CN101095043A - 设计有集成cie彩色匹配滤波器的比色计的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于确定集成CIE彩色匹配滤波器的最佳着色剂厚度的方法。按照一个计算研究，本发明的四带通滤波器能够以最小的成本最佳近似CIE XYZ彩色匹配函数。

Description

设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计的方法

技术领域

[0002]本发明的实施例一般涉及光学CIE彩色匹配滤波器，具体涉及一种用于确定被沉积的类CIE彩色匹配滤波器的光学着色剂厚度的方法，它是利用不同密度的可控着色剂组的设计实现的。

背景技术

[0003]光学滤波器可用在许多彩色相关的装置中，其中包括各种彩色测量系统，例如，比色计。有许多类型的滤波器，包括吸收型滤波器，干涉滤波器，等等。光电三原色比色计可用于测量从光源发射的光的彩色，例如，计算机显示屏。这是发射型彩色测量装置，但是还有反射型彩色测量装置。发射型光电比色计引导被测量的光源的光通过光学系统到达三个或多个光电检测装置。在每个光电检测装置之前放置基色滤波器。每个基色滤波器尽可能使光电检测装置的光谱灵敏度符合彩色匹配函数的线性组合。为了响应入射光，连接到光电检测装置的测量装置读出或测量各自基色值或三原色(tristimulus)值。

[0004]虽然理论上可以设计出准确对应于理想值的基色滤波器，但是实际上不可能制造其传输因数与理想值准确对应的基色滤波器。这是因为在测量彩色样本的基色值或三原色值中存在固有的误差。这种误差是由基色滤波器的实际传输因数与理论传输因数之差造成的。

[0005]用于校正这种误差的以往尝试涉及改变基色滤波器的传输因数特性，其中利用多个重叠的彩色板制成基色滤波器。然而，因为彩色板的光谱特性取决于彩色板所用的材料成分，它通常是玻璃，一般不可能准确地匹配理论的传输因数。特别困难的是在基色值或三原色值的整个波长范围内准确地复制理论的传输值。这些以往的尝试可以增加彩色板的数目，不可避免地减小通过基色滤波器被接收或传输的光量。此外，制造基色滤波器的以往尝试需要仔细地重叠多个彩色板，为的是匹配理论的传输因数，这种制作方法是耗费时间和昂贵 的。

发明内容

[0006]本发明包括各个实施例的方法，用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计，其中包括确定最佳的着色剂厚度。

[0007]一个实施例是一种用于确定固态彩色测量装置设计的方法。固态彩色测量装置包含光检测器和着色剂。着色剂被永久地沉积到固态彩色测量装置上。着色剂包括光滤波器，而光传输通过该滤波器并使光检测器产生输出。可以组合所有检测器的输出，用于近似一个或多个类CIE(CIE-like)彩色匹配函数的光谱响应。

[0008]另一个实施例是一种用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计的方法。从多个通道中确定一组通道。确定一组滤波器。每个滤波器被永久地沉积到每个通道上。每个滤波器是吸收型滤波器，且每个滤波器至少有一层。至少一个具有双层的通道，因此，该组通道的线性组合在容差范围内可以匹配一组类CIE目标彩色匹配函数。每个通道集成一个或多个检测器和一个或多个滤波器到单个半导体装置上。从一组着色剂中确定每个通道上每层的着色剂。还确定每个通道上每层的厚度。

[0009]另一个实施例是一种用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计的方法。接收着色剂和目标类CIE函数。对于最小数目的通道和每个通道的着色剂，在容差范围内确定用于匹配目标类CIE函数的通道着色剂配方和通道的可加混合物(additive mixture)。每个通道是比色计中的多个通道之一。每个通道至少有一个覆盖每个检测器的滤波器。从通道着色剂配方和通道的可加混合物中提供最佳方案。最佳方案包括通道的数目，每个通道上每种着色剂的厚度，和线性系数的矩阵。另一个实施例是计算机可读媒体，在该媒体上已存储多条指令，这多条指令中包含这样的指令，在处理器执行该指令时，它可以使处理器完成这个方法中的步骤。

[0010]另一个实施例是一种用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计的方法。确定用于比色计中每个通道上每层的一组着色剂。比色计有多个通道。每个通道至少有一个覆盖每个检测器的滤波器。这些通道的线性组合在容差范围内可以匹配一组类CIE目标彩色匹配函数。产生一组可能的方案。该组可能的方案包括：每个通道上每个着色剂层的着色剂类型，每个通道的着色剂数目，和每个通道上每个着色剂层的厚度。从该组可能的方案中选取一个方案，其中借助于在容差范围内匹配类CIE目标彩色匹配函数所需通道数目的最小化，在不增加需要匹配类CIE目标彩色匹配函数的通道数目的条件下，在容差范围内每个通道上着色剂层数目的最小化，和在着色剂层厚度变化的影响下性能偏差的最小化。提供的方案包括：通道的数目，每个通道上着色剂层的数目，每个通道上每层的着色剂类型，和在容差范围内匹配类CIE目标彩色匹配函数所需的每层厚度。另一个实施例是一种计算机可读媒体，在该媒体上已存储多条指令，在处理器执行该指令时，它可以使该处理器完成这个方法中的步骤。

附图说明

[0011]通过研究以下结合附图的详细描述，可以容易地理解本发明的内容，其中：

[0012]图1是一个典型实施例方法的概要流程图，用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计；

[0013]图2，3，4，5，6，7，和8是更详细地说明图1所示方法的流程图；

[0014]图9是另一个典型实施例方法的概要流程图，用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计；

[0015]图10，11，12，13，14，和15是更详细地说明图9所示方法的流程图；

[0016]图16是另一个典型实施例方法的概要流程图，用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计；

[0017]图17是说明最佳的三个单涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使平均ΔE误差最小化和对滤波器的变化最不灵敏；

[0018]图18是说明最佳的三个单涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使优化公式最大化；

[0019]图19是说明最佳的四个单涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使平均ΔE误差最小化和对滤波器的变化最不灵敏；

[0020]图20是说明最佳的四个单涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使本发明的优化公式最大化；

