1、瞄點(diǎn)式亮度計(jì)
瞄 點(diǎn) 式亮度計(jì)是一種可以選擇測(cè)量視場(chǎng)角的光電亮度色度計(jì),最早由Pritchard發(fā)明,一般有4種視場(chǎng)角可供切換(2°、1°、0.2°、0.1°),其主要結(jié)構(gòu)
如圖所示:
其光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為開普勒望遠(yuǎn)鏡式結(jié)構(gòu),具有平行光入射平行光出射的特點(diǎn),包含兩路光路,一路為目視瞄準(zhǔn)光路,一路為探測(cè)光路。其中物鏡的像方焦點(diǎn)與聚光鏡的物方焦點(diǎn)重合,打孔圓盤反射鏡位于此處。
待測(cè)物面發(fā)出的光束在經(jīng)過(guò)打孔圓盤反射鏡時(shí),大部分被反射進(jìn)入目視瞄準(zhǔn)光路,小部分從圓孔中出射進(jìn)入探測(cè)光路。打孔圓盤反射鏡的圓孔是探測(cè)光路的視場(chǎng)光闌,因此可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)打孔圓盤反射鏡選擇不同孔徑的圓孔,實(shí)現(xiàn)測(cè)量視場(chǎng)角的切換。
使用時(shí),首先選擇測(cè)量視場(chǎng)角,然后通過(guò)目鏡觀察待測(cè)物面,調(diào)節(jié)物鏡對(duì)焦環(huán)對(duì)焦,使視野清晰,此時(shí)視野中有一“黒洞”,這是打孔圓盤反射鏡的圓孔,用“黒洞”覆蓋住待測(cè)物點(diǎn)即可完成瞄點(diǎn)。
完成瞄點(diǎn)即可開始測(cè)量,進(jìn)入探測(cè)光路的光束在經(jīng)過(guò)聚光鏡后出射至XYZ濾色片組,經(jīng)XYZ濾色片組濾色后,在三個(gè)光電探測(cè)器上產(chǎn)生的電信號(hào)與待測(cè)物點(diǎn)的三刺激值成正比,以此計(jì)算待測(cè)物點(diǎn)的色度和亮度。
瞄點(diǎn)式亮度計(jì)能夠在較遠(yuǎn)處非接觸地測(cè)量待測(cè)物面中一個(gè)小區(qū)域的亮度和色度,并且可以用于測(cè)量其發(fā)光角度。測(cè)量平板顯示器時(shí),通常多次測(cè)量屏幕的多個(gè)區(qū)域以評(píng)價(jià)整體均勻性,并通過(guò)傾斜平板顯示器實(shí)現(xiàn)可視角度的測(cè)量。
其主要缺點(diǎn)是全屏檢測(cè)時(shí)效率低下和小視場(chǎng)角時(shí)低亮度測(cè)量精度不佳。下圖為日本TOPCON公司的BM-7A型瞄點(diǎn)式亮度計(jì),其亮度量程為0.01-12000000 nit ,亮度精度 ±%2,色坐標(biāo)精度 ±0.002。
2、成像式亮度計(jì)
CCD(Charge Coupled Device)于1970年被美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明后不久,其二維感光能力被應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī),成像式亮度計(jì)的結(jié)構(gòu)與它類似,下圖是成像式亮度計(jì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)原理示意圖。
定焦標(biāo)準(zhǔn)鏡頭將待測(cè)平面光源成像在CCD感光面上,光闌負(fù)責(zé)遮擋雜散光,電機(jī)控制濾色片切換,三片匹配CIE三刺激值曲線的濾色片過(guò)濾光源的三刺激值分量,CCD相機(jī)采集三刺激值圖像。
