测光测色仪器专指亮度色度计，以色度学理论为基础，对光源的亮度、色度参数进行测量的仪器。由于仪器测试原理和精度的差异，造成了测量结果的差异。由于亮度色度计的通用计量标准灯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，但A光源的光谱光灵敏度函数与常用的平板显示器(CCFL-LCD，LED-LCD，CRT)的光谱光灵敏度函数差异较大，用它作标准灯校正后的积分式仪器，测量彩色电视机的亮度、色度参数会引入较大误差，因此IEC国际标准[1]对积分式和分光式仪器的参数作了不同的规定。
针对目前三类不同发光原理和特点的电视机显示器(CRT，CCFL-LCD，LED-LCD)，分别使用光电积分式和分光光谱式亮度色度计进行测量，通过将测试数据和分别与CS—2000计量仪器的测试结果进行比对，得出仪器的差异值，再经过数据计算后，得到两种仪器的的亮度、色度参数误差。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，并以LED-LCD为例，进行测量并说明问题。其他各项指标可参考该方法进行评估[2-3]。
1平板显示器亮度、色度测量原理
亮度、色度测量的方法主要有两类：积分式(或三刺激值测量法)和分光式(或光谱辐射测量法)，其工作原理比较如图1所示。三刺激值法是用精密制造的3个或4个滤色片，分别模拟出国际照明委员会(CIE)规定的三刺激值响应曲线，如图2所示，对发光体进行积分取样，见公式(1)，利用微处理器得到X，Y，Z这3个刺激值，再利用公式(2)，求出x，y值[4-5]。
假定已知某彩色光具有光谱功率分布Φ( λ) ，则该彩色光的3个刺激值分别为：
由X，Y，Z再进行归一化处理，就可以求出任意色光的色度坐标x，y，z值：
分光光度法是利用传感器阵列，每个传感器对应特定波长，得到光源的光谱分布函数曲线，如图3所示，再利用国际照明委员会推荐的CIE 1931-XYZ标准观察者光谱三刺激值函数xˉ(λ)，yˉ(λ)，zˉ(λ)，如图2所示，通过微处理器逐点相加，就可以得到光谱三刺激值X，Y，Z，同样利用公式(2)，就可以得到x，y，z值[2]。
2积分式仪器的校正
工业生产和质量检验系统大多采用积分式仪器，它通过依次旋转的3组或4组滤色玻璃板，使它们的光谱响应匹配成CIE所要求的标准色度观察者光谱三刺激值曲线xˉ(λ)，yˉ(λ)，zˉ(λ)，如图2所示。3组滤色玻璃的光谱响应分别对应xˉ(λ)，yˉ(λ)，zˉ(λ)，4组滤色玻璃则用两块滤色玻璃匹配出图2中xˉ(λ)的大瓣和小瓣，再对被测光源的光谱功率分布进行积分计算，分别得到对应的X，Y，Z三刺激值，按公式(2)求出色度坐标x，y，也可以转换为其他色度系统，其测试精度取决于光谱响应曲线xˉ(λ)，yˉ(λ)，zˉ(λ)与理论值曲线的重合度。
由于光色测试仪器规定用连续光谱的A光源进行校正，而彩色电视机用的CRT，LCD，PDP等显示器为线状窄带光谱。图3是国家计量院提供的A光源(蓝色)、CCFL作背光源的液晶显示屏(黑色)、LED作背光源的液晶显示屏(红色)、CRT型显示屏(绿色)的频谱分布图，PDP显示屏的频谱分布大致与CRT型显示屏相近。理论与实践证明，用A光源校正的积分式光色测试仪器，测试线状窄带光谱的电视显示器会引入较大的测试误差。为了提高测量精度，积分式仪器必须用被测光源光谱分布相近的标准光源进行校正，例如BM-5，CM-7，LumiCam1300，CA-210等，以便不同实验室的测量结果进行对比。下面介绍积分式测光、测色仪器的校正原理。
3个光电探测器Rr，G，B或3个红、绿、蓝滤光片，模拟xˉ(λ)，yˉ(λ)，zˉ(λ)的色度计的校正原理。由3个光电探测器或3个基色滤光片，分别匹配成xˉ(λ)，yˉ(λ)，zˉ(λ)的光电积分式测色仪器，无法精确匹配出图2中-xb(λ)的小瓣，影响其测量精度。为了计算方便，假定-xb(λ)与zˉ(λ)的曲线形状是相似的，3个光电探测器的输出值Rr，G，B与X，Y，Z的关系为：
式中：Xr是红色刺激X的主瓣部分;Xb红色刺激X的小瓣部分，它是蓝基色光谱光刺激函数的一部分，它们共同确定红基色X的光刺激;代表绿基色的光谱光刺激函数G规定为亮度Y;代表蓝基色的光谱光刺激函数Z就由蓝基色光谱光刺激函数B经CB校正后确定。
为了求出Cr，Cb，CB，需要有一个与被测目标光谱功率分布P( λ) 相近的白光源(或标准色板)，计量单位给出白光源(或标准色板)的色坐标为x0，y0(z0=1-x0-y0)，将彩色分析仪对准这一标准光源，利用三个色探测器的输出Rr0，G0，B0可得到方程式为：
