（光学工程专业论文）显示器标准白场建立研究.pdf

浙江大学硕i ：学位论文 摘要 近些年彩色电视机有了快速发展，从早期单纯的c r t 彩电发展到现在的数字 c r t 高清、l c d 液晶、i ) l p 背投、p d p 等离子等各种新型彩色电视机，这些电视机 采用不同的发光器件，其显色特性各不相同。在生产环节中，需要使用不同的彩 色分析仪对这些彩色电视机的颜色进行调节和检验。为统一这些仪器的测量结 果，一般需要标准白场对这些仪器进行标准定标。过去彩电厂使用由中国计量科 学院提供的c r t 电视标准白场仪对彩色分析仪进行定标，这一方法主要针对c r t 电视，已不能适应其它新型彩色的要求。因此需要研制一种能够对各种新型彩色 电视机进行准确测量，利用仪器自动反馈，由各种新型电视产生各自的标准白场， 以实现在标准白场下对各种彩色分析仪的定标，以保证各种彩色电视机颜色复现 的一致性和准确性。 本课题以建立一个样机系统为目标，采用光纤光谱仪测量彩电的光谱功率分 布，分析复现设备的色品坐标。利用可控的v g a 信号源，颜色模型，通过改变 信号源输入信号的r g b 分量的幅度复现白场从而实现彩电标准白场的快速建 立。利用本系统在实现各种彩色分析仪的定标的同时也能将其应用扩展到对彩电 色度准确测量领域。 全文共分六章。第一章绪论讲述了建立标准的白场在彩色电视机生产重要 意义，并在此基础上提出了课题研究内容。第二章介绍了课题中涉及的光度学色 度学相关理论知识及总体方案。第三章是系统的硬件设计。介绍了系统的颜色采 集方案及系统的定标方法。第四章详细讲述了样机系统的软件设计需求，具体软 件实现流程和方法。第五章为实验结果，并对标准自场建立作了技术总结。第六 章对课题进行了总结和展望。 关键词：标准白场彩色电视机微型光纤光谱仪颜色测量 浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l yc o l o rt vh a sd e v e l o p e dv e r yw e l l ，f l o ws e v e r a lt y p e st v , l i k ec r t h d t v 、l c d 、p d p 、p l d ，h a v eb e e nl u n c ho nt h em a r k e t t h e s et v su s ed i f f e r e n t c o m p o n e n tt ol i g h ta n dh a v ed i f f e r e n ts p e c t r u m , s oh a v et ou s ed i f f e r e n tc o l o r a n a l y z e rt oc o n t r o l 、a d j l a s tt v c o l o r t og e tau n i f o r mr e s u l to ft h em e a s u r e m e n t ，a s t a n d a r do fw h i t ep o i n ti si n v i t e dt oc a l i b r a t et h e s ec o l o ra n a l y z e r s c r ts t a n d a r d w h i t ep o i n ti n s t n u n e n t , p r o d u c e db yn a t i o n a li n s t i t u t eo f m e t r o l o g ye i l c h i n a , w h i c h u s e dt oc a l i b r a t ec o l o ra n a l y z e rn o wc a n tu s e dt om e a s u r en e w t y p e so fc o l o rt v t o e n s u r ec a l i b r a t ec o l o ra n a l y z e rc o r r e c t l y , t oc o n f o r mc o l o rt v sp r o d u c i n gd e s i r e d c o l o r , i t sn e c e s s a r yt od e s i g nad e v i c et h a tc a ns e t u pd i f f e r e n ts t a n d a r dw h i t ep o i n t s 0 1 1d i f f e r e n tt y p e so f c o l o rt v i nt h i st a s k , m i c r o s p e c t r o m e t e rw a st h eu s e dt og e tc o l o rt v ss p e c t r u ma n d c o l o rc o o r d i n a t eo fw h i t ep o i n t v g as i g n a l sw e r ea d o p t e di n t h i ss y s t e m ，a d j u s t e d t h e i rv a l u e s ，b a s eo nc o l o rm o d e l sa n dc u r r e n tc o o r d i n a t e ，t of o r mt h es t a n d a r dw h i t e p o i n tq u i c k l y b o t ho fm e a s u r i n gc o l o rt v sc h r o m aa n dc a l i b r a t i n gc o l o ra n a l y z e r c a nb er e a l i z e db yt h i ss y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t e do fs i xc h a p t e r s i nt h e1 “c h a p t e rt h ei m p o r t a n c eo f p r o v i d i n gs t a n d a r dw h i t ep o i n tw a sd e s c r i b e d t h ee m p h a s e sw e r ep u to nh o wt o p r o d u c es t a n d a r dw h i t ep o i n t , s ot a s ko ft h i ss t u d yw a sp r e s e n t e d t h e2 删c h a p t e r p r e s e n t e dt h er e l a t e db a s i ct h e o r i e so fp h o t o m e t r y & c o l o r i m e t r ya n do v e r a l ls c h e m e t h a tc o n c e t n sa b o u tt h ed e s i g no ft h es y s t e m sc o n f i g u r a t i o n t h e3 一c h a p t e r c o n c r e t e l yd e s c r i b e dt h eh a r d w a r ed e s i g n i n gp r o c e s sf o rt h es y s t e m sf e e d b a c k c o m p o n e n t s t h e4 t hc h a p t e rm a i n l yg i v e ss c h e m a t i cf l o wc h a r tf o rs y s t e m ss o f t w a r e d e s i g n i n g d l la n dm u l t i t h r e a d st e c h n o l o g yw e r ea d o p t e d i nt h e5 出c h a p t e r e x p e r i m e n to ft h es y s t e mw a gd o n e ，f i v ed i f f e r e n tc o r r e l a t ec o l o rt e m p e r a t u r e so f w h i t ep o i n tw e r ef o u n d e d s y s t e ms h o wu st h eg o o dr e s u l t s t h e6 t i ic h a p t e ri st h el a s t c h a p t e r , t h er e s e a r c hw o r ka n dr e l a t e dd e s i g n sa r es u m m a r i z e d ，a n dt h e ns o m e i l 浙江大学硕 学位论文 p o s s i b l ei m p r o v e m e n t sa l ep o s e d k e y w o r d ：s t a n d a r d w h i t e f i e l dc o l o r i vm i c r o - s p e c t r o m e t e rc o l o r i m e t r y i l l 浙江大学硕l 学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及任务的提出 1 1 1 彩电市场最新发展及显色原理 在信息时代扑面而来的今天，一些家庭对显示设备的需求发生了根本性的变 化，他们需要的是一个多功能、多用途的、易用实用的高清晰、大屏幕显示器。 它可让用户使用一个机器就可以满足信息时代环境下家庭所有的显示要求，这个 机器就是由传统彩电演变成的集数字信号显示、家庭数字设备显示器、电脑显示 器、模拟电视接收、高清晰显示等多功能于一身的家庭信息显示器。就显示技术 而言已由早期的纯平彩色电视到现在的数字c r t 高清彩电、l c d 液晶电视、d l p 电视、p d p 等离子电视等，这些彩电采用不同的发光器件具有不同的显示特性。 c r t 彩色电视机使用荫罩式三枪三束一字排列黑底自会聚管，为了显示彩 色影像，彩色显像管的荧光屏上涂有上百万个能发红、绿、蓝光的荧光小点，这 些小点交错地排列，布满整个荧光屏。