CN201811787U - 激光显示的光色性能的手持式测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种手持式测量装置，该装置包括中央处理单元模块、数据传送单元模块、程序下载接口模块、光电转换装置模块、显示单元模块、供电单元模块，外部时钟晶振单元模块和按键单元模块。其中，中央处理单元模块与光电转换装置模块相连，中央处理单元模块与显示单元模块相连，数据传送单元模块与中央处理单元模块相连，程序下载接口模块与中央处理单元模块相连，外部时钟晶振单元模块与中央处理单元模块相连，按键单元模块为输入单元。本实用新型的测量系统能够获得高精度的光色性能测量结果。

Description

激光显示的光色性能的手持式测量装置

技术领域

本实用新型涉及光色性能的测量技术，尤其涉及激光显示的光色性能的手持式测量装置。

背景技术

激光显示(主要是激光投影)由于其优异的色彩表现力、色域覆盖率可以达到NTSC制式规定色域的150％以上，因而成为最具竞争力的下一代显示设备之一。

目前的各类光色性能的检测系统以及各类色度照度计，其测量目标主要针对具有较宽光谱范围的非相干光源(即该光源具有较宽的波长范围)，对被测光的光色性能的测量方法基本上是这样的：首先，在整个可见光光谱范围内将检测系统中的光电转换装置的光谱灵敏度曲线事先与国际标准的颜色匹配曲线做拟合；然后，通过经过拟合的光电转换装置获得被测光对应的光电流值，该被测光的光电流值即可以被认为对应该被测光的光谱功率分布；接着，根据该光谱功率分布和光电转换装置的修正系数通过一定的计算方法获得该被测光的光色性能的各项参数。其中，光电转换装置的修正系数是由于光电转换装置的光谱灵敏度曲线和标准颜色匹配曲线拟合而获得的修正系数。

上述现有技术中，对光电转换装置的光谱灵敏度曲线需要事先与国际标准的颜色匹配曲线做拟合，是因为该检测系统针对的光源是具有较宽光谱范围的非相干光源，只有对光电转换装置的光谱灵敏度曲线与标准颜色匹配曲线进行拟合后，才能获得较精确的被测光源对应的光电流值。因为光电流值对应光谱功率分布，因此精确的光电流值就对应精确的光谱功率分布，从而能够提高被测光的光色性能的测量精度。

但是实际中这种拟合工作的要求是很高的，经过拟合后的光电转换装置的市场价格昂贵，因而在很大程度上增加了现有检测系统的检测成本。而且，通常情况下，上述两条曲线的拟合只是在颜色匹配函数较大的波长位置上有较理想的拟合参数，从而可能得到比较精确的光电流值，进而获得较精确的光谱功率分布值，进一步获得较精确的被测光的光色性能参数。图1所示为国际标准颜色匹配曲线图，图中分别示出了R，G，B三基色光的颜色匹配曲线，其中横坐标表示光源的波长，纵坐标表示颜色匹配函数值。以B色光的颜色匹配曲线为例，在较大的颜色匹配函数值(即接近波峰的位置)对应的波长位置(图中所示为457nm)上有较理想的拟合参数。

但即使是在能得到理想拟合参数的情况下，国家一级标准照度计的测量精度也仅要求优于4％，可见其测量精度并不高。而对于那些颜色匹配函数较小的波长位置，测量精度往往比上述国家一级照度计要求的精度数值还要低。因此，综上而言，现有的各类光色性能的检测系统和各类色度照度计等存在着成本昂贵、检测精度也不高的缺点。而且现有的手持式的测量装置只能对一些较普通的量进行测量。例如：如果想对被测光源的对比度参数进行16点的棋盘格测量，不仅需要对16个点各个进行测量而且要记录16次数据，并且需人工计算测量结果。如此看来，此种测量装置确实不方便。