[0021]图21是说明最佳的五个单涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使平均ΔE误差最小化和对滤波器的变化最不灵敏；

[0022]图22是说明最佳的五个单涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使优化公式最大化；

[0023]图23是说明最佳的六个单涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使平均ΔE误差最小化和对滤波器的变化最不灵敏；

[0024]图24是说明最佳的六个单涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使优化公式最大化；

[0025]图25是说明误差测量(ΔE)结果的表格，在计算研究中它利用有单涂层滤波器的投影变换；

[0026]图26是说明ΔE结果的表格，在计算研究中它利用有单涂层滤波器的线性最小平均平方误差(LMMSE)变换；

[0027]图27是说明最佳的三个双涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使平均ΔE误差最小化并和滤波器的变化最不灵敏；

[0028]图28是说明最佳的三个双涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使优化公式最大化；

[0029]图29是说明最佳的四个双涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使平均ΔE误差最小化和对滤波器的变化最不灵敏；

[0030]图30是说明最佳的四个双涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使优化公式最大化；

[0031]图31是说明最佳的五个双涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使平均ΔE误差最小化和对滤波器的变化最不灵敏；

[0032]图32是说明最佳的五个双涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使优化公式最大化；

[0033]图33是说明ΔE结果的表格，在计算研究中它利用有双涂层滤波器的投影变换；

[0034]图34是说明ΔE结果的表格，在计算研究中它利用有双涂层滤波器的LMMSE变换；

[0035]图35是说明最佳的三个多涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使平均ΔE误差最小化和对滤波器的变化最不灵敏；

[0036]图36是说明最佳的四个多涂层滤波器的曲线图，在计算研究中它使平均ΔE误差最小化和对滤波器的变化最不灵敏；

[0037]图37是说明ΔE结果的表格，在计算研究中它利用有多涂层滤波器的投影变换；

[0038]图38是说明ΔE结果的表格，在计算研究中它利用有多涂层滤波器的LMMSE变换；

[0039]图39是说明在计算研究的三个滤波器组中每种着色剂以微米为单位的涂层厚度的表格；

[0040]图40是说明在计算研究的四个滤波器组中每种着色剂以微米为单位的涂层厚度的表格；

[0041]图41是说明在计算研究的五个滤波器组中每种着色剂以微米为单位的涂层厚度的表格；

[0042]图42是通用计算机的高级方框图，它适用于完成此处所描述的功能。

[0043]为了便于理解，在可能的情况下，利用相同的参考数字标记这些附图中共有的相同元件。

具体实施方式

[0044]本发明包括各个实施例的方法，用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计，其中包括确定最佳着色剂厚度。着色剂包括颜料，染料等。本发明涉及设计一种在单个半导体芯片上集成检测器和滤波器的传感器。在一个实施例中，传感器是监测器定标装置的一部分。然而，除了监测器定标装置以外，本发明的实施例在比色术方面有许多的应用。比色术是一种通过彩色比较用于确定和描述彩色以及定量分析的科学和实践。在比色术中，可以用数字描述彩色并可以利用各种测量仪器匹配实际的彩色，例如，比色计，分光光度计，密度计，和分光辐射度计。比色术可用在许多工业中，其中包括化学，彩色打印，纺织制造和涂料制造，图形艺术，和用户电子设备。专业人员应当明白，本发明在许多工业中可应用于各种比色术装置和各种测量仪器。

[0045]一个实施例是一种彩色测量装置，例如，比色计。比色计是有光检测器和滤波器的固态装置。利用专业人员熟知的制造固态光检测器的方法，着色剂被永久地沉积到固态装置上。该装置有光谱响应的输出，它们的组合可以近似CIE或类CIE彩色匹配函数。类CIE彩色匹配函数的一些例子包含CIE 1931 2度彩色匹配函数，CIE 196410度彩色匹配函数，或CIE函数的变型，例如，D.Judd(1951)或J.J.Vos(1978)所导出的CIE函数。在一个实施例中，着色剂是染料或颜料的形式。在一个实施例中，滤波器包含各种厚度和各种组合的多种着色剂。着色剂被永久地沉积到该装置的单个检测器或多个检测器上。

[0046]一个实施例是一种设计这种彩色测量装置的方法。导出一个着色剂组合的方案，其中该方案可以使单独使用着色剂组合数目的最大化和着色剂组合的最小化。在一个实施例中，这个方法是计算方法，并可以在处理器上运行。在一个实施例中，按照预定的准则，这个方法导致选取最佳的着色剂组合。着色剂的组合被用在对光子有已知响应的光检测器上。从较大一组着色剂中通过计算选取着色剂。这种计算考虑到着色剂和检测器的组合响应，用于选取最佳的方案，所以，该装置的输出有近似CIE或类CIE彩色匹配函数的光谱响应，因此，该装置的性能满足预定的准则。

监测器定标装置设计

[0047]按照一个实施例方法设计的监测器定标装置有许多优点，用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计，其中包括确定最佳着色剂厚度，与现有装置比较有较低的制造和定标成本，不需要高损耗的光学元件，例如，漫射器和透镜，以及由于在半导体制造中不同芯片的微小变化导致的均匀特性。

[0048]图1是一个典型实施例方法100的流程图，用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计，其中包括确定最佳的着色剂厚度。在方法100中，接收以下的输入102：

