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在前兩個(gè)專題中我們講述了光色測(cè)量原理，顯示技術(shù)的發(fā)展歷史和未來(lái)發(fā)展，這次我們?cè)賮?lái)簡(jiǎn)單討論一下傳統(tǒng)顯示技術(shù)的光色測(cè)量手段。
引言
在“光色測(cè)量原理”一文中，我們知道基于各種顯示技術(shù)所開(kāi)發(fā)的顯示器件的重要作用就是對(duì)“周圍信息”的重現(xiàn)。既然是信息的重現(xiàn)，那么就會(huì)涉及到重現(xiàn)信息與源信息的吻合程度的測(cè)量和評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的主體是人眼（標(biāo)準(zhǔn)觀察者），以人眼的視覺(jué)感受為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)。然而對(duì)于顯示器件制造商而言，需要將人眼的主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為用儀器設(shè)備測(cè)量的客觀標(biāo)準(zhǔn)，以便滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。
另外一方面，由于顯示技術(shù)的不斷更新和人們對(duì)顯示質(zhì)量要求的不斷提高，提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)也越來(lái)越多，相應(yīng)的測(cè)量方法也不斷增加，對(duì)應(yīng)的測(cè)量手段（設(shè)備）的要求也越來(lái)越多。在眾多的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，我們最關(guān)心的指標(biāo)有亮度相關(guān)指標(biāo)、色度相關(guān)指標(biāo)、視角、分辨率、響應(yīng)時(shí)間。
亮度相關(guān)指標(biāo)包括：亮度、亮度均勻性。亮度是指畫面的明亮程度，而亮度均勻性是指顯示屏上可尋址范圍內(nèi)所有像素的亮度一致的程度。
色度相關(guān)指標(biāo)包括：色度、色度均勻性。色度（chromaticity）是一個(gè)用來(lái)評(píng)價(jià)色質(zhì)刺激的指標(biāo)，其值由色度坐標(biāo)或主波長(zhǎng)（或補(bǔ)色波長(zhǎng)）和純度確定。色度不僅包括色調(diào)（hue），還包括飽和度（saturation）。
灰階：顯示屏的畫面是由多個(gè)像素點(diǎn)組成，每個(gè)像素點(diǎn)所能呈現(xiàn)的從黑到白的過(guò)渡等級(jí)數(shù)量就是灰階。色階是一個(gè)與灰階相關(guān)的指標(biāo)。
視角：是指人眼可以清晰分辨顯示屏顯示的畫面所顯示信息的觀察角度。
分辨率：顯示屏的分辨率本來(lái)應(yīng)該是“人眼”所能分辨顯示屏上所顯示信息的能力。但是由于這個(gè)指標(biāo)過(guò)于復(fù)雜，所以通常僅指顯示屏的物理分辨率，即組成屏幕有效顯示區(qū)域的像素點(diǎn)數(shù)。
響應(yīng)時(shí)間：是指一個(gè)顯示屏從接收輸入控制訊號(hào)到輸出畫面之間所花費(fèi)的時(shí)間。
上述這些指標(biāo)有大量測(cè)量方法，這方面可以參考《信息顯示測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)谶@里就不再贅述了。這里我們主要討論測(cè)量亮度和色度所用到的測(cè)量設(shè)備的原理。
根據(jù)測(cè)量面積的大小對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行分類可以分為點(diǎn)測(cè)量設(shè)備和面測(cè)量設(shè)備；根據(jù)測(cè)量原理的不同，可以將測(cè)量設(shè)備分為：①分光輻射度計(jì)（Spectroradiometer）；②濾光片式亮度計(jì)。
基本概念和原理
亮度色度計(jì)是用于測(cè)量光源發(fā)射出的380～780nm的能量。因?yàn)閮x器是瞄準(zhǔn)光源測(cè)量亮度，所以必須要明確測(cè)量視場(chǎng)角和孔徑角。
圖1 與測(cè)量相關(guān)的變量
首先，能對(duì)LMD測(cè)量產(chǎn)生貢獻(xiàn)的、來(lái)自每個(gè)像素的所有光線必須落在一個(gè)頂角不大于2°的圓錐內(nèi)，即聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)的視場(chǎng)角必須不大于2°；
其次，來(lái)自測(cè)量像素中心的所有光線與觀察方向的夾角必須不大于2°，即顯示屏中心對(duì)LMD鏡頭的張角（孔徑角）也必須不大于2°。
朗伯光源
