顯示測量中色度計的校準

紅色到底有多紅？在很多顯示應用的場合，對顏色測量的準確性和精確性都有嚴格的要求。要準確地測量顏色，其困難程度確實超過了人們的想象。醫(yī)學和航空航天領域對顯示要求極為苛刻，不僅需要真實可靠地顯示顏色，以傳遞物體顏色的最基本信息，而且顏色的控制系統(tǒng)還必須有準確的色數(shù)據(jù)，以便確實有效地實施控制。目前，無論是顯示器產(chǎn)品的制造者還是消費者都相信顏色測量儀器，包括色度計和分光輻射計所給出的測量結果。��

在很多情況下，人們往往在未考慮其測量的準確性之前，就對用儀器所測的有關顯示器的結果采取接受或拒認的態(tài)度。如果顯示器的色度測量不準確，很可能會導致用戶采用了一個質量上并不完善的產(chǎn)品，而被他擯棄的卻是一個相當不錯的產(chǎn)品。��

為了更有效地使用一臺儀器，人們需要知道其測量的精度，對一臺色度計也是如此。人們需要知道該顏色測量系統(tǒng)是否完善，是否能夠完成人們需要它來承擔的那些檢測的工作。��

目前，很多軍事和商業(yè)領域中對這方面的應用需求不斷增長，并對顯示器提出了顏色測量誤差的要求。例如，某些軍用指標對檢測儀器提出色座標（x,y）為0.004的“擴展誤差”（k=2）的要求；國際標準對陰極射線管和液晶顯示器也提出x,y為0.005或更小的誤差要求。k=2的“擴展誤差”意味著測量值和真實值間在穩(wěn)定的誤差內(nèi)達到95.4%的附合程度。��

儀器制造廠家對其生產(chǎn)的色度計產(chǎn)品都要進行校準。其產(chǎn)品數(shù)據(jù)包括常規(guī)的技術規(guī)定誤差值：色座標x,y為0.002；明度（Y）為2%。應該提請注意的是，所給出的這些標稱值可能會被人們誤解，特別是用于對顯示器的測量。因為這些標稱值是以對色溫近似為2856K的白熾燈光源所進行的測量為基礎的。這種光源的光譜功率分布近似于國際照明委員會（GIE）規(guī)定的A標準光源的分布，這是在光度學和色度學中通用的標準光源。��

使用這種類型的光源進行校準目前尚存一些問題。如果使用這類儀器來測量其光譜功率分布與A光源類似的光源，是可期望得到精確的結果的。然而，人們往往想測量其色度和亮度的一些顯示器的光譜分布和A光源有相當大的差異檢測結果表明：顏色測量儀器的準確性會有相當明顯的變化，這和所測顏色的光譜分布有很大的關系。��

就采用三通帶或四通帶探測器的色度計（被稱作三刺激色度計）而言，每一個通帶的光譜響應和國際照明委員會規(guī)定的顏色匹配函數(shù)（x,y,z）之間匹配得不是很完好。因此用這種儀器測量不同的光譜分布就會產(chǎn)生誤差。��

用陣列分光輻射計測量時，也存在一系列影響顏色測量準確性的因素，包括雜散光、波長校準誤差和探測器陣列的線性等。��

無論使用哪種類型的器件，誤差的分析都是復雜的，而且，對于各種不同的顯示器和不同的顏色，色度計量儀器的誤差往往是人們預先所未知的。盡管對照白熾光源對儀器進行了精確的校準，但是在用它對顯示器的顏色進行色度和亮度測量時，人們?nèi)圆荒苤�道會達到何種準確程度。��

經(jīng)驗表明這個問題會有多么嚴重。如采用幾個色度計來測量一個顯示器的不同顏色的色度，人們會發(fā)現(xiàn)每個色度計的測量結果都不同，色座標x,y的差別達0.01，明度Y的差別可達10%，這和所測顯示器的顏色和類型有關。這種差別比儀器制造廠家所標稱的校準誤差高一個數(shù)量級，而且表明某些商品化的儀器在對顯示器的顏色測量時，其誤差也就在這個水平。對于許多常見的商業(yè)、工業(yè)和軍事應用來說，顏色測量誤差確實是太大了。��

