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中山大学硕士学位论文 摘要 论文题目：基于l u v 色度体系的l e d 屏幕色差校准系统模型的研究 专业：光学工程 硕士生：王嘉辉 导师：蔡志岗教授李熙莹副教授 摘要 在现实生活中，l e d 大屏幕显示在户外广告、大型演出场合、运动场演示、 室内显示等方面都有广泛的应用。色差是评价l e d 屏幕显示质量的一个重要指 标。由于l e d 屏幕中每颗灯管因为制造工艺的不均匀性致使其主波长存在偏差， 造成颜色的不同，从而降低了l e d 屏幕的可视性。因此，如何对l e d 屏幕的颜色 均匀性进行快速测量和评价，再针对色差进行修正，对l e d 显示技术的发展具有 重要的意义。本论文所研究的内容就围绕着l e d 屏幕的色差的测量、评价和调整 展开的，并设计了一套l e d 屏幕色差校准系统模型。 本文首先简述了l e d 的发光原理及相关的特性参数，然后讲解了选取l 宰u 幸v 幸 色空间来评价l e d 屏幕色差的理由，并从色度学的角度出发提出采用重心法求出 l e d 屏幕的颜色基准的方案，采用c i e l 9 7 6 均匀色空间中色差的概念来评价l e d 屏幕的色差。 基于以上工作，结合色度学与图像处理技术提出的l e d 屏幕色差校准系统模 型，一方面基于色度学原理设计了实验装置及测量环境，另一方面运用图像处理 中的图像分割与标记技术在m a t l a b 平台上编写了系统处理软件，并首先提出利 用色差矩阵结合色差校正方程组的方案。通过软件的处理，可以算出每个l e d 单 元的色度，及其与屏幕的颜色标准间的色差，并对超出色差宽容度的单元提出调 整颜色的方案，从根本上缩小每个单元之间的颜色差异。本论文在评价了此系统 模型的可行性与实用性，确定本系统最终可以达到调整l e d 评级屏幕颜色均匀性 的目的。 关键词：色差校准，cie 19 7 6b u 爿c v 宰色空间，l e d 屏幕，图像处理，色差矩 阵，色差校正方程组 中山大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fo p t i c a ll a b o r a t o r yb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y n a m e ：w a n gj i a h u i s u p e r v i s o r ：p r o f c a iz h i g a n g ，a s s o c p r o f l ix i y i n g a b s t r a c t i no u rd a i l yi i r e ，l a r g es c r e e nd i s p l a yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n ya r e a s ，s u c ha s o u t d o o ra d v e r t i s e m e n t s c o n c e r t s ，a t h l e t i cm e e t i n g s ，i n d o o r d i s p l a ye t c c o l o r u n i f o r m i t yi so n eo fc o n c e r n f u ip a r a m e t e r sf o rl e dp a n e l al e dp a n e | sf o r mb y m a n yl e du n i t s b e c a u s eo ff ab r i c a t i o n ，sh e t e r o g e n e i t y , e v e r yl e d h a sd i f f e r e n t w a v e l e n g t hw i t ho t h e m t h e ni t ，i im a k ee v e r yu n i ts h o w sd i f f e r e n tc o l o eh o w t or e s t r i c tl e dp a n e l sc o l o rd i f f e r e n c ei na c c e p t a b l er a n g ei sah o t s p o to fl e d a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t h i st h e s i ss i m p l yi n t r o d u c e sl e dl i g h t i n gt h e o r ya n dc h a r a c t e r s f o ru n i f o r m i t y , l 奉u 幸v 木c o l o rs p a c eh a sb e e nc h o s et om e a s u r ec o l o rd i f f e r e n c eo fl e dp a n e l b a s e d o nh u m a nv i s i o na n dc o l o r i m e t r y , b a r y c e n t e rm e a nt oe s t i m a t ec o l o rs t a n d a r di sf i r s t p r o p o s e d l e dp a n e l sc o l o h i f f e r e n c ea d j u s t m e n ts y s t e mm o d e ih a sb e e nd e s i g n e d b yc o l o r i m e t r ya n di m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y o no n eh a n d ，t h et h e s i s p r e s e n t st h ee x p e r i m e n t si n s t r u m e n t sa n de n v i r o n m e n t ；o nt h eo t h e rh a n d 。 