显示测量中色度计的校准
红色到底有多红？在很多显示应用的场合，对颜色测量的准确性和精确性都有严格的要求。要准确地测量颜色，其困难程度确实超过了人们的想象。医学和航空航天领域对显示要求极为苛刻，不仅需要真实可靠地显示颜色，以传递物体颜色的最基本信息，而且颜色的控制系统还必须有准确的色数据，以便确实有效地实施控制。目前，无论是显示器产品的制造者还是消费者都相信颜色测量仪器，包括色度计和分光辐射计所给出的测量结果。在很多情况下，人们往往在未考虑其测量的准确性之前，就对用仪器所测的有关显示器的结果采取接受或拒认的态度。如果显示器的色度测量不准确，很可能会导致用户采用了一个质量上并不完善的产品，而被他摈弃的却是一个相当不错的产品。为了更有效地使用一台仪器，人们需要知道其测量的精度，对一台色度计也是如此。人们需要知道该颜色测量系统是否完善，是否能够完成人们需要它来承担的那些检测的工作。目前，很多军事和商业领域中对这方面的应用需求不断增长，并对显示器提出了颜色测量误差的要求。例如，某些军用指标对检测仪器提出色座标（x,y）为0.004的“扩展误差”（k=2）的要求；国际标准对阴极射线管和液晶显示器也提出x,y为0.005或更小的误差要求。k=2的“扩展误差”意味着测量值和真实值间在稳定的误差内达到95.4%的附合程度。仪器制造厂家对其生产的色度计产品都要进行校准。其产品数据包括常规的技术规定误差值：色座标x,y为0.002；明度（Y）为2%。应该提请注意的是，所给出的这些标称值可能会被人们误解，特别是用于对显示器的测量。因为这些标称值是以对色温近似为2856K的白炽灯光源所进行的测量为基础的。这种光源的光谱功率分布近似于国际照明委员会（GIE）规定的A标准光源的分布，这是在光度学和色度学中通用的标准光源。使用这种类型的光源进行校准目前尚存一些问题。如果使用这类仪器来测量其光谱功率分布与A光源类似的光源，是可期望得到精确的结果的。然而，人们往往想测量其色度和亮度的一些显示器的光谱分布和A光源有相当大的差异检测结果表明：颜色测量仪器的准确性会有相当明显的变化，这和所测颜色的光谱分布有很大的关系。就采用三通带或四通带探测器的色度计（被称作三刺激色度计）而言，每一个通带的光谱响应和国际照明委员会规定的颜色匹配函数（x,y,z）之间匹配得不是很完好。因此用这种仪器测量不同的光谱分布就会产生误差。用阵列分光辐射计测量时，也存在一系列影响颜色测量准确性的因素，包括杂散光、波长校准误差和探测器阵列的线性等。无论使用哪种类型的器件，误差的分析都是复杂的，而且，对于各种不同的显示器和不同的颜色，色度计量仪器的误差往往是人们预先所未知的。尽管对照白炽光源对仪器进行了精确的校准，但是在用它对显示器的颜色进行色度和亮度测量时，人们仍不能知道会达到何种准确程度。经验表明这个问题会有多么严重。如采用几个色度计来测量一个显示器的不同颜色的色度，人们会发现每个色度计的测量结果都不同，色座标x,y的差别达0.01，明度Y的差别可达10%，这和所测显示器的颜色和类型有关。这种差别比仪器制造厂家所标称的校准误差高一个数量级，而且表明某些商品化的仪器在对显示器的颜色测量时，其误差也就在这个水平。对于许多常见的商业、工业和军事应用来说，颜色测量误差确实是太大了。在很多应用中，完全只依据白炽光源进行校准的方法是不能满足显示器的实际要求的。目前，美国国家标准技术研究所解决了这个问题，对用于显示器测量的专用色度计提出了一种新的校准方法。在校准的过程中，用被检验的色度计和分光辐射计以及一个参考仪器对实际显示器的各种颜色进行测量，以便进行直接地比较，完成校准。根据校准结果，即可用已校正过的色度计在已知色度和亮度误差的情况下对显示器的任一种颜色进行测量。美国国家标准技术研究所的校准方案一般情况下，无论是基准光源还是基准探测器，都可以在校准中用来作传递标准。遗憾的是，各种显示器在色度上不会在一个较长的期间内是稳定的和可重复的，因而不能用作传递标准的光源。为此，必须采用基准探测器的校准方案。基准探测器校准方案需要有一台已知其特性的参考仪器。用这台参考仪器和被校准仪器来测量一个显示器的各种颜色。测量结果之间的差值确定了被校准仪器的误差。当这些误差并为已知时，就可以在被校准仪器的进一步使用中对其测量结果进行修正。一般来说，这种误差在色度和亮度两方面都随所显示颜色的不同而变化，故很难提供一个不同颜色的误差对照表。实验选择了一种更可控制的方法：以所测得的误差为基础，对被校准仪器导出一个修正矩阵。有了这个矩阵就可能对任意一个实际显示的颜色进行修正，以完成由参考仪器向被检仪器所进行的传递校准。为使这一方案得以实现，需要有以下三个先决条件：一个稳定且性能良好的参考探测器用来测量显示器；一个有效的矩阵修正技术及一个在典型的校准测量过程中在色度上稳定的显示器。美国国家标准技术研究所的参考仪器该参考分光辐射计由成像光学系统、一台波长选择用双光栅扫描单色仪和一个光电倍增管（PMT）构成（见图1）。