不同光譜特性的電視機(jī)在光學(xué)測(cè)量中的校準(zhǔn)

李 默

(國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015)

0 引言

亮度色度測(cè)試儀是以光度學(xué)和色度學(xué)理論為基礎(chǔ)，對(duì)光源的亮度和色度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的儀器。在電視機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，誕生了CRT，PDP和以CCFL，LED作背光源的LCD電視機(jī)，由于它們的光源不同，光譜特性各異，因此測(cè)量對(duì)象的光譜特性的不同造成了測(cè)量結(jié)果的差異很大。另一方面，由于行業(yè)通用的測(cè)光測(cè)色儀器大多采用光譜光靈敏度函數(shù)比較穩(wěn)定的A光源作為標(biāo)準(zhǔn)燈，A光源的光譜光靈敏度函數(shù)與CRT，PDP和以CCFL，LED作光源的LCD電視機(jī)的光譜光靈敏度函數(shù)差異較大，用其作標(biāo)準(zhǔn)燈校正后的儀器測(cè)量不同類型的彩色電視機(jī)的亮度、色度參數(shù)會(huì)引入較大誤差。因此，針對(duì)目前4類不同光譜特性曲線的電視機(jī)，使用國(guó)家計(jì)量院核準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器CS-2000亮度色度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，得出的測(cè)試數(shù)據(jù)和用A光源校準(zhǔn)PR-650后測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較，找出前者與后者的差異值，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)計(jì)算后，得到幾類光源的光度色度參數(shù)。由于光學(xué)測(cè)量中涉及測(cè)量項(xiàng)目指標(biāo)較多，鑒于篇幅，本文將主要研究光學(xué)測(cè)試儀對(duì)以上光源的亮度和色度坐標(biāo)特性的測(cè)試及差異評(píng)定，其他各項(xiàng)指標(biāo)可參考本文中的方法進(jìn)行評(píng)估。

1 A光源及CRT和以CCFL，LED作光源

國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)照明體是指特定的光譜能量分布，是規(guī)定的光源顏色標(biāo)準(zhǔn)。其中CIE規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)光源(標(biāo)準(zhǔn)白光)A光源代表完全輻射體在2856 K發(fā)出的光(X0=109.87，Y0=100.00，Z0=35.59)。此光源作為計(jì)量使用時(shí)，用色溫為2856 K的充氣螺旋鎢絲燈作為儀器光源。作為計(jì)量用A光源使用的是BDT-3型標(biāo)準(zhǔn)燈，其是螺旋燈絲結(jié)構(gòu)的充氣白熾燈，色溫為2856 K，燈絲結(jié)構(gòu)為花瓣形，該結(jié)構(gòu)代表一般的白熾燈的光分布形式，此標(biāo)準(zhǔn)燈的光通量達(dá)到4000 lm。A光源為我國(guó)光學(xué)儀器計(jì)量的常用光源［1］。

陰極射線管電視機(jī)(CRT電視)的發(fā)光與色還原是靠彩色顯像管來(lái)完成的。彩色顯像管是利用空間混色法來(lái)重現(xiàn)彩色的。它以紅、綠、藍(lán)三種熒光粉所發(fā)出的非譜色光作為顯像三基色光。CRT電視機(jī)在保證重現(xiàn)彩色質(zhì)量的情況下，以犧牲部分色域而換取較高的重現(xiàn)彩色亮度。

CCFL背光源是冷陰極熒光燈。它是一個(gè)密閉的氣體放電管，在管的兩端是冷陰極，采用鎳、鉭和鋯等金屬做成，無(wú)須加熱即可發(fā)射電子。燈管內(nèi)主要是惰性氣體氬氣，在兩端加一定高壓?jiǎn)?dòng)點(diǎn)亮。由于CCFL的發(fā)生機(jī)理決定了亮度不會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)CCFL提供了優(yōu)良的白光源，色彩飽和度大于72%［2-3］。

發(fā)光二極管(LED)是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，由于LED背光為面光源，因此亮度和均勻性較好，RGB-LED光源色彩飽和度較高。

如圖1所示，由于CRT，CCFL，LED光源的發(fā)光原理不同，光譜特性曲線迥然各異，PDP光譜特性基本上和CRT的光譜特性相同。所以測(cè)量不同光源應(yīng)使用符合各自特性的校正系數(shù)，因此在電視機(jī)及顯示器件的測(cè)量中，每一類光源都應(yīng)具有各自的校正值。下面將論述經(jīng)過(guò)大量測(cè)試數(shù)據(jù)和分析得出的每類校正情況。

圖1 幾種不同光源(CCFL，LED，CRT，A光源)的光譜分布

2 亮度色度測(cè)試儀器的選用

光學(xué)測(cè)試儀器分為分光光譜式和光電積分式兩類，分光光譜式儀器的使用更為廣泛。其中，柯尼卡美能達(dá)生產(chǎn)的CS-2000和Photo Research，Inc的PR-650屬于分光光譜式;Instrument System的LumiCam 1300 -201屬于光電積分式。

