CN201886733U - 激光显示的多点综合测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种激光显示的多点综合测量装置，包含光电转换装置、反向通路选择器、通路选择器、中央处理单元、串口电路、外部时钟晶振，其中，光电转换装置与通路选择器相连，光电转换装置的输出输入到通路选择器，通路选择器还与中央处理单元相连，通路选择器的输出输入到所述中央处理单元中，并从中央处理单元接收控制信号，中央处理单元还与串口电路和反向通路选择器相连，中央处理单元的输出输入到所述串口电路中，所述串口电路与PC机相连，以进行数据处理，外部时钟晶振与中央处理单元相连。可实现低成本和高精度的要求。

Description

激光显示的多点综合测量装置

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。而且现有的多点测量系统中只有除对比度参数测量外的其他参数测量的9点测量系统，这种测量系统无法实现对比度的16点测量方法的实现。

综上，本实用新型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，而且在不移动光电转换装置的情况下同时实现对比度的16点测量和其他参数的测量。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种激光显示的光色性能的综合测量装置，包含光电转换装置、反向通路选择器、通路选择器、中央处理单元、串口电路、外部时钟晶振，其中，光电转换装置与通路选择器相连，光电转换装置的输出输入到通路选择器，通路选择器还与中央处理单元相连，通路选择器的输出输入到所述中央处理单元中，并从中央处理单元接收控制信号，中央处理单元还与串口电路和反向通路选择器相连，中央处理单元的输出输入到所述串口电路中，所述串口电路与PC机相连，以进行数据处理，外部时钟晶振与中央处理单元相连。

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，本实用新型提出的测量装置中，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。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装置能够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，本实用新型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是根据本实用新型的实施例的激光显示的光色性能的测量方法的流程图；

图3是根据本实用新型的实施例的激光显示的光色性能的综合测量方法的13点布点图；

图4是根据本使用新型的实施例的激光显示的光色性能的综合测量方法的16点布点图；

图5是根据本实用新型的实施例的激光显示的光色性能的多点综合测量系统的结构框图；

图6是根据本实用新型的实施例的激光显示的光色性能的多点综合测量系统的电路结构图；

图7是根据本实用新型的实施例的多点综合测量系统中光电转换装置的结构图；图7-1是光电转换装置的结构图；图7-2是光电转换装置中颜色传感器的结构示意图；

图8是根据本实用新型的实施例的多点综合测量的工作流程图；

图9是根据本实用新型的实施例的多点综合测量的主用户界面图；

图10是根据本实用新型的实施例的多点综合测量的子用户界面图；

图11是根据本实用新型的实施例的信号中继电路图；图11-1是U1A的示意图；图11-2是U2A的示意图；图11-3是U3A的示意图；图11-4是U4A的示意图；图11-5是U5A的示意图；图11-6是电源VCC的示意图；图11-7是接地端GND的示意图；

图12是根据本实用新型的实施例的电路板布板图。

具体实施方式

下面将参照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图2是根据本发明的实施例的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，摆放的位置如图3和图4所示：将图3所需的13路光电转换装置和图4所需的16路光电转换装置按照其固定的比例位置安装到投影屏上。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)。

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：首先利用分光计将已知光源分光；然后使各个波长位置的光通过光电转换装置，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；接着，基于已知的各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，从而本实施例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5是根据本实用新型的实施例的激光显示的光色性能的多点综合测量装置的结构框图；图6是根据本实用新型的实施例的激光显示的光色性能的多点综合测量装置的电路结构图。

多点综合测量，顾名思义是对被测光源在多个测试点进行测量。根据不同的标准和要求，其测试点数和布点方法都有所不同。图6的多点综合测量系统的电路结构图中主要包括以下部件：中央处理单元U1，两路1进4出反向通路选择器U2，1进8出反向通路选择器U3、U4、U5和U6，串口电路U7，外部时钟晶振U8和16进1出通路选择器U9和U10。

根据本实用新型的实施例的多点综合测量系统中光电转换装置的结构如图7所示，其中，图7-1是光电转换装置的结构图。该光电转换装置中的数字光敏器件采用颜色传感器(color sensor S9706共有3路控制端，一路信号输出端，一个电源接口和一个地接口)，其示意图如图7-2所示。在颜色传感器前加上了漫光片，从而使得被测光能更均匀地照射到颜色传感器上，并且能够实现一路光电转换装置实现测量像素点至少在9个以上的要求。本实用新型中的光电转换装置，不需要事先进行光谱灵敏度曲线与标准颜色匹配曲线之间的拟合，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。

回到图6，中央处理单元U1可以由AVR单片机构成。由于单片机内部时钟信号精度较低，可以采用外部时钟晶振U8。本实施例中的中央处理单元U1中的AVR单片机采用ATmega16作 为控制芯片，用于向光电转换装置和通路选择器U2、U3、U4、U5、U6、U9、U10提供控制信号，并负责读入数据。中央处理单元U1中的AVR单片机分别控制光电转换装置的时钟信号、感光像素个数范围控制信号和积分时间控制信号。当中央处理单元U1读入一路光电转换装置输出的光电流值后将其通过串口电路U7送入计算机，然后再控制通路选择器U2、U3、U4、U5、U6、U9、U10选择下一路光电转换装置，依次循环直到读入所有路光电转换装置输出的光电流值。

通路选择器U2分别与光电转换装置和中央处理单元U1连接，用于将color sensor初始设置时钟信号和数据采集时钟信号分开，以此减少中央处理单元U1的I/O口的使用数量。

本实用新型的反向通路选择器U3、U4、U5、U6的控制端与中央处理单元U1相连，输入端与反向通路选择器U2相连，U3、U4、U5、U6的输出端与光电转换装置相连，实现每一时刻只给一路光电转换装置时钟信号。