在三枪三束彩色显像管中，管颈部三支独 立的电子枪分别发射红、绿、蓝电子束。这些电子束对准并击中相应的荧光点， 利用相加混色法在电视屏幕上组成彩色图像。为了使电子束不致击错荧光小点在 荧光屏附近设置一块用薄钢板制成的荫罩板，板上有4 0 5 0 万个小圆孔，每个 小孔对准荧光屏上一组红、绿、蓝荧光点。c r t 显示器某一象素点的颜色是由 三个荧光粉的光强按照一定比例混合得到，改变电子束激励电流可以调整c r t 电视机的颜色。荧光粉受激发光，其在各个方向上具有相同的发光特性，各方向 上颜色相同。但由于电子枪及荧光粉的差异，不同的电视机在输入相同的灰度信 号时，表现出不同的颜色，出现白平衡误差，需要进行白平衡的调节。保证颜色 复现的一致性和准确性。 在投影显示设备中按其投影方式投影显示分为正投影和背投影两种方式。正 投影最直接的应用就是投影机，是指光线投射到屏幕正面显象。而背投影其原理 简单来说是将投影机安装在机身内的底部，信号经过反射，投射到半透明的屏幕 浙江大学硕十学位论文 背面显像。背投电视就是这种原理的产物，根据其内部利用的投影机种类，主要 可以分为l c d ( 液晶) 和d l p ( 数码光路处理器) 两种。 c r t 等 圈l 一1 背投电视结构 液晶显示器的显像原理是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场 的驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应。当控制光源透射或遮蔽功能在电源关 开时产生明暗即可将影像显示出来。在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会 沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离9 0 度，所以液晶分子成为扭转型。 当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做9 0 度扭转，通过下方 偏光板，液晶面板显示白色；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化， 光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出， 液晶面板显示黑色。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。若 加上彩色滤光片，则可产生彩色图像。因此液晶电视的颜色可以利用改变电压调 整液晶的透过率的方法实现。由于液晶光轴具有方向性，透过的光必须经过漫透 射后，才能保证在各个方向上观看。由于不能做到完全漫透射，液晶显示器在各 个方向上观看，颜色会不一致。由于电路驱动电压及液晶电视电光特性的差异， 液晶仍有白平衡误差。 d l p 背投( d i g i t a ll i g h tp r o g e s s o l ) ，是一种应用了全数字化图像再生的背投， 其工作原理是将光通过过滤器投射到数码微芯片( d m d ) 表面，通过数字信号驱 动微晶片摆动利用反射光形成图像，这样就减少亮度损失提高清晰度。t i 是目 前世界上惟一提供d l p 背投核心芯片d m d 的厂家。d l p 投影机的技术关键点如 下：首先是数字优势。数字技术的采用，使图像灰度等级达2 5 6 1 0 2 4 级，色彩 可以达到2 5 6 3 1 0 2 4 3 种，图像噪声消失，画面质量稳定，精确的数字图像可不 断再现，而且历久弥新。其次是反射优势。反射式d m d 器件的应用，使成像器 2 浙江大学硕 ：学位论文 件的总光效率达6 0 以上，对比度和亮度的均匀性都非常出色。这种基于反射光 显色的电视机，改变控制芯片的数字驱动值以调整微晶片摆动，来实现颜色的复 现。 各种彩电的显示原理不同，在生产过程中都需要利用彩色分析仪或自平衡仪 将彩电调节到一个规定的白场以保证显色的正确性和一致性。 1 1 2 彩电生产中自场 在色度学上常以白色作为标准，作为分解、重现颜色的参考。色度计量中近 似地将白色照明的颜色与在不同绝对温度下绝对辐射体所呈现的颜色相比拟，也 就是通常所说的相关色温。在指明是何种颜色较简便的的方法就是注明与之相当 的绝对黑体的绝对温度。如a 光源可以用色温2 8 5 6 k 表示其发光的颜色。c 光 源模拟白昼太阳光的照明色温为6 8 0 0 k ，d 光源模拟白昼太阳光的平均色泽色温 为6 5 0 0 k ”1 。在彩色电视系统中，摄像端和显像端都应选择一个基准白色。基准 白相当于美术工作者选择什么样的白纸在上面作画，在彩色电视机显示颜色时就 相当于选择相关色温是多少的基准白作为背景重现颜色图像，它对重现图像的鲜 艳度、柔和感、肤色背景的真实性、视觉的疲劳程度、视觉心理等影响较大。如 果彩色电视机上显示的白色不等于基准白，在复现色彩时就会产生很大的失真 1 3 1 。彩电生产中需要对彩色电视机的白场色度坐标进行调节，以保证其生产质量。 早期的n t s c 制彩电选择普朗克轨迹上的相关色温为9 3 0 0 k 白场( x = o 2 8 1 ， y = 0 3 1 1 ) 。