光电倍增管的输出送至一个数字电压表并通过计算机对该电压以波长的函数进行记录。光学输入系统包括一个退偏器和分级滤光片。退偏器可使仪器对偏振的灵敏度降低到小于1%，而分级滤光片放置在光谱仪的入射狭缝之前，可以消除高次光栅衍射效应。这种设计可使该参考仪器具有很适宜的特性（见表1）。用它测量阴极射线管的颜色，其各种色度误差为0.001，明度误差为1%。四色矩阵修正法前面提到的第二个前提是一个有效的修正矩阵技术，用它可以使颜色显示测量中所用三刺激色度计的修正得到改善。其第一步是找出参考仪器和被检仪器对一个显示器的各种颜色所测得结果之间的差异。然后，利用这一数据建立一个3×3的修正矩阵。该矩阵可用来对被检仪器的三刺激值进行变换，使之更加接近参考值。这样，可把被检仪器的修正值表示为未修正值的线性代数和的形式。其关键问题是建立一个修正矩阵以便精确地进行变换，目前已开发出几种不同的方法。例如，美国检测和材料协会对一个显示器的几种颜色提出了一个测量和参考三刺激值间的最小均方根方法，色度值可由这些修正的三刺激值计算得出。但是这种方法并不如人们所期望的那样适用，因为美国检测和材料协会的方法是基于对三刺激值进行变换。显示器的不稳定性以及因仪器的不合理配置和校准所产生的亮度测量误差会影响修正的色度值的准确度。与三刺激值的测量相比，色度值的测量更稳定，更具有重复性。色度值的测量是相对测量，因此很多影响亮度误差的因素可以被减弱或消除。据此，导出了另外一种矩阵修正法——四色法，可进一步降低色度的测量值和参考值之间的差，比三刺激值的测量更有利。由于这种新方法是以色度值的测量为基础，因此对亮度的误差并不敏感，其效果优于前述的美国检测和材料协会所提出的方法。对用不同矩阵方法进行的修正做了比较，修正后的残余误差间的差异示于图2。在对10个显示颜色的检测中，四色法对色度值的均方根差的减小比其他方法更有效。矩阵修正技术设三基色的光谱分布是不变的。然而，实际上在显示器中用同一类型的荧光粉混合时基色光谱的变化不大，但用不同类型荧光粉混合时，其基色光谱会有较大的变化。在相同类型的显示器基色光谱变化不大时采用四色法的效果良好（x,y值的误差仅为±0.001）。但是如果被测显示器和用于导出矩阵的显示器在基色光谱分布上有较大的变化时，其效果也并不理想。这样，对于任何一个显示器而言，只要所用的荧光粉和校准用显示器的类型相同，都可以用一个已校准的仪器进行测量。当然，对于不同类型的显示器，可以分别进行校准，以期获得各自的修正矩阵。校准的结果在美国国家标准技术研究所，研究人员采用该所研制的参考仪器，相对于同一个阴极射线管，校准了5种不同类型的商品化仪器，包括三刺激色度计和阵列分光辐射计。使用一个广播级的阴极射线管作校准源，该显示器在近30Min的比较测量过程中，其色度的变化是可忽略的。用5个被检验的仪器和参考仪器对该阴极射线管显示的10种颜色进行了测量，并对用这些仪器和参考仪器测得的色度值的结果进行了比较，并对其差值进行了记录（见图3）。研究人员发现，用不同仪器所测出的色度值之间有明显的差别。与参考仪器的结果相比，在（x,y）值的测量中，有些仪器的测量值的偏差在±0.002之内，而另外一些仪器对某些颜色的测量值，其偏差超过±0.005，这是预先可知的，因为这些被检仪器在设计上，复杂程度上，甚至在价格上都有很大的不同。一般来说，它们都是质量较高的高档次的仪器。然而，研究人员还期望能对一些低档次的，差值较大的仪器进行校准。首先对基色和全白光进行测量，采用四色法导出每一台仪器的各自修正矩阵，然后用修正过的仪器对10种显示颜色进行测量，并计算出被检仪器和参考仪器测量值的残留色差（见图4）。其结果表明这一校准方法可获得令人惊异的效果。对于明度的测量，研究人员也得到了类似的结果。用已校准的仪器测得的结果明显优于其他仪器的测量结果，然而也有例外的情况，即在使用某些修正矩阵时，用被检仪器和用参考仪器测得的明度值，其差未减小。这一结果表明，当实验噪声或明度误差大而无规则时，四色法对明度测量的修正是不适用的。使用美国国家标准技术研究所的参考仪器可以测量阴极射线管显示的各种颜色，其对（x,y）值测量的“扩展误差”只有0.0012或更小，而且用已校准的仪器进行测量，和参考仪器比较其结果相差只有0.001。这样，用已校准的仪器对阴极射线管显示颜色进行色度（x,y）测量，考虑到每种情况下的最大偏差以及其均方根，其扩展误差为0.0015或更小，如果再考虑到被检测仪器的重复性，该扩展误差也只有0.002的量级或更小。结果表明，用一个参考仪器作比较，这一校准方法可以对各种不同的色度计进行校准修正，尽管这些被检仪器对显示颜色的未修正测量结果有较大的误差。但这并无妨。这种校准能使这些仪器在测量色度(x,y)值时的扩展误差只有0.002或更小，完全在常规仪器检验所要求的限定范围之内，也完全符合国际标准所规定的范围。美国国家标准技术研究所已在2000年采用了这一技术并提供校准服务。这样，无论是显示器的制造者还是使用者，都会知道屏幕上显示下一页