而用于激光显示的激光光源是相干光源，其波长漂移通常小于1nm，波长位置相对固定。由于光源性质的不同，针对非相干光源的基于拟合方式的光色性能检测系统就不适合用于检测激光显示的光色性能了。因为被测激光光源波长相对固定，光色性能的测量系统就不需要对光电转换装置的光谱灵敏度曲线与标准颜色匹配曲线做拟合，而直接能通过光电转换装置输出被测光源对应的精确的光电流值。因此，很显然现有的各类光色性能的检测系统及色度照度计等并不适合测量激光显示的光色性能。并且，用现有的基于拟合方式的检测系统来检测激光显示的光色性能，如果被测激光的波长正好是在颜色匹配函数较小的波长位置，那就更不可能得到较高的测量精度了。

综上，发明者正是由于激光光源的上述波长相对固定的特点，而能想到在获得精确的被测光源对应的光电流值的情况下，原理上只要给出被测光源的特定波长相对应的光电转换装置的光电转换系数，就能获得精确的该被测光源的光功率分布，进而获得该被测光的光色性能的各项参数。其中，只要光电转换系数足够地精确，就有可能获得精确的光色性能的检测结果。因而，激光显示的光色性能的测量有望能够实现低成本和高精度的要求。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种专门针对激光显示的光色性能的手持式测量装置，所述手持式测量装置包括中央处理单元模块、数据传送单元模块、程序下载接口模块、光电转换装置模块、显示单元模块、供电单元模块，外部时钟晶振单元模块和按键单元模块，其中，中央处理单元模块与所述光电转换装置模块相连，用于提供光电转换装置的控制信号和读取该光电转换装置输出的被测光对应的各光电流值，并根据光电流值及该光电转换装置的光电转换系数计算光色性能的各测试参数和将参数结果送到显示单元模块，所述中央处理单元模块与所述显示单元模块相连，数据传送单元模块与所述中央处理单元模块相连，用于将中央处理单元中的数据传送至PC，程序下载接口模块与中央处理单元模块相连，用于中央处理单元模块程序的下载，光电转换装置模块用于获得被测光在测试点对应的光电流值，外部时钟晶振单元模块与所述中央处理单元模块相连，对中央处理单元提供外部时钟，按键单元为手持式测量装置的输入单元。

本实用新型的所述供电单元模块与中央处理单元模块、数据传送单元模块、光电转换装置模块、显示单元模块、外部时钟晶振单元模块相连，为其供电，将9V电池电压转换到5V工作电压。

本实用新型的所述按键单元模块包括：与中央处理单元相连的普通无源按键，用于光源波长等数据的输入；与中央处理单元相连的中断按键，和与显示单元模块相连的背光按键。

本实用新型的所述中断按键包括：菜单按键，与中央处理单元模块普通I/O口相连，用于一些参数的查看和功能的设置；模式选择按键MODE，与中央处理单元模块中断输入口相连，用于不同制式之间的切换选择；消除环境光干扰按键ZERO，与中央处理单元中断输入口相连，用于消除环境光的干扰；静止按键HODE，与中央处理单元中断输入口相连，用于停止装置的实时性，静止的显示上次测试的结果；菜单按键MENU，与中央处理单元中断输入口相连，用于打开菜单。

本实用新型的光电转换装置采用圆筒状结构，圆筒顶部设置有漫光片，数字光敏器件设置在圆筒底部。所述数字光敏器件为颜色传感器的感光芯片。

由于是针对波长相对固定的激光光源进行光色性能的测量，因此，其一本实用新型提出的测量方法和系统中，不需要进行光电转换装置的光谱灵敏度与标准颜色匹配曲线的拟合，从而大大降低了检测成本。其二本实用新型采用了更方便的各个参数的测量的实现方法，使各个量的测量更加方便。另外，由于光电转换装置的光电转换系数能够被简单而精确地确定，因此本发明的测量方法和系统能够更方便的获得高精度的光色性能测量结果。