分光光譜式儀器的測(cè)量原理是以光度學(xué)和色度學(xué)理論為基礎(chǔ)，對(duì)光源的光度和色度參數(shù)進(jìn)行光譜測(cè)量的儀器，其最基本的用途是測(cè)量光源在可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜輻射功率分布。它主要由輸入光路部件(如測(cè)光積分球、導(dǎo)光纖維、透鏡等)、單色儀及波長(zhǎng)掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸出光路部件、探測(cè)器及供電電源、輸出信號(hào)處理及讀數(shù)儀表等部分組成。圖2為典型的分光光譜式測(cè)試儀結(jié)構(gòu)的示意圖，測(cè)光積分球內(nèi)光源發(fā)出的光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)(如光線或鏡頭等)輸出后，被匯聚在測(cè)試儀的入射狹縫上，經(jīng)測(cè)試儀分光后的單色光由單色儀出射狹縫射出，并由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)電路放大處理和A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字處理系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)發(fā)出波長(zhǎng)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光柵掃描，實(shí)現(xiàn)從380～780 nm的光譜測(cè)量。最終得到一系列波長(zhǎng)的光譜信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算，得到各種光度和色度參數(shù)［4］。

圖2 分光光譜式亮度色度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

光電積分式儀器的測(cè)量原理是把探測(cè)器的相對(duì)光譜靈敏度S(λ)修正為國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)推薦的標(biāo)準(zhǔn)色度觀測(cè)者光譜三刺激函數(shù)(λ)，(λ)，z-(λ)，在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)(380～780 nm)進(jìn)行一次積分運(yùn)算，測(cè)得樣品的三刺激值X，Y，Z，再利用式(1)，就可以求出樣品的色度坐標(biāo)x，y。這類儀器的光探測(cè)器一般是光電管或大面積光電二極管，當(dāng)要求儀器有較高靈敏度時(shí)，則光電探測(cè)器一般采用光電倍增管。當(dāng)用三個(gè)光探測(cè)器分別接收發(fā)光體的光刺激時(shí)，就能用一次積分測(cè)量出發(fā)光體的三刺激值X，Y，Z，再求出發(fā)光體的色度坐標(biāo)x，y

光探測(cè)器的相對(duì)光譜靈敏度函數(shù)被修正為 x-(λ)，y-(λ)，z-(λ)后，就可以與電子線路配合組成光電積分式測(cè)色儀器，電子線路的組成如圖3所示。被測(cè)光入射于X，Y，Z三個(gè)光探測(cè)器上，通過(guò)光電變換器輸出相應(yīng)于三刺激值的電壓Ux，Uy，Uz，這個(gè)電壓可以用數(shù)字電壓表表示。再通過(guò)加法運(yùn)算就可以得出與X，Y，Z相應(yīng)的電壓Σ U，經(jīng)過(guò)標(biāo)定就可以得到色度參數(shù)x，y和亮度Y。

圖3 光電積分式亮度色度計(jì)電路原理

通過(guò)兩者相較，分光式儀器的測(cè)試精度高于積分式儀器，由于儀器工作原理的根本區(qū)別，使得分光式儀器進(jìn)行色度測(cè)試的誤差相對(duì)較小。但從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀器的允差范圍看，分光式與積分式儀器均可作為顯示器件的科學(xué)測(cè)量使用。

接下來(lái)的亮度、色度測(cè)試以PR-650儀器為例，首先用未經(jīng)A光源校準(zhǔn)的PR-650測(cè)試CRT，PDP和CCFLLCD，LED-LCD，再用經(jīng)A光源校準(zhǔn)后的PR-650測(cè)量上述4類電視，最后用國(guó)家計(jì)量院的標(biāo)準(zhǔn)器CS-2000分別測(cè)量上述4類電視機(jī)。將標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)得的結(jié)果稱之為標(biāo)準(zhǔn)值，比較A光源校準(zhǔn)后的測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值的差距，分析A光源校準(zhǔn)儀器的測(cè)量誤差，并得出修正值。

3 亮度測(cè)試結(jié)果對(duì)比與校準(zhǔn)

3.1 亮度測(cè)試

使用亮度色度計(jì)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行亮度測(cè)試。測(cè)試環(huán)境為暗室(環(huán)境照度＜0.001 lx)，測(cè)試信號(hào)源經(jīng)Y/PB/PR線纜輸出給被測(cè)樣機(jī)全白場(chǎng)信號(hào)，見(jiàn)SJ/T 11348-2006《數(shù)字電視平板顯示器測(cè)量方法》，用亮度色度計(jì)測(cè)試電視機(jī)屏幕中心的亮度P0;電視機(jī)的測(cè)試工作狀態(tài)的調(diào)整見(jiàn)SJ/T-11348-2006《數(shù)字電視平板顯示器測(cè)量方法》中的規(guī)定。表1測(cè)試信號(hào)源分別輸出白場(chǎng)電平為0～100%共11個(gè)信號(hào)［5］。

表1 CS-2000測(cè)量CRT，CCFL-LCD，LED-LCD，PDP及A光源校準(zhǔn)PR-650測(cè)量值灰度值

3.2 結(jié)果分析與校準(zhǔn)