1)一组Q个着色剂传输光谱，其中Q是不同着色剂的数目，(例如，Q＝6，即，红，绿，蓝，青，品红，和黄着色剂)；

2)光电检测器光谱响应函数；

3)比色计光学传输光谱，(例如，紫外(UV)和红外(IR)滤波器)；

4)一组目标类CIE彩色匹配函数；

5)各种显示监测器的光谱功率分布；和

6)在误差测量(ΔE)计算中需要计算L^*，a^*和b^*的参考光源光谱。

[0049]在104，方法100确定每个通道上最佳的着色剂厚度和用于集成CIE彩色匹配滤波器的通道的最佳线性组合(见图2)。

[0050]在方法100中，提供以下的输出106：

1)需要匹配类CIE目标函数的通道数目N；

2)每个通道所需的着色剂层数；

3)每层所需的着色剂类型，例如，红，绿，蓝，青，品红，或黄；

4)每个着色剂层的厚度；

5)最佳拟合匹配目标函数的绘图；和

6)在最佳拟合函数L^*，a^*和b^*值与目标L^*，a^*和b^*值之间的定量色差。

[0051]图2表示更详细地说明在图1的104中如何确定每个通道上最佳的着色剂厚度和用于集成CIE彩色匹配滤波器的通道的最佳线性组合。在200，考虑有通道数目N的比色计，其中通道至少有一个覆盖每个检测器的滤波器(例如，覆盖每个检测器的3个滤波器)。计算的吸收型滤波器对于包含单层或多层着色剂的检测器以及覆盖所有检测器的IR滤波器和UV滤波器是唯一的。它要求N个通道的线性组合的叠加在预定的容差范围内可以匹配一组类CIE目标彩色匹配函数。

[0052]在202，对于每个通道，计算以下的内容。

1)每层所需的着色剂；

2)所需的着色剂层数目；

3)每个着色剂层的厚度；和

4)最佳匹配每个目标类CIE彩色匹配函数的各个通道的线性组合。

[0053]在204，该方案是受以下条件的约束。

1)优选的方案是，要求最小的通道数目可接受地匹配类CIE目标函数；

2)优选的方案是，在不增加通道数目的条件下，要求每个通道有最小数目的着色剂层可接受地匹配目标函数；和

3)优选的方案是，在层厚度变化的影响下，性能偏差最小化。

[0054]图3是比图2如何更详细地说明在图1的104中确定每个通道上最佳的着色剂厚度和用于集成CIE彩色匹配滤波器的通道的最佳线性组合。在300，设定任何通道上允许的着色剂层数目等于初始值1。在302，确定在任何通道上的层数目是否大于预定的常数MaxLayerNum(例如，MaxLayerNum＝4)。如果是，则控制流程到322，否则控制流程到304。

在304，设定通道数目等于初始值3。在306，确定通道数目是否大于预定的常数MaxChNum(例如，MaxChNum＝6)。如果是，则控制流程到320，否则控制流程到308。在308，确定是否在每个通道上已尝试着色剂和厚度的所有组合。如果是，则控制流程到318，否则控制流程到310。在310，选取每个通道上着色剂类型和层厚度的随机初始条件。在312，完成着色剂选取和层厚度和通道系数的优化，用于找到与目标彩色匹配函数的最佳匹配(见图4)。在314，计算测试监测器光谱的ΔE值(见图5)。在316，比较和存储计算的配置结果(见图6)。在循环304-318的底部，通道的数目增加1，然后，控制流程就从318返回到循环的顶部306。在循环300-320的底部，通道上被允许的层数目增加1，然后，控制流程就从320返回到循环的顶部302。在322，测试层厚度的变化并根据品质因数值进行分类(见图7)。在324，选取最佳的配置类型和层结构(见图8)。

[0055]图4表示如何完成图3的312中优化着色剂选取和层厚度和通道系数，用于找到最佳匹配目标彩色匹配函数。在400，对于Q种着色剂的所有组合，求解以下的公式

max_c{[Trace(A^TDOM(M^TDODOM+K_n)^-1M^TDOA]/[Trace(A^TA)]}(1)

[0056]在这个公式中，彩色滤波器传输矩阵M＝[m₁，...m_N]和m_i＝10^-Hci，矩阵H是着色剂在最大密度下的光谱密度，矩阵c的每一列c_i是矢量，它包括第i通道上所有着色剂层的厚度，而幂操作(poweroperation)是对逐个分量完成的。厚度矢量的分量值是受大于c_LL和小于c_UL的约束，其中c_LL是层厚度的下限(例如，0.5μm)，而c_UL是层厚度的上限(例如，2.0μm)。公式(1)优化着色剂层的厚度c。在公式(1)中，矩阵A代表目标类CIE彩色匹配函数，矩阵D代表光电检测器的光谱响应函数，矩阵O代表组合的比色计光学元件传输函数，和矩阵K_n代表系统噪声协方差的估算值。接着，在402，完成优化以找到矩阵B给出的线性系数，它可以使计算的彩色匹配函数与目标类CIE彩色匹配函数之间剩余值之和最小化并作为波长的函数。

[0057]图5表示如何计算图3的314中测试监测器光谱的ΔE。在500，对于新的着色剂层结构(即，着色剂层类型和厚度矩阵c)，计算各种测试监测器的光谱功率分布的最大值和平均CIELABΔE。ΔE值是在从计算的最佳拟合彩色匹配函数得到的L^*，a^*和b^*与利用目标类CIE函数找到的这些值之间。在502，利用输入参考光源光谱计算L^*，a^*和b^*值。

[0058]图6表示如何比较和存储图3的316中计算配置的结果。在600，存储每个通道的新(刚计算)着色剂层结构以及最佳拟合剩余值和标称平均和最大ΔE值的对应计算和。在602，比较新的剩余值和ΔE值与预定数目的以前存储的最佳值(例如，前100个)。若新的数值优于任何的最佳值，则利用新的数值代替这些数值。

[0059]图7表示如何完成图3的322中测试层厚度的变化并根据品质因数值如何进行分类。在700，对于最佳完成的层结构，通过计算最大和平均ΔE值，其中每层的厚度增大和减小某个变化容差(例如，0.1μm)，测试层厚度变化的灵敏度。在702，对于给定的通道数目N(例如，N＝3，4，5，6)和给定的滤波器层数目(例如，1，2，3，或4)，选出每种配置的最佳层结构。例如，选出4通道配置的最佳结构，它允许每个通道可以有2层，和选出5通道配置的最佳结构，它允许每个通道有仅有一个单层，等等。在704，通过选取对层厚度变化最不灵敏的结构，选取最佳的层结构。这是利用层厚度变化测试，计算最小的最大和平均ΔE值的结果进行分类完成的。