我国采用的p a l 制即欧洲广播联盟系统( e b u ) 采用的“现代荧光 粉”的色品坐标( 表1 一1 ) 并规定c i e 标准照明体d 6 5 作为白场，色品坐标( x = o 3 1 3 ，y = 0 3 2 9 ) 作为彩色显象管白场色品坐标1 1 1 2 1 0 表1 - - 1e b u 彩色电视荧光粉色品坐标 参照刺激 x y t ， 红( r )o 6 4o 3 3o 4 5 l0 5 2 8 绿( g )o 2 9o 6 00 。1 2 l 0 5 6 1 蓝( b ) o 1 50 0 6 o 1 7 50 1 5 8 我国选用c i e 标准照明体d 6 ，色度坐标作为c r t 彩色电视机标准白场，中国 计量科学研究院于1 9 9 1 年正式建立了我国的彩色电视机白场复现标准1 2 1 这项 3 浙江大学硕i ：学位论文 工作目前在国际上也是处于领先地位的，整套标准包括1 8 台( 件) 仪器仪表，其 测量光谱范围为3 8 0 - - 7 8 0 n m ，带宽是l n m 和2 r i m ，标准白场仪总不确定度为 x 、ay 不大于0 0 0 2 7 。标准白场仪包括6 5 0 0 k ，7 5 0 0 k 和9 3 0 0 k 三种色温标准。 这种c r t 标准白场仪利用产生的标准白场对生产线上的各种彩色分析仪和白平 衡仪定标，以保证颜色复现的准确性和一致性。 早期国内彩电生产厂家生产的彩电要求白场色温为6 5 0 0 k ，因此浙江大学研 制用于彩电生产检测c m 一7 彩色分析仪是利用色温为6 5 0 0 k 的白色来获得仪器 的色修正系数c 。c 。c b ，这样可以保证仪器在监控6 5 0 0 k 色温时具有较高的测 量精度。 近年来彩色电视机厂家也开始生产p d p 、l c d 、p l d 等新型的彩色电视机。 这类新型的彩电其发光光谱各不相同，需要采用不同的彩色分析仪或白平衡仪调 节自平衡。同时彩色电视机厂家对此类新型彩电的白场色温提出了新的要求：国 内各个厂家采用的白场色温都不同，有的则采用1 0 0 0 0 k 色温作为自场，有的甚 至采用1 1 0 0 0 k 色温作为白场。中国计量科学院建立的c r t 标准白场仪已经不能 满足当前生产的需求，面对这样的现实情况有必要设计一台能够为生产提供各种 标准白场的仪器，这台仪器同时能够标定积分式彩色分析仪，以提高其测量精度。 1 2 课题研究的目标和意义 综上所述，彩电厂在生产各种彩色电视机时必须利用仪器对它们进行颜色测 量和自平衡调节。为保证测量的一致性和准确性，仪器必须在标准白场下进行定 标。因此有必要研制一种能够对各种新型彩色电视机进行准确测量，利用颜色自 动反馈，实时在线产生各种新型电视自身的标准白场，以实现在标准白场下，对 各种彩色分析仪的定标。 本课题对提高我国电视生产的质量，提高我国电视企业的竞争能力具有重要 意义。 4 浙江大学硕t 学位论文 第二章课题研究相关技术及总体设计 2 1 格拉斯曼颜色混合定律 适用于加混色方法的格拉斯曼颜色混合定律是由h g r a s s m a n 于1 8 5 4 年根据 颜色混合现象总结出来的几条基本定律t 7 l 。 ( 1 ) 人眼视觉只能分辨出颜色的三种变化，即明度、色度和饱和度。 ( 2 ) 由几个成分组成的加混色中，如果一个颜色连续变化，则混合色的 外貌也连续变化。 ( 3 ) 在加混色中，混合色取决于参加混合的颜色的外貌，与其光谱组成 无关。 ( 4 ) 混合色的总亮度等于组成混合色的各颜色亮度的总和，即亮度相加 定律。 彩色电视机的显色就是利用空间加混色的方法获得。当三种原色相互靠得 很近，他们之间的距离相对欲人眼的张角小于1 0 ，人眼不能再区分这三点就能观 察到三色混合的效果。 2 2 颜色空间 2 2 1c i e l 9 3 1 x y z 为了定量地研究颜色的测量和计算问题，c i e 推出了1 9 3 i c i e x y z 系统和 c 1 e 1 9 6 4 补充色度系统分别应用于视场在r 妒和1 0 。下的色度测量1 7 | 1 8 | 。 颜色测量中首要任务就是测量色刺激函数妒( 五) 。如果测量目标是光源色，实 际上就是要测量光源的相对光功率分布s ( 旯) ，如果测量目标是物体色则需测定 物体的光度特性，如：光谱透射比f ( a ) 、光谱反射比p ( a ) 或光谱辐亮度系数 厌旯) 。 5 浙江大学硕士学位论文 x = 七if l ( , t ) s ( 五) 可( 五) d z y = k j ( 五) s ( 五) 歹( 名) d 兄( 2 一1 ) z = 后l ( 五) s ( 力) 可( 五) d 旯 改写成累加求和形式为： x = 后 ( 旯) s ( z ) i ( ) 五 ( 2 2 ) 式中；，歹，：表示c i e 标准色度观察者光谱三刺激值函数。i 为调整因子。 工 = y = ：!：一 x+r4 - z ( 2 3 ) x+y+z x , y 为色品坐标，y 为颜色的亮度。 