1)CRT測(cè)試結(jié)果與誤差如圖4所示。

2)CCFL-LCD測(cè)試結(jié)果與誤差如圖5所示。

圖5 A光源校準(zhǔn)PR-650前后的CCFL-LCD亮度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3)LED-LCD測(cè)試結(jié)果與誤差如圖6所示。

圖6 A光源校準(zhǔn)PR-650前后的LED-LCD亮度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4)PDP測(cè)試結(jié)果與誤差如圖7所示。

圖7 A光源校準(zhǔn)PR-650前后的PDP亮度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

各個(gè)測(cè)試結(jié)果誤差對(duì)比如圖8所示。

圖8 A光源校準(zhǔn)后儀器測(cè)量CRT，CCFL-LCD，LED-LCD和PDP的誤差

5)CRT，PDP，CCFL-LCD，LED-LCD 的校準(zhǔn)。由于經(jīng)A光源校準(zhǔn)后，普遍產(chǎn)生異于各類光譜特性函數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)。出現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)值較大的誤差，亮度誤差記為ε，滿足某光譜特性的電視標(biāo)準(zhǔn)值記為X，A光源校準(zhǔn)測(cè)量值記為a，則亮度誤差公式為

共測(cè)量了白場(chǎng)電平為0～100%共11次，N取11，因此可以求得每類電視的平均誤差值為

表2 經(jīng)A光源校準(zhǔn)后測(cè)量產(chǎn)生的誤差

由式(3)得到 εCRT=2.4670 ，εCCFL=5.4273 ，εLED=7.6218 ，εPDP=7.5336 。由此得知，使用 A 光源校準(zhǔn)亮度色度計(jì)后，測(cè)量電視機(jī)產(chǎn)生的誤差均大于2%，并且LEDLCD，PDP的電視采用A光源校準(zhǔn)的誤差甚至大于7%，這樣的誤差顯然對(duì)測(cè)量精度影響較大，不可接受［6］。

上述校正用光譜輻射計(jì)的不確定度/準(zhǔn)確度為2.0%，校正的不確定度的描述為UY=3%(k=2)。

4 色度測(cè)試結(jié)果對(duì)比與校準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)上述4類電視進(jìn)行的色度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)儀器經(jīng)過(guò)A光源的校準(zhǔn)后，會(huì)產(chǎn)生誤差，特別是對(duì)于定義某類電視的色度空間影響較大。下面將未校準(zhǔn)值、A光源校準(zhǔn)值、標(biāo)準(zhǔn)值列入表3～表6，并分別計(jì)算色域覆蓋率值，加以比較。

表3 CRT測(cè)量結(jié)果與校準(zhǔn)

表4 CCFL-LCD測(cè)量結(jié)果與校準(zhǔn)

表5 LED-LCD測(cè)量結(jié)果與校準(zhǔn)

表6 PDP測(cè)量結(jié)果與校準(zhǔn)

利用基色的色度誤差校準(zhǔn)值Δx和Δy，修正色域覆蓋率的測(cè)試結(jié)果，進(jìn)而求出色域覆蓋率，降低測(cè)試誤差。

5 舉例

為了更好理解校準(zhǔn)方法和區(qū)別，以上述測(cè)量中CCFL-LCD為例，將標(biāo)準(zhǔn)值的色域覆蓋率、A光源校CCFL-LCD前后的色域覆蓋率，予以比較(見(jiàn)圖9)。

圖9 CCFL-LCD標(biāo)準(zhǔn)值及A光源校準(zhǔn)前后的色域覆蓋率(ICE1976色度圖)

以往行業(yè)測(cè)量測(cè)試中，一個(gè)儀器只有一個(gè)校準(zhǔn)值，這個(gè)值是計(jì)量時(shí)采用A光源得到的，而實(shí)際測(cè)試中，測(cè)試對(duì)象不具有標(biāo)準(zhǔn)光源那樣的連續(xù)譜分布特性，若校準(zhǔn)不正確，更加無(wú)法得到真值。由前面測(cè)試得出結(jié)論，不同類光譜特性的電視機(jī)，應(yīng)有各自的校準(zhǔn)值。這將更有利于測(cè)試的準(zhǔn)確性和行業(yè)發(fā)展。

［1］郝允祥，陳遐舉，張保洲.光度學(xué)［M］.北京:北京師范大學(xué)出版社，1988.

［2］郝允祥，張保洲.色度學(xué)［M］.北京:北京師范大學(xué)出版社，1998.

［3］海因維希·朗格.色度學(xué)與彩色電視［M］.張永輝，等，譯.北京:中國(guó)電影出版社，2004.

［4］龔堅(jiān)，田紗，蔡志平，等.液晶電視色度自動(dòng)測(cè)試及校正系統(tǒng)［J］.電視技術(shù)，2008，32(10):92-94.

［5］SJ/T 11348-2006，數(shù)字電視平板顯示器測(cè)量方法［S］.2006.

［6］CIE IEC 61966-4:2000，Multimedia systems and equipment—colour measurement and management—Part 4:equipment using liquid crystal display panels［S］.1998.