CN1379856A - 色度计 - Google Patents

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Abstract

一种能够校准无论其有阴极射线管还是液晶(LCD)显示器的彩色监视器的色度计,其配备有光探测器(38)和光学滤光器(50)对的光度计的阵列。滤光器(50)包括长通、覆盖可见光谱上端的重叠区域的流线型滤光器和覆盖整个可见光谱的区域的滤光器。光探测器(38)的输出被数字合成以提供一种响应,该响应可几乎完美地模拟由Commission Internationale de I’Eclairage(CIE)xyz(带bar)函数建立的响应。被模拟的响应可以用CIE色匹配函数表示。这些对(38,50)以及相关的部件安装在锁位于蛤壳型外壳(12,14)中并具有窗孔(20)阵列印刷电路板(32)上,所述窗孔阵列限定一个表面的角度约束的视场,该表面发射将被色度分析的光。

Description

色度计
本发明涉及用于测量光的色容量并具有模拟人眼对色彩响应的响应的色度计，如可以用CIE色匹配函数表示的那样。本发明尤其适用于校准彩色监视器和彩色视频显示器，无论它们是阴极射线管式还是LCD式。本发明还一般用于测量其它照明光源(发射或反射型)的色彩特性，诸如其中的色温。
根据本发明已发现，可精确模拟人眼对色彩的响应的色度响应可以用流线式滤光器(edge filter)模仿，所述滤光器使可见光谱的上端通过并且当该滤光器与光探测器成对时处于重叠关系。所述响应能够从光探测器的输出数字合成。采用本领域已熟知的技术使用色度计进行的测量可用来校准彩色监视器或显示器。机械和电气设计使本发明的色度计在与同期的色度计相比在具有竞争力的成本下很容易地制造出来，并且可以以与这些同期的色度计的使用相兼容的方法。
同期的适合非专业用户及在实验室环境之外使用的色度计没有提供准确的色度。如R.W.G.Hunt编辑的“测量色彩”这本书的第二版中(1991年Ellis Horwood有限公司出版)所讨论的，使用被滤光的光电池的同期的色度计，没有提供准确的色度，原文是“。。。。。。当与未滤光的光电池的光谱灵敏度结合时，发现能得到与 x(λ)， y(λ)和 z(λ)函数理想匹配的滤光器通常是不可能的。”同样如Hunt的文章里讨论的，即使用可见光谱上狭窄的间隔且即使用优化的权重以使误差最小化，也无法得到准确的色度。(见Hunt文章第178-181页)。如Hunt所讨论的这类色度计的代表有Vincent的美国专利5,272,518，颁布于1993年12月21日，Suga的美国专利4,150,898，颁布于1979年4月24日，Lutz等的美国专利5,168,320，颁布于1992年12月1日。
本发明提供一种改善的滤光色度计，其采用流线式滤光以及数字处理和增强作用来提供模拟人眼响应的响应以获得精确的色度。
本发明提供的色度计还通过使用窗孔来改善色度的精确性，该窗孔阻挡被测光并限制掉LCD显示器中常见的色彩、高角度发射。
本发明提供的色度计的机械和电光结构使它能以与同期色度计兼容的方法使用，并且以足够低的成本制造从而以同这类色度计具有竞争力的价格定价。
简要的说明，实施本发明的色度计有多个光学滤光器/光探测器对，优选地在一个阵列中，其中每对在受限制的视场上接收光。通常，视场有角度的约束，以便阻止色彩畸变的、来自发射面的较高角度的射线或发射到达探测器。所述对具有在可见光谱长波端的不同重叠波长区域上扩展的响应度。流线型滤光器可与光探测器一起使用，优选地提供得到该响应度的数字输出。对光探测器输出进行数字处理的变换器将所述对的响应度转换成对代表人眼响应度的色匹配函数进行模拟的响应度。它们可以是CIE Commission Internationale del’Eclariage)的 x、 y、 z函数，由此可以通过该函数的常规的处理(见，例如上述Vincent专利及Mclaughlin的美国专利5,499,040，颁布于1996年3月12日)得到CIE三基色值X、Y、Z，因此便于使用色度计对彩色监视器和彩色视频和其它显示器进行校准。