图2 1c i e 一1 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值函数 2 - 2 2c i e l 9 6 4u c s 均匀色品图 c i e l 9 3 1 色度系统解决了用数量描述颜色的问题，颜色使用x ，y ，z 三个 参数表示，但是仍存在着两种颜色三刺激值差x ，y ，z 相同而人感觉的 6 ， 、， 五 ，l歹、， 丑 l s 、， 丑 ，l 肝 辨 7 =4 露 l l r ，z丑s见 芦 胛 卅 月 7 = 卫 豇 = z 浙江大学硕士学位论文 色差异不同这样的现象。莱特和麦克亚当的心理实验证明了这点，色品图上不同 的位置颜色宽容量( 色宽容量可以用不同大小，不同朝向的椭圆来表示) 是不同 的。如在c i e l 9 3 1 色品图上蓝色部分宽容量最小，绿色部分则最大，因此需要 寻找一个均匀的颜色色品图，保证在这个色品图上中无论处于任一位置的两点只 要具有相等的距离就能尽可能代表相同的色差。麦克亚当将色品图转换得到 c 正1 9 6 0u c s 图，图中最大和最小的色容限差别仅相差2 倍左右，尽管他们还是 有一定的差异但已能满足工业实践的要求。 4 x x + 1 5 l ，+ 3 z 6 ， r 十1 5 l ，+ 3 z ( 2 4 ) 为了更符合人眼的视觉特点，更适宜于工业上的色度检验，常在c i e l 9 6 0 u c s 色度图上用人眼能辨别颜色差的最小单位即刚辨差j n d ( j u s tn o t i c e a b l e d i f f e r e n c e ) 计算色差。 = 瓜二而0 0 0 3 8 4 ( j n d ) ( 2 5 ) u ，v 为实际颜色的色度坐标， u o ，v 0 为标准颜色的色度坐标。过去我国c r t 彩 电通用技术条件要求的色差评价方式是采用刚辨差来判别。 2 2 3c i e 均匀颜色空间 ( 1 ) c i e1 9 6 4 均匀色空间l * u v 由c i e l 9 3 1 色品图变换成c i e l 9 6 0u c s 1 图是色度学的一个很大发展，但 它并没有表示出颜色的明度差别。1 9 6 4 年c i e 规定了“均匀颜色空间”的颜色 表示方法，推荐了一组计算方程式既可用于同样亮度水平的颜色计算，也可用于 不同亮度的颜色计算，我们称这组方程式为“c i e l 9 6 4 均匀颜色空间”。9 7 浙江人学硕j ：学位论文 矿= 2 5 y 1 坩一1 71 y 1 0 0 u + = 1 3 w + 一o ) v = 1 3 w r v v o ) 4 x x + 1 5 y + 3 z 6 ， x + 1 5 y + 3 z ( 2 6 ) 其中i l o ，v o 是照明光源的色品坐标，颜色的差异为 e = 【( u ) 2 + ( 矿) 2 十( ) 2 】“2 ( 2 - - 7 ) 该公式是由c i e x y z 色品图进行线性变换推导而得出的，而线性变换的目 的是为了改善色差计算数据与目测结果对比的均匀性。 ( 2 ) c i e1 9 7 6l u + v + r = 1 1 6 ( r r o ) _ 1 6 1 甜+ = 1 3 l ( u - u o )( 2 8 ) 1 ，+ = 1 3 l * ( v - v o )i 甜= 4 x ( x + 1 5 y + 3 z ) 1 1 ，k 9 y ( x + 1 5 y + 3 z ) i i a 0 t = 4 x o ( x o + 1 5 t o + 3 z o ) f ( 2 - - 9 ) v o ：9 y o ( x o + 1 5 y o + 3 z o ) j 其中x 、y 、z 为色样的- - * u 激值，) ( o 、y 。、z o 为c i e 标准照明体的三刺激值( 常 数) ，u 、v 分别为线性变换后色样的色品坐标，u o 、v 。分别为线性变换后 c i e 标准照明体的色品坐标。上式要求x x 、y y o 、z l o 0 0 8 8 5 6 ，而对于不 符合这一要求的极深颜色应使用深色修正公式。旺1c i el * u v 颜色空间中，以u + 、 v ? 轴组成的平面表示颜色的色品，l 轴表示颜色的明度。c i el * u + v + 系统主要应用 于光的加法混色，例如彩色电视和图象处理方面。在彩电生产过程中，过去彩电 行业采用的白平衡色度误差采用刚辨差表示形式，而最新的国家标准采用c i e 1 9 7 6l u v + 颜色空间来描述。 s 浙江大学硕士学位论文 2 3 计算机控制显示器显色 计算机控制显示器显色结构如图2 - - 2 。 图2 - - 2 计算机控制显示器显色 计算机处理得是数字信号，而显示器主要采用模拟电路。因此利用c p u 控制 下将图像显示于屏幕则必须将主机内并行得数字信号转换为串行模拟信号，并提 供相应的控制信号，然后通过显卡显示于显示器上。为此显卡的优劣决定了显示 器上显示颜色的多少。 视 囤显示存储器数频 形梗信 控 + 视频信号发生器 4转_ - 号 嚣换发 制查表法器大 器 图2 3 计算机控制的显示系统 计算机控制的显示系统具体如图2 3 。图形控制器位于c p u 与显示存储器 之间的数据通道上，可对被写入显示存储器的数据执行与、或、异或和循环移位 等逻辑运算。 显示存储器是一种动态的随机存储器，以一定的数据格式完整的保存着所要 显示的一幅图像，主机c p u 通过向其写入数据来实现图像的显示。 查找表用来定义不同颜色的红绿蓝成分。