全视角测量系统的校准方法

韩 东，刘志刚，闫 实

全视角测量系统的校准方法

韩 东，刘志刚，闫 实

（国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015）

全方位视角测量系统是针对显示器等可视产品的可视角、色亮度等参数进行全面、准确、高效测量的一种测量方法。利用镜头组的独有的光学傅里叶转换系统与CCD传感器配合，对显示产品的视角进行全方位的精确和快速测量。但该系统的计量问题目前在国内尚无完整的解决方案。以量值溯源为目的，针对全视角测量系统的校准方法和系统设计进行了研究。

视角；校准；溯源

1 可视角简介

可视角是几乎所有显示产品的一项关键技术指标，在此为了便于表达，选取平板电视、显示器视角的测量为例，展开本文的讨论。可视角的定义是，在显示器保持“画面失真”不超过一定范围时的最大观看角度[1]。一般分为水平可视角和垂直可视角，也有一些要求较严格的产品需要考核其他方位的可视角。SJ/ T11348—2006《数字电视平板显示器测量方法》[2]中把可视角分为亮度可视角和色度可视角，其中亮度可视角是在屏幕中心的亮度减小到1/3时的水平可视角和垂直可视角，色度可视角是在屏幕中心的Δu'v'=0.020时的水平可视角和垂直可视角。图1是可视角的测量示意图[3]。

2 传统的可视角测量方法

如前所述，传统的可视角测量需要借助一个测量平台，将被测产品和色亮度计按一定要求进行固定，先测量额定观察位置的色亮度，然后通过配有角度测量装置的平台转动从而改变色亮度计与被测产品的相对位置读出各测量点的色亮度值和相应角度，直到色亮度变化达到某个阈值时，此时的角度即为相应方位上的可视角。这种方法的缺点是效率较低、耗时、费力。用这种方法，即便不算把被测样品固定在测量装置上并调整好测量位置所耗时间，从正式测量开始算时间，如果每隔5°测量一次，按每次用时5 s计算，仅测量水平方向上的160°可视角，就需要用160 s。如果按2°间隔测量需要400 s。按这个速度如果要进行全方位360°可视角的测量，按方位角每改变10°测量一组视角来算，整个测量过程需要的时间是：360°÷10°×400 s= 14 400 s，相当于4 h。而且，对于这种方法而言，这已经是最快的了。

图1 可视角的测量示意图

3 新型的快速全方位视角测量系统

目前国际上有代表性的这种测量系统是法国EL⁃DIM生产的，该系统的视角测量范围可达88°，而且是一次性测量全方位角的可视角，整个测量过程仅需要5 min即可完成。系统自带的软件可以将测量结果生成不同的图表，如图2所示，非常方便快捷。我国目前有很多大型企业已经引进了这套设备，确实提高了测量效率，但随之而来的另一个问题是该套设备的校准问题。由于是国外引进的新型仪器，目前国内尚无针对该套仪器的校准方案，设计一套针对该系统的校准方案是本文要解决的问题，要完成系统的校准首先要了解其测量原理，该套系统的核心技术是通过一组光学镜头和测量软件相配合，精确控制XYZ三向移动工作台的走位，用光学傅里叶变换和CCD传感器相结合，把从各个方向进入测量镜头的光线通过傅里叶变换后对焦在像平面的不同点上，如图3所示，成像面上的坐标X与入射光束的夹角θ间的关系为

图2 快速全视角测量系统的测量结果

然后通过CCD图像传感器对各点光线的色亮度进行测量。可见该系统是结合角度和光学测量为一体的高效全方位可视角测量系统。

图3 光学傅里叶变换示意图

4 校准平台设计方案

根据上面的测量原理，对系统的校准分两步完成。第一步用经过标定的显示器作为标准光源对测量系统在各个角度的色亮度测量值进行校准，第二步用准直点光源搭载精密转台对系统的角度测量值进行校准。