附图说明

通过参考下述的具体描述和附图，本发明的其他优点将变得更容易理解。

图1是现有的光色性能检测技术中使用的颜色匹配曲线图；

图2是本实用新型的测量方法的流程图；

图3是本实用新型光电转换装置的结构框图；

图4是本实用新型的硬件电路图；

图5是本实用新型的工作流程图；

图6是本实用新型的结构框图。

具体实施方式

图2是激光显示的光色性能的测量方法的流程图。首先，将光电转换装置垂直投影屏幕摆放，让被测光照射光电转换装置(S21)；接着，该光电转换装置输出被测光对应的光电流值(S22)；根据获得的光电流值和预先确定的该光电转换装置的光电转换系数计算得到被测光的光功率分布(S23)；根据获得的光功率分布计算得到被测光的各项光色性能参数(S24)；一次测量结束后循环到步骤(S22)。

上述测量方法的流程中，由于被测光是激光，激光的波长相对固定，因此不需要事先将光电转换装置的光谱灵敏度曲线与标准颜色匹配曲线进行拟合，就能获得精确的光电流值，因而大大简化了测量方法，降低了检测成本。

并且，该光电转换装置的光电转换系数是各波长位置的被测光对应的所述光电转换装置的输出光电流与所述被测光的光功率分布之间的转换系数。该光电转换装置的光电转换系数是在进行光色性能测量之前事先被确定的，具体方法为：利用光功率计测量出被测激光的光功率，再用该激光照射光电转换装置，读出该光电转换装置的输出的数字电压值；接着，基于已知的波长位置的光的光功率分布，就能计算获得各个波长位置的光对应的光电转换装置的输出光电流与各波长位置的光的光功率分布之间的转换系数。该光电转换装置的光电转换系数将被事先确定，并被记录在例如一个表格中。在对激光显示的光色性能进行测量的过程中，具体而言在计算被测光的光功率分布的步骤时，根据被测光的特定波长通过查找该表格以选择对应的光电转换系数。如上所述，由于该光电转换装置的对于被测光的特定波长位置的光电转换系数能够被简单而精确地确定，因此，根据S22步骤获得的精确的光电流值以及通过查找表格获得的精确的光电转换系数，就能得到精确的被测光的光功率分布，从而本实用新型的测量方法能够获得精确的激光显示的光色性能参数。

步骤S23中通过公式(1)计算被测光的光功率分布，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_B=k_B\·P_B+k{\left(R\right)}_B\·P_R+k{\left(G\right)}_B\·P_G\\ I_G=k_G\·P_G+k{\left(R\right)}_G\·P_R+k{\left(B\right)}_G\·P_B\\ I_R=k_R\·P_R+k{\left(G\right)}_R\·P_G+k{\left(B\right)}_R\·P_B\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，I_B，I_G，I_R分别表示蓝色激光、绿色激光和红色激光对应的光电转换装置输出的光电流，k_R、k_G、k_B、k(R)_B、k(R)_G、k(G)_R、k(B)_R、k(G)_B、k(B)_G为光电转换装置的光电转换系数，其中k_R是测试红色激光的光电转换装置的光电转换系数，k(R)_B是测试蓝色激光的光电转换装置在红光环境下的光电转换系数，其它同理；这些光电转换系数可以根据被测光的特定波长通过查找上文所述表格而被确定；光电流I_B中的k(R)_B·P_R电流分量表示测试蓝色激光的光电转换装置在红光环境下输出的电流，其它同理；P_R、P_G和P_B分别表示任意光谱功率分布为P的光对应的R、G、B三基色分量光谱功率分布。

在获得被测光的光功率分布P后，就可计算得到被测光的各项光色性能参数，包括被测光的光通量、照度均匀度、色坐标、色度均匀度和对比度等。例如，通过下述的公式可以计算获得被测光的光照度及色坐标。其它光色性能参数也能通过现有技术中的计算公式获得。