查找表根据象素值从表中查出颜色 的三原色成分，然后对c r t 的红、绿、蓝三原色进行亮度调节，从而产生不同 的颜色( 对查找表方式而言) 。 数模转换器将信号转换成模拟的相应于红绿蓝的三种电压信号，送给视频信 号处理电路。 视频信号放大器将相应于红绿蓝的模拟电压信号放大，送至视放末级电路进 一步放大，由电子枪发射电子束去激励显像管上的红绿蓝荧光粉生成颜色。同时 c r t 控制器用来产生各种时序信号，以对显示器的光栅扫描及屏幕刷新进行同 步控制。 9 浙江大学硕士学位论文 主机将图像送入显示存储器，每个象素的红绿蓝信息便以数字值的形式存储 在显示存储器中，显存中读出的象素值经过颜色查找表转换成红、绿、蓝三原色 的亮度值( 2 4 位真彩色显示不需要查找表，象素值就是三原色的亮度值) 。得到 的数字值经过数模转换器( d a c ) 进行数模转换( 数模转换位数决定了得到模 拟信号的级数) 。模拟信号经视频信号放大器，驱动电子枪发射电子束打在荧屏 上，这样呈现出颜色。通过对计算机的编写应用程序即可设置显示器上每个象素 的红绿蓝三色数字信息。 2 4 色空间转换方法 显示器显色的空间是r g b 空间依赖于具体的设备材料，而c i e l 9 3 1 x y z 空间 是于设备无关的颜色空间，如何实现两者之间的转换，至今有许多模型被设计应 用。由于c r t 彩色显示器的呈色受到许多因素的影响，有的因素影响大，有的因 素影响小，因此在确定彩色显示器呈色模型时，人们提出了许多假设，以便忽略 次要因素影响，从而简化模型。啪9 1 模型通常采用两个步骤实现：第一步是建立数字驱动值和显示器三枪亮度值 之间的数据关系，第二步利用转换矩阵实现x y z 空间和r g b 空间之间的转换。在 大量的模型中第二步的实现大致相同，主要区别在于第一步。 利用g o g 模型实现模型的第一步需要对方程进行迭代求解，而初始值的选 用恰当与否决定了是否能够快速地查找到最优解，并且需要大量的计算工作，软 件工作将会相对复杂。另外由于课题的任务需要将c i e l 9 3 1x y z 白点坐标转向 显示器的r g b 空间，为此不必考虑到色域匹配的问题。现有一种相对简单的模 型l i n - - l i n 2 ( 1 i n e a r - l i n e a rs e c o n d - o r d e rm o d e l ) 模型它是利用二阶多项式建立 了数字驱动值d 与亮度值y 之间的关系：y = a + b d + c d 2 。为了统一符号对于红 枪亮度y 记作r ，蓝、绿同理记为b 、g 。红绿蓝三枪数字驱动值记为d ，d 。 d b 用二阶多项式拟合的方法获得三个二次方程表征。 r = o r + 6 ，d r + c ，谚l b = a b + 玩见+ 巳谚( 2 _ 1 0 ) g = + d g + 咚嘎j 1 0 浙江大学硕t 学位论文 阡 窆差窆悃 ， 2 5 颜色测量方法及测量仪器 颜色测量主要可以分为三种：目视法，分光光度法和光电积分法。7 1 ( 1 ) 目视法 这是古老而且相对简单的方法，要求观察者在c i e 规定的标准照明条件下对 色样进行测量。观察的准确性很容易受到主观因素( 如心理因素) 的影响无法进 行定量地测量，因此目前很少使用这种方法进行测量。 ( 2 ) 光电积分法 光电积分法是当前用的最多的一种测色方法。通过在光电探测器前加滤色片 的方法将测量c i e l 9 3 1 光谱三刺激值x ，y ，z 的三个探测器的相对光谱灵敏度 修正成国际照明委员会推荐的c i e l 9 3 1 标准色度观察者光谱刺激函数 可五) ，贝五) ，烈旯) 时，从而对目标进行积分测量。这样就能一次测量出目标的光谱 三刺激值光谱三刺激值x ，y ，z 。因此光电积分式的测量方法具有灵敏度高， 浙江丈学硕 学位论文 测量速度快，系统结构简单等特点。 ： 兹； ； 雎k 蔓| | 梦 苌0 j ； 3 4 + ，3：oe ：以：删8 1 7，孵9 被长单位册 图2 4 修正的探测器相对光谱灵敏度v ( ) 与标准之间的差异 用全滤色片法和部分滤色片法就可以近似满足卢瑟匹配要求。图2 4 示经 滤色片修正以后探测器相对光谱灵敏度与c i e 推荐的v ( ) 刺激值之间的不可避 免地存在着差异，一般利匹配较好的光谱灵敏度相对误差在2 6 之间订1 。 这是积分式测色引入测量不准确的主要原因。 由于工( a ) 具有两个峰值波长，给x 探测器的匹配带来很大困难，在色度测量 中一般将x ( 五) 曲线分成五( 五) 和马( 丑) 两部分，如图2 5 所示。 4 0 07 0 0 硅妊， 图2 - - 5 ；( a ) 光谱三刺激值 通常假设i ( a ) 和j ( a ) 的形状相似，有时就用云五) 的滤光片代替。在三个光 电探测器分别匹配成z ( z ) 、j ，( a ) 、z ( 五) 的彩色亮度计中匹配精度对测量的精度 1 2 相珂切率百分比 雾率 浙江人学硕t ：学位论文 影响很大，由于常规的定标方法是在标准a 光源下定标的，在对其他色温的目 标测量时如采用修正系数方法可提高测量精度。 设仪器在a 光源定标结束后，它对被测色源的三个通道输出为、g 、b ， 由于匹配不完善存在修正系数g ，c 。