光学检测设备:从光谱数据到成像色度计

话题:
作者:
Anne Corning

分光辐射度计是一种功能强大的工具,能够在单个点位置测量光源或发光显示器的亮度(照度)和颜色(色度)。成像色度计同样是功能强大的工具,可基于图像测量光度和色度,以获取空间背景信息。每种光学测量设备(LMD)以不同的方式测量色彩,并采集有关被测设备(DUT)视觉特性的不同数据子集。为确保在所有阶段(从实验室到最终装配)对照明和显示器产品进行完整的性能和质量评估,开发人员和制造商们通常需要一组完整的数据,包含光谱特性和色度特性在内。

Composite of DUTs

在开发和制造过程中,制造商们需要对产品和设备进行亮度和色度测量的示例。

许多检测应用同时需要分光辐射度计和成像色度计来进行设备质量评估。这通常要求制造商们同时采购这两种系统。但由于一次只能使用一种光学测量设备(LMD)进行测量,因此需要建立多个工作站点或流程——这种方法不仅效率低下,而且成本昂贵。此外,系统之间的任何手动设置和数据传输都可能导致较长的停机时间,或者在检测过程的任何阶段引入错误。

通过将两种测量设备集成到单个系统中,可以向开发人员和制造商们提供更强大、更多功能、更精确、更高效的检测解决方案。为了帮助大家深入了解这两种类型的光学检测设备(LMD),包括它们分别如何表征亮度和色度、它们的互补功能以及光谱数据和色度数据对于设备性能评估的重要性,我们将首先探讨光度。

光谱与色谱

电磁光谱对太阳辐射出的所有光能进行了表征——实际上,涵盖宇宙中的所有光能,包括人眼可见的光能和人眼不可见的光能。表征光线的一种方法是通过其波长。光波由称为光子的亚原子粒子组成,它们以不同的频率振荡。频率越大,波长则越短。

整个光谱范围的一端为超高能量的伽马射线(短波长),另一端为低能量的微波和无线电波(长波长)。光谱中间非常小的波段为人眼可以感知的可见光范围。可见光的波长范围为大约380纳米(nm)至700纳米,该范围的低端为紫外线(UV),高端为红外线(IR)。

Electromagnetic spectrum

完整电磁波谱,从高能、高频、短波伽马射线到低能、低频、长波无线电波。可见光谱——人眼可以感知的波长范围——只是电磁光谱的一小部分,范围从大约380纳米到700纳米。

辐射测量学、光谱测量学和光谱辐射测量学

辐射测量学是一门涉及测量所有光线波长的学科,包括超出人眼视觉范围的波长。辐射计是用于表征给定波长范围的能量值的仪器,例如:UV紫外光或IR红外光),通常价格低廉,便于携带,并且可以快速测量光源的总功率或辐射通量(以瓦特为单位)。

虽然光谱仪也用于测量波长范围,但其通常专门用于测量光的成分,方法是使用内部光学衍射光栅、棱镜或滤光片将光分离为其组成波长。虽然光谱仪异常精确,但并非完整的系统。相反,它们需要与其他光学元件搭配使用,以输出相关的测量值。

将光谱仪与辐射计搭配使用,则成为分光辐射计,其利用光谱仪的高精度来测量光源的各种特性,包括辐射度值、亮度值和色度值。分光辐射计可用于单独采集光谱值,也可用作参照仪器,以提供极其准确的数据,用于校准其他测量仪器,比如成像仪。

所有这三种光学检测设备(LMD)的一个共同缺点在于,它们只能测量一个较小的区域或“点”——有时被统称为“点式设备”,这意味着他们无法同时测量完整的显示面板或光源的完整分布。相反,必须单独进行多次测量,以采集所有相关的光输出。

成像亮度计和色度计

亮度测量学是从人眼感知的角度测量光波长的学科;色度测量学则基于人眼对色彩的感知方式将相同的原理应用于测量波长。与上述点式测量设备相比,成像亮度计和色度计是通过单个图像一次性采集和测量整个区域的仪器,然后可以同时对多个参数进行分析。

成像亮度计可同时测量亮度值和空间分辨率;色度计也可以测量这些特性,同时还可测量色度。这些光学检测设备(LMD)系统支持更先进复杂的图像处理技术,比如显示器Mura分析和缺陷检测,这些技术依赖于能够对整个被测设备(DUT)上的测量值进行比较,以评估均匀性。

光谱和色度测量

光谱测量与亮度/色度测量之间存在关键区别。由光谱辐射计测量的光谱数据主要采集以下绝对值:光源每个波长的原始能量。相比之下,亮度/色度测量是从人眼感知的角度对光源进行表征,此数据主要采集标准人眼感知到的每个波长的能量值。

光谱数据可用于创建光谱功率分布(SPD):光源的能量和波长特性的图形表示,如下图所示。y轴通常在0 -1的范围内标准化,表示每个波长的相对功率,而非绝对单位测量值。

Three example SPDs

三个示例光源的光谱功率分布:全日光下的太阳、标准白炽灯泡和标准荧光灯泡。波长显示在x轴上,相对强度(功率)显示在y轴上。(图片来源:Luminus Devices, Inc.)

