不同光譜特性的電視機在光學測量中的校準

李 默

(國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015)

0 引言

亮度色度測試儀是以光度學和色度學理論為基礎，對光源的亮度和色度參數進行測量的儀器。在電視機的發展過程中，誕生了CRT，PDP和以CCFL，LED作背光源的LCD電視機，由于它們的光源不同，光譜特性各異，因此測量對象的光譜特性的不同造成了測量結果的差異很大。另一方面，由于行業通用的測光測色儀器大多采用光譜光靈敏度函數比較穩定的A光源作為標準燈，A光源的光譜光靈敏度函數與CRT，PDP和以CCFL，LED作光源的LCD電視機的光譜光靈敏度函數差異較大，用其作標準燈校正后的儀器測量不同類型的彩色電視機的亮度、色度參數會引入較大誤差。因此，針對目前4類不同光譜特性曲線的電視機，使用國家計量院核準的標準器CS-2000亮度色度測試儀進行測量，得出的測試數據和用A光源校準PR-650后測量的結果進行比較，找出前者與后者的差異值，再經過數據校準計算后，得到幾類光源的光度色度參數。由于光學測量中涉及測量項目指標較多，鑒于篇幅，本文將主要研究光學測試儀對以上光源的亮度和色度坐標特性的測試及差異評定，其他各項指標可參考本文中的方法進行評估。

1 A光源及CRT和以CCFL，LED作光源

國際照明委員會(CIE)規定的標準照明體是指特定的光譜能量分布，是規定的光源顏色標準。其中CIE規定的標準光源(標準白光)A光源代表完全輻射體在2856 K發出的光(X0=109.87，Y0=100.00，Z0=35.59)。此光源作為計量使用時，用色溫為2856 K的充氣螺旋鎢絲燈作為儀器光源。作為計量用A光源使用的是BDT-3型標準燈，其是螺旋燈絲結構的充氣白熾燈，色溫為2856 K，燈絲結構為花瓣形，該結構代表一般的白熾燈的光分布形式，此標準燈的光通量達到4000 lm。A光源為我國光學儀器計量的常用光源［1］。

陰極射線管電視機(CRT電視)的發光與色還原是靠彩色顯像管來完成的。彩色顯像管是利用空間混色法來重現彩色的。它以紅、綠、藍三種熒光粉所發出的非譜色光作為顯像三基色光。CRT電視機在保證重現彩色質量的情況下，以犧牲部分色域而換取較高的重現彩色亮度。

CCFL背光源是冷陰極熒光燈。它是一個密閉的氣體放電管，在管的兩端是冷陰極，采用鎳、鉭和鋯等金屬做成，無須加熱即可發射電子。燈管內主要是惰性氣體氬氣，在兩端加一定高壓啟動點亮。由于CCFL的發生機理決定了亮度不會發生變化，同時CCFL提供了優良的白光源，色彩飽和度大于72%［2-3］。

發光二極管(LED)是一種半導體固體發光器件。它是利用固體半導體芯片作為發光材料，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。所以測量不同光源應使用符合各自特性的校正系數，因此在電視機及顯示器件的測量中，每一類光源都應具有各自的校正值。下面將論述經過大量測試數據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 亮度色度測試儀器的選用

光學測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，柯尼卡美能達生產的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量原理是以光度學和色度學理論為基礎，對光源的光度和色度參數進行光譜測量的儀器，其最基本的用途是測量光源在可見波長范圍內的光譜輻射功率分布。它主要由輸入光路部件(如測光積分球、導光纖維、透鏡等)、單色儀及波長掃描驅動機構、輸出光路部件、探測器及供電電源、輸出信號處理及讀數儀表等部分組成。圖2為典型的分光光譜式測試儀結構的示意圖，測光積分球內光源發出的光線經光學系統(如光線或鏡頭等)輸出后，被匯聚在測試儀的入射狹縫上，經測試儀分光后的單色光由單色儀出射狹縫射出，并由光電探測器轉換為電信號，再經電路放大處理和A/D轉換，將數字信號送入數字處理系統。計算機發出波長控制信號，驅動光柵掃描，實現從380～780 nm的光譜測量。最終得到一系列波長的光譜信號，再經過數據處理系統計算，得到各種光度和色度參數［4］。

圖2 分光光譜式亮度色度計結構示意圖

光電積分式儀器的測量原理是把探測器的相對光譜靈敏度S(λ)修正為國際照明委員會(CIE)推薦的標準色度觀測者光譜三刺激函數(λ)，(λ)，z-(λ)，在整個可見光范圍內(380～780 nm)進行一次積分運算，測得樣品的三刺激值X，Y，Z，再利用式(1)，就可以求出樣品的色度坐標x，y。這類儀器的光探測器一般是光電管或大面積光電二極管，當要求儀器有較高靈敏度時，則光電探測器一般采用光電倍增管。當用三個光探測器分別接收發光體的光刺激時，就能用一次積分測量出發光體的三刺激值X，Y，Z，再求出發光體的色度坐標x，y