[0060]图8表示如何完成图3的324中选取最佳的配置类型和层结构。在800，比较每种配置的最佳层结构。在802，利用对目标彩色匹配函数，测试监测器光谱的标称平均和最大ΔE值，和层厚度变化测试的平均和最大ΔE值的最佳拟合剩余值之和，对每种最佳结构的性能结果进行分类。在804，通过选取有最小通道数目和最小滤波器层数目的方案，但它仍然超过上述每个结果中的一组数字性能容差，选取最佳的总体配置。

利用发射模算法的在芯片上的比色计

[0061]图9表示另一个典型实施例方法的概图，用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计，其中包括确定最佳的着色剂厚度。利用发射模算法，这个实施例可用于在芯片上设计比色计。方法900接收以下的输入902：着色剂光谱，监测器光谱，目标类CIE函数，检测器响应光谱，光学传输光谱，和参考光源光谱。在904，对于最小适宜数目的通道和每个通道的着色剂，计算通道着色剂配方和通道的可加混合物，为的是最佳匹配目标类CIE函数。方法900提供以下的输出906：通道数目，每个通道的着色剂配方，和用于匹配目标类CIE函数的通道混合物。

[0062]图10更详细表示图1的904中典型数值，对于最小适宜的通道数目和每个通道的着色剂，如何计算通道着色剂配方和通道的可加混合物，为的是最佳匹配目标类CIE函数。更具体地说，方法900接收以下的输入902：数目N个着色剂光谱(在P个波长下每单位厚度的吸收率)，监测器基色光谱的线性组合总体，在P个波长下的类CIE函数xbar，ybar，zbar的3×P矩阵，光学传输光谱O，和参考光源光谱。更具体地说，在904，计算三个循环，即，循环I 1000，循环II 1002，和循环III 1004。循环I 1000重复每个通道着色剂的最大数目(次)，循环II 1002重复通道的数目(次)，和循环III 1004重复在所有通道上所有着色剂的组合(次)。在循环III 1004内，完成以下的步骤：

1)在所有通道上优化厚度配方的拟合到类CIE函数空间；

2)优化通道组合以近似类CIE X Y Z函数；

3)计算拟合优度的辅助度量；和

4)存储循环状态。

[0063]在循环之外的904继续，方法900比较所有循环状态(I，II，III)的最佳值以找到最好的最佳值，并写入以下的输出906：通道数目N，每个通道上着色剂的厚度配方，和从通道到CIE XYZ的线性系数矩阵。

[0064]图11表示图9和10中更详细的典型方法900并有附加的典型数值。方法900接收以下的输入902：Q个着色剂光谱(例如，在400nm至700nm的间隔为2nm的P＝151个波长下每单位厚度的吸收率)，监测器基色光谱S_k的线性组合总体，在P个波长下类CIE函数xbar，ybar，zbar的3×P矩阵，光学传输光谱O，和参考光源光谱S₀。

[0065]在904，方法900完成涉及循环I 1000，循环II 1002，和循环III 1004的计算，然后(在这些循环之外)比较所有的循环状态的结果以找到最好的答案。在减小LSBF剩余值，平均CIELABΔE，和最大CIELABΔE中完成单独的分类。在每个分类的最好中(例如，最好的50或100个)，从标称值开始模拟滤波器厚度的变化，并重新计算ΔE值。选取对变化最不灵敏的最佳状态(厚度c_i和线性系数B)并在906写入该输出。在步骤4的1106之后，这种簿记(book-keeping)也可以在循环III 1004内累积地完成。在906，提供以下的输出：通道的数目N，通道i上的着色剂厚度配方c_i(若不使用为0)，其中i＝1，...N，和从N个通道到类CIE XYZ的线性系数的3×N矩阵B。

[0066]循环I 1000重复每个通道的最大着色剂数目n’(例如，n’＝1，2，3)。循环II 1002重复通道的数目N(例如，N＝3，4，5，6)。循环III 1004每次单独地为每个通道重复N个通道1-，2-，...n’中的每个通道的Q个着色剂的所有组合。在循环III 1004内，完成以下的步骤。

1)在1100，调整所有通道上的厚度配方c_i而使以下的公式最大化(重复公式1)，它可以使仪器和CIE光谱子空间的对准最大化。

$\underset{c}{\max }\frac{\mathrm{Trace}\left[A^T\mathrm{DOM}{(M^T\mathrm{DODOM}+K_n)}^{-1}{M}^T\mathrm{DOA}\right]}{\mathrm{Trace}\left[A^{T}A\right]}---\left(2\right)$

2)在1102，调整所有N个通道的线性系数，使通道响应与CIExbar，ybar，zbar之间的波长上的平方误差最小化(LSBF)，从N个通道中选出最佳的CIE拟合。

3)在1104，计算辅助度量：利用步骤1和2中的厚度配方和线性系数，得到监测器光谱总体的最大和平均CIELAB ΔE。

4)在1106，收集循环状态，c_i，线性系数B，LSBF剩余值，平均ΔE，和最大ΔE。

[0067]图12更详细表示在所有通道上如何调整循环III 1004内(图11所示)的步骤1100的厚度配方而使公式2最大化。中间输入1200到步骤1100包括：类CIE目标光谱的3×P矩阵A，着色剂光谱的Q×P矩阵H，分配给N个通道上每个通道的着色剂子集合，P×P对角矩阵D中的检测器灵敏度光谱，和P×P对角矩阵O中的光学系统传输光谱。在1100中的计算如以下所示

1)随机初始化厚度矢量c_i，其中i＝1，...，N，其约束条件是每个通道有n’(例如，1，2，或3)种着色剂。在从约0.5μm至3μm的范围内的均匀分布中选取初始厚度。

2)计算滤波器传输光谱M，其中列m_i＝10^-Hci

3)选取c_i而使公式(2)最大化，例如，利用顺序二次规划，每个分量厚度是在该范围内。

4)计算通道响应C＝M^TDO。

在循环III 1004内计算1100的输出1202包括：通道i中的厚度配方矢量c_i，其中i＝1，...，N。在通道i中未使用的着色剂接收的c_i分量为0。此外，输出是通道响应光谱的N×P矩阵C。这些输出是中间值。