式中：P( λ) 为被测目标的相对光谱功率分布;分母代表蓝基色zˉ(λ)的总积分值;分子是图2中红基色刺激中小瓣CbB0的积分值，c=0.167代表小瓣CbB0占蓝基色值zˉ(λ)的比例。转换为校正系数为：
式中：x0，y0，z0为计量单位标准色源的色度坐标;Rr0，G0，B0为被校仪器测量标准光源时三个光电探测器的输出值。根据式(5)求出Cr，Cb，CB，代入公式(4)，就可以求出X，Y，Z，进而求出待校仪器的色度坐标x，y。由于A光源的频谱只占小瓣CbB0的一部分，当用A光源校正时，系数c=0.151，因此在传统亮度计的计量中，只需将公式(3)中的系数0.167用0.151取代即可。
由于不同的待测电视机和显示器，其光谱分布不同，如图3所示，系数c也不同，因此测量不同类型的电视机和显示器，应用与待测视机和显示器相近的标准光源对光色仪器进行校正，才能提高测试精度。中国计量科学研究院针对不同频谱分布的电视机和显示器，备有不同类型的标准显示器，供企业校正仪器时选用。特别指出：彩色电视机的光、色参数测量均在暗室内进行，暗室亮度应在0.2~2 cd/m2以下，避免杂散光对测量结果的影响[6]。
3光电积分式仪器LumiCam1300-201简介
LumiCam1300-201亮度色度计为积分式亮度、色度计，是目前国家广播电视产品质量监督检验中心使用的测试仪器之一[3]。
LumiCam1300-201色度计采用4个依次旋转的滤色轮，把CCD传感器的频谱灵敏度匹配到已知的CIE三刺激函数X，Y和Z，其中2个滤色轮用来组成1个X函数滤色器，分别对应蓝色和红色光谱区，它能有效地提高测试精度。
LumiCam1300-201测试系统可在测试状态下，在1 280×1 000像素分辨力的CCD传感器上，生成图像样本，测试面积的大小由样本到LumiCam1300-201的距离确定。测试信号通过每个检测器的像素读出，由积分式的AD变换器数字化，再由千兆位的以太网接口传送到外接计算机进行处理。LumiCam1300-201测试系统的产品说明书中给出的色度一致性(±0.001(10×10像素平均值))和色度重复性(±0.000 1)都比较高，但用A光源校正后测试任意彩色光，其精度只保证±0.01，测试误差较大，必须用与被测光源光谱分布相似的光源校正后，得出色度修正值，才能提高测试精度[7]。
4 LumnCam1300-201与CS-2000测试液晶显示器的测试结果
4.1 测试结果
1)白场亮度与色度测量结果如表1所示。测试光源为LED背光源的液晶显示器，相当于测试白平衡误差。理想状态下，亮度改变时，色度坐标应不变，一般来说，色度坐标变化应越小越好。
100%灰度下，测量不同颜色的亮度及色度值，如表2所示。相当于在高亮度下，测量高饱和度三基色的测试误差，在平板电视机或显示器测试中，常用来测试色域覆盖率。
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：UY=3%(k=2)，色坐标：Ux=UY=0.002(k=2)。
4.2 误差分析
当信号为10%~100%时，LumnCam1300-201与计量院标准仪器CS-2000的亮度测试结果对比如图4所示。
当信号为10%～100%时，LumiCam1300-201亮度测试误差如图5所示。
4.3 结论
从表1、表2和图4、图5可以看出，由于Lumn Cam1300-201采用4个滤色片，模拟国际照明委员会(CIE)的标准观察者光谱三刺激值函数xˉ(λ)，yˉ(λ)，zˉ(λ)(见图2)，其符合度较高，因此亮度、色度结果与分光式计量仪器CS-2000的测试结果相比，其亮度测试误差不超过4%，色度测试误差不超过±0.005(CS-2000本身的不确定性为 UY=3%;Ux=Uy=0.002)，满足国际标准对积分式仪器的误差要求(对CRT显示器的红、绿、蓝和白色的 x，y 值误差为0.005，亮度(cd/m2)误差为4%)[1-8]，可以用来直接测试平板电视机和平板显示器的亮度、色度参数;也可以通过计量院用频谱分布相近的标准光源校正后，进一步提高亮度、色度参数的测试精度。
5分光式仪器的计量
分光式仪器由传感器阵列组成的传感器模块完成光电转换，传感器的每个单元对应特定的波长，传感器分别测量发光体在不同波长λ(nm)的光谱功率分布或物体本身的亮度特性，然后再由这些光谱测量数据通过软件计算的方法，求得物体在各种发光体和标准照明体下的三刺激值。
分光式色度仪的测试精度很大程度上取决于取样的光谱宽度和波长精度，如果光谱宽度足够窄，例如光谱宽度能窄至5 nm，2 nm等，则它不仅能精确测量光源的辐射度值或亮度值[7]，还可以精确测量色度值。IEC 61966-4中对光谱辐射计的扫描间隔和带宽规定小于5 nm，波长误差小于0.5 nm。
