不同光谱特性的电视机在光学测量中的校准

李 默

(国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015)

0 引言

亮度色度测试仪是以光度学和色度学理论为基础，对光源的亮度和色度参数进行测量的仪器。在电视机的发展过程中，诞生了CRT，PDP和以CCFL，LED作背光源的LCD电视机，由于它们的光源不同，光谱特性各异，因此测量对象的光谱特性的不同造成了测量结果的差异很大。另一方面，由于行业通用的测光测色仪器大多采用光谱光灵敏度函数比较稳定的A光源作为标准灯，A光源的光谱光灵敏度函数与CRT，PDP和以CCFL，LED作光源的LCD电视机的光谱光灵敏度函数差异较大，用其作标准灯校正后的仪器测量不同类型的彩色电视机的亮度、色度参数会引入较大误差。因此，针对目前4类不同光谱特性曲线的电视机，使用国家计量院核准的标准器CS-2000亮度色度测试仪进行测量，得出的测试数据和用A光源校准PR-650后测量的结果进行比较，找出前者与后者的差异值，再经过数据校准计算后，得到几类光源的光度色度参数。由于光学测量中涉及测量项目指标较多，鉴于篇幅，本文将主要研究光学测试仪对以上光源的亮度和色度坐标特性的测试及差异评定，其他各项指标可参考本文中的方法进行评估。

1 A光源及CRT和以CCFL，LED作光源

国际照明委员会(CIE)规定的标准照明体是指特定的光谱能量分布，是规定的光源颜色标准。其中CIE规定的标准光源(标准白光)A光源代表完全辐射体在2856 K发出的光(X0=109.87，Y0=100.00，Z0=35.59)。此光源作为计量使用时，用色温为2856 K的充气螺旋钨丝灯作为仪器光源。作为计量用A光源使用的是BDT-3型标准灯，其是螺旋灯丝结构的充气白炽灯，色温为2856 K，灯丝结构为花瓣形，该结构代表一般的白炽灯的光分布形式，此标准灯的光通量达到4000 lm。A光源为我国光学仪器计量的常用光源［1］。

阴极射线管电视机(CRT电视)的发光与色还原是靠彩色显像管来完成的。彩色显像管是利用空间混色法来重现彩色的。它以红、绿、蓝三种荧光粉所发出的非谱色光作为显像三基色光。CRT电视机在保证重现彩色质量的情况下，以牺牲部分色域而换取较高的重现彩色亮度。

CCFL背光源是冷阴极荧光灯。它是一个密闭的气体放电管，在管的两端是冷阴极，采用镍、钽和锆等金属做成，无须加热即可发射电子。灯管内主要是惰性气体氩气，在两端加一定高压启动点亮。由于CCFL的发生机理决定了亮度不会发生变化，同时CCFL提供了优良的白光源，色彩饱和度大于72%［2-3］。

发光二极管(LED)是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，由于LED背光为面光源，因此亮度和均匀性较好，RGB-LED光源色彩饱和度较高。

如图1所示，由于CRT，CCFL，LED光源的发光原理不同，光谱特性曲线迥然各异，PDP光谱特性基本上和CRT的光谱特性相同。所以测量不同光源应使用符合各自特性的校正系数，因此在电视机及显示器件的测量中，每一类光源都应具有各自的校正值。下面将论述经过大量测试数据和分析得出的每类校正情况。

图1 几种不同光源(CCFL，LED，CRT，A光源)的光谱分布

2 亮度色度测试仪器的选用

光学测试仪器分为分光光谱式和光电积分式两类，分光光谱式仪器的使用更为广泛。其中，柯尼卡美能达生产的CS-2000和Photo Research，Inc的PR-650属于分光光谱式;Instrument System的LumiCam 1300 -201属于光电积分式。

分光光谱式仪器的测量原理是以光度学和色度学理论为基础，对光源的光度和色度参数进行光谱测量的仪器，其最基本的用途是测量光源在可见波长范围内的光谱辐射功率分布。它主要由输入光路部件(如测光积分球、导光纤维、透镜等)、单色仪及波长扫描驱动机构、输出光路部件、探测器及供电电源、输出信号处理及读数仪表等部分组成。图2为典型的分光光谱式测试仪结构的示意图，测光积分球内光源发出的光线经光学系统(如光线或镜头等)输出后，被汇聚在测试仪的入射狭缝上，经测试仪分光后的单色光由单色仪出射狭缝射出，并由光电探测器转换为电信号，再经电路放大处理和A/D转换，将数字信号送入数字处理系统。计算机发出波长控制信号，驱动光栅扫描，实现从380～780 nm的光谱测量。最终得到一系列波长的光谱信号，再经过数据处理系统计算，得到各种光度和色度参数［4］。

图2 分光光谱式亮度色度计结构示意图

光电积分式仪器的测量原理是把探测器的相对光谱灵敏度S(λ)修正为国际照明委员会(CIE)推荐的标准色度观测者光谱三刺激函数(λ)，(λ)，z-(λ)，在整个可见光范围内(380～780 nm)进行一次积分运算，测得样品的三刺激值X，Y，Z，再利用式(1)，就可以求出样品的色度坐标x，y。这类仪器的光探测器一般是光电管或大面积光电二极管，当要求仪器有较高灵敏度时，则光电探测器一般采用光电倍增管。当用三个光探测器分别接收发光体的光刺激时，就能用一次积分测量出发光体的三刺激值X，Y，Z，再求出发光体的色度坐标x，y

