一种混合光源显示的光色性能测量方法及其测量系统

摘要

本发明公开了一种混合光源显示的光色性能测量方法，包括：测量被测光中三基色的光谱分布；通过光电转换装置获得被测光对应的光电流值；根据光电流值、光电转换装置中三基色的中心波长所对应的光电转换系数获得被测光的三基色光功率；计算被测光的光谱功率系数；计算被测光的光谱功率分布；根据被测光的光谱功率分布获得被测光的光色性能参数。本发明可进行激光投影显示及混合光源投影显示的光色性能参数测量。针对激光光源的测量，基于激光光源波长相对固定的特性。本发明还公开了一种混合光源显示的光色性能的可移动单点测量系统，其不需要进行光电转换装置的光谱灵敏度与标准颜色匹配曲线的拟合，从而大大降低了检测成本。

说明书

技术领域

本发明属于光学工程领域，特别涉及混合光源显示的光色性能测量方法及其测量系统。

背景技术

激光显示由于其优异的色彩表现力，色域覆盖率可以达到NTSC电视制式规定色域的 150％以上，因而成为最具竞争力的下一代显示设备之一。

在先技术的各类检测系统以及各类色度照度计，测量目标主要针对非相干光源，需要在 整个可见光光谱范围内对颜色匹配函数做校正，因而对检测系统提出了很高的要求，在很大 程度上增加了成本，但对于激光显示性能的检测精度并不理想。国家对一级照度计的检测精 度也仅要求优于4％，对于那些颜色匹配函数较小的波长位置，检测精度往往比上述数值还要 低。用于激光显示的激光波长在工作稳定后漂移通常小于1nm，波长位置相对固定，因而有 可能对激光显示的光色性能作精确的测量。

针对在先技术的问题，申请号为201010022925.8的中国专利“激光显示的光色性能的测 量方法和系统”提出了一种专门针对激光显示光色性能的测量方法，该方法在相当大程度上 克服了在先技术的缺点，但该方法只能针对那些三基色完全采用激光作为光源的显示系统。 实际上，有相当一部分的激光显示系统的光源采用的是激光光源与其他光源的组合(简称激 光混合光源)，即显示用的三基色中，只有一种或两种基色光采用激光，其余采用的是光谱宽 度较大的光源，如LED、荧光等，该方法对于此类激光显示系统无法实现精确测量。

发明内容

本发明克服了现有技术中无法对激光混合光源显示系统进行精确测量的缺陷，提出了一 种混合光源显示的光色性能测量方法及其测量系统，以适应激光混合光源显示系统的测量要 求，同时本发明测量方法仍然适用于完全采用激光作为光源的显示系统的测量。

本发明提出了一种混合光源显示的光色性能测量方法，所述方法包括以下步骤：

a.测量激光投影显示系统输出的被测光中三基色的光谱分布φ_i(λ)，其中i分别为三基色 R、G、B，确定三基色的中心波长；

b.通过光电转换装置获得被测光对应的光电流值；

c.根据所述光电流值、所述光电转换装置中所述三基色的中心波长所对应的光电转换系 数获得所述被测光的三基色光功率；

d.根据所述光谱分布φ_i(λ)和所述三基色光功率，计算所述被测光的光谱功率系数m_i， 所述光谱功率系数如式(2)表示：

m_i=P_i／∫φ_i(λ)dλ；----------(2)

式中，m_i表示光谱功率系数，Pi表示三基色光功率，i为三基色R、G、B，φ_i(λ)为光谱 分布；

e.根据所述光谱功率系数和所述光谱分布φ_i(λ)得到被测光的光谱功率分布P_i(λ)；所述 光谱功率分布如式(3)表示：

P_i(λ)=m_iφ_i(λ)；---------(3)

式中，P_t(λ)为光谱功率分布，mi表示光谱功率系数，φ_i(λ)为光谱分布，i为三基色R、 G、B；

f.根据所述被测光的光谱功率分布获得所述被测光的光色性能参数。

其中，步骤c中根据公式(1)计算所述被测光的光谱功率分布：

$\left(\begin{array}{c}{I}_B=k_B·P_B+k{\left(R\right)}_B·P_R+k{\left(G\right)}_B·P_G\\ I_G=k_G·P_G+k{\left(R\right)}_G·P_R+{k\left(B\right)}_G·P_B\\ I_R=k_R·P_R+{k\left(G\right)}_R·P_G+{k\left(B\right)}_R·P_B\end{array}\right)----------\left(1\right)$