本实用新型的通路选择器U9、U10的控制信号和输出端与中央处理单元U1相连，输入端与光电转换装置相连，实现每次只读一路光电转换装置输出的信号。

计算机通过串口电路U8与中央处理单元U1连接，通过串口电路U8接收中央处理单元U1传送来的数据并存入数据库中。本实施例中的串口通信采用RS-232通信协议进行数据的传输。当接收到所有数据后，根据用户对操作界面的不同操作计算机调用数据库中的数据(即光电流值以及预先确定的光电转换系数)通过前述公式(1)计算被测光的光功率分布，然后根据计算获得的被测光的光功率分布通过公式(2)-(4)以及其它现有的公式计算被测光的各项光色性能参数，包括光通量、照度均匀度、色坐标、色度均匀度和对比度等。计算获得的各项光色性能参数再次被存入数据库中，并数据将测试结果显示在界面上。

图8是根据本实用新型的实施例的多点综合测量的工作流程图。

首先，对激光显示的光色性能的多点综合测量系统进行测量参数和方法选择的界面操作(S801)。进行系统初始化，即设定串口通信波特率、单片机分频器、初始控制信号、数据寄存器等并输出光电转换装置的积分信号，让光电转换装置开始积分(S802)。输出通路选择器的控制信号，选择通路(S803)。设置并输出光电转换装置的时钟信号(S804)。中央处理单元U1读入对应第一个测试点的第1路光电装换装置输出的光电流值(即数字信号)并存储于其内部的数据寄存器(S805)。进入调整期，判断这组数据(一个测试点有R、G、B三个数据)是否需要调整积分时间以改变光电转换装置的积分时间(S806)。如果是，则调整积分时间(S807)，重新读入数字信号，即返回步骤S805。如果否，则该测试点的该组数据采集结束，将这组数据通过串口电路U8送入计算机(S808)。数据传送完成后中央处理单元U1中的单片机控制通路选择器U3、U4、U5、U6、U9、U10选择下一路光电转换装置，重复上述步骤(S805-S808)直到所有路光电转换装置的数据都传送到计算机并存入数据库中(S809)。当接收到所有数据 后，计算机调用数据库中的数据(即光电流值以及预先确定的光电转换系数)通过前述公式(1)计算被测光的光功率分布，然后根据计算获得的被测光的光功率分布通过公式(2)-(4)以及其它现有的公式计算被测光的各项光色性能参数，包括光通量、照度均匀度、色坐标、色度均匀度和对比度等(S810)。最后，计算获得的各项光色性能参数再次被存入数据库中，并根据用户在用户界面上的不同操作从数据库中调用相应的数据将测试结果显示在界面上(S811)。

如图9和图10所示是根据本发明的实施例的多点综合测量系统的用户界面图。图9调试选项用于测量已知参数画面，验证光电转换装置是否存在故障；普通参数测量选项用于除对比度以外的光色性能参数的测量，选中时，当数据采集结束后便出现图10所示界面；对比度测量选项用于测量对比度参数。

图11所示电路用于上述所提到各个信号的中继，实现信号的长距离传输。包括：U1A、U2A、U3A、U4A、U5A和电源VCC、接地端GND；图11-1是U1A的示意图，图11-2是U2A的示意图，图11-3是U3A的示意图，图11-4是U4A的示意图，图11-5是U5A的示意图，图11-6是电源VCC的示意图，图11-7是接地端GND的示意图。如果测试屏的尺寸相对较大，则电路板的布置如图12所示，图6中的各端口先与图11中的各端口相连后再将图11中的相应端口与光电转化装置的各信号端口相连(如U3、U4、U5、U6先与U1A、U2A、U3A、U4A后U1A、U2A、U3A、U4A再与光电转换装置相连；U5A与光电转换装置相连后再与U9、U10相连)。

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。并且此实用新型解决了不同参数的测量需要频繁的移动光电转换装置的麻烦和现有的综合测量系统中无法实现对比度的16点综合测量问题。

Claims (8)

1.一种激光显示的多点综合测量装置，其特征在于，包含光电转换装置、反向通路选择器、通路选择器、中央处理单元、串口电路、外部时钟晶振，其中，光电转换装置与通路选择器相连，光电转换装置的输出输入到通路选择器，通路选择器还与中央处理单元相连，通路选择器的输出输入到所述中央处理单元中，并从中央处理单元接收控制信号，中央处理单元还与串口电路和反向通路选择器相连，中央处理单元的输出输入到所述串口电路中，所述串口电路与PC机相连，以进行数据处理，外部时钟晶振与中央处理单元相连。

2.如权利要求1所述的激光显示的多点综合测量装置，其特征在于，所述光电转换装置中的数字光敏器件采用颜色传感器，在颜色传感器前加上漫光片。

3.如权利要求2所述的激光显示的多点综合测量装置，其特征在于，所述颜色传感器具有信号输出端，电源接口和地接口。

4.如权利要求1所述的激光显示的多点综合测量装置，其特征在于，所述中央处理单元由AVR单片机构成。

5.如权利要求1所述的激光显示的多点综合测量装置，其特征在于，所述反向通路选择器包括两路1进4出反向通路选择器和4个1进8出反向通路选择器

6.如权利要求1所述的激光显示的多点综合测量装置，其特征在于，所述通路选择器包括2个16进1出通路选择器。

7.如权利要求5所述的激光显示的多点综合测量装置，其特征在于，1进8出反向通路选择器的控制端与中央处理单元相连，输入端与1进4出反向通路选择器相连，输出端与光电转换装置相连。

8.如权利要求1所述的激光显示的多点综合测量装置，其特征在于，所述通路选择器的控制端和输出端与中央处理单元相连，输入端与光电转换装置相连。 

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