t h es y s t e m sf u n c t i o n sa r ee x p l a i n e d a f t e rp r o c e s s i n gl e dp a n e l si m a g eb y s o f t w a r e e v e r yl e d sc h r o m ap a r a m e t e rh a sb e e no b t a i n e d t h e ni t ，| lg e ta c o l o rd i f f e r e n c ef 怕ml e dp a n e l ss t a n d a r dt oe v e r yl e du n i t a na d i u s t m e n t m a t r i xi sp r o p o s e dt og u i d eh o wt oa d j u s tr e dg r e e na n db l u el e d so fe v e r y u n i tw h i c hw i l ia m e l i o r a t el e dp a n e l sc o l o ru n i f o r n l i 蚀t h i st h e s i sd i s c u s s f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fl e dp a n e l sc o l o 卜d i f f e r e n c ea d j u s t m e n ts y s t e m m o d e l 。a n dp r o v e st h i sm o d e lb ea b l et or e d u c el e dp a n e l sc o l o rd i f f e r e n c e k e y w o r d s ：c o l o rd i f f e r e n c ea d j u s t m e n t ，c i e l 9 7 6l 木u 木v 木c o l o rs p a c e ，l e d p a n e l ，i m a g ep r o c e s s i n g ，c o l o rd i f f e r e n c em a t r i x ，a d j u s t m e n tf u n c t i o n 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师削= 百 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： g 气年6 只脚 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：鳓导师签名： 学位论文作者签名：了鬟珊导师签名： 厂 。 日期： 。7 年多月p 日 日期：7铋具f | b 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师 指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学 院，受国家知识产权法保护夺在学期间与毕业后以任何形式公开 发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的 书面许可，本入不得以任何方式，以任何其它单位傲全部帮局部 署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 学馘支储躲缮薄 日期： 护7 年6 月。日 中山大学硕学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1l 功屏幕的发展与所遇到的问题 l e d 显示屏系统“，主要由显示屏( 含显示阵列行、列驱动电路，电源) ， 显示屏控制器和计算机( 含录入管理软件) 这三个主要部分组成。可以实现视频、 音频、数据及其它信息接收、存储、管理和最终的显示播放。主要功能是再现图 文声音和视频信息。l e d 屏幕是集光、电、声为一体的新型广告媒体。它采用先 进的多媒体技术和相应的软件，可以通过计算机键盘、扫描仪、录像机、摄像机 等输入中西文字，图形视频图像等。由计算机发出的信息和控制信号，通过控制 器和行列驱动电路，控制发光二极管的亮暗状态，从而在显示阵面上显示出多色， 多灰度生动活泼的绚脯多彩的各种画面。 l e d 显示屏是作为广播、电视、报纸、杂志之后的叉一新传播媒体。目前在 商场、广场、体育馆、车站、码头、航空港、医院、银行、证券期货交易所、电 视台的演播室、人型企业形象宣传牌、监控中心等处都有开益广泛的应用“1 。如 图1 7 所示，0 9 年初北京世贸新世界的天幕是采用l e d 拼接屏幕搭建而成的， 是目前国内最大的l e d 拼接显示屏，其尺寸为3 5 0 米长，1 6 米宽。图1 8 为典 型的l e d 屏幕的像素点阵分布图。国中每一个单元即为一个屏幕上的一个像素。 图17 世贸新世界l e d 天幕 图1 8l e d 屏幕点阵图 1 即显示屏根据使用场所可以分为室外屏与室内屏两种，其主要区别是发光 管的发光亮度、像素点之间的间距以及封装的工艺要求不同。因为户外的工作环 中山大学硕士学位论文第一章绪论 境远较室内复杂，而且户外的光照水平远高于室内，同时户外的观看距离要大大 远于室内的情况，所以室外屏要求由高亮度、封装工艺严格的l e d 组装而成，而 室内屏在这方面的要求要低些，但是像素的间距要小于室外屏许多。另外，根据 所显示的内容则也可以分为图像屏和文字屏两种，图像屏可以显示图象以及多媒 体，而文字屏则主要显示文字，也可以显示简单的固定图像，有单色和三色两种。 显示图像的多媒体室外屏是投资巨大( 造价常在数百万以上) 的大型高档设备， 主要应用在大型公共场所、形象工程和大型户外演出一些重要场所。