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1、 滤光片式滤光片式 LEDLED 色度测量准确度影响因素研究色度测量准确度影响因素研究摘要：摘要：随着 LED 行业的发展，色度校正越来越受到行业关注，而高精确色度值的获取是至关重要的。基于原理不同色度计可以分为：分光辐射度计、分光光度计、三刺激值色度计，其中滤光片式三刺激值色度计在成像应用领域运用最为广泛，当前大部分研究集中在如何提高滤光片式三刺激值色度计测量精度，但结果并不能让人满意，精度极大取决于测量条件及目标物，系统稳定性和可重复性不足。本文陈述了滤光片匹配度对滤光片式三刺激值色度计精度影响程度并分析了 RGB 工业彩色相机测色的误差情况。关键词：关键词：LED、色度、逐点校正、三刺
2、激值StudyStudy onon influenceinfluence factorfactor ofof filter-typefilter-type LEDLED chromachroma correctioncorrection accuracyaccuracyAbstract:Abstract: With the development of LED industry, chroma correction is becoming more and more attention, the most important thing is to get highest precise ch
3、roma value. Based on principle colorimeter can divided into spectroradiometer，spectrophotometer and Tristimulus values colorimeter. The tristimulus filter-type colorimeters are the most widely used for imaging applications. Many studies have been conducted on how to calibrate tristimulus filter-type
4、 colorimeters, but the results are alwaysstrongly related to the calibration conditions and the target stimulus, system stability and repeatability is insufficient. In this paper we show how filters influenced filter-type colorimeters accuracy and analyze the error of RGB color industrial camera pix
5、el-level correction.Keywords:Keywords: LED、chroma、pixel-level correction、tristimulus values1.1. 引言引言目前 LED 色度校正主要有分光辐射度计、分光光度计、三刺激值色度计三种方法，由于分光辐射度计和分光光度计存在成本高、速度慢、不利于大面积数据采集等缺点,三刺激值色度计被广泛应用于 LED 屏色度校正，但三刺激值色度计最大的难点在于色度数据的高精度采集，数据采集的精度和稳定性将直接影响到最终的校正效果，而 LED 屏校正效果的验收标准以人眼视觉效果为最终标准，所以要求滤光片式三刺激值色度计尽可能接
6、近人眼三刺激值特性。1931 年 CIE 规定了一组匹配等能光谱色所需要的三原色数据“CIE1931 标准色度观察者光谱三刺激值” ，来代表人眼的平均颜色，光谱三刺激值曲线图如图 1 所示。图 1 CIE1931 标准色度观察者光谱三刺激值曲线图三刺激值 XYZ 计算公式如下所示：（1）780380( ) ( )Xfxd（2）780380( ) ( )Yfyd（3）780380( ) ( )Zfzd其中是 LED 光强相对光谱功率分布函数，、是 CIE 规定的 f x y z标准色度观察的光谱三刺激值。计算出 LED 三刺激值后，可由（4）-（5）式计算出色品坐标1：（4）XxXYZ（5）Yy
7、XYZ（6）ZzXYZ2.2. 滤光片式色度计精度影响因素滤光片式色度计精度影响因素为了实现高精度色度测量，色度计所用滤光片要求符合 CIE-XYZ，但这种滤光片工艺难度比较大，制作要求高，费用昂贵，因此很多滤光片式色度计生产厂商为了节省成本选择低匹配度滤光片或者直接选用 RGB 滤光片数码相机，再通过后期定标得出转换成 CIE-XYZ 的矩阵算法，但由于定标光源的波长是一定的，转换矩阵只适用于波长在一定范围内的 LED 显示屏，如果波长超出此范围需要在此基础上进行矩阵的自适应调节，而现场 LED显示屏由数十万个灯珠组成，LED 灯珠波长、带宽都有一定的离散性，即使是同一批次的LED 产品波长
8、差异也只能控制在 5-10nm 左右，此外波长受外环境温度、湿度、使用时间、驱动电流大小影响，给测量带来了一系列不确定因素，从而导致测量精度较低，系统稳定性和可重复性不足。为了提高滤光片式色度计测量精度，需要提高滤光片匹配度和选用LED 光源进行矩阵校正。3.3. 滤光片容差值滤光片容差值从公式（1）-(3)可以看出三刺激值 XYZ 是 LED 光谱曲线与色度计光谱响应曲线的卷积结果，那么全光谱范围内滤光片与 CIE 标准曲线的误差都会影响到三刺激值 XYZ 的精度，通过误差传递函数可以计算出滤光片可容许最大误差值。根据误差传递方法，可以得到如下公式：（7）xxxdxdXdYdZXYZ（8）y
