色之语:色彩及显示器测量

话题:
作者:
Anne Corning

在之前的一篇博客文章中,我们探讨过光之语(包括亮度、照度、光通量等光度值)。在本篇博客文章中,我们一起来看看有关色彩的语言和概念及色彩的测量。

人类对色彩的视觉感知

可见光光谱(占整个电磁光谱的一小部分)的波长范围约为380-740纳米(nm)。人眼中的视杆细胞和视锥细胞会对光波作出反应;视锥细胞则决定我们如何感知色彩。
 

Visible light wavelength spectrum

人类可见光光谱,波长约为380-740 nm。这只是从波长超短的伽马射线(波长为0.0001纳米)到波长极长的无线电波(长达可达到100米)的整个电磁光谱中的一小部分。

人眼中有三种类型的视锥细胞,分别为长视锥细胞(L)、中视锥细胞(M)和短视锥细胞(S),每种视锥细胞对特定的波长范围具有敏感性。人眼可以感知不同强度、不同波长的光线,并将其混合,以涵盖下图中每条曲线下方的区域。

Cone response curves

人类视觉在中央凹区域内(人眼视野中央2°的范围,在此区域内,人眼具有最高密度的视锥细胞)的光谱反应。此图形粗略说明了人眼视锥细胞的归一化反应; 即人眼在多大程度上感知到每种波长。每条曲线的峰值是人眼对该色彩的感知最强烈的位置。

光谱功率分布(SPD)

了解人类视觉的反应(即我们的光谱敏感性)有助于我们绘制人眼如何感知各种光源,并通过光谱功率分布(SPD)对它们进行表征。跟上图中所示的相似,SPD是通过功率与波长的函数关系绘制而成的。不同之处在于,SPD绘制的是光源的总输出功率,而非人眼所感知的功率。SPD描述了光源在每个波段发射的光功率有多大。波长(以nm为单位)位于X轴上。光谱功率(以瓦特/纳米为单位,W/nm)则分布在Y轴上,通常作为任意单位进行了归一化,比如强度或功率。

SPD of common light sources

常见光源的光谱功率分布(SPD)。举例来说,发光体A是一种宽带光源,可以在每种波长下发射光线,并且在较长的波长下发光强度增加。相比之下,红光LED的光谱非常窄,主要发射620-650 nm波长范围的光线。

量化颜色:CIE色彩空间

1931年,国际照明委员会(International Commission on Illumination,简称CIE定义了一种标准,用于科学地量化色彩的物理特性。CIE色彩空间包含人眼可感知的总色彩范围,以二维图表示。我们看到的每种色彩都是三个值(红色、绿色和蓝色)的混合,这些值显示在三角形色彩空间的三个极值点上。沿着色彩空间边缘(光谱轨迹)的数值是单一波长的纯色调(单色)。

为了将色彩量化为此色彩空间上的坐标,CIE 指定了数学“色彩匹配函数”,该函数基于色彩空间中任意点的三种原色的相对值推导而出,称为三色刺激函数:即X、Y和Z。

CIE color space_black body locus

CIE 1931色彩空间的图形表示,其绘制了人眼可见的所有色彩。色彩空间边缘周围的数字是指定义色彩空间边界的单色光的波长。在色彩空间内,每种可感知的色彩都有一个坐标,称为CIEx,CIEy。黑体(普朗克)轨迹坐标显示在靠近中心的曲线上;黑体温度通常称为相关色温(CCT),以开尔文(K)为单位进行测量。

上图所示的黑体轨迹(也称为“普朗克轨迹”)是被称为黑体辐射体(一种可以吸收所有入射光的理想化物体,并且也是完美的发射器)的光源的色度坐标图。黑体曲线显示在CIE图中,用于指示光线显示为白色的点。

自诞生以来,CIE色彩空间使我们能够在印刷、光源表征、光学设计和发光显示屏测量等广泛的应用中进行准确的色彩测量、表示和复制。此外,CIE色彩空间也经过了重新调整,分别在1960年和1976年进行。1976年调整的CIE色彩空间旨在可以粗略估计所感知色彩差异的比例,以确保图形上两点之间的距离能够更准确地表示人眼所感知色彩差异的程度。而1960年调整的CIE色彩空间则是用于量化另一色彩概念(色温)的测量系统的基础。

相关色温(CCT)

白光是使用可见光谱中所有颜色的组合所产生的。相关色温(CCT)是一种使用单个数字来表征任何白光光源的颜色外观(对人类观察者而言)的方法。不同量的各种波长组合在一起会导致光线看上去“更冷”(如果其包含更多的蓝色/青色波长)或“更暖”(如果其包含更多的黄色/橙色波长)。具有完全不同SPD的不同光源在人眼中看起来可能都是白色的。

Comparison of SPDs_monocrhomatic

各种光源的SPD之比较,所有这些光源在人眼中看起来都是“白色”的,但它们具有不同的光谱分布。举例来说,“暖”白光LED在约625 nm的波长下(橙红色区域)强度最高,而明亮的“日光”白LED则在约450 nm的波长下(青色/蓝色区域)强度最高。(图片:来源

光源的CCT是普朗克轨迹上与光的色度坐标(称为色温)最相匹配(在感知方面)的点,以开氏度(K)为单位进行测量。

相比热温度测量值(比如:华氏度,其中较高的值=较高的温度),这似乎有点违反我们的直觉。在测量CCT时,较低的值(比如1800-2700 K)被认为是暖色调,中性白约为4000 K,而较高的值(比如5000 K及以上)则代表最冷的CCT。