在阅读了下面的说明连同附图后，本发明的前述和其它特征及优点将变得更加显而易见，附图中：
图1是按比例的分解图，提供了根据本发明的优选实施方案的色度计的基本部件；
图1a是图1所示印刷电路板的平面图；
图2是图1所示色度计的仰视图；
图3是图1和2所示色度计的截面视图，截面沿图4中的直线3-3；
图4是图1所示色度计的截面视图，截面沿图2中的直线4-4；
图5是上述图所示色度计的截面视图，截面沿图2中的直线5-5；
图6和7是射线图，其说明了光所透过的色度计壁上的窗孔如何掩蔽和限制滤光器/光探测器对的视场；
图8是上述图中所示色度计中使用的滤光器单元按透视分解图；
图9是滤光器单元的截面视图，其说明其中层之间的分层关系；
图10示意地提供了色度计的电路以及利用来自色度计的输出校准监视器的系统的框图；
图11是说明图10中所示微处理器的编程以得到刷新速率探针的流程图；
图12是说明用以合成色度计的响应并提供模拟CIE色匹配函数的响应的微处理器的编程的流程图；
图13、14和15是说明光谱上的滤光器透过率、光谱上探测器滤光器对的响应度以及模拟响应度对色匹配函数的准确度的曲线。
                         详细说明
参考图1、2、3、4和5，提供了实施本发明的色度计，色度计是外壳10的整体组件，外壳由在舌状物和凹槽16相连的前壳体12和后壳体14组成。通常矩形的凹陷的壁18有一窗孔20的矩阵，其互相之间沿平行于壁18垂直边沿的X和Y坐标的方向均匀地间隔相同的距离。所说明的实施方案中，窗孔的形状是椭圆形的，其纵轴与X和Y轴成大约45°角，也就是与壁18的边沿的夹角。当色度计用于彩色监视屏的色度测量时，纵轴安置在与水平约成45 °的位置。这样即使在有限的视场也能使充足的光(光子)穿过窗孔。这种在视场中的限制与下面的图6和7相结合来讨论。通常，窗孔20中每一个的视场都设计成避免不同光探测器38和滤光器50之间的串扰(下面将更详细的讨论)。受限制的视场避免了色彩随角度变化的影响，尤其是发生在LCD屏中的竖直方向。已发现在上面讨论的取向上具有平行侧边和圆形末端的椭圆窗孔适当地限制了视场。
前壳体12具有特征22，其在壳体12四个角的每一个上向内突出。这些特征具有锁位在软的、橡胶吸盘26中的夹槽的圆形舌状物24。吸盘提供对彩色监视器或显示器较轻的压力，光从那里通过窗孔20进入色度计。
筒状柱28由与壳体16相同的塑料材料铸造而成并且具有沿着通常垂直于壁18延伸的轴且平行于穿过窗孔2 0的光轴。这些柱容纳送过来的柱30，柱30以其末端装配在柱28的内部。由印刷电路板32提供的盘具有圆孔34，当壳体被组装在一起时，柱28穿过该孔34进入并锁住壳体12和14之间的板32。柱30中的盲孔34可以有螺纹并且穿进柱28中的孔的螺丝(没有示出)被接受到有螺纹的孔34中以固定所组装的色度计部件。透明膜或片36安置在壁18前侧的上方并靠近窗孔20。这样舌状物和凹槽连接16和片36就提供了一个闭合的主体，除了用于色度计测量而穿透片36和窗孔20的光以外该主体是不透光的。
印刷电路板具有在数量及位置关系上与窗孔20阵列匹配的光探测器38阵列。从壳体14的后壁延伸的是肋40的矩阵，其中的一些42延伸一个可足以将这些肋42带入15与印刷电路板32的背面相接触的距离。这些肋42通常形成矩形的室，所述室包围光探测器38并防止其间的光泄露，从而进一步消除穿过窗孔20和到达探测器38的光之间的串扰。肋40还用来巩固壳体14。
