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显示行业常用的几种亮度计

类别：知识百科
日期：2024-01-15 11:37:43

1、瞄点式亮度计瞄点式亮度计是一种可以选择测量视场角的光电亮度色度计，最早由Pritchard发明，一般有4种视场角可供切换（2°、1°、0.2°、0.1°），其主要结构如图所

1、瞄点式亮度计

瞄点式亮度计是一种可以选择测量视场角的光电亮度色度计，最早由Pritchard发明，一般有4种视场角可供切换（2°、1°、0.2°、0.1°），其主要结构如图所示：

其光学系统的结构为开普勒望远镜式结构，具有平行光入射平行光出射的特点，包含两路光路，一路为目视瞄准光路，一路为探测光路。其中物镜的像方焦点与聚光镜的物方焦点重合，打孔圆盘反射镜位于此处。

待测物面发出的光束在经过打孔圆盘反射镜时，大部分被反射进入目视瞄准光路，小部分从圆孔中出射进入探测光路。打孔圆盘反射镜的圆孔是探测光路的视场光阑，因此可以通过旋转打孔圆盘反射镜选择不同孔径的圆孔，实现测量视场角的切换。

使用时，首先选择测量视场角，然后通过目镜观察待测物面，调节物镜对焦环对焦，使视野清晰，此时视野中有一“黒洞”，这是打孔圆盘反射镜的圆孔，用“黒洞”覆盖住待测物点即可完成瞄点。

完成瞄点即可开始测量，进入探测光路的光束在经过聚光镜后出射至XYZ滤色片组，经XYZ滤色片组滤色后，在三个光电探测器上产生的电信号与待测物点的三刺激值成正比，以此计算待测物点的色度和亮度。

瞄点式亮度计能够在较远处非接触地测量待测物面中一个小区域的亮度和色度，并且可以用于测量其发光角度。测量平板显示器时，通常多次测量屏幕的多个区域以评价整体均匀性，并通过倾斜平板显示器实现可视角度的测量。

其主要缺点是全屏检测时效率低下和小视场角时低亮度测量精度不佳。下图为日本TOPCON公司的BM-7A型瞄点式亮度计,其亮度量程为0.01-12000000 nit ，亮度精度 ±%2，色坐标精度 ±0.002。

2、成像式亮度计

CCD（Charge CoupLED Device）于1970年被美国贝尔实验室发明后不久，其二维感光能力被应用于数码相机，成像式亮度计的结构与它类似，下图是成像式亮度计的光学结构原理示意图。

定焦标准镜头将待测平面光源成像在CCD感光面上，光阑负责遮挡杂散光，电机控制滤色片切换，三片匹配CIE三刺激值曲线的滤色片过滤光源的三刺激值分量，CCD相机采集三刺激值图像。

CCD相机是一种二维图像传感器，由CCD感光芯片、外围驱动电路、图像数据处理模块组成。其核心元件CCD全称为电荷耦合器件，其最小结构单元是金属-氧化物-半导体电容器（Metal oxide semiconductor，MOS），利用光电效应将光信号转化为电信号。

其工作流程是：1、外围驱动电路按照设定的参数使CCD感光面曝光一定时间。2、CCD每个感光像素根据曝光时间内接收光能大小产生对应数量的电荷。3、外围驱动电路控制感光像素内电荷包依次向相邻像素转移，通过行扫描或列扫描的方式获得整个感光面的电信号。4、图像数据处理模块将电信号转为标准的图像传输格式，如RAW格式。

在未过曝的前提下，所得图像中每个像素的灰度值正比于对应CCD感光像素在曝光时间内积累的电荷量，若在曝光时间内像面照度分布保持不变，则某图像像素的灰度值 Fm,n , 与对应像面元的照度 dE 的关系如公式所示

因此CCD相机可以采集像面的照度分布。在相同的感光面尺寸下，CCD相机的分辨率越高，所得的像面照度分布精度越高。通常CCD相机的分辨率可达数百万像素，高端CCD相机的分辨率则有数千万像素。

成像式亮度计可以近似等效为数百万个具有相同三刺激值光谱响应的瞄点式亮度色度计同时工作，面阵CCD相机的每个感光像素单元就相当于一个瞄点式亮度色度计中的积分式光电探测器。其微观结构原理示意图如图所示：