其中，I_B，I_G，I_R分别表示蓝光、绿光和红光对应的光电转换装置输出的光电流，k_R、k_G、k_B、k(R)_B、k(R)_G、k(G)_R、k(B)_R、k(G)_B、k(B)_G为光电转换装置的光电转换系数， 其中k_R是测试红光的光电转换装置对应中心波长的光电转换系数，k_G是测试绿光的光电转换 装置对应中心波长的光电转换系数，k_B是测试蓝光的光电转换装置对应中心波长的光电转换 系数，k(R)_B是测试蓝光的光电转换装置在红光环境下的对应红光中心波长的光电转换系数， k(R)_G是测试绿光的光电转换装置在红光环境下的对应红光中心波长的光电转换系数，k(G)_R是测试红光的光电转换装置在绿光环境下的对应绿光中心波长的光电转换系数，k(G)_B是测 试蓝光的光电转换装置在绿光环境下的对应绿光中心波长的光电转换系数，k(B)_R是测试红 光的光电转换装置在蓝光环境下的对应蓝光中心波长的光电转换系数，k(B)_G是测试绿光的 光电转换装置在蓝光环境下的对应蓝光中心波长的光电转换系数；所述光电转换系数根据所 述被测光的波长被确定；光电流I_B中的k(R)_B·P_R电流分量表示测试蓝光的光电转换装置在红 光环境下输出的电流，k(G)_B·P_G电流分量表示测试蓝光的光电转换装置在绿光环境下输出的电 流，k(R)_G·P_R电流分量表示测试绿光的光电转换装置在红光环境下输出的电流，k(B)_G·P_B电流 分量表示测试绿光的光电转换装置在蓝光环境下输出的电流，k(G)_R·P_G电流分量表示测试红光 的光电转换装置在绿光环境下输出的电流，k(B)_R·P_B电流分量表示测试红光的光电转换装置在 蓝光环境下输出的电流；P_R、P_G和P_B分别表示R、G、B三基色分量的光功率。

本发明提出的测量方法中，步骤f中所述被测光的光色性能参数包括被测光的光照度、 光通量、照度均匀度、色坐标、色度均匀度和对比度。

本发明提出的测量方法中，根据步骤e中计算获得的光谱功率分布P_R(λ)、P_G(λ)和 P_B(λ)，通过公式(4)分别计算出R、G、B三基色各分量对应的颜色匹配值，

$\left(\begin{array}{c}{x}_i=k·{\int }_{{\lambda }_1}^{{\lambda }^2}{P}_i\left(\lambda \right)\bar{x}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }\\ Y_i=k·{\int }_{{\lambda }_2}^{{\lambda }^2}{P}_i\left(\lambda \right)\bar{y}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }\\ Z_i=k·{\int }_{{\lambda }_1}^{{\lambda }^2}{P}_i\left(\lambda \right)\bar{z}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }\end{array}\right)------------\left(4\right)$

其中，X_i、Y_i、Z_i表示三基色分量的三刺激值，i对应三基色分量R、G、B中之一；k 为光功当量常数；为颜色匹配曲线上的数值。

本发明提出的测量方法中，根据R、G、B三基色各分量对应的颜色匹配值，通过公式(3) 计算出任意由R、G、B三基色光混合而成的被测光对应的三刺激值

$\left(\begin{array}{c}X=X_R+X_G+X_B\\ Y=Y_R+Y_G+Y_B\\ Z=Z_R+Z_G+Z_B\end{array}-------------------------\left(3\right)\right)$

其中，Y即表示所述被测光的光照度。

本发明提出的测量方法中，所述被测光的色坐标(x，y)由公式(4)计算获得，

$\left(\begin{array}{c}x=\frac{X}{X+Y+Z}\\ y=\frac{Y}{X+Y+Z}\end{array}---------------------------------\left(4\right)\right)$

本发明提出的测量方法中，所述测量方法有可移动单点测量方式。

实现本发明混合光源显示的光色性能的测量方法的一种混合光源显示的光色性能的可移 动单点测量系统，所述系统包括：

中央处理单元模块，用于接收并处理来自光电转换装置模块的数据，并根据所接收的光 电流值及所述光电转换装置模块的光电转换系数计算光色性能的各测试参数，包括光谱功率 系数m_i和光谱功率分布，最后将处理的数据进行输出；