[0068]图13更详细地表示在循环III 1004内(图11所示)的步骤1102中如何调整所有N个通道的线性系数，可以使组合通道响应与类CIE目标函数之间波长上的平方误差最小化(LSBF)，它是从N个通道中选出最佳拟合。中间输入1300包括：类CIE目标光谱的P×3矩阵A和通道响应的N×P矩阵C。计算1102包括以下的步骤。

1)计算通道到XYZ系数的3×N矩阵B＝A^T(C^TC)^-1C^T，因此，BC最佳近似A^T

2)计算近似CIE光谱的P×3矩阵A’＝(BC)^T

中间输出1302包括通道到XYZ系数的3×N矩阵B和近似CIE光谱的P×3矩阵A’。

[0069]图14更详细地表示在循环III 1004内(图11所示)的步骤1104中如何计算辅助度量：利用厚度配方和线性系数，检测器光谱总体的最大和平均CIELABΔE。中间输入1400包括：P×1监测器光谱S_k，P×3矩阵A(即，目标xbar，ybar，zbar光谱)，P×3矩阵A’(即，近似xbar，ybar，zbar光谱)，和P×1缺省光源光谱S₀(例如，CIE D50或D65)。计算1104包括以下的步骤，它包含每个监测器光谱S_k的内循环IV 1106(例如，基色光谱的合成线性组合，监测器白色)。

1)计算S₀的基准白色CIE XYZ：(X_n，Y_n，Z_n)^T＝A^TS₀

2)计算S₀的基准白色近似XYZ：(X’_n，Y’_n，Z’_n)^T＝A’^TS₀

循环IV 1106，对于每个监测器光谱S_k：

3)计算光谱的真实CIE X，Y，Z：(X，Y，Z)^T＝A^TS_k

4)计算光谱的近似CIE X，Y，Z：(X’，Y’，Z’)^T＝A’^TS_k

5)利用参数(X_n，Y_n，Z_n)变换(X，Y，Z)到CIELAB(L^*，a^*，b^*)：

L^*＝116 f(Y/Yn)-16

a^*＝500[f(X/Xn)-f(Y/Yn)]

b^*＝200[f(Y/Yn)-f(Z/Zn)]

其中对于q＞.008856，f(q)＝q^1/3；其它f(q)＝7.787q+16/116

6)利用参数(X’_n，Y’_n，Z’_n)变换(X’，Y’，Z’)到(L’^*，a’^*，b’^*)：

L’^*＝116 f(Y’/Yn)-16

a^*＝500[f(X’/X’n)-f(Y’/Y’n)]

b^*＝200[f(Y’/Y’n)-f(Z’/Z’n)]

其中对于q＞.008856，f(q)＝q^1/3；其它f(q)＝7.787q+16/116

7)计算ΔE_k＝[(L^*-L’^*)²+(a^*-a’^*)²+(b^*-b’^*)²]^1/2

结束循环IV

8)计算MeanΔE＝meanΔE_k和MaxΔE＝max_k{ΔE_k}

中间值输出1402包括MeanΔE和MaxΔE

[0070]图15更详细表示在循环III 1004内的步骤1106(图11所示)如何比较所有循环状态的最佳值以找到最好的一个。中间输入1500包括制表记录，每个记录包含以下的内容：N，n’，通道，着色剂组合，LSBF剩余值，平均CIELABΔE，最大CIELABΔE，厚度配方c_i，和系数矩阵B。计算1106包括以下的步骤：

1)在减小LSBF剩余值，平均CIELAB ΔE，最大CIELAB ΔE下单独地分类记录。

2)在每个分类的最好中(例如，50或100)，从标称值开始模拟滤波器厚度的变化，并重新计算ΔE值。

3)选取对变化最不灵敏的记录作为最好的记录。

中间输出1502包括包含以下的取胜记录：N，n’，通道着色剂组合，LSBF剩余值，平均CIELABΔE，最大CIELAB ΔE，厚度配方c_i，和系数矩阵B。

计算研究：监测器比色计设计

[0071]另一个典型实施例的方法是用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计，包括确定最佳的着色剂厚度，它是基于设计监测器比色计的光谱灵敏度的研究结果。监测器比色计设计实现它的彩色分离和CIE彩色匹配函数的近似是通过使用多个彩色滤波器。通过使用有不同密度的染料集合，设计每个滤波器的光谱传输。其目的是确定每个染料层的最佳厚度以及实现所需比色计性能水平所需的通道数目。本发明不限于此处公开的计算结果。

[0072]在这个计算研究中，确定以下的目的。

1)对于固定数目的通道，确定用于得到最佳近似CIE彩色匹配函数所需的最佳染料密度；

2)对于固定数目的通道和利用光电传感器测量的光谱分布的先前知识，确定一种使真实CIELAB值与估算CIELAB值之间CIEΔE值最小化的变换。该估算值是根据估算的CIE XYZ值计算的，而估算的CIE XYZ值是根据被测量值的线性估算量计算的。

3)模拟该装置的准确性，它是利用LCD和CRT显示器产生光谱总体的CIEΔE表示。这种模拟包含噪声以便对真实仪器制作模型。

4)为了确保可以找到最佳的实际方案，模拟滤波器变化效应。按照这种方法，可以避免对制造变化过分灵敏的方案。

[0073]利用矢量空间表示法，对光电传感器的光谱灵敏度制作模型，其中在P个波长下对可见光谱取样。按照这种方式，根据以下的公式对N频带系统制作模型。

m＝M^TDOr+n        (3)

在公式(3)中，m是N单元矢量，它代表该仪器中每个频带的测量结果，M是P×N矩阵，其单元代表N个滤波器的光谱传输，D是P×P对角矩阵，它代表检测器的光谱灵敏度，O是P×P对角矩阵，它代表该装置(例如，漫射器，IR滤波器等)中各个光学元件的组合光谱传输，r是P单元矢量，它代表测量中的辐射光谱，和n是可加噪声。

[0074]仪器设计是为了提供辐射光谱r的准确比色测量结果。利用矢量空间表示法，根据以下的公式描述包括矢量t的辐射光谱r的CIE XYZ三原色值。

t＝A^Tr    (4)

在公式(4)中，A是P×3矩阵，它代表CIE XYZ彩色匹配函数。

[0075]一种用于仪器设计的方法是选取满足以下公式的光谱响应

A^T≈BM^TDO.    (5)

