LED色度校正精度影响因素研究

1、滤光片式led色度测量准确度影响因素研究摘要：随着led行业的发展，色度校正越来越受到行业关注，而高精确色度值的获取是至关 重要的。基于原理不同色度计可以分为：分光辐射度计、分光光度计、三刺激值色度计，其 中滤光片式三刺激值色度计在成像应用领域运用最为广泛，当前大部分研究集中在如何提高 滤光片式三刺激值色度计测量精度，但结果并不能让人满意，精度极大取决于测量条件及目 标物，系统稳定性和可重复性不足。本文陈述了滤光片匹配度对滤光片式三刺激值色度计精 度影响程度并分析了 rgb工业彩色相机测色的误差情况。关键词：led、色度、逐点校正、三刺激值study on influence factor o

2、f filter-type led chroma correction accuracyabstract: with the development of led industry, chroma correction is becoming more and more attention, the most important thing is to get highest precise chroma value- based on principle colorimeter can divided intospectromdionieter ,spectrophotometer and

3、tristimulus values colorimeter the tristimulus filter-type colorimeters are the most widely used for imaging app 1 ications. many studies have been conducted on how to calibrate tristimulus filter-type colorimeters, but the results are alwaysstrongly related to the calibration conditions and the tar

4、get stimulus, system stabil i ty and repeatabil ity is insuff icient. tn thi s paper we show how filters influenced filter-type colorimeters accuracy and analyze the error of rgb color industrial camera pixel-level correction.keywords: led> chroma> pixel-level correction> tristimulus values

5、1.引言目前led色度校正主要有分光辐射度计、分光光度计、三刺激值色度计三种方法，由于 分光辐射度计和分光光度计存在成本髙、速度慢、不利于大面积数据采集等缺点，三刺激值 色度计被广泛应用于led屏色度校正，但三刺激值色度计最大的难点在于色度数据的高精度 采集，数据采集的精度和稳定性将直接影响到最终的校正效果，而led屏校正效果的验收标 准以人眼视觉效果为最终标准，所以要求滤光片式三刺激值色度计尽可能接近人眼三刺激值 特性。1931年cie规定了一组匹配等能光谱色所需要的三原色数据“cie1931标准色度观察 者光谱三刺激值”，来代表人眼的平均颜色，光谱三刺激值曲线图如图1所示。图1 cte19

6、31标准色度观察者光谱三刺激值曲线图三刺激值xyz计算公式如下所示:(1)(2)7x()z = .f 仇吃(2)d2(3)其中/(2)是led光强相对光谱功率分布函数，元(2)、刃刃、乏(2)是cie规定的 标准色度观察的光谱三刺激值。计算出led三刺激值后，可由(4) - (5)式计算出色品坐标：x =x + r+z(4)y =y(5)x + y + zz =z(6)x + y + z2. 滤光片式色度计精度影响因素为了实现高精度色度测量，色度计所用滤光片要求符合c1e-xyz,但这种滤光片工艺难 度比较大，制作要求高，费用昂贵，因此很多滤光片式色度计生产厂商为了节省成本选择低 兀配度滤光片

7、或者直接选用rgb滤光片数码相机，再通过后期定标得出转换成cte-xyz的矩 阵算法，但由于定标光源的波长是一定的，转换矩阵只适用于波长在一定范围内的led显示 屏，如果波长超出此范围需要在此基础上进行矩阵的自适应调节，而现场led显示屏由数十 万个灯珠组成，led灯珠波长、带宽都有一定的离散性，即使是同一批次的led产品波长差 异也只能控制在5-10nm左右，此外波长受外环境温度、湿度、使用时间、驱动电流大小影 响，给测量带來了一系列不确定因素，从而导致测量精度较低，系统稳定性和可重复性不足。 为了提高滤光片式色度计测量精度，需要提高滤光片兀配度和选用led光源进行矩阵校正。3. 滤光片容差

8、值从公式(1)-可以看出三刺激值xyz是led光谱曲线与色度计光谱响应曲线的卷积 结果，那么全光谱范围内滤光片与cie标准曲线的误差都会影响到三刺激值xyz的精度，通 过误差传递函数可以计算出滤光片可容许最大误差值。根据误差传递方法，可以得到如下公式：dx =clz(7)dy =(8)dzdy +dzazdz(9)、 dxclydzax =(-x)+ x+ x< ex + y + zx+y + z x + f+zdx 一 、 dydz(10)(11)假设色品坐标误差为£ ,色品坐标xyz函数(4) - (6)代入(7) - (8)式可得:dy = y + (1 - y)f v&

9、lt; £x + y + zx + y + zx + y+z,dxdy、 dzdz = z+ z+ (l-z)< ex + y+zx + r+zx + r+z可证明得出:(13)(14)(15)8.00%a elq2d89v6.00%4.00%2.00%0.00%500550550a50-o-dx/x -o-dy/y o-dz/z700clx£ x 2x(1 - x) dy <8t2y(-y) dz <£t_2z(1-z)如果需要将色度计最终色品坐标误差控制在某个值£，根据以上公式可以计算出滤光片 光谱响应兀配精度。如图2所示，从图中可