對(duì)于光源而言，人們往往希望其是朗伯輻射體，然而實(shí)際上，幾乎所有的光源都不是朗伯輻射體（Lambert radiator）。為了避免測(cè)量到微小角度偏差而測(cè)量到不希望的光線，同時(shí)也為了方便對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溝通和交流，所以才需要明確測(cè)量時(shí)的視場(chǎng)角、孔徑角和探測(cè)器與光源的相對(duì)位置等變量的數(shù)值。
圖2 光源亮度定義
光度學(xué)的亮度定義如圖2所示，對(duì)應(yīng)朗伯光型的光源在θ角方向亮度為：
(1)
式中，Lθ為θ方向上測(cè)量的亮度值，單位cd/m2。可見(jiàn)，任意方向的Lθ=I0/ds為一定值，故人眼在任意方向觀看朗伯光源時(shí)，所感知的亮度是相同的，即所謂朗伯光源是各向同性光源。
亮度測(cè)量原理
圖3 亮度計(jì)的結(jié)構(gòu)原理
根據(jù)圖１，利用光度學(xué)和幾何光學(xué)的原理可以推出：
(2)
式中E為成像面上的照度；Ｌ為發(fā)光面上的亮度；τ為光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率；f為透鏡焦距；l為透鏡與發(fā)光面的距離（稱為測(cè)量距離）；fm為系統(tǒng)的相對(duì)孔徑，且有fm=f／D，其中D為孔徑直徑。
當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能使f／l小到可忽略不計(jì)時(shí)（在某誤差范圍內(nèi)），發(fā)光體的亮度L與成像面照度E呈線性關(guān)系（這也是上面張角不大于2°的來(lái)源）。
色度測(cè)量原理
光源的色度用色品坐標(biāo)x，y表示，與光源的相對(duì)光譜功率分布有關(guān)。
圖4 CIE 1931色匹配函數(shù)
光源的三刺激值可用公式（3）（4）（5）表示：
(3)
(4)
(5)
P(λ)是光源的校正后的光譜數(shù)據(jù)（相對(duì)功率分布函數(shù)），
(6)
CIE 1976 u’,v’色品坐標(biāo)：
(7)
在《光色測(cè)量原理》一文中，我們?cè)敿?xì)介紹了“光度學(xué)”和“色度學(xué)”的基本概念，以及色坐標(biāo)的計(jì)算方法（假設(shè)：任何顏色都可由三基色適當(dāng)混合匹配獲得，三基色一般為紅、綠、藍(lán)三種顏色。一旦三基色的單位被定量，那么匹配一種特定顏色所需的三基色量的倍率就稱為光的三刺激值）。
測(cè)量亮度、色度的基礎(chǔ)是要獲得被測(cè)量光源的光譜圖。下面我們簡(jiǎn)單介紹一下2種用于獲得光譜數(shù)據(jù)的設(shè)備的基本原理，分光輻射度計(jì)和濾光片式亮度計(jì)。
分光輻射度計(jì)（Spectroradiometer）
分光輻射度計(jì)的功能是對(duì)光源進(jìn)行光譜分析（不同波長(zhǎng)的光能量分布圖），即每一個(gè)波長(zhǎng)位置光強(qiáng)。它與光譜儀的原理相同，也是基于空間色散原理。
圖5 分光輻射度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)
分光輻射度計(jì)不僅能測(cè)量輻射度值或光度值，還可以測(cè)量色度值。這種儀器測(cè)量光源的輻射光譜，并計(jì)算得到所需的參數(shù)，例如色度或亮度。
分光輻射度計(jì)系統(tǒng)的基本組件如下：
(1) 前端光學(xué)元件（Input optics）：用于收集來(lái)自光源的電磁輻射；
(2) 單色器（Monochromator）：為了對(duì)光源進(jìn)行光譜分析，需要用每個(gè)波長(zhǎng)的單色光來(lái)創(chuàng)建光源的光譜響應(yīng)。單色器用于對(duì)光源進(jìn)行波長(zhǎng)采樣，并產(chǎn)生單色信號(hào)。它本質(zhì)上是一個(gè)可變?yōu)V光片，從被測(cè)光的整個(gè)光譜中選擇性地分離和傳輸特定波長(zhǎng)或波段，并濾除落在該區(qū)域之外的任何光；
(3)探測(cè)器（Detectors）；
(4)控制和記錄系統(tǒng)（Control and logging system）。
輸入光學(xué)元件（Input optics）
前端光學(xué)元件（front-end optics）包括透鏡、漫射器和濾光片，它們對(duì)首*進(jìn)入系統(tǒng)的光進(jìn)行修改。對(duì)于輻射亮度的測(cè)量，需要具有窄視場(chǎng)的光學(xué)元件。對(duì)于總光通量的測(cè)量，需要一個(gè)積分球。對(duì)于輻照度的測(cè)量，需要余弦校正光學(xué)元件。這些元件所使用的材料決定了能夠測(cè)量的光類型。例如，為了測(cè)量紫外光，通常使用石英而不是玻璃透鏡、光纖、特氟龍漫射器（Teflon diffusers）和硫酸鋇涂層積分球來(lái)確保準(zhǔn)確的紫外測(cè)量。
單色器（Monochromator）
單色器是分光輻射亮度的核心器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 分單色器的基本結(jié)構(gòu)