在公式(5)中，B是3×N矩阵。另一种方法是考虑测量装置的光谱类型以及有意义的感觉量度，例如，CIE ΔE。这个方法可以表示成以下的公式。

minE{||F(t)-F(Bm)||}    (6)

M，B

在公式(6)中，E是期望值运算，F代表从CIE XYZ到CIE LAB的变换，量度m取决于滤波器矩阵M(见公式3)，而矩阵M是线性估算量，用于从记录值到CIE XYZ的映射。

[0076]在选取矩阵M时没有完全的自由度。相反，矩阵M是受使用滤波器染料的约束，该染料层是在特定的密度范围内。矩阵M＝[m₁，...m_N]中的滤波器传输与材料的密度之间关系是非线性的，并可以利用以下公式给出的Beer法则近似。

m_i＝10^-Hci，    (7)

在公式(7)中，H是这样一个矩阵，它的列代表在最大密度下的染料光谱密度，c_i是代表通道i中着色剂层厚度的矢量，和幂操作是在矢量-Hc_i上对逐个单元完成的。

[0077]该研究的一个目的是确定最佳矢量c，它是受制造约束的限制。由于该问题的非线性特征，利用数字方法确定这些解。

[0078]找到一组合适滤波器的初始研究说明以下的内容。可以选取非常接近于满足公式(5)的滤波器染料。通过求解得到最佳的染料密度以获得良好的性能，它是最佳近似固定通道数目的CIE彩色匹配函数，从而建立更有用的彩色测量仪器，因为它没有偏向地测量一个特定组的现有CRT和LCD基色。数字方法对于初始条件是灵敏的。即，在优化问题中出现多个局部最小值。滤波器涂层的厚度值范围不是连续的，因为它可以取某个范围的数值，例如，约{0，[0.53]}微米。这在数字优化方法中是经常出现的问题。这些初始查找导致一个迭代的方法，用于求解在固定通道数目下得到最佳近似CIE彩色匹配函数所需的染料密度。

[0079]图16是另一个典型实施例方法1600概要的流程图，用于确定集成CIE彩色匹配滤波器的最佳着色剂厚度。这个方法1600用在计算研究中以求解染料密度，该密度是在固定数目通道下得到最佳近似CIE彩色匹配函数所必需的。然而，本发明包括用于确定集成CIE彩色匹配滤波器的最佳着色剂厚度的方法，它可以解决比计算研究更普遍的设计问题。

[0080]这个方法1600用于确定以下的内容。

7)如何利用给定的一组滤波器函数以产生合理的CIE彩色匹配函数；

8)成本最小化所需的最小数目的滤波器和检测器通道；

9)每个滤波器层的厚度；

10)预期的传感器性能；和

11)如何改变滤波器函数以得到满意的性能和匹配CIE函数。

[0081]该方法是如下所述。

1)在1602，选取着色剂浓度(厚度)的随机初始条件。

2)在1604，在给定的初始条件下，求解以下的优化问题。

$\underset{c}{\max }\frac{\mathrm{Trace}\left[A^T\mathrm{DOM}{(M^T\mathrm{DODOM}+K_n)}^{-1}{M}^T\mathrm{DOA}\right]}{\mathrm{Trace}\left[A^{T}A\right]}---\left(8\right)$

在公式(8)中，M取决于以上公式(7)给出的c，c被约束在[0，3]之间，和K_n是噪声协方差矩阵。这个量是滤波器横跨的子空间与彩色匹配函数(CMF)横跨的子空间之间重叠的量度。

3)在1606，钳位到零，c的值约小于0.5μm。

4)在1608，若没有达到最大的迭代数目和钳位量不够大，则设定初始条件到钳位输出(在1610)并重复步骤2(1604)。

5)在1612，测试滤波器性能，它是用最小平方拟合表示，监测器光谱总体的最大和平均ΔE，以及用滤波器变化范围为±0.1μm的平均和最大ΔE。

6)在1614，若滤波器优于其他测试值，则保存该滤波器。

7)在1616，返回到步骤1(1602)，直至运行N个随机初始条件。

[0082]方法1600解决初始条件变化的问题，其中利用各种起始点并保存最佳结果。利用迭代方法解决该求解组不是连续的问题。

[0083]众所周知，滤波器的多个涂层可以增加该装置的成本。对涂层数目加以约束是一种用于简化优化问题的有用技术。我们确定，通过限制涂层数目到一个和两个涂层，初始条件的灵敏度就不再是一个严重的问题。此外，可以查找所有各种一个和两个涂层的组合，它可以使公式(8)的费用函数最大化。

实验结果

[0084]设计两个线性估算量，用于从以上方法1600中描述的记录值映射到CIE XYZ值。第一个线性估算量是平均平方误差估算量，它利用被测量辐射光谱的先前知识。这个估算量称之为线性最小平均平方误差(LMMSE)估算量。假设第二个估算量没有被测量数据的先前知识。这个估算量称之为投影估算量。

单涂层滤波器

[0085]在该研究中，考虑在制作和优化的最简单情况，具体地说，利用单个涂层滤波器以实现近似。在这种情况下，选取每个可能的单涂层滤波器组合以使公式(8)最大化。对于每种组合，在优化问题中测试不同的初始条件。在算法覆盖的各个方案中，选取可以提供公式(8)的最大值的滤波器组，并把它称之为单涂层LS滤波器组。此外，在有滤波器变化的辐射光谱总体上，选取提供最小平均ΔE误差的滤波器组。该滤波器组称之为单涂层ΔE滤波器组。在实验中判定哪个滤波器组是最佳的滤波器组是基于在中灰度级监测器输出的约50 dB的信噪比(SNR)。投影估算量被用在该计算中。