Correlated Color Temperature Examples

具有不同CCT值的各种白光LED的外观之比较。(图片来源

请注意,CCT并不等同于SPD。CCT用于表征人眼如何感知光源的色调;而SPD则采集光源输出的整个波长光谱,包括一些人眼不可见的波长。CCT可以理解为光谱含量的近似值。

评估彩色显示器

“色域”是一个经常用来描述任何显示设备的术语。这是指显示器能够产生的总体色彩范围。迄今为止,尚无任何人造显示设备能够接近于复制人眼可感知的完整光谱(CIE总色彩空间)。

HD display gamut compared to CIE

CIE 1931 色彩空间与标准HDTV显示器色域之比较。虽然电视机可以为观看者提供生动逼真而令人兴奋的图像,但与人类视觉的全部能力相比,色彩范围仍然是有限的。(图片来源

显示器制造商们不断努力扩展色域,并产生更加生动逼真和多样化的屏幕色彩。在开发过程和生产线上,制造商们如何确保显示器提供最准确的色彩和最高的视觉质量和性能?答案在于测量。

测量光源和显示器的色彩

我们如何测量光源或显示设备的色彩输出?市场上有各种测量仪器可供选择,适用于不同类型的视觉性能和质量评估测量。

辐射测量学是测量整个电磁光谱波长的科学,因此辐射计可以测量红外光波、可见光波和紫外光波。而亮度计可以测量人眼感知到的可见光的亮度(照度)。

色度测量学是测量人眼感知到的色彩(色度)的科学。有些仪器(比如点式亮度计)可以同时测量亮度和色度。顾名思义,点式亮度计每次测量一个较小的区域(点)。它们通常能够以相对较低的成本提供高精度,并且在显示器研发过程中尤其有用。分光计实际上是一种点式亮度计。同样地,它可以提供高度准确的色度测量以及光谱数据。

另一种可用于测量色彩性能的设备是成像系统,比如瑞淀的ProMetric® 成像色度计。不同于点式亮度计,成像系统可以通过单个图像采集整个光源分布或完整的显示屏数据。它使用2D检测器(图像传感器)在2D空间环境中同时测量多个光点。成像系统在显示器测量中的作用是模拟人类视觉系统,确保一次性评估整个显示器,就像我们的眼睛一眼可以看到整个手机或电视机屏幕一样。

  所测量的显示器典型特性
点式亮度计 亮度、色度、对比度、色域、伽玛、闪烁...
成像系统 亮度、色度、均匀性、对比度、Mura缺陷、其他缺陷、像素级分析、失真...
分光计 辐射度、亮度、色度、光谱...
其他 响应时间、观看方向...

成像系统在点式亮度计的精度与采集所有数据点以进行空间表示的能力之间取得了良好的平衡。在如今的许多应用中,成像色度计是评估显示器整体视觉性能的最佳工具,包括:

  • 背景信息评估:均匀性、梯度变化、对比度、Mura缺陷(瑕疵)、失真
  • 缺陷(包括像素像素、线缺陷、点缺陷)的位置、识别和严重程度
  • 同时测量多个关注区域(LED阵列、像素、亚像素)
  • 确定尺寸、失真和对焦质量(投影显示器)
  • 先进的分析,包括可以对所采集的每个图像进行多种分析

显示器测量的重要性

显示器测量使制造商们能够对其产品质量拥有客观的了解。技术、制造工艺及其他因素方面的差异会导致显示器视觉质量发生变化,比如缺陷(例如:死像素)或外观不均匀。测量仪器所采集的数据使显示器制造商们能够评估显示屏的视觉质量,以确保其符合产品规格,并满足顾客期望,从而保护制造投资和维护品牌声誉。

“显示器测量将科学方法与科学设备相结合,以采集、量化和评估这些质量特性,包括亮度、色度、均匀性、对比度等。基于这些数据,制造商们可以对这些质量特性设置客观阈值,并确定所产生的变化是否在所要求的性能参数之内,”瑞淀产品开发总监Jens Jensen解释道。显示器测量科学适用于不同设备和不同行业的通用测量原理。这种标准化使制造商们能够通过机器设备进行高效测量,实现从设计到生产的全自动化检测过程。

用于测量显示器色度和亮度的系统必须能够采集到足够的数据,以提供准确的质量评估。如今,测量系统正在迅速发展,以满足新型显示器和显示器集成系统的测量需求,并跟上OLED、microLED和量子点等显示器技术的最新进步。

Prometric I with lenses_medium

ProMetric® 成像色度计可以为显示器、背光组件、光源和装配件提供高分辨率、高度准确的自动化光学检测,确保满足量产需求。

深入挖掘:显示器质量测量科学

对于显示器行业的专业人士而言,非常重要的一点是必须了解显示器测量学的基本构成要素、可用工具以及哪些工具可为特定的应用提供最多的优点。这篇博客文章仅仅触及了显示器测量学的表面。如需了解更多有关显示器表征和测量方面的信息,请观看我们的以下简短课程:“显示器测量学基础知识” ”。该课程最初于2021年5月20日在信息显示协会(SID)以虚拟形式举办的“2021 Display Week, ”活动上提供,时长3.5小时,由瑞淀产品开发总监Jensen和来自瑞淀关联公司的同事们共同主讲,包括来自Instrument Systems的Reto Häring博士和来自柯尼卡美能达的Yutaka Maeda。

该课程介绍了显示器测量学的基础知识和标准原理、测量系统是如何开发的以及它们如何用于测量显示器的视觉质量,涵盖了一系列主题,首先从光线和色彩科学、测量单位和国际测量标准开始。主讲者详细介绍了将这些原理应用于显示器自动化测试的技术,包括点式亮度计、成像设备、时间分辨亮度计和分光辐射度计。

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