c b ，则被测色源的三刺激值应为 j = c ，墨+ g b 1 l ，= g( 2 - - 1 3 ) z = g b j 为了求出gc 。c b ，需要有一个与被测色源相近的标准光源或已知的色品坐 标为x 0 y o 把彩色分析仪瞄准标准光源，并进行测量。可写出 益c ，r , o + c , 8 0 鱼1 g 0g oi 墨：兰迭：鱼 i( 2 1 4 ) g og 0儿f 益：盟；c l z bc b 氐 j 式中c 取值取决于仪器使用何种光源对其定标，若采用a 光源( 即( 2 1 5 ) 式p ( ) 取p a ( 九) ) 计算可得c 取o 1 5 1 。 c ：粤：竖f t s o 坐- = o 1 5 l ( 2 _ 1 5 ) 。 z k p ( 2 ) z ( 2 ) d 2 由于不同型号不同色温的电视机的光谱功率分布各不相同，因此c 值也不 同。因此如要使用积分式彩色分析仪准确地监控生产线上某种型号彩电自场是否 达到标准要求，最好预先建立此类彩电的标准白场对其c 系数修正这样就能使 此彩色分析仪在测量相近白场能够达到较高的测量精度。本课题利用样机系统建 立标准白场的另外一个应用就是利用建立的标准白场为基准修正仪器的色修正 系数c ( 或称三刺激值补正系数) 提高积分式彩色分析仪的测量精度。 ( 3 ) 扫描式分光光度法 这种方法测色不是直接测量颜色三刺激值本身而是通过单色仪测量物体的 光谱辐亮度因素或光谱透射比获得颜色三刺激值，分光光度法相对于积分式测量 在精度上是一种提高。其测量颜色主要包括两个过程：首先用分光光度法测量发 光体的光度特性。将颜色通过积分球混光后进入单色仪，利用单色仪分光的特性 浙江大学硕士学位论文 通过探测器逐个读出发光体在各个波段下的光能量，然后根据c i e 标准观察者 光谱三刺激值计算颜色的三刺激值x 、y 、z 。 适 卜圃 撵穗翟 图2 6 分光光度法测量仪器 次涉 八j 磨像暮莰铆睬统 图2 - - 7单色仪原理图 整个测试系统的核心是单色仪，他主要分为成像、分光、接收三部分。其核 心部分是分光元件，大致依据棱镜色散、光栅色散或滤光片滤色原理制成。成像 部分是将光从入射到分光元件上，利用分光元件获得光谱输出最后用光电探测器 接收。 由于这种测量方法主要借助于单色仪，其结构复杂而且测量时间长，往往需 要几分钟或十几分钟的时间才能完成一次测量，不适合在现场实时测量。目前市 场上已经推出成熟的分光光度测色仪器微型光纤光谱仪，不但测量速度达到 了毫秒量级，光谱的波长分辨率也可达l n m ，完全满足了便携式快速测量的要求。 1 1 4 1 2 6 色温与相关色温测量 色温l 是描述光源或发光体特性的一个基本参数，在颜色测量中有重要意义。 辐射源所呈现的颜色与在某一温度t c 时黑体颜色相同时则称t c 为该辐射源的色 温度。光源光谱功率分布不可能与黑体完全一致，这就延伸出相关色温的概念。 1 4 浙江大学硕t 学位论文 在c i e l 9 6 0 u c s 图中，与光源色品坐标最靠近的黑体色品坐标点所对应的黑体温 度称为光源的相关色温。为了确定辐射源的相关色温度，可以把色品图上的黑体 轨迹分成许多等温线，用它来确定辐射源的相关色温。 常用的有双色法和光谱功率分布法两种色温测量方法。双色法测量色温是积 分式测色仪器测量连续光谱的发射体常用的方法而对显示器的白场测量实际是 对三色荧光粉在电子枪作用下荧光色进行检测，由于一般的显示器采用的荧光粉 电致发光有特征谱线，不符合双色法测量条件。利用光谱仪器获得目标光谱功率 分布则相对较容易实现对显示器白场的色温测量。 光谱功率分布法色温测量是根据式( 2 2 ) 先计算出光源三刺激值，进而求 出色品坐标( x ，y ) ，若该点正好落在c i e l 9 3 1 色品图的黑体轨迹上，则相应的 黑体温度称之为光源的色温。若该色品坐标不在黑体轨迹上，则须将色品坐标( x ， y ) 变换成坐标( u ，v ) ，c i e l 9 3 1 色品图变换成c i e l 9 6 0u c s ，作( u ，v ) 点到 黑体轨迹的垂线，交点即为光源的相关色温t c 。现在仪器软件是基于p c 机具有 显著的计算功能能够方便地实现对色温的计算。 2 7 课题总体设计 图2 8c i e l 9 6 0 u c s 等相关色温线 浙江大学硕i ：学位论文 ；i ! | 4 ：污歧豫 l | 场l 捌憋 图2 9 样机系统总体结构图 样机系统结构如图2 - 9 所示。白场复现设备使用显示器。探头部分设计有光 学成像镜头，实现对目标的成像，适应对各种电视机测量的需要，同时具有将能 量会集的功能。探头的光输出通过光纤耦合到光纤光谱仪。光纤光谱仪实现光谱 的测量，并通过u s b 接口将彩电的光谱测量结果输出到p c 机。p c 机计算出色 品坐标和亮度。p c 机上另外安装有可控的v g a 显示卡，输出白场信号给显示 器。系统对显示器白场的色度参数进行实时准确的测量，并利用显示器特征化过 程中获得的参数选用合理的呈色模型获得良好白场调整的初始值以及白场 调整r g b 各通道初始调整步长，快速调整v g a 信号，最终使显示器准确地显示 标准白场。 浙江大学硕e 学位论文 第三章系统硬件设计 3 2 凹面衍射光栅原理 凹面光栅是刻划在球面或者非球面上的一系列反射式衍射光栅。这种形式的 光栅与平面光栅相比优势在与能使谱线聚焦成像。