其像面照度E与物面亮度L的关系如公式：

通常情况下，物距远大于物镜焦距， f/l 的值很小，可以忽略，此时公式可以化简为：

E=KL

成像式亮度计在测量平板显示器的整体亮度色度分布时的效率显著高于瞄点式亮度计，是目前平板显示器全屏检测的主流方案。

近年来屏幕缺陷检测的相关机器视觉算法发展迅速，一些高端的成像式亮度计还具有屏幕缺陷自动检测功能，能够替代多道人工检测工序，提高生产效率和质量管理可靠性。

比如美国Radiant公司的ProMetric型成像色度计（如图）在搭载50mm标准镜头和200万像素CCD相机时，其亮度量程为 0.001-10000000000nit ，亮度精度 ±%3 ，色坐标精度 ±0.003 ，视场角10°×8° ，其配套软件TrueTest具有缺陷检测功能。

3、光谱亮度计

光谱仪可以测量光源的光谱，应用广泛，1992年美国科学家Mike Morris发明了第一台商用微型光纤光谱仪S1000型，它将光谱仪的大小缩小了几十倍，价格降低了十几倍，使光谱仪可以作为一个模块集成进测量仪器中。

光谱亮度计是一种使用光谱法的光电亮度色度计，其光学系统的核心一般为微型光谱仪，配有光纤探头或入光镜头。微型光谱仪的一种常用结构为交叉式Czerny-Turner结构，如图所示：

光源的光束通过光纤耦合、透镜聚焦等方法接入微型光谱仪的狭缝前，狭缝使出射光为线光源，经反射镜1反射后到达平面反射光栅。

平面反射光栅通常是由金属镜上刻划细密的等间距刻痕制成，是一种衍射光学器件，具有分光的能力，能使不同波长的光以不同的衍射角度出射。

反射镜2将不同波长的光聚焦于线阵CCD的不同感光像素上，通过测量各感光像素的电信号即可测量光源的相对光谱功率分布。由光源的相对光谱功率分布可以计算光源的三刺激值，从而计算出光源的亮度和色度。

光谱亮度计相比于瞄点式亮度计和成像式亮度计具有测量精度高、结构紧凑、可测光谱的优点，配合特殊的光纤探针还可以测量像素的亮度和色度。其主要缺点是只能单点测量。

下图是美国海洋光学公司的HR4PRO型微型光谱仪，采用光纤入光，其在可见光波段的光谱分辨率为0.1nm，尺寸为148.6 x 104.8 x 45.1 mm，大小接近一台智能手机。

下图是日本美能达公司的CS2000型光谱亮度计，采用镜头入光，视场角1°、0.2°、0.1°可选，光谱分辨率0.9nm，亮度量程0.003-500000 nit ，亮度精度 ±%2 ，色坐标精度 ±0.0015。

4、显微成像式亮度计

随着MiniLED、MicroLED显示技术的提升，平板显示器的像素亮度和色度的测量需求日益增加。瞄点式亮度计、光谱亮度计和成像式亮度计都不适合快速大量测量平板显示器的像素亮度和色度。

其中瞄点式亮度计的工作距离较长，视场内包含多个像素，无法测量单个子像素；光谱亮度计需要搭配特殊的光纤探针才能测量单个子像素，无法大量测量；

成像式亮度计的空间分辨率不足，只能测量像素尺寸较大的显示面板的像素亮度和色度，无法测量子像素内的亮度和色度分布，无法测量MiniLED、MicroLED显示面板的像素亮度和色度。

显微成像式亮度计是在成像式亮度计的基础上，将成像物镜替换为高倍率显微物镜，通过高倍率的显微成像，实现对待测面光源的微米级的亮度和色度分布测量。

目前显微成像式亮度计的应用场景较为单一，主要用于像素测量，没有成为一个新的品类。国外仪器厂商通常在原有成像式亮度计的基础上推出显微镜头套件与像素测量软件，使其可以通过切换镜头变为显微成像式亮度计。

如Radiant公司的ProMetric型成像色度计推出了5X显微镜头套件，其配套软件TrueTest新增了像素测量功能。目前未见国内厂商推出显微成像式亮度计。

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