10、以看出：为了将最终色品坐标误差控制在0. 005, xyz滤光片全波段光谱响应匹配度要求最大误 差小于2%o为了提高系统的稳定性和可重复性，需要严格控制系统实验室环境下误差值在一个较低 水平，即要选用相对來说较高匹配度的滤光片。如果直接选用低兀配度的滤光片或者直接选 用rgb相机，将从根本上决定了系统精度水平，即使通过后期算法修正也只是针对某一定波 长的led光源。wavelength (nm)图2色品坐标误差为0.005时全波段光谱响应匹配误差4. rgb相机经矩阵函数校正后的误差分析rgb相机用于led色度测量时，必须经过标准仪器进行校准，校准只能针对待校准的显 示屏rgb的平均色品，而实

11、际上，led屏上的海量像素之间，主波长和半高宽均存在差异和 漂移。那么，让我们看看，经过特定主波长条件下矩阵校准后的rgb相机，用于测量主波长 轻微漂移后的led色坐标，误差情况会是如何？本文选用工业彩色相机canon eos 500d来对rgb校止法做误差分析。4. 1 led光谱响应曲线模拟根据led发光特性建立一个光谱数学模型，光谱模型的相对光谱分布曲线和实际led光谱分布曲线近似一致：/a)exp4 in 2（2-易尸-ze4. 2 xyz与rgb值模拟计算目前led显示屏使用的蓝色led主波长为450nm-480nm,绿色为520nm左右,红色为630nm 左右，因此根据led光谱模

12、型分別模拟出蓝色led （峰值波长460nm,半宽高21nm）.绿色 led （峰值波长520nm,半宽高21mn）、红色led （峰值波长630nm,半宽高21nm）,归一化 曲线数据如图3所示。图3 led光谱模拟曲线cte1931三刺激值曲线与led光谱响应曲线如图4所示，通过积分运算可以得到三刺激值 xyz。图4 cie1931三刺激值曲线vs led光谱响应曲线canon eos 500d工业彩色相机rgb曲线与led光谱响应曲线重叠区域如图5所示，同样通过积分运算诃以得到rgb值。图5 canon eos 500d rgb曲线vs led光谱响应曲线4. 3 rgb-xyz转换矩阵

13、函数工业彩色相机直接获取的值是rgb ft,需要通过一个转换矩阵转换成三刺激值xyz,通 过下面这个公式可以得到相应的转换矩阵两数。x-坷1如。13y。21°22°23gz.°31°32如-b根据已知蓝、绿、红led三刺激值xyz和rgb通过计算得出当前led校正转换矩阵a。11121317665,-0.2671,0.3811a =0.5748,0.674&0.1065.。31。32。33 .-0.0045,-0.544,2.0906 4. 4 led主波长偏离误差分析获得了转换矩阵a,可以通过测量其它led来做误差分析，通过改变led光谱模型主

14、波 长值获取新的led光谱曲线，新led是建立在原有led基础上主波长+/-5nm改变，半高宽 保持不变。新led曲线如图6所示。图6 led主波长改变后新led光谱曲线通过计算得出主波长分别在460±5nm> 520±5nm> 630±5nm下led的rgb值和xyz值, rgb用转换矩阵a可以得到转换三刺激值xi, yl, z1,并进一步计算得到(xl, yl),求取与理 论色品坐标(x,y) z间的误差。分析结果数据见表1、表2、表3,曲线图形见图7。误差表与图中可见，偏离校正主波长越远，误差越大，而哪怕仅仅偏离lnm,色品坐标 的误差也已超过0

15、. 003,最大误差甚至达到0. 02。这么严重的测量误差对于led色度校正來说无疑是无法接受的。表1.蓝色led主波长460nm±5nm偏差下色品坐标误差值波长(nm)x-xly-yi4550. 002810.012664560. 002160.010574570. 001560. 008254580. 0010. 005714594. 86622e-40. 0029446000461-4.36778e-4-0.00317462-8.56376e-4-0.00648463-0.00126-0. 00992464-0.00166-0. 01347465-0.00207-0.01708

16、表2.绿色led主波长520nm±5nm偏差下色品坐标误差值波长(nm)x-xly-yi515-0. 025330. 09292516-0. 02020. 07683517-0.015040. 05925518-0. 009910. 04041519-0.004860. 02056520005210. 00474-0.021045220. 00919-0.042195230.01335-0. 06325240.01718-0.083755250. 02064-0.10361表3.红色led主波长630nm±5nm偏差下色品坐标误差值波长(nm)xxly-yl6250. 00

17、9570. 00626260. 007880. 005066270. 006070. 003866280. 004150. 002626290. 002120. 0013463000631-0. 00217-0.00135632-0. 00441-0.00275633-0.00671-0.00416634-0.00904-0.00561635-0.01141-0. 00708002000150.0100 00500000005-0.010-00150.020is色led波长<nm）x-x1 y-yi0 05ooo-005-010514 515 516 517 518 519 s20 s21 522 523 524 525 52« 蛭色led波长（run）图7 rgb矩阵转换色品坐标xlyl与理论色品坐标xy误差分析5总结本文根据理论计算得出滤光片式色度计测量精度依赖于滤光片匹配精度，为保证色坐标 测量误差小于0. 005,滤光片的全光