光探测器38优选地是在单个芯片上组合光二极管和电流-频率转换器的光-频转换器。这种器件可以从Texas Instruments of Dallas，Texas借助诸如TSL 235这样的部件编号得到。他们提供数字输出(脉冲序列)，其重复速率或频率正比于光照明度(light-level)。
印刷电路板32具有开口44的阵列，其处于与窗孔20同样的空间关系并沿穿过窗孔20中心的光轴安置，如图2和图4中可见的那样。板32有印刷的线路和电子部件，诸如安装在板32面向窗孔20的一侧的电阻和集成电路(IC)芯片48。光探测器38安装在板的相对一侧。光学滤光器组件50安装在板32面向有孔的壁18的一侧。滤光器组件是图8和9中说明的叠加的、层状结构。有A到G7片滤光器材料。这些可以由凝胶构成并且每一个提供不同的长通(long-pass)或流线型(edge-type)光学滤光器。这种凝胶滤光器在成本上远远低于大多数同期色度计中使用的薄膜滤光器。还可以用采用了透光的彩色油墨的滤光器。滤光器保留在具有与窗孔18和孔44处于类似位置关系的开口的层状结构中，从而当滤光器50安装在板32上时，滤光器元件A到G与孔中不同的孔对准。由元件A到G叠加的层中的孔之一在未掩盖的区域M之上。这就是大约在滤光器阵列中间的窗孔20中的区域和孔44。在层H之一中，凹口52提供有助于板32上滤光器组件50的放置和对准的边缘。
这些构成所述组件的层是不透明的(例如，黑色的)在组件外面的诸如聚碳酸酯片的材料层H。这些层中的一层朝下并且其它的可以被背面外侧上的粘接层L覆盖。粘接剂可以是压力敏感的粘接剂，其自身通过释放材料而被覆盖从而有助于滤光器组件50在板32上的组装。有另一个粘接层，其拥有与前面不透明层H组装在一起的滤光器元件A到G。有一个透明层K和在透明层K的背面和后部不透明层H前面的附加的粘接层L。用合适的对准工具，这些层被搁置并压在一起得以提供滤光器组件50。滤光器组件能可靠地并以精确间隔和公差大量地进行复制。
参考图6和7，将可以观察到，光探测器在其光二极管前面具有镜头元件56，所述镜头元件增强所收集(即穿过滤光器组件50中的滤光元件)的光的数量。依靠板32和壁18的形状和空间关系，当色度计固定在发光地监视器的屏或其它信号源上且窗孔使它们的纵轴与水平成大约45 °角时，窗孔20对着沿竖直方向30°(正或负15°)并沿水平方向44°(正或负22°)的弧，来自竖直地间隔的区域的光于是被如图6的曲线58所示掩盖，使得不仅防止穿过窗孔中不同窗孔的光之间的串扰，而且防止了由于到光探测器38的竖直间隔造成的改变了色彩通过的光之间的串扰。当显示色彩变化的诸如LCD显示器这种类型的屏被测量和/或校准时，这是一个优点。
色度计系统示于图10。该图还示出色度计如何用于校准监视器以便根据CIE XYZ色彩系统提供精确的色彩和格玛(gamma)。如果需要的话，色度计系统还可以适合使用诸如CIE L*a*b*和CIE Luv色彩系统的其它色彩系统。受测试的监视器可以是阴极射线管监视器或LCD监视器或显示器。在使用阴极射线管监视器情形下，所希望的是使测量在多个比方说40或更多的图象的刷新周期或帧上进行。为此目的，刷新速率在系统的微处理器60中被检测，该微处理器60可以按图11的流程图所示那样编程。监视器屏上等于带有窗孔20的壁18的面积的一区域或一块(例如1平方英寸)被暴露给来自监视器的光。这束光穿过组件50的流线型滤光器进入探测器38。探测器提供依赖于光强度的速率的脉冲序列形式的数字输出。通过在与刷新频率相关的时间间隔上收集或计数脉冲，在阴极射线管监视器的情形中，得到表示穿过每一个流线型滤光器的光和未过滤的光的数字输出。探测器38使其输出通过复用器62多路复用，所述复用器在以如同输出于微处理器60的通道选择器提供的间隔上顺序地提供脉冲序列。来自第8个探测器38的未经过滤的光提供用于探测刷新速率的输出，以及用在合成模拟CIE色彩系统的响应、也就是色匹配函数的有效流线型滤光器9输出。微处理器通过诸如USB(通用串行总线Universal Serial Bus)这样的通讯链接或其它通讯链接，例如RS232总线，连接到主计算机且特别是其中的CPU 64上。CPU64可以与微处理器60相通信以检索色彩测量。