ISP下载接口模块，为中央处理单元模块程序下载接口端；

PC数据传输模块，为中央处理单元模块中处理的数据接收端，中央处理单元模块将接收 及处理后的数据传输至PC进行存储；

显示模块，用于显示所述中央处理单元计算获得的所述被测光的光色性能参数；

操作界面按键输入模块，为用户选择输入单元；

光电转换装置模块，用于获得被测光在测试点对应的光电流值；

外部时钟晶振模块，为中央处理单元模块提供精确的外部时钟；

系统供电单元模块，为整个系统提供电源支持。

本发明与现有技术相比，可进行激光投影显示及混合光源投影显示的光色性能参数测量。 针对激光光源的测量，基于激光光源波长相对固定的特性，本发明所提出的系统不需要进行 光电转换装置的光谱灵敏度与标准颜色匹配曲线的拟合，从而大大降低了检测成本。此外， 由于光电转换装置的光电转换系数能够被简单而精确地确定，因此本发明所提出的测量系统 能够获得高精度的光色性能测量结果。针对混合光源的测量，光源波形可由分光计精确地测 出，光源波形的系数也可通过先前定标获得，因而可获得混合光源的精确性能参数。

附图说明

图1是本发明测量方法的流程图。

图2是本发明实施例的测量方法工作流程图。

图3是本发明实施例光电转换装置的结构框图。

图4是本发明实施例的工作流程图。

图5是本发明实施例的结构框图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、 实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有 特别限制内容。

激光混合光源显示指的是显示系统采用的三基色光源中有一种到两种光源采用的是波长 宽度较大的光源，对这类光源的测量需要考虑其光谱功率分布，而激光是一种波长宽度非常 小的光源，在显示技术中，激光被认为是单一波长的光源。本发明实现了从对激光(单一波 长)光源功率的测量扩展到对光谱分布为φ_i(λ)的光源功率测量，扩大了测试方法的适用范围。

图1与图2显示的是本发明混合光源显示的光色性能测量方法的流程图。S21，将光电转 换装置垂直于投影屏幕摆放，让光电转换装置垂直接收被测光的照射；S22，该光电转换装置 在被测光的照射下产生相应的光电流，光电流值输出至中央处理单元；S23，中央处理单元根 据所获得的光电流值、预先确定的光电转换装置的光电转换系数以及光谱功率系数、光源波 形(即，光谱分布)计算得到被测光的光功率分布；S24，中央处理单元根据所获得的被测光 的光功率分布计算得到被测光的各项光色性能参数；S25，若测量结束，则结束本次测量，否 则返回S21，继续进行测量。

上述测量方法的流程中，只需获得相应的光电转换装置的转换系数即可通过计算获得被 测光的各光色性能参数，不需要事先将光电转换装置的光谱灵敏度曲线与标准颜色匹配曲线 进行拟合，因而大大简化了测量方法，降低了检测成本。

该光电转换装置的光电转换系数是各波长位置的被测光对应的所述光电转换装置的输出 光电流与被测光的光功率之间的转换系数。该光电转换装置的光电转换系数需要事先确定， 具体方法为：利用光功率计测量出被测激光投影的光功率，使用该光电转换装置进行测量， 读出该光电转换装置输出的数字电流值，而后，基于已知波长位置光的光功率分布，即可计 算出各个波长位置的光所对应的光电转换装置的输出光电流与各波长位置光的光功率分布之 间的转换系数。在获得各波长位置光的光电转换系数后，这些数值将以表格的形式存储在中 央处理单元中。

在激光显示的光色性能测量的过程中，根据被测光的特定波长可通过查找光电转换系数 查找表来选取对应的光电转换系数，而后，根据S22步获得的精确的光电流值以及相应的光 电转换系数即可得到精确的被测光的光功率分布，经中央处理单元计算，从而获得精确的激 光显示的光色性能参数。

步骤S23中，由公式(1)计算出被测激光的光功率分布。

$\left(\begin{array}{c}{I}_B=k_B·P_B+k{\left(R\right)}_B·P_R+k{\left(G\right)}_B·P_G\\ I_G=k_G·P_G+k{\left(R\right)}_G·P_R+{k\left(B\right)}_G·P_B\\ I_R=k_R·P_R+{k\left(G\right)}_R·P_G+{k\left(B\right)}_R·P_B\end{array}\right)-----------------------------\left(1\right)$