对于线状光谱的新型平板电视机，选择不同的光谱宽度，可能得出不同的亮度和色度值。例如对于实际色温为6 520 K的18 W线状光谱的荧光灯(液晶显示器采用荧光灯作背光源，它就属于窄带的线状光谱)，选用Δλ=5 nm的取样间隔，则测得色温为7 539 K;如果选用Δλ=2 nm的取样间隔，则测得色温为6 520 K，不同的波长偏差，也会得出不同结果。可见光谱宽度和波长精度对于分光式仪器的测试精度影响很大。一般来说，光谱取样间隔和带宽越窄，波长误差越小，测试精度越高。分光式仪器的色度测试原则上无需校正，但亮度值需要由国家计量单位定期校正，测试时亮度值需要根据校正值修正。
6分光式仪器PR-650简介
分光式测光测色仪器的主要优点是测试精度高，重复性好。PR-650光谱扫描(SpectraScan)彩色频谱仪是美国光学研究(PHOTO RESEARCH)有限公司生产的分光式光谱分析仪器[3]，目前国家广播电视产品质量监督检验中心采用此种测试仪器。PR-650光谱扫描式彩色频谱仪的主要技术要求是：光谱间距4 nm，光谱精度±2nm，x值误差为±0.001 5，y值误差为±0.001(对CRT型显示器CIE 1931-XYZ色度系统的x，y 的典型值为±0.006)，亮度误差为2%。
7 PR-650与CS-2000测试液晶显示器的测试结果
用国家计量院的分光式光度计CS-2000作为标准器，对分光式光辐射计PR-650进行亮度、色度值计量，光源采用用LED作背光源的液晶显示器。
1)白场亮度与色度测量结果如表3所示。测试光源为LED作背光源的液晶显示器，相当于测试白平衡误差。理想状态下，亮度改变时，色度坐标应不变，一般来说，色度坐标变化应越小越好。
2)100%灰度下，测量不同颜色的亮度及色度值，如表4所示。相当于在高亮度下，测量三基色的测试误差。
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：UY=3%(k=2)，色坐标：Ux=Uy=0.002(k=2)。
3)误差分析。
当亮度信号为10%～100%时，PR-650与计量院标准仪器CS-2000的亮度测试结果对比如图6所示。
当信号为10%～100%时，PR-650亮度测试的误差如图7所示。
利用表4中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。
8结论
从表1～表4及图4～图7可以看出：分光式测试仪器PR-650的测试精度明显高于积分式测试仪器Lumn Cam1300-201，同时测试不同亮度时，亮度误差一致性较好，色度误差Δx，Δy的平均值几乎是LumnCam1300-201的一半，测试误差很小。
从PR-650的技术指标和计量结果可以看出：其测试重复性和测试误差都很小，可以直接对平板电视机和平板显示器的光、色参数进行测量;也无需用频谱分布相近的标准光源进行计量。为了提高测试精度，只需定期进行亮度计量，提高亮度测试的精度。由于色度参数属于相对值，亮度测试准确，色度测试结果也一定准确。
总之，色度测量本身受外界因素影响较大，测试重复性较差，计量数据本身也存在不确定性，因此只要测试误差在国际标准[1]允许的范围内，都可以作为合格测试数据使用。
参考文献：
[1] CIE IEC 61966-4：2000，Multimedia systems and equipment-colourmeasurement and management-part 4：Equipment using liquid crystaldisplay panels[S].2000.
[2] EBU tech. 3273-E Methods of measurement of the colorimetricperformance of studio moNItors[S].1993.
[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].北京：人民邮电出版社，2010.
[4]荆其诚.色度学[M].北京：科学出版社，1979.
[5]安永成.彩色电视机检测技术[M].北京：电子工业出版社，1997.
[6]安永成.彩色电视机光、色性能测量及分析[J].电视技术，1987，11(7)：40-44.
[7]倪孟麟.数字图像系统的色度测定及颜色校准[C]//IBA’94国际电视会议报告论文集.[S.l.]IBA，1995.
[8] IEC 61966—4多媒体系统和设备—彩色测试与管理—第四部分：用于液晶显示屏的设备[S].安永成，译.2000.
作者：李 默(国家广播电视产品质量监督检验中心，北京100015)
