全視角測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法

韓 東，劉志剛，閆 實(shí)

全視角測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法

韓 東，劉志剛，閆 實(shí)

（國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015）

全方位視角測(cè)量系統(tǒng)是針對(duì)顯示器等可視產(chǎn)品的可視角、色亮度等參數(shù)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、高效測(cè)量的一種測(cè)量方法。利用鏡頭組的獨(dú)有的光學(xué)傅里葉轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與CCD傳感器配合，對(duì)顯示產(chǎn)品的視角進(jìn)行全方位的精確和快速測(cè)量。但該系統(tǒng)的計(jì)量問(wèn)題目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)完整的解決方案。以量值溯源為目的，針對(duì)全視角測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

視角；校準(zhǔn)；溯源

1 可視角簡(jiǎn)介

可視角是幾乎所有顯示產(chǎn)品的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，在此為了便于表達(dá)，選取平板電視、顯示器視角的測(cè)量為例，展開(kāi)本文的討論。可視角的定義是，在顯示器保持“畫(huà)面失真”不超過(guò)一定范圍時(shí)的最大觀看角度[1]。一般分為水平可視角和垂直可視角，也有一些要求較嚴(yán)格的產(chǎn)品需要考核其他方位的可視角。SJ/ T11348—2006《數(shù)字電視平板顯示器測(cè)量方法》[2]中把可視角分為亮度可視角和色度可視角，其中亮度可視角是在屏幕中心的亮度減小到1/3時(shí)的水平可視角和垂直可視角，色度可視角是在屏幕中心的Δu'v'=0.020時(shí)的水平可視角和垂直可視角。圖1是可視角的測(cè)量示意圖[3]。

2 傳統(tǒng)的可視角測(cè)量方法

如前所述，傳統(tǒng)的可視角測(cè)量需要借助一個(gè)測(cè)量平臺(tái)，將被測(cè)產(chǎn)品和色亮度計(jì)按一定要求進(jìn)行固定，先測(cè)量額定觀察位置的色亮度，然后通過(guò)配有角度測(cè)量裝置的平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)從而改變色亮度計(jì)與被測(cè)產(chǎn)品的相對(duì)位置讀出各測(cè)量點(diǎn)的色亮度值和相應(yīng)角度，直到色亮度變化達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，此時(shí)的角度即為相應(yīng)方位上的可視角。這種方法的缺點(diǎn)是效率較低、耗時(shí)、費(fèi)力。用這種方法，即便不算把被測(cè)樣品固定在測(cè)量裝置上并調(diào)整好測(cè)量位置所耗時(shí)間，從正式測(cè)量開(kāi)始算時(shí)間，如果每隔5°測(cè)量一次，按每次用時(shí)5 s計(jì)算，僅測(cè)量水平方向上的160°可視角，就需要用160 s。如果按2°間隔測(cè)量需要400 s。按這個(gè)速度如果要進(jìn)行全方位360°可視角的測(cè)量，按方位角每改變10°測(cè)量一組視角來(lái)算，整個(gè)測(cè)量過(guò)程需要的時(shí)間是：360°÷10°×400 s= 14 400 s，相當(dāng)于4 h。而且，對(duì)于這種方法而言，這已經(jīng)是最快的了。

圖1 可視角的測(cè)量示意圖

3 新型的快速全方位視角測(cè)量系統(tǒng)

目前國(guó)際上有代表性的這種測(cè)量系統(tǒng)是法國(guó)EL?DIM生產(chǎn)的，該系統(tǒng)的視角測(cè)量范圍可達(dá)88°，而且是一次性測(cè)量全方位角的可視角，整個(gè)測(cè)量過(guò)程僅需要5 min即可完成。系統(tǒng)自帶的軟件可以將測(cè)量結(jié)果生成不同的圖表，如圖2所示，非常方便快捷。我國(guó)目前有很多大型企業(yè)已經(jīng)引進(jìn)了這套設(shè)備，確實(shí)提高了測(cè)量效率，但隨之而來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是該套設(shè)備的校準(zhǔn)問(wèn)題。由于是國(guó)外引進(jìn)的新型儀器，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)該套儀器的校準(zhǔn)方案，設(shè)計(jì)一套針對(duì)該系統(tǒng)的校準(zhǔn)方案是本文要解決的問(wèn)題，要完成系統(tǒng)的校準(zhǔn)首先要了解其測(cè)量原理，該套系統(tǒng)的核心技術(shù)是通過(guò)一組光學(xué)鏡頭和測(cè)量軟件相配合，精確控制XYZ三向移動(dòng)工作臺(tái)的走位，用光學(xué)傅里葉變換和CCD傳感器相結(jié)合，把從各個(gè)方向進(jìn)入測(cè)量鏡頭的光線通過(guò)傅里葉變換后對(duì)焦在像平面的不同點(diǎn)上，如圖3所示，成像面上的坐標(biāo)X與入射光束的夾角θ間的關(guān)系為

圖2 快速全視角測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果

然后通過(guò)CCD圖像傳感器對(duì)各點(diǎn)光線的色亮度進(jìn)行測(cè)量。可見(jiàn)該系統(tǒng)是結(jié)合角度和光學(xué)測(cè)量為一體的高效全方位可視角測(cè)量系統(tǒng)。

圖3 光學(xué)傅里葉變換示意圖

4 校準(zhǔn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上面的測(cè)量原理，對(duì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)分兩步完成。第一步用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的顯示器作為標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)測(cè)量系統(tǒng)在各個(gè)角度的色亮度測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)，第二步用準(zhǔn)直點(diǎn)光源搭載精密轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的角度測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)。