根据通过公式(1)计算获得的光谱功率分布P_R、P_G和P_B，通过公式(2)可以分别计算出R、G、B三基色各分量对应的颜色匹配值，

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i=k\·P_i\·\stackrel{\‾}{x}\left(i\right)\\ Y_i=k\·P_i\·\stackrel{\‾}{y}\left(i\right)\\ Z_i=k\·P_i\·\stackrel{\‾}{z}\left(i\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，X_i、Y_i、Z_i表示三基色分量的颜色匹配值，i对应三基色分量R、G、B中之一；k为光功当量常数；为三基色在颜色匹配曲线上的数值。

接着，根据公式(2)中计算得到的R、G、B三基色各分量对应的颜色匹配值，通过公式(3)可以计算出任意由R、G、B三基色混合而成的被测光对应的颜色匹配数值，

$\left\{\begin{array}{c}X=X_R+X_G+X_B\\ Y=Y_R+Y_G+Y_B\\ Z=Z_R+Z_G+Z_B\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，Y即表示该被测光的光照度。

被测光的色坐标(x，y)可以由公式(4)计算获得。

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{X}{X+Y+Z}\\ y=\frac{Y}{X+Y+Z}\end{array}\right.---\left(4\right)$

图3是本实用新型的光电装换装置的结构。该光电转换装置采用圆筒状结构，圆筒最顶部是一片漫光片，漫光片的作用可以使得被测光更均匀地照射到颜色传感器，使得颜色传感器感受的光是均匀的。数字光敏器件采用颜色传感器(color sensor)S9706感光芯片作为信号采集模块，该芯片安装在圆筒底部中间，把S9706六个引脚接线后从底部引出导线。该光电转换装置在使用前需通过精确校正以确定对应于被测光源的特定波长的光功率与光电转换装置的输出电流之间的光电转换系数。光电转换装置的光电转换系数的定义已在上文中详细描述，此处不再赘述。

图4是本使用新型的激光显示的光色性能的手持式测量系统的硬件电路图。图6是本实用新型的结构框图。图中显示，其部件包括：中央处理单元模块U1，与光电转换装置U4相连，用于向光电转换装置U4提供控制信号和读取该光电转换装置U4输出的该被测光对应的各光电流值，并根据光电流值及该光电转换装置的光电转换系数计算光色性能的各测试参数，中央处理单元U1与显示单元模块U5相连，显示单元模块U5用于显示测量装置的测量结果，中央处理单元U1将参数结果送到显示单元U5中显示；数据传送单元模块U2与中央处理单元U1相连，用于将测试装置中央处理单元U1里的数据通过串口传送至PC；程序下载接口模块U3与中央处理单元U1相连，用于该可编程中央处理单元模块U1的程序下载；光电转换装置模块U4与中央处理单元U1相连，用于获得被测光在测试点对应的光电流值；供电单元模块U6，与中央处理单元模块、数据传送单元模块、光电转换装置模块、显示单元模块、外部时钟晶振单元模块相连，为其供电，如图4中的VCC电器端口都是相连的，装置采用9V碱性电池供电，装置中器件的工作电压都为5V，故需采用供电单元将9V电池电压转换到5V工作电压；外部时钟晶振单元模块U7与中央处理单元U1相连，由于中央处理单元内部时钟晶振的不精确性，故采用精确性好的外部时钟晶振；按键单元模块U8，U9和K1，按键单元分为三部分：U8为普通无源按键，普通无源按键U8与中央处理单元U1相连，用于光源波长等数据的输入；U9为产生中央处理单元中断的按键，中断按键U9与中央处理单元U1相连，作为一些常用功能的按键，中断按键包括：菜单按键MENU，与中央处理单元模块普通I/O口相连，用于一些参数的查看和功能的设置；模式选择按键MODE，，与中央处理单元模块中断输入口相连，用于不同制式之间的切换选择；消除环境光干扰按键ZERO，与中央处理单元中断输入口相连，主要用于消除环境光的干扰；静止按键HODE，与中央处理单元中断输入口相连，用于停止装置的实时性，静止的显示上次测试的结果；K1为显示单元的背光按键，背光按键K1与显示单元模块相连。菜单按键MENU，与中央处理单元中断输入口相连，用于打开菜单。