在校准监视器时，CPU可以首先使一全红的屏闪光并指示微处理器提取光谱数据。CPU然后可以呈现整个绿色、然后是兰色屏，以及从全暗(红、绿和蓝色控制在最大)变化的多等级灰屏。
参考图11，从第8个探测器输出得到刷新速率。测量探测器输出的频率或脉冲重复速率。当速率达到最大值时(当速率中第一个下降出现时)计数器A开始启动。频率继续被测量直到计数速率有表明频率或速率的最小值的上升出现。然后计数器停止。刷新速率就这样在来自屏的高和低的发光度处被检测。这个刷新速率可以用来控制复用器的取样窗口以及在色度计处理过程中采集来自每个探测器的计数。
图12示出微处理器60如何编程以模拟z色匹配函数。其它色匹配函数可以由相似的程序得到。程序对x、y和z函数用不同的系数。对每个滤光器探测器对进行下述方程的计算，所述滤光器探测器对包括通过基本整个可见光谱的滤光器对F/D0，而其它滤光器探测器对连续地通过位于光谱上端较小的波长区域。这些区域是重叠的，因为由第7个波段(通道CHN-7)的上流线型滤光器探测器对通过的光谱的部分被覆盖，而只有第一个波段(通道CHN-1)被未过滤的波段或通道(CHN-0)覆盖，其来自F/D0滤光器探测器对的输出。通常系数表如下表阐明。这是存储在微处理器60中的二维数字阵列。这些数字在下面提供的方程所阐明的算法中用做系数。
数字的二维阵列存储在微处理器中。这些数字在算法中被用做系数Can*。它们是
         N           X          Y          Z
         F/D0        CX0        CY0        CZ0
         F/D1        CX1        CY1        CZ1
         F/D2        CX2        CY2        CZ2
         F/D3        CX3        CY3        CZ3
         F/D4        CX4        CY4        CZ4
         F/D5        CX5        CY5        CZ5
         F/D6        CX6        CY6        CZ6
         F/D7        CX7        CY7        CZ7
                          算法M
        X(λ)＝FD0 *CX0+FD1 *CX1+FD2 *CX2…+FD7 *CY7
        Y(λ)＝FD0 *CY0+FD1 *CY1+FD2 *CY2…+FD7 *CY7
        Z(λ)＝FD0 *CZ0+FD1 *CZ1+FD2 *CZ2…+FD7 *CZ7
系数由适合色匹配函数的最小均方导出。所用的方法论在D.O.Wharmby的题为“滤光器色度计的使用的改进”的文章中描述，其出现在Journal of Physics E：Scientific Instruments，1975，卷8，41-44页。在Wharmby的文章中，做了仅用6个带通滤光器来模拟函数的尝试。根据本发明，使用长通或流线型滤光器，其不仅产生被精确模拟的响应，而且使能够采用低成本的流线型滤光器而不是带通滤光器以分别通过光谱的红、绿和蓝部分。长通滤光器的使用提供了选择单独的滤光器以匹配单独的CIE x y z(带)曲线的斜率的自由度。相反，带通滤光器装置迫使人们在一个斜率上做出折中以试图匹配相同函数不同的斜率。