CCD相機(jī)是一種二維圖像傳感器,由CCD感光芯片、外圍驅(qū)動(dòng)電路、圖像數(shù)據(jù)處理模塊組成。其核心元件CCD全稱為電荷耦合器件,其最小結(jié)構(gòu)單元是金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器(Metal oxide semiconductor,MOS),利用光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
其工作流程是:1、外圍驅(qū)動(dòng)電路按照設(shè)定的參數(shù)使CCD感光面曝光一定時(shí)間。2、CCD每個(gè)感光像素根據(jù)曝光時(shí)間內(nèi)接收光能大小產(chǎn)生對(duì)應(yīng)數(shù)量的電荷。3、外圍驅(qū)動(dòng)電路控制感光像素內(nèi)電荷包依次向相鄰像素轉(zhuǎn)移,通過(guò)行掃描或列掃描的方式獲得整個(gè)感光面的電信號(hào)。4、圖像數(shù)據(jù)處理模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的圖像傳輸格式,如RAW格式。
在未過(guò)曝的前提下,所得圖像中每個(gè)像素的灰度值正比于對(duì)應(yīng)CCD感光像素在曝光時(shí)間內(nèi)積累的電荷量,若在曝光時(shí)間內(nèi)像面照度分布保持不變,則某圖像像素的灰度值 Fm,n , 與對(duì)應(yīng)像面元的照度 dE 的關(guān)系如公式所示
因此CCD相機(jī)可以采集像面的照度分布。在相同的感光面尺寸下,CCD相機(jī)的分辨率越高,所得的像面照度分布精度越高。通常CCD相機(jī)的分辨率可達(dá)數(shù)百萬(wàn)像素,高端CCD相機(jī)的分辨率則有數(shù)千萬(wàn)像素。
成像式亮度計(jì)可以近似等效為數(shù)百萬(wàn)個(gè)具有相同三刺激值光譜響應(yīng)的瞄點(diǎn)式亮度色度計(jì)同時(shí)工作,面陣CCD相機(jī)的每個(gè)感光像素單元就相當(dāng)于一個(gè)瞄點(diǎn)式亮度色度計(jì)中的積分式光電探測(cè)器。其微觀結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖所示:
其像面照度E與物面亮度L的關(guān)系如公式:
通常情況下,物距遠(yuǎn)大于物鏡焦距, f/l 的值很小,可以忽略,此時(shí)公式可以化簡(jiǎn)為:
E=KL
成像式亮度計(jì)在測(cè)量平板顯示器的整體亮度色度分布時(shí)的效率顯著高于瞄點(diǎn)式亮度計(jì),是目前平板顯示器全屏檢測(cè)的主流方案。
近年來(lái)屏幕缺陷檢測(cè)的相關(guān)機(jī)器視覺(jué)算法發(fā)展迅速,一些高端的成像式亮度計(jì)還具有屏幕缺陷自動(dòng)檢測(cè)功能,能夠替代多道人工檢測(cè)工序,提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量管理可靠性。
比如美國(guó)Radiant公司的ProMetric型成像色度計(jì)(如圖)在搭載50mm標(biāo)準(zhǔn)鏡頭和200萬(wàn)像素CCD相機(jī)時(shí),其亮度量程為 0.001-10000000000nit ,亮度精度 ±%3 ,色坐標(biāo)精度 ±0.003 ,視場(chǎng)角10°×8° ,其配套軟件TrueTest具有缺陷檢測(cè)功能。
3、光譜亮度計(jì)
光譜儀可以測(cè)量光源的光譜,應(yīng)用廣泛,1992年美國(guó)科學(xué)家Mike Morris發(fā)明了第一臺(tái)商用微型光纖光譜儀S1000型,它將光譜儀的大小縮小了幾十倍,價(jià)格降低了十幾倍,使光譜儀可以作為一個(gè)模塊集成進(jìn)測(cè)量?jī)x器中。