光探测器的相对光谱灵敏度函数被修正为 x-(λ)，y-(λ)，z-(λ)后，就可以与电子线路配合组成光电积分式测色仪器，电子线路的组成如图3所示。被测光入射于X，Y，Z三个光探测器上，通过光电变换器输出相应于三刺激值的电压Ux，Uy，Uz，这个电压可以用数字电压表表示。再通过加法运算就可以得出与X，Y，Z相应的电压Σ U，经过标定就可以得到色度参数x，y和亮度Y。

图3 光电积分式亮度色度计电路原理

通过两者相较，分光式仪器的测试精度高于积分式仪器，由于仪器工作原理的根本区别，使得分光式仪器进行色度测试的误差相对较小。但从国际标准对仪器的允差范围看，分光式与积分式仪器均可作为显示器件的科学测量使用。

接下来的亮度、色度测试以PR-650仪器为例，首先用未经A光源校准的PR-650测试CRT，PDP和CCFLLCD，LED-LCD，再用经A光源校准后的PR-650测量上述4类电视，最后用国家计量院的标准器CS-2000分别测量上述4类电视机。将标准器测得的结果称之为标准值，比较A光源校准后的测量值和标准值的差距，分析A光源校准仪器的测量误差，并得出修正值。

3 亮度测试结果对比与校准

3.1 亮度测试

使用亮度色度计对样机进行亮度测试。测试环境为暗室(环境照度＜0.001 lx)，测试信号源经Y/PB/PR线缆输出给被测样机全白场信号，见SJ/T 11348-2006《数字电视平板显示器测量方法》，用亮度色度计测试电视机屏幕中心的亮度P0;电视机的测试工作状态的调整见SJ/T-11348-2006《数字电视平板显示器测量方法》中的规定。表1测试信号源分别输出白场电平为0～100%共11个信号［5］。

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

3.2 结果分析与校准

1)CRT测试结果与误差如图4所示。

2)CCFL-LCD测试结果与误差如图5所示。

图5 A光源校准PR-650前后的CCFL-LCD亮度测试结果对比

3)LED-LCD测试结果与误差如图6所示。

图6 A光源校准PR-650前后的LED-LCD亮度测试结果对比

4)PDP测试结果与误差如图7所示。

图7 A光源校准PR-650前后的PDP亮度测试结果对比

各个测试结果误差对比如图8所示。

图8 A光源校准后仪器测量CRT，CCFL-LCD，LED-LCD和PDP的误差

5)CRT，PDP，CCFL-LCD，LED-LCD 的校准。由于经A光源校准后，普遍产生异于各类光谱特性函数的测量数据(见表2)。出现和标准值较大的误差，亮度误差记为ε，满足某光谱特性的电视标准值记为X，A光源校准测量值记为a，则亮度误差公式为

共测量了白场电平为0～100%共11次，N取11，因此可以求得每类电视的平均误差值为

表2 经A光源校准后测量产生的误差

由式(3)得到 εCRT=2.4670 ，εCCFL=5.4273 ，εLED=7.6218 ，εPDP=7.5336 。由此得知，使用 A 光源校准亮度色度计后，测量电视机产生的误差均大于2%，并且LEDLCD，PDP的电视采用A光源校准的误差甚至大于7%，这样的误差显然对测量精度影响较大，不可接受［6］。

上述校正用光谱辐射计的不确定度/准确度为2.0%，校正的不确定度的描述为UY=3%(k=2)。

4 色度测试结果对比与校准

通过对上述4类电视进行的色度测试，发现仪器经过A光源的校准后，会产生误差，特别是对于定义某类电视的色度空间影响较大。下面将未校准值、A光源校准值、标准值列入表3～表6，并分别计算色域覆盖率值，加以比较。

表3 CRT测量结果与校准

表4 CCFL-LCD测量结果与校准

表5 LED-LCD测量结果与校准

表6 PDP测量结果与校准

利用基色的色度误差校准值Δx和Δy，修正色域覆盖率的测试结果，进而求出色域覆盖率，降低测试误差。

5 举例

为了更好理解校准方法和区别，以上述测量中CCFL-LCD为例，将标准值的色域覆盖率、A光源校CCFL-LCD前后的色域覆盖率，予以比较(见图9)。

图9 CCFL-LCD标准值及A光源校准前后的色域覆盖率(ICE1976色度图)

以往行业测量测试中，一个仪器只有一个校准值，这个值是计量时采用A光源得到的，而实际测试中，测试对象不具有标准光源那样的连续谱分布特性，若校准不正确，更加无法得到真值。由前面测试得出结论，不同类光谱特性的电视机，应有各自的校准值。这将更有利于测试的准确性和行业发展。

［1］郝允祥，陈遐举，张保洲.光度学［M］.北京:北京师范大学出版社，1988.

［2］郝允祥，张保洲.色度学［M］.北京:北京师范大学出版社，1998.

［3］海因维希·朗格.色度学与彩色电视［M］.张永辉，等，译.北京:中国电影出版社，2004.

［4］龚坚，田纱，蔡志平，等.液晶电视色度自动测试及校正系统［J］.电视技术，2008，32(10):92-94.

［5］SJ/T 11348-2006，数字电视平板显示器测量方法［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.