自从1 8 8 3 年罗兰发明凹面光 栅以来随着光栅的制作工艺的提高，就产生了划线不等间距、形状不一的光栅。 应用比较多的是v a i r e dl i n es p a c e ( v l s ) 光栅。这种光栅是平行不等间距的，保 持平行是为了使它的弧矢焦面的曲率固定，通过改变光栅常数可以使子午光束发 生收缩，起到消象散的作用1 1 0 | 。 s 。pc 0 5 够 t ， ( 3 1 ) s 。p c o s 口 图3 1凹面光栅罗兰圆 从公式( 3 - - 1 4 ) 表示的是凹面光栅的焦点s 与物点s 的相对位置，p 是光栅表 面半径。与中可以看出物点与焦点在同一个圆周上，称之为罗兰圆。矿为入射角， 妒为衍射角。 ( 1 ) 凹面光栅角色散率 d ( o k 。= 1 ( 3 2 ) d a d c o s c p 。 凹面光栅的角色散率与衍射角妒成正比。 1 7 浙江大学硕学位论文 ( 2 ) 凹面光栅线色散率 d 1 d e k s k p d 2 。5 2 d c o s o d 2 2 。d 。 ( 3 3 )_ _j 由此式可知线色散率与出射狭缝的位置无关，是一个常数。 ( 3 ) 光栅的有效孔径 当通过入射狭缝照明光栅的光束张角为，贝光栅实际照明宽度g o 为 g o = 二= ( 3 4 ) c o s 口 ( 4 ) 理论分辨率 凹面光栅的理论分辨率与平面光栅一样 r = 肼( 3 5 ) 在相同的光栅常数下，凹面光栅较之于平面光栅在分辨率上没有提高，价格 上也比平面光栅贵，但是在使用平面探测器接受光谱信号时，由于整个光学系统 存在“场曲”这种象差会影响接受效果，因此利用凹面光栅则能够一定程度上消 除场曲带来的影响。 3 3 线阵e g o 多通道探测器 3 3 1 应用于光谱测量的c 在c c d 中电荷注入的方法归纳起来主要有电注入和光注入两类。应用于光 谱测量的c c d 以采用光注入为主。当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的 半导体体内产生电子一空穴对其中大多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则 被收集在势阱中形成信号电荷。 光注入方式又可以分为正面照射式和背面照射式。由于c c d 正面布置着许 多电极，电极的反射和散射作用使得其正面照射的光谱灵敏度比背面照射的光谱 灵敏度低，即使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收以及在整个硅一二氧化 硅界面上多次反射引起某些波长的干涉现象，出现若干个明暗条纹导致c c d 的 光谱灵敏度曲线出现起伏。为此用于光谱测量的c c d 多用背面散射的方法。 浙江大学硕 学位论文 q l p = r l q a n 。o a t 。 ( 3 6 ) 式中r l 为材料的量子效率；q 为电荷电量；入射光光子流速率：a 为光敏单 元的受光面积；r 为光注入时间。 由式( 3 6 ) 可以看出，当c c d 确定后，r 、q 及a 均为常数，注入到势 阱中的信号电荷靠与入射的光子流速率觇。及注入时间瓦成正比。注入时间正 由c c d 驱动器的转移脉冲周期z 茹决定。当所设计的驱动器能够保证其注入时 问稳定不变时，注入到c c d 势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速度 成正比。由此可知，在单色辐射入射时，入射光的光子流速度与入射光谱辐通量 的关系为= 九b y ，鼠“五均为常数。因此在这种情况下光注入的电荷量 与入射的光谱辐通量红。成线性关系。该线性关系是应用c c d 检测光谱强度和进 行多通道光谱分析的理论基础。 c c d 有线型和面型两大类，他们分别属于一维图像传感器和二维图像传感 器，光谱测量中广泛应用的是线型c c d 。 线型c c d 由光敏元线列、专业栅、模拟移位寄存器、胖零电路注入电路、 信号输出电路等几部分组成。光敏元线列是由一列的m o s 电容组成，这种结构 具有存储和转移电荷的能力。当积分周期开始后，入射光照射在感光窗上产生信 号光电荷并存储于二极管的电容器中，当积分周期结束，电容中的信号电荷立即 通过转移栅的作用，向两列模拟移动位寄存器的电极转移，然后形成势垒，使电 容器与移位寄存器隔离，进入一个光积分周期，在移位寄存器中两路驱动脉冲的 控制下分两路传输到读出电路。c c d 的输出电压与c c d 上光敏面上的照度强度 的分布成正比。通过对输出电压信号的处理，我们可以得到被测目标在c c d 光 敏面上像。 线型c c d 有单沟道和双沟道之分，同样像敏单元的双沟道线阵c c d 要比 单沟道线阵c c d 的转移次数少一半，它的总转移效率也大大提高，故一般高于 2 5 6 位线阵c c d 都为双沟道i i l l l l 2 1 。 3 3 2 咖动态范围 动态范围d 。定义为饱和曝光量与信噪比等于l 时的曝光量之比。实际应用 时以饱和输出电压与暗信号电压之比表示。 1 9 浙江人学硕士学位论文 。一= 石u s e r ( 3 - - 7 ) 式中【乞，为饱和输出电压，p 。为c c d 没有光照时输出电压。一般c c d 的