光譜亮度計(jì)是一種使用光譜法的光電亮度色度計(jì),其光學(xué)系統(tǒng)的核心一般為微型光譜儀,配有光纖探頭或入光鏡頭。微型光譜儀的一種常用結(jié)構(gòu)為交叉式Czerny-Turner結(jié)構(gòu),如圖所示:
光源的光束通過(guò)光纖耦合、透鏡聚焦等方法接入微型光譜儀的狹縫前,狹縫使出射光為線光源,經(jīng)反射鏡1反射后到達(dá)平面反射光柵。
平面反射光柵通常是由金屬鏡上刻劃細(xì)密的等間距刻痕制成,是一種衍射光學(xué)器件,具有分光的能力,能使不同波長(zhǎng)的光以不同的衍射角度出射。
反射鏡2將不同波長(zhǎng)的光聚焦于線陣CCD的不同感光像素上,通過(guò)測(cè)量各感光像素的電信號(hào)即可測(cè)量光源的相對(duì)光譜功率分布。由光源的相對(duì)光譜功率分布可以計(jì)算光源的三刺激值,從而計(jì)算出光源的亮度和色度。
光譜亮度計(jì)相比于瞄點(diǎn)式亮度計(jì)和成像式亮度計(jì)具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、可測(cè)光譜的優(yōu)點(diǎn),配合特殊的光纖探針還可以測(cè)量像素的亮度和色度。其主要缺點(diǎn)是只能單點(diǎn)測(cè)量。
下圖是美國(guó)海洋光學(xué)公司的HR4PRO型微型光譜儀,采用光纖入光,其在可見光波段的光譜分辨率為0.1nm,尺寸為148.6 x 104.8 x 45.1 mm,大小接近一臺(tái)智能手機(jī)。
下圖是日本美能達(dá)公司的CS2000型光譜亮度計(jì),采用鏡頭入光,視場(chǎng)角1°、0.2°、0.1°可選,光譜分辨率0.9nm,亮度量程0.003-500000 nit ,亮度精度 ±%2 ,色坐標(biāo)精度 ±0.0015。
4、顯微成像式亮度計(jì)
隨著MiniLED、MicroLED顯示技術(shù)的提升,平板顯示器的像素亮度和色度的測(cè)量需求日益增加。瞄點(diǎn)式亮度計(jì)、光譜亮度計(jì)和成像式亮度計(jì)都不適合快速大量測(cè)量平板顯示器的像素亮度和色度。
其中瞄點(diǎn)式亮度計(jì)的工作距離較長(zhǎng),視場(chǎng)內(nèi)包含多個(gè)像素,無(wú)法測(cè)量單個(gè)子像素;光譜亮度計(jì)需要搭配特殊的光纖探針才能測(cè)量單個(gè)子像素,無(wú)法大量測(cè)量;
成像式亮度計(jì)的空間分辨率不足,只能測(cè)量像素尺寸較大的顯示面板的像素亮度和色度,無(wú)法測(cè)量子像素內(nèi)的亮度和色度分布,無(wú)法測(cè)量MiniLED、MicroLED顯示面板的像素亮度和色度。
顯微成像式亮度計(jì)是在成像式亮度計(jì)的基礎(chǔ)上,將成像物鏡替換為高倍率顯微物鏡,通過(guò)高倍率的顯微成像,實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)面光源的微米級(jí)的亮度和色度分布測(cè)量。
目前顯微成像式亮度計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景較為單一,主要用于像素測(cè)量,沒(méi)有成為一個(gè)新的品類。國(guó)外儀器廠商通常在原有成像式亮度計(jì)的基礎(chǔ)上推出顯微鏡頭套件與像素測(cè)量軟件,使其可以通過(guò)切換鏡頭變?yōu)轱@微成像式亮度計(jì)。
如Radiant公司的ProMetric型成像色度計(jì)推出了5X顯微鏡頭套件,其配套軟件TrueTest新增了像素測(cè)量功能。目前未見國(guó)內(nèi)廠商推出顯微成像式亮度計(jì)。