下面的表指出了被发现适合于具有图14所示的响应度的滤光器探测器对的系数。
                          系数的实例
     CX0＝-0.00097         CY0＝-0.00049         CZ0＝-0.0109
     CX1＝ 0.00961         CY1＝ 0.00019         CZ1＝ 0.07038
     CX2＝ 0.03507         CY2＝ 0.0036          CZ2＝ 0.15586
     CX3＝-0.044           CY3＝ 0.00214         CZ3＝-0.15754
     CX4＝-0.01173         CY4＝ 0.0719          CZ4＝-0.07174
     CX5＝ 0.13641         CY5＝-0.05846         CZ5＝ 0.03593
     CX6＝-0.06319         CY6＝-0.01143         CZ6＝-0.01658
     CX7＝-0.05372         CY7＝-0.0134          CZ7＝ 0.0009
对于未经过滤的波段和滤光器组50中各滤光器通过的波段，流线型滤光器的响应示于图13。已选择特别用于波段4和5的边缘(上升沿)的斜率来有助于系数的导出以精确地模拟色匹配函数。色匹配函数示于图15且合成的色匹配函数的精确度(即，它们与理想的色匹配函数比较如何)示于图15。
图14说明了滤光器探测器对的响应度。探测器将其自身的响应度加在通过滤光器得到的输出上。探测器响应度的影响在于滤光器/探测器对的响应度是探测器响应度与滤光器透射特征的乘积。
从前面的说明中，将很明显的是已经提供了色度学中改善的技术和特殊的并改善的数字色度计。在此描述的色度计以及它的操作方法的变更和变型将毫无疑问地呈现给本领域内的普通技术人员。因此，前面的描述应被认为是解释性的而没有限制性的意义。

Claims (34)

1.一种色度计，包括多个光学滤光器/光探测器对，其每一个具有在可见光谱长波长端不同重叠波长区域之上扩展的响应度，一转换器将所述对的响应度转换成模拟色匹配函数的响应度，当所述的光学滤光器/光探测器对暴露在要被色度测量的光中时从所述色匹配函数中能够提供三基色值。
2.根据权利要求1的色度计，其中所述的对提供多个长波长通过的电光滤光器。
3.根据权利要求2的色度计，其中所述的对安置在阵列中。
4.根据权利要求3的色度计，其中有至少3个所述的对。
5.根据权利要求4的色度计，其中所述的对之一具有在整个可见光谱上扩展的响应度。
6.根据权利要求5的色度计，其中所述的对在数量上为8。
7.根据权利要求4的色度计，其中所述的对具有沿着交叉的X-Y坐标的视场。
8.根据权利要求6的色度计，其中所述的对具有沿着交叉的X-Y坐标的视场。
9.根据权利要求7的色度计，其中所述的视场沿着所述坐标之一比沿着所述坐标另一个更长。
10.根据权利要求9的色度计，其中所述的视场由在形状上椭圆的窗孔限定。
11.根据权利要求10的色度计，其中所述的形状具有通常平行的侧边和通常半圆的末端。
12.根据权利要求3的色度计还包括具有壁的外壳，所述窗孔通过所述壁，一个在与所述盘间隔开的外壳中的盘，所述盘具有相对的侧面，一个面对朝向所述壁的方向，另一个面对远离所述壁的方向，所述盘上的通道与所述窗孔对准，所述对中的滤光器安装在所述盘的所述一侧，每一个在所述通道的不同通道之上，以及所述对的光探测器安装在所述盘的所述另一侧，也在所述通道之上，所述窗孔限定所述光探测器的视场。
13.根据权利要求12的色度计，其中所述窗孔成形为在通过所述视场互相横截的方向上对着不同的立体角。