[0086]图17，19，21，和23说明有3至6个滤波器组的单涂层滤波器的曲线图，它们有最小的平均ΔE误差并对滤波器变化最不灵敏，可以近似CIE XYZ彩色匹配函数。图18，20，22，和24说明有3至6个滤波器组的单涂层滤波器的曲线图，它们使本发明的优化公式最大化，可以近似CIE XYZ彩色匹配函数。滤波器组的涂层厚度值包含在图39-41所示的表VII-IX中。图25和26所示的表I-II说明利用投影变换方法和LMMSE变换方法的滤波器ΔE性能。按照以下解释在这些表中的数值。标称ΔE_max是在有特定涂层滤波器组的辐射监测器光谱总体上的最大ΔE值。标称ΔE_avg是在有特定涂层滤波器组的辐射监测器光谱总体上的平均ΔE值。偏差MAXΔE_max是在特定涂层都有±0.1μm变化的滤波器组的辐射监测器光谱总体上的最大ΔE值。偏差MAXΔE_avg是在辐射监测器光谱总体上平均ΔE值的特定涂层都有±0.1μm变化的最大值。

[0087]单涂层滤波器提供较差的近似CIE XYZ彩色匹配函数。这种情况反映在曲线图上以及在图25所示表I中利用投影变换的模拟性能上。因此，我们不推荐仅仅单涂层的滤波器用于近似CIE彩色匹配函数。

双涂层滤波器

[0088]在该研究中较复杂的是考虑双涂层滤波器。在这种情况下，通过有3至5个滤波器组的公式(8)的最大化，可以优化每种可能的双涂层滤波器组合。提供公式(8)最大值的滤波器组称之为双涂层LS滤波器组。在实验中，利用这种方法计算最多1000个滤波器组，确定这样的滤波器组，它在有滤波器变化的辐射光谱总体上提供最小的平均ΔE误差。这种滤波器组称之为双涂层ΔE滤波器组。图27-32说明滤波器传递系数的曲线图和近似CIE XYZ彩色匹配函数。图33和34说明利用投影变换方法和LMMSE变换方法的滤波器比色性能的表III-IV。在图39-41所示的表VII-IX中再次给出每个滤波器组的涂层厚度值。

[0089]研究的结论是，仅仅使用双涂层，利用四带通装置可以实现与CIE XYZ彩色匹配函数的良好匹配。图29和30说明四个双涂层滤波器可以提供与CIE彩色匹配的合理近似。此外，增加第五个滤波器获得的改进是非常有限的。

[0090]在该研究中，最终和最困难的优化问题是，在每个染料型滤波器中允许使用高达6个涂层。对于这种情况，在实验中计算3个和4个最佳滤波器组。由于该问题的复杂性和在较低滤波器数目下实现拟合优度，它不是在大于4个的多涂层滤波器情况下进行模拟。在一组50个随机初始条件下，求解图16所示的迭代优化方法。从50个初始条件中选取这样的滤波器组，在有滤波器变化的情况下，该滤波器组在辐射光谱总体上提供最小的平均ΔE误差。这个滤波器组称之为最小ΔE滤波器组。什么滤波器组是最佳滤波器组的判定是基于中灰度级监测器输出的SNR为50 dB。在该计算中使用投影估算量。图35和36说明被选取的滤波器和它们与CIE XYZ彩色匹配函数的近似。图37和38所示的表V和VI分别说明利用LMMSE和投影变换方法的滤波器的ΔE性能。图39和40所示的表VII和VIII列出每个滤波器组的涂层厚度值。

[0091]在该研究中，考察在这个非约束的方法中达到的涂层厚度，并确定该方案是在一个双涂层方案中实现的。此外，该方案对于双涂层方案是次佳的。这是由于在非约束涂层优化问题中有多个局部最大值。

[0092]计算研究的结果可用在包括彩色测量装置的各种装置中。例如，本发明确定的集成染料滤波器可以永久地被沉积到彩色测量装置的光电传感器表面上，用于测量诸如监测器的显示装置。因此，包含本发明确定染料滤波器的彩色测量装置可以作为比色监测器定标器。本发明的滤波器也可以在US Patent Application 6,163,377中描述的比色计中实施。在这种装置中，本发明的染料滤波器可以作为比色计的光电传感器整体的一部分。该研究包含利用IR滤波器的各种实验，例如，在光谱模型中所公开的IR滤波器。

[0093]确定集成CIE彩色匹配滤波器的最佳染料厚度的典型实施例方法可用于设计比色计监测定标器。假设SNR足够高，四带通装置可以容易地满足彩色准确性的要求。假设的SNR水平是监测器的中等级灰度。

[0094]在本发明的另一个实施例中，可以完成有推荐涂层的四通带滤波器组，它在图30中标记为双涂层LS。按照这个计算研究，它可以用最低的成本实现屗CIE XYZ彩色匹配函数的最佳近似。四通带滤波器组可以验证，Beer定律与它没有很大的偏离。然而，应当注意，在这种滤波器组中，仅有一个包含蓝色和黄色涂层的滤波器。这导致在检测器的低灵敏度光谱区的传递系数是相当低。

[0095]图42是通用计算机的高级方框图，它适用于完成此处描述的功能。在图42中，系统4200包括：处理器单元4202(例如，CPU)，存储器4204，例如，随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM)，一种用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计的典型实施例方法包括确定最佳着色剂厚度4205，和各种输入/输出装置4206(例如，存储装置，它包括，但不限于，磁带驱动器，软盘驱动器，硬盘驱动器或光盘驱动器，接收器，发射器，扩音器，显示器，语言合成器，输出端口，和用户输入装置，例如，键盘，数字键盘，鼠标等)。

[0096]本发明的典型实施例可以用软件，和/或软件，固件的组合，和/或硬件实施，例如，利用专用集成电路(ASIC)，通用计算机或任何其他的硬件装置。在一个实施例中，方法4205可以装入到存储器4204，并利用处理器4202执行以实现以上讨论的功能。因此，本发明的方法4205(包括相关的数据结构)可以存储在计算机可读媒体上或载体上，例如，RAM存储器，磁盘或光盘驱动器或软盘等。

[0097]虽然以上的内容涉及本发明的实施例，但是在不偏离本发明的基本范围下，其范围是由以下的权利要求书限定，人们可以设计出本发明的其他实施例。

Claims (23)