在获得被测激光的光功率分布P后，即可计算被测光的各项光色性能参数，包括被测光 的光通量、照度均匀度、色坐标、色度均匀度和对比度等。

本发明所提及的混合光源主要包括荧光光源以及led光源等常用投影显示光源。

在混合光源投影显示的光色性能测量过程中，光谱功率系数m_i可通过定标来进行数值确 认，定标方法如下所述：使用已知功率P的光源进行投影测量，用光谱仪测出投影光源的波 形φ_i(λ)，在光源功率、光源波形已知的情况下，即可通过公式(2)确定光谱功率系数m_i的数 值：m_i=P_i／∫φ_i(λ)dλ；---------(2)。式2中，m_i表示光谱功率系数，Pi表示三基色光功 率，i为三基色R、G、B，φ_i(λ)为光谱分布。m_i的数值将以表格的形式存储在中央处理单元 中。

而后，根据S23步计算可得到被测光的光功率分布，经中央处理单元计算，从而获得混 合光源投影显示的光色性能参数。

步骤S23中，由公式(3)计算出被测混合光源的光功率分布。

P_i(λ)=m_iφ_i(λ)----------------------------------(3)

公式(3)为混合光源投影显示条件下光功率的计算公式，公式中，下标i对应三基色光 R、G、B三者之一，P_i为被测光的光功率，m_i为光谱功率系数，φ_i(λ)为光源的波形。因为有 技术所测得的是单一波长的功率，其中的光谱功率分布是指单一波长的光谱功率。通过本步 骤S23得到的是被测光功率对波长的分布，用于被测光的光色性能的进一步计算，从而将对 激光(单一波长光源)的测量推广到对波长宽度较大的光源(混合光源)的测量。

在获得被测光源的光功率分布P后，即可计算被测光的各项光色性能参数，包括被测光 的光通量、照度均匀度、色坐标、色度均匀度和对比度等。

$\left(\begin{array}{c}{X}_i=k·{{\int }_{{\lambda }_1}^{{\lambda }^2}P}_i\left(\lambda \right)\bar{x}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }\\ Y_i=k·{\int }_{{\lambda }_1}^{{\lambda }^2}{P}_i\left(\lambda \right)\bar{y}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }\\ Z_i=k·{{\int }_{{\lambda }_1}^{{\lambda }_2}P}_i\left(\lambda \right)\bar{z}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }\end{array}\right)------------\left(4\right)$

公式(4)为本发明中所采用的三刺激值计算公式，公式(4)中，X_i、Y_i、Z_i表示三基 色分量的三刺激值，k为光功当量常数，λ₁为投影光源的起始波长，λ₂为投影光源的截止波 长，对于波长固定的激光光源，则无需进行波长量积分，P_i(λ)为被测光的光功率分布，分别表示三基色在颜色匹配函数曲线上的数值，下标i对应三基色光R、G、B三 者之一。在三刺激值的计算中采用的是根据以上公式(4)对一定波长范围内的积分，而不是 在对激光光源显示系统测量中采用的由光谱功率直接与颜色匹配曲线上对应数值相乘，实现 了从对激光光源显示系统到混合光源显示系统测量的扩展。

$\left(\begin{array}{c}{X}_W=X_R+X_G+X_B\\ Y_W=Y_R+Y_G+Y_B\\ Z_W=Z_R+Z_G+Z_B\end{array}-------------------------\left(5\right)\right)$

公式(5)中，X_W、Y_W、Z_W为任意由R、G、B三基色混合而成的被测光对应的颜色匹配 数值，其中，Y_W为该被测光的光照度值。

$\left(\begin{array}{c}x=\frac{X}{X+Y+Z}\\ y=\frac{Y}{X+Y+Z}\end{array}-------------------------------\left(6\right)\right)$

公式(6)为被测光的色坐标(x，y)计算公式。

图3为本发明的光电转换装置结构图。该转换装置采用圆筒状结构，圆筒最顶部是一片 漫光片，漫光片可以使被测光更加均匀地照射在颜色传感器上，均匀化颜色传感器接收的光。 数字光敏器件采用颜色传感器S9706芯片，该感光芯片作为信号采集模块，对外界光信号进 行采集。该光电转换装置在使用前需通过精确校正以确定对应于被测光源的特定波长的光功 率与输出电流之间的光电转换系数。