14.根据权利要求13的色度计，其中所述的角相对于所述视场中心的路径在所述横截方向之一上约为±15°并垂直于所述盘并且在所述横截方向的另一个方向上沿所述路径所述角度约为±22°。
15.根据权利要求12的色度计，其中所述外壳有另一个面向所述盘的所述另一侧的壁，构件从所述另一个壁延伸至所述盘并限定包围所述光探测器的光阻挡室。
16.根据权利要求2的色度计，其中所述滤光器具有限定所述滤光器的所述通频带的低波长端的边缘，所述边缘具有与所述函数的形状相关的不同的斜率。
17.根据权利要求2的色度计，其中所述函数是所述CIE色匹配函数 x(λ)， y(λ)， z(λ)中的一个。
18.根据权利要求17的色度计，其中所述转换器将所述对的所述响应度转换成模拟全部所述CIE色匹配函数的响应度。
19.根据权利要求12的色度计，其中所述外壳具有与其中具有所述窗孔的所述外壳的壁相邻的底座，用于可拆除地将所述色度计附连到从其上发射所述光的表面上。
20.根据权利要求12的色度计，其中所述表面由发光的或发射的显示器提供。
21.根据权利要求19的色度计，其中所述显示器是背投式或电发光的显示器。
22.根据权利要求19的色度计，其中所述表面是从包括阴极射线管显示器和LCD显示器的组中选择的彩色显示器的屏。
23.根据权利要求12的色度计，其中所述外壳有一对壳体，其组装在一起时，限定对除了通过所述窗孔的光以外的光闭合的外壳。
24.根据权利要求23的色度计，其中在所述窗孔对准通道的同时所述壳体锁住和固定所述盘。
25.根据权利要求24的色度计，其中所述盘是其上安装有印刷线路和部件并与所述探测器相连的PC板。
26.根据权利要求25的色度计，其中所述光发射自监视器且所述探测器提供数字输出，并且其中所述部件包括与所述探测器和微处理器相连的复用器，所述数字输出从所述复用器接连地提供给所述微处理器并且当调整到显示红、蓝和绿色屏时该处理器提供校准所述监视器中有用的CIE三基色值X、Y和Z。
27.根据权利要求17的色度计，其中所述光发自所述彩色监视器且所述探测器提供数字输出并进一步包括连接到所述探测器的复用器和微处理器，所述数字输出通过所述复用器顺序提供给所述微处理器并且该处理器提供当调整到显示红、蓝和绿色屏时校准所述监视器中有用的CIE三基色值X、Y和Z。
28.根据权利要求27的色度计还包括对所述光探测器之一响应的装置，所述光探测器具有在整个可见光谱上扩展的响应度以便于以与所述监视器的刷新速率相关的速率提供控制所述复用器的输出。
29.根据权利要求2的色度计，其中所述滤光器由多个处于层叠关系的层提供，所述层中一个包含不同透射率的滤光器材料的主体，其限定所述滤光器的透射率。
30.根据权利要求1的色度计，其中所述转换器包括用根据所述函数选择的不同系数乘以来自所述探测器的输出以提供乘积输出的装置，和用于对所述乘积输出求和的装置。
31.一种色度计，包括多个对来自分离到不同波长范围的表面的照明响应的光探测器，所述光探测器通常在同一个平面内并排地安置，阵列中的窗孔与所述光探测器对准，所述窗孔与所述表面有尺度和间隔以便于为来自所述表面的所述的照明限定光线路径，其以对所述表面有足够大锥度的角度来防止照射到为所述探测器中特定的几个探测器所分离的范围之外而到达非所述特定的探测器的所述光探测器中的其他的探测器上。
32.一种用于测量色温的色度计，包括：多个滤光器/光探测器对，每个具有在光谱的长波长端不同重叠波长区域之上扩展的响应度，其色温将用所述色度计测量；转换器，将所述对的响应度转换成模拟色匹配函数的响应度，从所述函数可提供表示所述色温的值。
33.根据权利要求32的色度计，其中所述光谱是发光光源的光谱。
34.根据权利要求33的色度计，其中所述发射源来自于包括光源、视频显示器、辐射体或黑体的组中。
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