4.1 色亮度測(cè)量值的校準(zhǔn)

這一步的操作方法其實(shí)與傳統(tǒng)的可視角測(cè)量方法一致，首先需要借助一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)，用色亮度計(jì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)屏在各個(gè)方位的色亮度進(jìn)行標(biāo)定，然后用快速測(cè)量系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)屏進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得結(jié)果與之前的標(biāo)定值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)快速測(cè)量系統(tǒng)在設(shè)定的方位和可視角上的色亮度值的校準(zhǔn)和修正。這一過(guò)程有三點(diǎn)必須注意：

1）選取的標(biāo)準(zhǔn)屏的發(fā)光性能必須穩(wěn)定，屏幕中心區(qū)域的色度、亮度穩(wěn)定性24 h內(nèi)達(dá)到0.3%。

2）轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)必須保證色亮度計(jì)能夠從發(fā)光面中心點(diǎn)垂直軸向（該中心點(diǎn)可通過(guò)給標(biāo)準(zhǔn)屏輸入“十字叉”信號(hào)來(lái)瞄準(zhǔn)）開(kāi)始測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果作為初始位置（0°可視角）的色亮度值，然后通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)屏對(duì)不同方位的可視角進(jìn)行標(biāo)定，將測(cè)量結(jié)果作為校準(zhǔn)快速視角測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)屏標(biāo)定平臺(tái)

3）標(biāo)準(zhǔn)屏轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度的范圍和準(zhǔn)確度需要滿足被校準(zhǔn)快速視角測(cè)量系統(tǒng)的需要。

4.2 可視角測(cè)量值的校準(zhǔn)

可視角測(cè)量值校準(zhǔn)原理如圖5所示，用精密轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)點(diǎn)光源，圍繞快速視角測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭的主軸線旋轉(zhuǎn)，快速視角測(cè)量系統(tǒng)會(huì)測(cè)出點(diǎn)光源在不同入射位置時(shí)的視角，將該測(cè)量結(jié)果與精密轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可視角測(cè)量值的校準(zhǔn)。這一過(guò)程中也有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意。

圖5 用旋轉(zhuǎn)點(diǎn)光源校準(zhǔn)快速視角測(cè)量系統(tǒng)的角度示意圖

1）圖5中的點(diǎn)光源要求是平行光，至于光的性質(zhì)筆者認(rèn)為只要是快速視角測(cè)量系統(tǒng)能夠適應(yīng)的光且發(fā)光強(qiáng)度在適當(dāng)范圍即可，畢竟這里只要求角度的量值準(zhǔn)確。

2）點(diǎn)光源的旋轉(zhuǎn)要以視角測(cè)量系統(tǒng)鏡頭的焦點(diǎn)為圓心，如果實(shí)際操作中這個(gè)焦點(diǎn)不能一次性確定，可在校準(zhǔn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中加入位置調(diào)整功能，通過(guò)多次實(shí)測(cè)確定點(diǎn)光源的初始位置（0°可視角，即θ=0°時(shí)的位置）。實(shí)際上對(duì)于不同的快速視角測(cè)量系統(tǒng)，其不同的測(cè)量角度對(duì)應(yīng)不同的測(cè)量距離（1～50 mm），在操作時(shí)需要參照其技術(shù)資料進(jìn)行。現(xiàn)有的快速視角測(cè)量系統(tǒng)都有較完善的測(cè)量軟件，在校準(zhǔn)時(shí)可充分運(yùn)用其自身的測(cè)量軟件來(lái)確定初始位置。

5 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)有的快速視角測(cè)量系統(tǒng)都自帶完善的測(cè)量和校準(zhǔn)軟件，對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)只要將上述步驟中的標(biāo)準(zhǔn)值輸入系統(tǒng)，軟件即可自動(dòng)對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。至于校準(zhǔn)中的不確定度，只要校準(zhǔn)平臺(tái)中的旋轉(zhuǎn)和走行部分的機(jī)加工滿足規(guī)定的技術(shù)要求、標(biāo)準(zhǔn)屏的穩(wěn)定性滿足要求，那么系統(tǒng)本身帶來(lái)的不確定度將會(huì)得到有效的控制。

6 總結(jié)

本文根據(jù)快速視角測(cè)量系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合傳統(tǒng)的視角測(cè)量方法從量值溯源的角度出發(fā)對(duì)快速視角測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，至于實(shí)際操作中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可不拘泥于本文的圖例。

[1]吳蔚華，王海燕.液晶顯示器可視角的測(cè)量[J].電視技術(shù)，2005，29（2）：95-96.

[2]SJ/T11348—2006，數(shù)字電視平板顯示器測(cè)量方法[S].2006.

[3]國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，TCL多媒體科技控股有限公司GPC研發(fā)中心.數(shù)字電視與平板電視中的色度學(xué)[M].人民郵電出版社，2010.

Calibration M ethod of Omnibearing View ing Angle M easurement System

HAN Dong，LIU Zhigang，YAN Shi
（National Test and Inspection Center for Radio and TV Products,Beijing 100015,China）

Omnibearing viewing angle measurement system is a international advanced measurement method of display’s viewing angle，luminance and chromiance.The system measures the display’s omnibearing viewing angle by using lens’s optical fourier transformation and CCD sensors.But the metering problem of this system has not been soleved in our country.The method of calibration and the calibration system design are researched in this paper for the purpose of the traceability of value.

viewing angle;calibration;value traceability

TP391

A

??雨博

2014-06-18

【本文獻(xiàn)信息】韓東，劉志剛，閆實(shí).全視角測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法[J].電視技術(shù)，2014，38（20）.