1.一种用于确定彩色测量装置的设计的方法，包括：

确定多个光检测器；和

确定有多种着色剂的多个滤波器，该着色剂被永久地沉积到彩色测量装置上；

其中着色剂允许光传输通过滤波器，可以使光检测器产生近似至少一个类CIE彩色匹配函数的多个光谱响应的输出。

2.按照权利要求1的方法，其中彩色测量装置是固态装置。

3.按照权利要求1的方法，其中每个滤波器至少有一个层，并且还包括：

确定每层的厚度。

4.按照权利要求1的方法，还包括：

确定一组着色剂的组合，每个组合是这样被确定的，使该输出有近似类CIE彩色匹配函数的光谱响应。

5.按照权利要求4的方法，还包括：

从有最佳方案并满足预定性能准则的组中选取一个组合，该选取的组合被永久地沉积到固态彩色测量装置上。

6.一种用于设计有集成类CIE彩色匹配滤波器的比色计的方法，包括：

从多个通道中确定一组通道；

确定一组滤波器，每个滤波器被永久地沉积到每个通道上，每个滤波器是吸收型滤波器，每个滤波器至少有一个层，至少一个通道具有至少一个有一个双层的滤波器，因此，该组通道的线性组合在容差范围内可以匹配一组类CIE目标彩色匹配函数，每个通道至少集成一个检测器和至少一个滤波器到单个半导体基片上；

从一组着色剂中确定每个通道上每层的着色剂；和

确定每个通道上每层的厚度。

7.按照权利要求6的方法，还包括：

确定通道的线性组合，以近似该组类CIE目标彩色匹配函数中的每个类CIE目标彩色匹配函数。

8.按照权利要求6的方法，其中在滤波器固定之前，这些通道是基本相同的。

9.按照权利要求6的方法，其中选取每个通道的着色剂和每个通道上每层的着色剂厚度是利用以下步骤完成的：

产生一组可能的方案，该组可能的方案包括，在各个着色剂层中按比例分配该组着色剂，以构成每个通道的滤波器；每个滤波器的着色剂层的具体数目；和每个通道上每个着色剂层的厚度。

10.按照权利要求9的方法，还包括：

从该组可能的方案中选取一个方案，其中借助于，在容差范围内匹配类CIE目标彩色匹配函数所需的通道数目最小化；在不增加匹配类CIE目标彩色匹配函数所需的通道数目的条件下，在容差范围内每个通道上着色剂层数目的最小化；和在着色剂层厚度变化的影响下，性能偏差的最小化；和

提供这样一个方案，该方案包括一组通道，每个通道上每层的着色剂，和在容差范围内匹配类CIE目标彩色匹配函数所需的每层厚度。

11.按照权利要求10的方法，其中选取该方案还包括：

优化着色剂的选取和层厚度，为的是最佳匹配到类CIE目标彩色匹配函数；和

优化通道系数，为的是最佳匹配到类CIE目标彩色匹配函数。

12.按照权利要求10的方法，其中选取该方案还包括：

测试层厚度变化的可能方案；

利用品质因数值分类可能的方案；

根据配置类型和层结构，从可能的方案中选取该方案。

13.按照权利要求10的方法，其中在容差范围内匹配类CIE目标彩色匹配函数包括：计算测试监测器光谱的误差量度。

14.按照权利要求10的方法，还包括：

比较和存储可能方案的结果。

15.按照权利要求10的方法，还包括：

提供该方案和目标彩色匹配函数的绘图。

16.按照权利要求10的方法，还包括：

提供该方案与目标彩色匹配函数之间定量的彩色差。

17.一种用于设计有集成类CIE彩色匹配滤波器的比色计的方法，包括：

接收多种着色剂和多个目标类CIE彩色匹配函数；

确定多种通道着色剂配方和多个可加的通道混合物，以便对于最小数目的通道和每个通道上的着色剂，在容差范围内匹配目标类CIE函数，其中每个通道是比色计的多个通道上的一个通道，每个通道有覆盖每个检测器的滤波器；和

从通道着色剂配方和可加的通道混合物中提供一个最佳的方案，该最佳的方案包括：一组通道，每个通道上每种着色剂的厚度，和线性系数的矩阵。

18.按照权利要求17的方法，还包括：

产生通道着色剂配方和通道的可加混合物的多种组合；

通过优化着色剂厚度，和近似目标类CIE彩色匹配函数，找到多种可能的方案；和

从可能的方案中选取最佳的方案。

19.按照权利要求17的方法，还包括：

接收多个着色剂光谱，检测器响应光谱，光学传输光谱，和参考光源光谱。

20.按照权利要求17的方法，还包括：

接收多个监测器基色光谱；

其中通道的可加混合物是监测器基色光谱的多种线性组合。

21.按照权利要求1 7的方法，其中滤波器是吸收型滤波器，和该方案至少包含一个双层。

22.按照权利要求17的方法的半导体基片，按照最佳的方案，在该半导体基片上有沉积的一组通道，每个通道至少集成一个检测器和至少一个滤波器。

23.一种已存储多条指令的计算机可读媒体，该多条指令包含这样的指令，在处理器执行该指令时，它使该处理器完成用于设计有集成CIE彩色匹配滤波器的比色计的方法步骤，该步骤包括：

确定比色计中每个通道上每层的一组着色剂，该比色计有多个通道，每个通道至少有一个覆盖每个检测器的滤波器，该通道的线性组合在容差范围内可以匹配一组类CIE目标彩色匹配函数；

产生一组可能的方案，该组可能的方案包括每个通道上每个着色剂层的一组着色剂，每层的具体数目着色剂，和每个通道上每个着色剂层的厚度；

从该组可能的方案中选取一个方案，其中借助于在容差范围内匹配类CIE目标彩色匹配函数所需的通道数目最小化，在不增加匹配类CIE目标彩色匹配函数所需的通道数目条件下，在容差范围内每个通道上每个着色剂层数目的最小化，和在着色剂层厚度变化的影响下性能偏差的最小化；和

提供这样一个方案，该方案包括：具体的通道数目，每个通道上具体的着色剂层数目，每个通道上每层的一组着色剂，和在容差范围内匹配类CIE目标彩色匹配函数所需的每层厚度。

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