图5为本发明测量系统的结构框图。图中各部件包括：中央处理单元模块U1、ISP下载 接口模块U2、PC数据传输模块U3、显示单元模块U4、操作界面按键输入模块U5、光电转换 装置模块U6、外部时钟晶振模块U7、系统供电单元模块U8。中央处理单元模块U1与光电转 换装置模块U6相连，用于向光电转换装置U6提供控制信号和读取该光电转换装置U6输出的 被测光的光电流值，并根据该光电流值及该光电转换装置的光电转换系数计算光色性能的各 性能参数；ISP下载接口模块U2与中央处理单元模块U1相连，用于系统测量程序的下载； PC数据传输模块U3与中央处理单元模块U1相连，用于测量系统中测量数据与PC间的数据 传输；显示单元模块U4与中央处理单元模块U1相连，用于测量系统测量结果数据的显示。 操作界面按键输入模块U5与中央处理单元模块U1相连，操作界面按键输入模块包括按键 HOLD、ZERO ADJUSTMENT、SET ZERO、RESET、UP／1、DOWN／2、CLEAR／3、OK／BACK，HOLD按键， 静止功能按键，静止显示内容，用于查看与记录数据，ZERO ADJUSTMENT按键，调零功能按 键，用来系统调零，消除环境光影响，SET ZERO按键，清零按键，用来清零测量数据，RESET 按键，复位按键，对系统进行初始化复位，UP／1按键，向上翻页按键／1选项按键，DOWN／2， 向下翻页按键／2选项按键，CLEAR／3，清除选项按键／3选项按键，OK／BACK按键，确认按键／ 返回按键。光电转换装置模块U6与中央处理单元模块U1相连，用于接收外界光信号，并输 出相应光电流值；外部时钟晶振模块U7与中央处理单元模块U1相连，为测量系统提供精准 的工作时钟；系统供电单元模块U8与中央处理单元模块U1相连，为测量系统提供电源供应， 系统供电单元将3.7V磷酸铁锂电池通过TPS79533芯片进行电压转换，输出3.3V稳压对系统 进行供电。与现有技术相比，本发明系统对于测量及数据处理做了改进，包括对光谱分布的 测量、对光谱功率系数的计算、光谱功率分布的确定、以及对三刺激值的计算。在三刺激值 的计算中采用的是根据公式(4)对一定波长范围内的积分，而不是在对激光光源显示系统测 量中采用的由光谱功率直接与颜色匹配曲线上对应数值相乘，实现了从对激光光源显示系统 到混合光源显示系统测量的扩展。

图4为本发明的工作流程图。启动手持式光色性能测量装置后，系统进行上电复位或手 动复位，系统进行初始化(S501，初始化的过程包括中央处理单元内部寄存器的初始化和除 中央处理单元外的其他部件的控制信号的初始化)；初始化过程结束后，系统进入模式选择， 被检测光源是否为激光光源(S502)。

若为激光光源，则由用户依次输入三色激光波长，确定相应的RGB三色颜色匹配函数值 (S503)；单片机读取光电转换装置输出的数字信号，并将数据存储于内部寄存器中(S504)。

若被检测光源为混合光源，则由用户输入混合光源波长，由此确定光谱功率系数m及光 源波形数据(S505)。

中央存储单元对光谱功率系数及光源波形数据进行存储(S506)；在测量装置获得直接测 得量之后，中央处理器对所获得数据进行处理并存储(S507)；本发明采用人机交互的形式进 行参数显示，由用户进行菜单按键选择相应的性能参数显示(S508)。

本发明中，例程1和例程2同时进行，功能按键包括静止按键，调零按键，清零按键， 若有功能按键按下(S509)，则执行相应的按键功能(S510)；本发明的人机交互界面为LCD 显示，由LCD显示参数数据及人机交互(S511)，测量完毕后关闭电源(S512)，测量流程结 束(S513)。

本发明与现有技术相比，可进行激光投影显示及混合光源投影显示的光色性能参数测量。 针对激光光源的测量，基于激光光源波长相对固定的特性，本发明所提出的系统不需要进行 光电转换装置的光谱灵敏度与标准颜色匹配曲线的拟合，从而大大降低了检测成本。此外， 由于光电转换装置的光电转换系数能够被简单而精确地确定，因此本发明所提出的测量系统 能够获得高精度的光色性能测量结果。针对混合光源的测量，光源波形可由分光计精确地测 出，光源波形的系数也可通过先前定标获得，因而可获得混合光源的精确性能参数。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技 术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。