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色度计与光谱仪(光谱辐照度计)的相同点与差异是什么?

在显示行业,目前最火的当属OLED与LCD的霸主之争,由于OLED在光学上的诸多优势,其被认为是显示屏的次世代技术,后续会逐渐取代LCD称为显示屏的主流,OLED在光学上的优势表现为:色域更高,颜色更鲜艳;视角更好,大视角无明显色偏;响应时间更快,观看动态画面无拖尾现象;自发光,暗态更暗,无漏光,理论上可以做到0,对比度会更高等。以上光学参数研发部门需要使用光学仪器进行测量以及调节,模组厂出货前也会进行抽检,以便进行品质监控,同样客户也会抽查确保产品光学达标,光学测量检测是显示行业产业链的重要组成部分。对于单个点的光学测量检测基本上会使用两类光学仪器,即色度计与光谱仪光谱辐照度计,本文重点介绍下这两种仪器的功能原理的相同点及差异。

 

一.相同点

 

无论是色度计还是光谱仪(光谱辐照度计),它们都可以测量显示屏的三刺激值XYZ,其中Y是亮度,然后根据公式x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)算出色度x,y,从而可以得出显示屏显示颜色在CIE1931 色品图上的坐标。


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有了Yxy数值以后,同样可以通过公式得到在其它CIE光学系统中的数值,例如L a*b*,Lu*v*等。


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同样的道理,知道Yxy以后还可以计算出此颜色的主波长,色纯度,相关色温等。


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简单地总结下色度计和光谱仪光谱辐照度计的相同点在于都可以测量显示屏的亮度,色度,然后以此计算出其它的参数,例如主波长,相关色温,色纯度等,当然,根据亮度色度还可以进一步计算出穿透率,对比度,视角色偏等等。

 

二.不同点

 

1.首先介绍下光谱仪光谱辐照度计的功能原理:顾名思义,光谱仪自然是能够测量光谱的仪器,这也是它和色度计最大的区别,色度计是无法测量光谱的。我们知道光是一种电磁波,想要详细了解光的特性,就需要知道其光谱,光是由不同强度不同波长的电磁波组成的,平时用的最多的光谱仪一般有三个波段,按照波长从小到大依次是紫外线,可见光,红外线,其中对显示屏来说,我们主要关注其在可见光范围(380nm-780nm)的光谱。


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光谱仪光谱辐照度计的基本原理是:利用光栅将一个混合光分解成不同波长的光,而不同波长的光会被不同的探测器测量出其强度,从而得到被测量光的光谱。


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得到光的光谱以后,我们就可以根据光谱得到亮度,色度,峰值波长,显色指数(CRI)等,其实有了光谱,就可以得到此刻光的一切参数,光谱才是王道!如下图是一些常见光源的光谱:


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那么如何根据光谱得到光的亮度色度?根据CIE1931XYZ系统计算三刺激值的公式:三刺激值可以由光谱乘以CIE1931标准观察者特性曲线积分得到。对于显示屏等发光体来说,光谱可以直接使用,对于反射光来说,其光谱等于光源光谱乘以物体的反射特性光谱。光谱是一个绝对的物理量,而亮度,色度是人主观感知的物理量,和人的生理特性有关,这里面涉及到人眼中三种感光细胞对不同波长光的敏感特性曲线,科学家经过实验得出了人类平均的三种感光细胞对不同波长的敏感特性曲线,即CIE1931标准观察者特性曲线。


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光谱仪光谱辐照度计需要把光分解为不同波长的光,然后分别测量其强度,这就导致其测量速度相对较慢,对于需要大量数据进行计算的参数,例如,LCD屏幕的flicker及液晶响应时间,这两个参数行业内一般使用色度计进行测量。

 

2.下面重点介绍下色度计的原理功能,和光谱仪光谱辐照度计相比,色度计没有光栅,它无法分光,也无法测量出光的光谱,但是色度计有特殊的滤镜,即XYZ filter,来模拟CIE1931标准观察者特性曲线,光经过filter以后才被探测器探测到,之后经过一些特殊电路进行ADC转变,最后得到的是整体光的积分值,类似于上述CIE1931XYZ系统计算三刺激值的计算方法,只不过其是通过物理硬件完成的。


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由于无需分光,色度计测量速度非常快,不过目前世界上最好的XYZ filter与CIE1931标准观察者特性曲线依然有大约2%的差异,故使用色度计测量到的亮度色度会出现不同程度的误差,而误差大小由色度计本身以及被测量屏的光谱特性决定,为了得到准确数据,针对不同批次屏幕,需要对色度计进行矫正,并把不同批次的矫正数据保存在不同的矫正通道中。一般使用光谱仪光谱辐照度计测量得到的数据作为标准数据,经过校正后,色度计和光谱仪光谱辐照度计测量的数据就基本一致,同时保持了较快测量速度的优势,而光谱仪只是在出厂前使用标准光源进行矫正,出厂后针对不同的样品,无需进行矫正,测量值即为标准值。


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由于色度计的测量速度很快,其可以在短时间内测出大量的数据,可以看出亮度随着时间的变化,而测量屏幕的一些特殊的画面,根据在一段时间内的亮度变化即可以算出屏幕的flicker和液晶响应时间,这是色度计相对光谱仪光谱辐照度计来说比较独特的功能。


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三.总结

 

1.色度计和光谱仪光谱辐照度计都测量亮度,色度以及由此可以计算得到色温,主波长,色纯度等。

 

2.色度计测量速度快,可以测量flicker和液晶响应时间,光谱仪光谱辐照度计不行,而光谱仪可以测量光谱以及由此计算出显色指数,峰值波长等,色度计不行。

 

3.光谱仪光谱辐照度计出厂后无需矫正,而色度计针对不同批次的屏幕需要矫正才能得到准确的值。光谱仪速度较慢,测量更准确且昂贵些,高校科研机构和公司研发部门应用多一些,而色度计速度较快,相对便宜,工厂产线应用较多些。


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