖析

世界上生產(chǎn)光學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株式會社及美國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)可以作為標準的高檔標準儀器。在需要定標時，則只能使用后者生產(chǎn)的設備，只不過價格太高。
　　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是手持式自動光度計，較為簡易；PR－1530AR是單體式輻射度／光度／色度計，由于不具有獨立光譜的測量能力，其應用范圍也較窄。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特性進行標定。另外，其他一些型號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，因為那樣肯定會引起定義混淆。
　　對于大屏幕的色度定標，用量化的方式制定大屏幕的色度標準是一個經(jīng)常使用的項目。當一定的RGB發(fā)光二極管被確定使用的時候，可以事先分別測試出各個基色發(fā)光二極管的發(fā)光強度，測試標準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即現(xiàn)國際電信聯(lián)盟第601號建議書）提出了電視應用基本亮度計算公式，即：Y＇＝0.299R＇＋0.587G＇＋0.114B＇（1）這是基于NTSC制的基礎上，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，如果嚴格按照EBU標準計算，亮度公式應改為：Y＝0.222R＋0.707G＋0.071B（2）但為了便于統(tǒng)一，各個方面均進行了折中，現(xiàn)有各種電視制式均以以上公式（1）作為了計算基礎。
　　但是，為了適應HDTV的發(fā)展，國際電信聯(lián)盟綠色LEDCIE1931坐標位置ITU提出了用于HDTV的第709號建議書，在此建議書中，明確了HDTV電視應用的亮度計算公式為：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色域標準。比起公式（1）來，這是一個很大的差異，在任何與色度相關的大型計算或者具體的色度測量時，均必須考慮到這個差異。
　　大屏幕是在大型公共場所使用的設備，其色度標準并不一定要與廣播電視相同。在參照以上若干亮度計算公式的情況下，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，因此，在測量之前，首先要對于所采用的發(fā)光器件進行測量。前提是，所采用的發(fā)光器件的原始坐標值與上述計算公式接近，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)布的關于RGB（sRGB）及標準白光D65的具體數(shù)據(jù)如下：以上對于標準色度的測量及大屏幕色度標準的制定具有指導關系。一般來講，如果以泛束CRT或者FDT作為大屏幕的發(fā)光器件，則實際采用發(fā)光管的三基色色度坐標值與上述數(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，其色度坐標值經(jīng)常會呈現(xiàn)紅色飽和度偏高或y值偏低（即＂過紅＂），藍色飽和度則略低或y值稍高（即偏藍綠）的情況，這里要說明的是綠色LED的坐標在生產(chǎn)工藝雷同的情況下仍然會呈現(xiàn)離散度很大的現(xiàn)象。以上的偏差在廣告屏應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用中必須加以注意及采取校正。
1LED大屏幕色度標準制定過程舉例 
　　1.1確定三基色LED理論坐標值，這三基色的坐標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準的可能。這是大屏幕色度標準制定的前提條件。三基色分別發(fā)光時，其基色光必須在一定的范圍之內(nèi)，而這個范圍必須先行得知，并經(jīng)過測量驗證。
　　1.2根據(jù)基本情況做出的簡單計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行，比如先用標準亮度計對三基色發(fā)光亮度情況分別進行測量。圖2以綠色LED的測定說明，其中在計算機上顯示的CIE1931色度圖中，標出了標準A光源的位置及被測綠管的色度位置，在其譜線圖上，不但清楚地標出了其在CIE1931色度圖上的坐標，也標出了在CIE1960和1976UCS圖上的坐標。經(jīng)過分析，這個綠色是可以接受的。
　　合成白的光譜分析確定合成白的標準及相關色溫，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)光的標準白，但日本在演播室中采用D93作為標準白，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色方向偏色），這使得在顯示端進行色彩還原時膚色不太黃，既引入了記憶色概念。為了折中，就提出了7000K至8000K白光作為標準白的要求。
　　1.3用標準儀器進行初步測量，得出合成白的坐標。對于測量得出的合成白進行計算，即得出與欲實現(xiàn)的目標合成白的差距。這可以用方程計算得出，由于PR－1980B在測量時不但直接讀出了x，y及u＇，v＇的數(shù)值，而且在顯示圖形上直接標出了合成白在CIE1931及1960／1976色度圖上的位置及與標準A白光的關系，也可以用測量得出的圖形上用幾何方法采用比例計算得出。圖4示出了當客戶強烈要求將D93白作為標準時，根據(jù)初步計算得出的進行組合得出的測量結(jié)果。只管可以看出，藍色多了一些。
　　1.4進行第二次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行多次，在取得足夠經(jīng)驗之后，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均符合要求的標準制定目的。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）進行測量。在進行適當調(diào)整后再進行測量，直到實現(xiàn)要求為止。
2RP－1980B的頻譜測量功能其它應用舉例 
　　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，汽車的霧燈一般設計為555nm的橙黃色光，這種光具有較強的穿霧能力，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一樣的大霧強穿透能力，這是一個典型例子，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合成，這在使用1980B進行測量時，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)具體情況進行具體調(diào)整。
　　示出了一種希望應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，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作黃色光。當然，如果用戶接受，以上叫法是否嚴格是不必多慮的，但是在理論分析時則必須注意。實際上的測量指出，琥珀色不但含有紅和綠，也含有藍色成分，即它的飽和度并不高。
　　2.2濾光玻璃標準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行濾光，則由圖10可見，選擇透光系數(shù)可達75￣85％。而阻止透光系數(shù)則在30％以下，在實現(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行發(fā)光及透光在各個可見光波長上進行測量，根據(jù)測量結(jié)果進行校正。