A為入射光，B為光學(xué)狹縫，C為準(zhǔn)直柱面反射鏡，D為可轉(zhuǎn)動(dòng)衍射光柵，
E為匯聚鏡，F(xiàn)為出射光學(xué)狹縫，G為出射光，H為匯聚鏡，I為探測(cè)器。
一個(gè)典型的單色器由入射狹縫、出射狹縫、準(zhǔn)直鏡和聚焦光學(xué)元件、以及波長(zhǎng)色散元件（如衍射光柵或棱鏡）組成?，F(xiàn)代單色器是用衍射光柵制造的，而衍射光柵幾乎只用于光譜輻射測(cè)量。衍射光柵因其多功能性、低衰減、寬波長(zhǎng)范圍、較低的成本和更恒定的色散而更受歡迎。根據(jù)應(yīng)用，可以使用單光柵或雙光柵，由于光柵之間額外的色散和阻隔，雙光柵通常能夠提供更高的精度。
入射狹縫決定了進(jìn)入單色器的光的多少。狹縫越小，分辨率越高，但整體靈敏度越低。衍射級(jí)次過(guò)濾器用于減少光柵衍射的高級(jí)衍射光。準(zhǔn)直器將光線準(zhǔn)直到光柵或棱鏡。無(wú)論是使用光柵分光，還是用棱鏡分光，儀器測(cè)得的光源數(shù)據(jù)都是一致的。光柵或棱鏡用于入射光的色散。匯聚光學(xué)元件將光線匯聚到探測(cè)器（光電倍增管、CMOS傳感器或CCD陣列）上。控制和日志系統(tǒng)用于定義和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
探測(cè)器（Detector）
探測(cè)器類型取決于所測(cè)量的光的波長(zhǎng)、所需的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。常規(guī)的分光輻射度計(jì)的探測(cè)器可分為三種類型：光發(fā)射探測(cè)器（例如，光電倍增管）、半導(dǎo)體器件（例如，硅）或熱探測(cè)器（例如，熱電堆）。
給定探測(cè)器的光譜響應(yīng)由其核心材料決定。例如，光電倍增管中的光電陰極面可以由某些元素制造，避開(kāi)對(duì)日光的響應(yīng)——主要是對(duì)紫外光敏感，而對(duì)可見(jiàn)光或紅外光無(wú)響應(yīng)。CCD（電荷耦合器件）和CMOS傳感器通常是由數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)個(gè)單獨(dú)的探測(cè)器元件（也稱為像素）組成的一維（線性）或二維（面）陣列。它們包括一個(gè)基于硅或 InGaAs 的多通道陣列探測(cè)器，能夠測(cè)量紫外光、可見(jiàn)光和近紅外光。CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器與 CCD 的不同之處在于，它們?yōu)槊總€(gè)光電二極管添加了一個(gè)放大器。這被稱為有源像素傳感器，因?yàn)榉糯笃魇窍袼氐囊徊糠?。晶體管開(kāi)關(guān)在讀出時(shí)將每個(gè)光電二極管與像素內(nèi)的放大器連接。
控制和記錄系統(tǒng)（Control and logging system）
日志記錄系統(tǒng)通常是一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)。在初始信號(hào)處理中，通常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換，以便與控制系統(tǒng)一起使用。應(yīng)優(yōu)化單色器、探測(cè)器輸出和計(jì)算機(jī)之間的通信，以確保使用所需的指標(biāo)和功能達(dá)到要求。光譜輻射測(cè)量系統(tǒng)附帶的市售軟件通常帶有有用的參考函數(shù)，用于進(jìn)一步計(jì)算測(cè)量，例如，CIE顏色匹配函數(shù)和V(λ)曲線。
CIE V（λ）曲線和CIE顏色匹配函數(shù)是以數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)在儀器中，并用來(lái)處理從待測(cè)光源處測(cè)量到的光譜能量分布數(shù)據(jù)。因此，相比于光度計(jì)和三刺激測(cè)色計(jì)，分光輻射度計(jì)不存在由于傳感器敏感度匹配不好而引起的測(cè)量誤差。
校正
分光輻射度計(jì)在出廠時(shí)，會(huì)用相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)校準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)，校正系數(shù)包括波長(zhǎng)精確度修正、光譜分布修正和光度修正。波長(zhǎng)校準(zhǔn)采用的是具有特征光譜的氦燈光源，線光源提供了已知的光譜發(fā)射譜線通過(guò)光柵分光后投射到多探測(cè)器上再通過(guò)軟件顯示；用于波長(zhǎng)校準(zhǔn)的氦譜線包括388.6nm，447.1 nm，471.3 nm，587.6 nm，667.8 nm，706.5 nm和728.13 nm；