在很多應用中，完全只依據(jù)白熾光源進行校準的方法是不能滿足顯示器的實際要求的。目前，美國國家標準技術研究所解決了這個問題，對用于顯示器測量的專用色度計提出了一種新的校準方法。��

在校準的過程中，用被檢驗的色度計和分光輻射計以及一個參考儀器對實際顯示器的各種顏色進行測量，以便進行直接地比較，完成校準。根據(jù)校準結果，即可用已校正過的色度計在已知色度和亮度誤差的情況下對顯示器的任一種顏色進行測量。�オ�

美國國家標準技術研究所的校準方案��

一般情況下，無論是基準光源還是基準探測器，都可以在校準中用來作傳遞標準。遺憾的是，各種顯示器在色度上不會在一個較長的期間內(nèi)是穩(wěn)定的和可重復的，因而不能用作傳遞標準的光源。為此，必須采用基準探測器的校準方案。��

基準探測器校準方案需要有一臺已知其特性的參考儀器。用這臺參考儀器和被校準儀器來測量一個顯示器的各種顏色。測量結果之間的差值確定了被校準儀器的誤差。當這些誤差并為已知時，就可以在被校準儀器的進一步使用中對其測量結果進行修正。��

一般來說，這種誤差在色度和亮度兩方面都隨所顯示顏色的不同而變化，故很難提供一個不同顏色的誤差對照表。實驗選擇了一種更可控制的方法：以所測得的誤差為基礎，對被校準儀器導出一個修正矩陣。有了這個矩陣就可能對任意一個實際顯示的顏色進行修正，以完成由參考儀器向被檢儀器所進行的傳遞校準。��

為使這一方案得以實現(xiàn)，需要有以下三個先決條件：一個穩(wěn)定且性能良好的參考探測器用來測量顯示器；一個有效的矩陣修正技術及一個在典型的校準測量過程中在色度上穩(wěn)定的顯示器。�オ�

美國國家標準技術研究所的參考儀器��

該參考分光輻射計由成像光學系統(tǒng)、一臺波長選擇用雙光柵掃描單色儀和一個光電倍增管（PMT）構成（見圖1）。光電倍增管的輸出送至一個數(shù)字電壓表并通過計算機對該電壓以波長的函數(shù)進行記錄。光學輸入系統(tǒng)包括一個退偏器和分級濾光片。退偏器可使儀器對偏振的靈敏度降低到小于1%，而分級濾光片放置在光譜儀的入射狹縫之前，可以消除高次光柵衍射效應。

這種設計可使該參考儀器具有很適宜的特性（見表1）。用它測量陰極射線管的顏色，其各種色度誤差為0.001，明度誤差為1%。��

四色矩陣修正法��

前面提到的第二個前提是一個有效的修正矩陣技術，用它可以使顏色顯示測量中所用三刺激色度計的修正得到改善。其第一步是找出參考儀器和被檢儀器對一個顯示器的各種顏色所測得結果之間的差異。然后，利用這一數(shù)據(jù)建立一個3×3的修正矩陣。該矩陣可用來對被檢儀器的三刺激值進行變換，使之更加接近參考值。這樣，可把被檢儀器的修正值表示為未修正值的線性代數(shù)和的形式。��

其關鍵問題是建立一個修正矩陣以便精確地進行變換，目前已開發(fā)出幾種不同的方法。例如，美國檢測和材料協(xié)會對一個顯示器的幾種顏色提出了一個測量和參考三刺激值間的最小均方根方法，色度值可由這些修正的三刺激值計算得出。��

但是這種方法并不如人們所期望的那樣適用，因為美國檢測和材料協(xié)會的方法是基于對三刺激值進行變換。顯示器的不穩(wěn)定性以及因儀器的不合理配置和校準所產(chǎn)生的亮度測量誤差會影響修正的色度值的準確度。�オづc三刺激值的測量相比，色度值的測量更穩(wěn)定，更具有重復性。色度值的測量是相對測量，因此很多影響亮度誤差的因素可以被減弱或消除。據(jù)此，導出了另外一種矩陣修正法——四色法，可進一步降低色度的測量值和參考值之間的差，比三刺激值的測量更有利。由于這種新方法是以色度值的測量為基礎，因此對亮度的誤差并不敏感，其效果優(yōu)于前述的美國檢測和材料協(xié)會所提出的方法。��

對用不同矩陣方法進行的修正做了比較，修正后的殘余誤差間的差異示于圖2。在對10個顯示顏色的檢測中，四色法對色度值的均方根差的減小比其他方法更有效。

矩陣修正技術設三基色的光譜分布是不變的。然而，實際上在顯示器中用同一類型的熒光粉混合時基色光譜的變化不大，但用不同類型熒光粉混合時，其基色光譜會有較大的變化。在相同類型的顯示器基色光譜變化不大時采用四色法的效果良好（x,y值的誤差僅為±0.001）。但是如果被測顯示器和用于導出矩陣的顯示器在基色光譜分布上有較大的變化時，其效果也并不理想。這樣，對于任何一個顯示器而言，只要所用的熒光粉和校準用顯示器的類型相同，都可以用一個已校準的儀器進行測量。當然，對于不同類型的顯示器，可以分別進行校準，以期獲得各自的修正矩陣。�オ�

校準的結果��

在美國國家標準技術研究所，研究人員采用該所研制的參考儀器，相對于同一個陰極射線管，校準了5種不同類型的商品化儀器，包括三刺激色度計和陣列分光輻射計。使用一個廣播級的陰極射線管作校準源，該顯示器在近30Min的比較測量過程中，其色度的變化是可忽略的。用5個被檢驗的儀器和參考儀器對該陰極射線管顯示的10種顏色進行了測量，并對用這些儀器和參考儀器測得的色度值的結果進行了比較，并對其差值進行了記錄（見圖3）。

研究人員發(fā)現(xiàn)，用不同儀器所測出的色度值之間有明顯的差別。與參考儀器的結果相比，在（x,y）值的測量中，有些儀器的測量值的偏差在±0.002之內(nèi)，而另外一些儀器對某些顏色的測量值，其偏差超過±0.005，這是預先可知的，因為這些被檢儀器在設計上，復雜程度上，甚至在價格上都有很大的不同。一般來說，它們都是質量較高的高檔次的儀器。然而，研究人員還期望能對一些低檔次的，差值較大的儀器進行校準。��

首先對基色和全白光進行測量，采用四色法導出每一臺儀器的各自修正矩陣，然后用修正過的儀器對10種顯示顏色進行測量，并計算出被檢儀器和參考儀器測量值的殘留色差（見圖4）。其結果表明這一校準方法可獲得令人驚異的效果。��

對于明度的測量，研究人員也得到了類似的結果。用已校準的儀器測得的結果明顯優(yōu)于其他儀器的測量結果，然而也有例外的情況，即在使用某些修正矩陣時，用被檢儀器和用參考儀器測得的明度值，其差未減小。這一結果表明，當實驗噪聲或明度誤差大而無規(guī)則時，四色法對明度測量的修正是不適用的。��

使用美國國家標準技術研究所的參考儀器可以測量陰極射線管顯示的各種顏色，其對（x,y）值測量的“擴展誤差”只有0.0012或更小，而且用已校準的儀器進行測量，和參考儀器比較其結果相差只有0.001。這樣，用已校準的儀器對陰極射線管顯示顏色進行色度（x,y）測量，考慮到每種情況下的最大偏差以及其均方根，其擴展誤差為0.0015或更小，如果再考慮到被檢測儀器的重復性，該擴展誤差也只有0.002的量級或更小。��

結果表明，用一個參考儀器作比較，這一校準方法可以對各種不同的色度計進行校準修正，盡管這些被檢儀器對顯示顏色的未修正測量結果有較大的誤差。但這并無妨。這種校準能使這些儀器在測量色度(x,y)值時的擴展誤差只有0.002或更小，完全在常規(guī)儀器檢驗所要求的限定范圍之內(nèi)，也完全符合國際標準所規(guī)定的范圍。��

美國國家標準技術研究所已在 2000年采用了這一技術并提供校準服務。這樣，無論是顯示器的制造者還是使用者，都會知道屏幕上顯示

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