色度测量数据可用于表示人眼视觉系统对光源的光谱功率分布(SPD)的响应,人眼将其感知为单种“色彩”。实际上,我们看到的色彩是基于人眼中的结构(视锥细胞)如何响应三种原色——大致为红色、绿色和蓝色,如下图所示。如需了解有关光谱功率分布(SPD)和人眼视觉反应的详细说明,请观看Photonics Spectra举行的以下网络研讨会:“色度测量法:亮度和色度测量科学之入门知识”。

Rods and cones_human visual perception

人眼具有三种视锥细胞(S、M和L),每种视锥细胞的敏感波长范围大致对应于红光、绿光和蓝光。人眼三种视锥细胞的合并响应使我们能够在每种波长的给定功率下感知光谱功率分布(SPD)的“色彩”。

光谱功率分布(SPD)和光谱数据在科学、工程学、工业和商业领域中具有众多用途。举例来说,LED制造商和照明设计师通常会参考光谱功率分布(SPD)数据,以帮助创建最适合人类活动需求和舒适度的照明方案(以人为本的照明))。色度测量数据在制成品评估方面特别有用,比如印刷材料、油漆表面、光源以及供人类观看和使用的发光显示器。在这些使用案例中,绝对色彩规格并没有顾客对该色彩的视觉感知重要。

通过标定确保准确性

只有在确保准确性的情况下,亮度和色度数据才有用。任何测量设备或任何一件计量设备都必须根据已知标准进行标定,以确保其提供的测量结果始终准确无误。举例来说,瑞淀的测量系统出厂时已经过标定,并在安装时再次标定,此外,我们还建议客户每年重新标定一次,以确保持续提供最佳性能。

而且,有些应用需要更频繁的标定,比如,在需要测试不同类型或颜色的被测设备(DUT)的情况下。使用成像色度计时,需要光谱仪或分光辐射度计提供的绝对测量值,用于重置色度计对于每个新场景的响应。在这些情况下,拔出光谱辐射计设备频繁进行手动标定,可能非常费力且耗时。

配备集成光谱仪的成像色度计可以快速提供自动化标定,从而消除了这些问题。设备制造商们可以高效、准确地测量他们所需的完整数据集。

一体化解决方案:成像色度计 + 光谱仪

瑞淀的新型一体化解决方案ProMetric® I-SC 款可满足这一需求,该解决方案将高分辨率ProMetric I 成像色度计(用于快速视觉检测)与高端光谱仪(用于实时色度标定和光谱数据测量)搭配使用。这一创新设计基于瑞淀光学系统开发的专利技术(美国专利号:8482652)。

通过使用所连接的成像色度计采集的测量图像,ProMetric I-SC系统可以在被测设备(DUT)的中心点测量光谱数据,同时量化和比较整个图像上的空间亮度值(cd/m2)和色度值(CIE x,y和u'v'),以对被测设备进行评估。这两种系统使用单个软件平台(瑞淀的TrueTest™软件)进行控制,而且该软件还为数据可视化和输出提供统一的界面。

ProMetric I-SC系统与TrueTest™软件搭配使用,可以在不同的测试环境下,随着时间的推移,同时采集不同被测设备的光谱数据及准确且可重复的色度测量值。设备制造商们可以:

  • 使用单套解决方案同时采集光谱和空间测量数据
  • 保持连续运行,包括完全自动化的数据采集和系统标定
  • 采集和存储可重复且与CIE函数匹配的测量值
  • 使用Smart Calibration™工具从多个传感器分辨率选项和镜头选项中进行选择,以实现广泛的距离和光圈设置
ProMetric I-SC Solution - Imaging Colorimeter and Integrated Spectrometer

瑞淀的ProMetric® I-SC系统将ProMetric成像色度计与高端光谱辐射计一体化。

凭借全新的ProMetric I-SC系统,瑞淀可通过单套解决方案提供两种系统的独特功能优点,从而消除了用户购买多套系统或单独学习不同平台的负担。此外,直接集成还可以在无需人工干预的情况下启用系统功能。用户可以在光源上完全相同的点位置测量光谱数据和空间数据,监控输出,并直接应用色度校准,无需移动设备。

通过将不同系统的独特功能整合在ProMetric I-SC解决方案中,还可以从整体上最大限度地提高该解决方案的功能。用户可以基于测量图像的背景信息,将光谱仪光谱测量点的精确位置定义为图像中的一个点进行查看(单独使用光谱仪和成像系统时不可能做到)。同样地,由于光谱仪使用成像色度计的光学元件,其可以从成像仪采集的相对于被测设备(DUT)的确切位置和角度采集光谱数据。

从产品设计的绝对准确性,到生产线上质量控制的最佳效率,ProMetric I-SC解决方案专为解决端到端计量应用而设计。
 

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