9、yydydXdYdZXYZ（9）zzzdzdXdYdZXYZ假设色品坐标误差为 ，色品坐标 xyz 函数（4）-（6）代入（7）-（8）式可得：（10）(1)+ZdXdYdZdxxxxXYZXYZXY（11）(1)+ZdXdYdZdyyyyXYZXYZXY（12）(1)+ZdXdYdZdzzzzXYZXYZXY可证明得出：（13）2 (1)dX X（14）2 (1)dY Yyy（15）2 (1)dZ Zzz如果需要将色度计最终色品坐标误差控制在某个值 ，根据以上公式可以计算出滤光片光谱响应匹配精度。如图 2 所示，从图中可以看出：为了将最终色品坐标误差控制在为了将最终色品坐标误差控制在 0.0
10、050.005，XYZXYZ 滤光片全波段光谱响应匹配度要求最大误滤光片全波段光谱响应匹配度要求最大误差小于差小于 2%2%。为了提高系统的稳定性和可重复性，需要严格控制系统实验室环境下误差值在一个较低水平，即要选用相对来说较高匹配度的滤光片。如果直接选用低匹配度的滤光片或者直接选用 RGB 相机，将从根本上决定了系统精度水平，即使通过后期算法修正也只是针对某一定波长的 LED 光源。图 2 色品坐标误差为 0.005 时全波段光谱响应匹配误差4.4. RGBRGB 相机经矩阵函数校正后的误差分析相机经矩阵函数校正后的误差分析RGB 相机用于 LED 色度测量时，必须经过标准仪器进行校准，校准
11、只能针对待校准的显示屏 RGB 的平均色品，而实际上，LED 屏上的海量像素之间，主波长和半高宽均存在差异和漂移。那么，让我们看看，经过特定主波长条件下矩阵校准后的 RGB 相机，用于测量主波长轻微漂移后的 LED 色坐标，误差情况会是如何？本文选用工业彩色相机 Canon EOS 500D 来对 RGB 校正法做误差分析。4.14.1 LEDLED 光谱响应曲线模拟光谱响应曲线模拟根据 LED 发光特性建立一个光谱数学模型，光谱模型的相对光谱分布曲线和实际 LED光谱分布曲线近似一致：224ln2()2 ln2( )exppf 4.24.2 XYZXYZ 与与 RGBRGB 值模拟计算值模拟
12、计算目前 LED 显示屏使用的蓝色 LED 主波长为 450nm-480nm,绿色为 520nm 左右，红色为630nm 左右，因此根据 LED 光谱模型分别模拟出蓝色 LED（峰值波长 460nm，半宽高 21nm） 、绿色 LED（峰值波长 520nm，半宽高 21nm） 、红色 LED（峰值波长 630nm，半宽高 21nm） ，归一化曲线数据如图 3 所示。40045050055060065070000.10.20.30.40.50.60.70.80.91图 3 LED 光谱模拟曲线CIE1931 三刺激值曲线与 LED 光谱响应曲线如图 4 所示，通过积分运算可以得到三刺激值 XYZ
13、。40045050055060065070000.20.40.60.811.21.41.61.8图 4 CIE1931 三刺激值曲线 vs LED 光谱响应曲线Canon EOS 500D 工业彩色相机 RGB 曲线与 LED 光谱响应曲线重叠区域如图 5 所示，同样通过积分运算可以得到 RGB 值。400450500550600650700-0.200.20.40.60.811.2图 5 Canon EOS 500D RGB 曲线 vs LED 光谱响应曲线4.34.3 RGB-XYZRGB-XYZ 转换矩阵函数转换矩阵函数工业彩色相机直接获取的值是 RGB 值，需要通过一个转换矩阵转换成三
14、刺激值 XYZ，通过下面这个公式可以得到相应的转换矩阵函数。11 1213212223313233Xa a aR Ya a aG ZBa a a 根据已知蓝、绿、红 LED 三刺激值 XYZ 和 RGB 通过计算得出当前 LED 校正转换矩阵A。11 12132122233132331.7665, 0.2671,0.38110.5748,0.6748, 0.10650.0045, 0.544,2.0906a a aAa a aa a a 4.44.4 LEDLED 主波长偏离误差分析主波长偏离误差分析获得了转换矩阵 A，可以通过测量其它 LED 来做误差分析，通过改变 LED 光谱模型主波长值
15、获取新的 LED 光谱曲线，新 LED 是建立在原有 LED 基础上主波长+/-5nm 改变，半高宽保持不变。新 LED 曲线如图 6 所示。400450500550600650700-0.200.20.40.60.811.21.41.61.8图 6 LED 主波长改变后新 LED 光谱曲线通过计算得出主波长分别在 4605nm、5205nm、6305nm 下 LED 的 RGB 值和 XYZ 值，RGB 用转换矩阵 A 可以得到转换三刺激值 X1,Y1,Z1，并进一步计算得到（x1,y1）,求取与理论色品坐标（x,y）之间的误差。分析结果数据见表 1、表 2、表 3，曲线图形见图 7。误差表与图中可见，偏离校正主波长越远，误差越大，而哪怕仅仅偏离 1nm,色品坐标的误差也已超过 0.003，最大误差甚至达到 0.02。这么严重的测量误差对于 LED 色度校正来说无疑是无法接受的。表 1. 蓝色 LED 主波长 460nm5nm 偏差下色品坐标误差值波长（nm）x-x1y-y14550