4.1 色亮度测量值的校准

这一步的操作方法其实与传统的可视角测量方法一致，首先需要借助一个转台，用色亮度计对标准屏在各个方位的色亮度进行标定，然后用快速测量系统对标准屏进行测量，测得结果与之前的标定值进行比较，从而实现对快速测量系统在设定的方位和可视角上的色亮度值的校准和修正。这一过程有三点必须注意：

1）选取的标准屏的发光性能必须稳定，屏幕中心区域的色度、亮度稳定性24 h内达到0.3%。

2）转台的结构如图4所示，转台的设计必须保证色亮度计能够从发光面中心点垂直轴向（该中心点可通过给标准屏输入“十字叉”信号来瞄准）开始测量，将测量结果作为初始位置（0°可视角）的色亮度值，然后通过转台旋转标准屏对不同方位的可视角进行标定，将测量结果作为校准快速视角测量系统的标准值。

图4 标准屏标定平台

3）标准屏转台的旋转角度的范围和准确度需要满足被校准快速视角测量系统的需要。

4.2 可视角测量值的校准

可视角测量值校准原理如图5所示，用精密转台带动点光源，围绕快速视角测量系统的光学镜头的主轴线旋转，快速视角测量系统会测出点光源在不同入射位置时的视角，将该测量结果与精密转台的旋转角度比较，从而实现对可视角测量值的校准。这一过程中也有几个关键点需要注意。

图5 用旋转点光源校准快速视角测量系统的角度示意图

1）图5中的点光源要求是平行光，至于光的性质笔者认为只要是快速视角测量系统能够适应的光且发光强度在适当范围即可，毕竟这里只要求角度的量值准确。

2）点光源的旋转要以视角测量系统镜头的焦点为圆心，如果实际操作中这个焦点不能一次性确定，可在校准平台的设计中加入位置调整功能，通过多次实测确定点光源的初始位置（0°可视角，即θ=0°时的位置）。实际上对于不同的快速视角测量系统，其不同的测量角度对应不同的测量距离（1～50 mm），在操作时需要参照其技术资料进行。现有的快速视角测量系统都有较完善的测量软件，在校准时可充分运用其自身的测量软件来确定初始位置。

5 数据处理

现有的快速视角测量系统都自带完善的测量和校准软件，对其进行校准时只要将上述步骤中的标准值输入系统，软件即可自动对其测量结果进行修正。至于校准中的不确定度，只要校准平台中的旋转和走行部分的机加工满足规定的技术要求、标准屏的稳定性满足要求，那么系统本身带来的不确定度将会得到有效的控制。

6 总结

本文根据快速视角测量系统的工作原理，结合传统的视角测量方法从量值溯源的角度出发对快速视角测量系统的校准方法进行了研究，至于实际操作中的实现过程可不拘泥于本文的图例。

[1]吴蔚华，王海燕.液晶显示器可视角的测量[J].电视技术，2005，29（2）：95-96.

[2]SJ/T11348—2006，数字电视平板显示器测量方法[S].2006.

[3]国家广播电视产品质量监督检验中心，TCL多媒体科技控股有限公司GPC研发中心.数字电视与平板电视中的色度学[M].人民邮电出版社，2010.

Calibration M ethod of Omnibearing View ing Angle M easurement System

HAN Dong，LIU Zhigang，YAN Shi
（National Test and Inspection Center for Radio and TV Products,Beijing 100015,China）

Omnibearing viewing angle measurement system is a international advanced measurement method of display’s viewing angle，luminance and chromiance.The system measures the display’s omnibearing viewing angle by using lens’s optical fourier transformation and CCD sensors.But the metering problem of this system has not been soleved in our country.The method of calibration and the calibration system design are researched in this paper for the purpose of the traceability of value.

viewing angle;calibration;value traceability

TP391

A

��雨博

2014-06-18

【本文献信息】韩东，刘志刚，闫实.全视角测量系统的校准方法[J].电视技术，2014，38（20）.