接下來(lái)，可用光譜校準(zhǔn)系數(shù)校準(zhǔn)這些數(shù)據(jù)；這些校準(zhǔn)系數(shù)確保被測(cè)目標(biāo)光譜能量分布(SPD)和由此計(jì)算出的數(shù)據(jù)比如CIE色度值經(jīng)過(guò)了正確的溯源。最后，校準(zhǔn)系數(shù)（光度系數(shù)）確保光度測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，如亮度或照度。
濾光片式亮度計(jì)
濾光片式彩色亮度計(jì)的色度測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)用合適的濾光片模擬人眼對(duì)光的響應(yīng)，從而使加濾光片以后的圖像傳感器的相對(duì)光譜響應(yīng)度與CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者色匹配函數(shù)相接近。其測(cè)色原理如下：
如果濾光片與圖像傳感器組合后，它們的光譜響應(yīng)為
(8)
式中，kx、kz為色校準(zhǔn)系數(shù)；R、G、B是儀器相應(yīng)各探測(cè)器的輸出值。
圖7是具有旋轉(zhuǎn)濾光片輪的高級(jí)濾光片式色度計(jì)的詳細(xì)圖示。在濾光片輪的每個(gè)位置包含一個(gè)紅色、綠色或藍(lán)色的色度濾光片。通過(guò)每個(gè)濾光片進(jìn)行順序測(cè)量以獲得CIE三刺激值X，Y和Z。該口徑的色度計(jì)配有手動(dòng)匹配的CCIE濾光片。即便如此，濾光片式亮度計(jì)也沒(méi)有光譜式亮度計(jì)的精度高。
圖7 濾光片式亮度計(jì)的結(jié)構(gòu)
濾光片式亮度計(jì)由以下幾部分組成：
(1)光收集器件：根據(jù)應(yīng)用不同，可以是一個(gè)鏡頭，接觸式探頭或者是積分球。
(2)三色濾光片：紅（兩片X/red和X /blue）、綠（Y）、藍(lán)（Z）濾光片，通常的結(jié)構(gòu)為層壓（多層）或薄膜沉積。
(3)圖像傳感器：一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光敏感裝置。色度計(jì)可以包含三個(gè)或更多的探測(cè)器。探測(cè)器通常是PMT（光電倍增管的）或硅光電二極管。濾光片和圖像傳感器共同的作用，使其對(duì)光譜的響應(yīng)與CIE三刺激值函數(shù)相匹配。圖8示意性說(shuō)明通過(guò)修改圖像傳感器的光譜響應(yīng)曲線（通過(guò)調(diào)整濾光片相應(yīng)波長(zhǎng)的光透過(guò)率實(shí)現(xiàn)），使圖像傳感器對(duì)入射光的響應(yīng)曲線與CIE色度測(cè)量所需的三色激勵(lì)函數(shù)曲線匹配。
圖8 典型的硅光電二極管響應(yīng)曲線
(4)控制和記錄系統(tǒng)：作用與3.4節(jié)的描述相同。用圖像傳感器輸出的幾組灰度值計(jì)算出屏幕各點(diǎn)的亮度和色坐標(biāo)。
(5)校正：濾光片式亮度計(jì)在出廠前也會(huì)經(jīng)過(guò)一些列校正，以確保所測(cè)量的亮度和色度指標(biāo)與真值的誤差在可接受范圍內(nèi)。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)2種用于獲得光譜數(shù)據(jù)的設(shè)備的基本原理介紹，給出了傳統(tǒng)顯示技術(shù)的光色測(cè)量手段。兩種測(cè)量設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)。光譜式亮度計(jì)測(cè)量精度高，可以提供光譜功率分布，但是速度相對(duì)緩慢，適合LCD\ OLED\ Mini-LED\ Micro-LED\ 硅基OLED研發(fā)等領(lǐng)域；濾片式亮度計(jì)測(cè)量速度快，但是精度差（濾光片匹配誤差所導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性），適合背光模組，產(chǎn)線上Flicker以及響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。
參考文獻(xiàn)
張雪靜.兩種不同類型的濾光片式彩色亮度計(jì)性能比較，[J]，2013，28（1）：147-148.
苗丹.基于成像光譜儀的顯示屏亮色度參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)定標(biāo)與軟件設(shè)計(jì).[碩士學(xué)位論文].武漢.華中科技大學(xué).2022.
人物介紹
高彬 ，在某企業(yè)工作了8年，長(zhǎng)期從事加固顯示方面的研究，參與了十多個(gè)型號(hào)的加固顯示屏的研發(fā)。同時(shí)，在機(jī)載加固顯示的光電測(cè)量方面也有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。翻譯并出版了《OLED顯示概論》和《信息顯示測(cè)量》兩本書籍。
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