光探測器的相對光譜靈敏度函數被修正為 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色儀器，電子線路的組成如圖3所示。被測光入射于X，Y，Z三個光探測器上，通過光電變換器輸出相應于三刺激值的電壓Ux，Uy，Uz，這個電壓可以用數字電壓表表示。再通過加法運算就可以得出與X，Y，Z相應的電壓Σ U，經過標定就可以得到色度參數x，y和亮度Y。

圖3 光電積分式亮度色度計電路原理

通過兩者相較，分光式儀器的測試精度高于積分式儀器，由于儀器工作原理的根本區別，使得分光式儀器進行色度測試的誤差相對較小。但從國際標準對儀器的允差范圍看，分光式與積分式儀器均可作為顯示器件的科學測量使用。

接下來的亮度、色度測試以PR-650儀器為例，首先用未經A光源校準的PR-650測試CRT，PDP和CCFLLCD，LED-LCD，再用經A光源校準后的PR-650測量上述4類電視，最后用國家計量院的標準器CS-2000分別測量上述4類電視機。將標準器測得的結果稱之為標準值，比較A光源校準后的測量值和標準值的差距，分析A光源校準儀器的測量誤差，并得出修正值。

3 亮度測試結果對比與校準

3.1 亮度測試

使用亮度色度計對樣機進行亮度測試。測試環境為暗室(環境照度＜0.001 lx)，測試信號源經Y/PB/PR線纜輸出給被測樣機全白場信號，見SJ/T 11348-2006《數字電視平板顯示器測量方法》，用亮度色度計測試電視機屏幕中心的亮度P0;電視機的測試工作狀態的調整見SJ/T-11348-2006《數字電視平板顯示器測量方法》中的規定。表1測試信號源分別輸出白場電平為0～100%共11個信號［5］。

表1 CS-2000測量CRT，CCFL-LCD，LED-LCD，PDP及A光源校準PR-650測量值灰度值

3.2 結果分析與校準

1)CRT測試結果與誤差如圖4所示。

2)CCFL-LCD測試結果與誤差如圖5所示。

圖5 A光源校準PR-650前后的CCFL-LCD亮度測試結果對比

3)LED-LCD測試結果與誤差如圖6所示。

圖6 A光源校準PR-650前后的LED-LCD亮度測試結果對比

4)PDP測試結果與誤差如圖7所示。

圖7 A光源校準PR-650前后的PDP亮度測試結果對比

各個測試結果誤差對比如圖8所示。

圖8 A光源校準后儀器測量CRT，CCFL-LCD，LED-LCD和PDP的誤差

5)CRT，PDP，CCFL-LCD，LED-LCD 的校準。由于經A光源校準后，普遍產生異于各類光譜特性函數的測量數據(見表2)。出現和標準值較大的誤差，亮度誤差記為ε，滿足某光譜特性的電視標準值記為X，A光源校準測量值記為a，則亮度誤差公式為

共測量了白場電平為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A光源校準后測量產生的誤差

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

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

4 色度測試結果對比與校準

通過對上述4類電視進行的色度測試，發現儀器經過A光源的校準后，會產生誤差，特別是對于定義某類電視的色度空間影響較大。下面將未校準值、A光源校準值、標準值列入表3～表6，并分別計算色域覆蓋率值，加以比較。

表3 CRT測量結果與校準

表4 CCFL-LCD測量結果與校準

表5 LED-LCD測量結果與校準

表6 PDP測量結果與校準

利用基色的色度誤差校準值Δx和Δy，修正色域覆蓋率的測試結果，進而求出色域覆蓋率，降低測試誤差。

5 舉例

為了更好理解校準方法和區別，以上述測量中CCFL-LCD為例，將標準值的色域覆蓋率、A光源校CCFL-LCD前后的色域覆蓋率，予以比較(見圖9)。

圖9 CCFL-LCD標準值及A光源校準前后的色域覆蓋率(ICE1976色度圖)

以往行業測量測試中，一個儀器只有一個校準值，這個值是計量時采用A光源得到的，而實際測試中，測試對象不具有標準光源那樣的連續譜分布特性，若校準不正確，更加無法得到真值。由前面測試得出結論，不同類光譜特性的電視機，應有各自的校準值。這將更有利于測試的準確性和行業發展。

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

［2］郝允祥，張保洲.色度學［M］.北京:北京師范大學出版社，1998.

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

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

［5］SJ/T 11348-2006，數字電視平板顯示器測量方法［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.