图5是本实用新型的工作流程图。打开手持式激光显示的测量装置后系统进行初始化(S501，初始化的过程包括中央处理单元内部寄存器的初始化和除中央处理单元外的其它部件的控制信号的初始化)；初始化过程结束后在例程1中系统检测该装置是否是被第一次使用(S502，该检测的判断标准为内部掉电非易失EEProm寄存器是否储存有被测光源的波长)， 如果是则要求用户输入被测光源的波长(S503)，如果内部掉电非易失EEProm寄存器内存有波长值流程则进入光电转换装置的数据采集阶段(S504)，和例程2中是否有中断按键输入检测(S509)。如果有则执行中断按键(S510)，如果没有则继续循环执行(S509)的检测；本实用新型如图5中的例程1和例程2是同时进行的。数据采集(S504)结束后要对此数据做初始的处理，判断这组数据是否合适(S505)，如果合适例程1进入被测参数的计算过程(S507)，如果这组数据过大或过小，那么就需要重新调整探头的积分时间(S506)重新进入例程1的(S504)以得到较理想的数据；计算(S507)结束后将参数结果送到显示单元模块显示(S508)。最后，关闭电源(S511)，流程结束(S512)。

本实用新型与现有技术相比，由于是针对波长相对固定的激光光源进行光色性能的测量，因此提出的测量系统不需要进行光电转换装置的光谱灵敏度与标准颜色匹配曲线的拟合，从而大大降低了检测成本。另外，由于光电转换装置的光电转换系数能够被简单而精确地确定，因此本实用新型的测量系统能够获得高精度的光色性能测量结果。

Claims (6)

1.一种手持式测量装置，其特征在于，包括中央处理单元模块、数据传送单元模块、程序下载接口模块、光电转换装置模块、显示单元模块、供电单元模块，外部时钟晶振单元模块和按键单元模块，其中，所述中央处理单元模块与所述光电转换装置模块相连，所述光电转换装置模块用于获得被测光在测试点对应的光电流值，所述中央处理单元模块用于为光电转换装置提供控制信号和读取所述光电转换装置模块输出的被测光对应的各光电流值，并根据所述光电流值及所述光电转换装置模块的光电转换系数计算光色性能的各测试参数，所述中央处理单元模块与所述显示单元模块相连，所述中央处理单元将测试参数结果送到所述显示单元模块，数据传送单元模块与所述中央处理单元模块相连，用于将中央处理单元模块中的数据传送至PC，程序下载接口模块与中央处理单元模块相连，用于中央处理单元模块程序的下载，外部时钟晶振单元模块与所述中央处理单元模块相连，为中央处理单元提供外部时钟，所述按键单元为输入单元。

2.如权利要求1所述的手持式测量装置，其特征在于，所述供电单元与中央处理单元模块、数据传送单元模块、光电转换装置模块、显示单元模块、外部时钟晶振单元模块相连，将9V电池电压转换到5V工作电压。

3.如权利要求1所述的手持式测量装置，其特征在于，所述按键单元模块包括：与中央处理单元相连的普通无源按键，用于光源波长等数据的输入；与中央处理单元相连的中断按键，和与显示单元模块相连的背光按键。

4.如权利要求3所述的手持式测量装置，其特征在于，所述中断按键包括：菜单按键，与中央处理单元模块普通I/O口相连；模式选择按键MODE，与中央处理单元模块中断输入口相连；消除环境光干扰按键ZERO，与中央处理单元中断输入口相连；静止按键HODE，与中央处理单元中断输入口相连；菜单按键MENU，与中央处理单元中断输入口相连。

5.如权利要求1所述的手持式测量装置，其特征在于，光电转换装置采用圆筒状结构，圆筒顶部设置有漫光片，数字光敏器件设置在圆筒底部。

6.如权利要求5所述的手持式测量装置，其特征在于，所述数字光敏器件为颜色传感器的感光芯片。

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