l e d 室外全 彩色显示系统由红、绿、蓝三原色组成，可显示不同的颜色，在阳光照射下，屏 幕能够显示清晰的图像。 1 1 1l e d 屏幕的发展历程 l e d 发光二极管是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十年代， 随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和卜- n 结形成技术的研究进展，发光 二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高，并迅速进入批量化和实用化。进入八 十年代后，l e d 在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品 即l e d 显示屏。此后l e d 显示屏发展大致经历了三个阶段晦1 ： ( 1 ) 1 0 9 0 年以前，l e d 显示屏的成长形成时期。一方面，受l e d 材料器件的限制， l e d 显示屏的应用领域没有广泛展开：另一方面，显示屏控制技术基本上采取 的是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的l e d 显示屏在国外 应用较广，国内较少，产品以红、绿双基色为主，灰度等级为单点4 级调灰， 产品的成本比较高。 ( 2 ) 1 9 9 0 1 9 9 5 年，l e d 显示屏迅速发展时期。九十年代，全球信息产业高速增长， 信息技术各个领域不断突破，在l e d 材料和控制技术方面也不断踊跃出新的 成果。蓝色l e d 晶片的研制成功使全彩色l e d 显示屏进入市场。视频控制技 术的成熟运用使显示屏控制实现1 6 级和6 4 级灰度调灰，显示效果大大提高。 这一时期，l e d 显示屏在我国发展速度非常迅速，从初期的几家企业、年产 值几千万元，发展到几十家企业、年产值几亿元。产品应用领域涉及金融证 券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域， 特别是1 9 9 3 年证券股票业的发展，更促使了l e d 显示屏作为平板显示领域 主流产品局面的形成，l e d 显示屏产业成为新兴的高科技产业。 ( 3 ) 1 9 9 5 年以后，l e d 显示屏的发展进入总体稳步提高、产业格局调整完善的时 期。l e d 显示屏产业内部竞争的加剧使产品价格大幅回落，应用领域更为广 阔，但同时也发现产品在质量、标准化等方面存在一系列问题。有关部门开 始对l e d 显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前这方面的 工作仍在逐步深化。 2 中山大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2l e d 显示屏存在的问题 l e d 显示屏显示效果的好坏直接取决于显示屏发光模块的质量优劣。发光模 块的成本占显示屏整个造价的一半以上。目前，国内部分半导体生产厂家虽然具 有了真彩色l e d 发光模块生产和封装能力，但是由于缺少真彩色l e d 发光模块相 应的产品规范和标准。使得各个厂家生产出的发光模块产品质千差万别。突出表 现出来的问题是发光模块之间的发光亮度、色度不一致性过大h 引。在组装显示 屏时，就会不可避免地出现“马赛克”现象，极大地影响了显示屏的显示效果， 降低了显示屏的产品质量和档次。目前来讲，国内l e d 显示模块在生产过程中造 成各个模块的亮度、色彩饱和度之间存在不同的原因主要有三点： ( 1 ) 发光模块的核心原件l e d 芯片大多是使用气相沉积( m o c v d ) 法制作的。 该方法在制作时不能保证每颗芯片掺杂的浓度一致。这一结果必然会造成即 使是同一批次生产的生产出来的每个l e d 芯片之间的亮度、色彩饱和度存在 一定差异；不同批次的l e d 芯片之间的差异则会更大。 ( 2 ) l e d 封装灯杯的形状，主要是灯杯曲率的不一致，会影响l e d 的聚光效果， 即光束的会聚程度，灯杯越尖则会聚程度越高，功率相同的l e d 灯杯较尖的 比灯杯较圆的光线更集中，视觉效果会亮一些。 ( 2 ) 在封装显示模块时，国外都采用了较为高级的拉丝工艺，把硅片封装在模 块中时，通过拉丝工艺把硅片拉丝成管脚直接连到模块外部，不需要使用其 它导电介质，从而很好地避免了内部阻抗的变化。国内企业由于生产和加工 工艺都落后于国外企业，无法达到拉丝工艺水平，只能使用导电胶将硅片粘 在模块上，再通过导电管脚连到模块外部。导电胶的使用就造成了各个模块 内部阻抗的不同，从而造成各个显示模块之间亮度不同。由于以上原因，国 内生产厂家生产的显示模块每个亮度都不太一样，产品检验时又没有专门的 设备对每一个象素的亮度进行准确的校正，只是用人工目测方式进行一般的 质量检验。这样生产出来的显示模块的质量与工艺水平都无法与国外产品相 匹敌。 1 2 本文研究问题的提出 本论文研究的课题是在这样的一个背景、主要考虑以下几个技术问题而提出 来的： 目前我国l e d 显示屏显示模块生产业对屏幕存在的颜色差异缺乏有效的测 量、评价和校正的方法和手段。国外对l e d 显示屏发光模块的测试设备的研发， 相比较国内来说开展较早，但测试标准仍尚未统一，现有设备造价极其昂贵。例 如，日本s o n y 公司为了实现对l e d 显示屏发光元器件的发光效果一致性进行测 3 中山大学硕上学位论文 第一章绪论 试和标记，以配合生产时进行一致性矫正，投资上千万美元开发了一整套全自动 化测试、采集、矫正、生产流水线。 相比国内只有少数半导体和显示屏厂商在产前对不同亮度的发光模块进行 分类，但大都采用将发光模块点亮后，用肉眼进行识别和观察，以感官为依据对 产品进行分类砷h 3 。这样的方法很难保证测试的准确性，工作效率也极其低下。 另外，目前中华人民共和国电子行业标准发光二极管( l e d ) 显示屏测试方法 n 5 1 和其他相关规范n 6 h 1 8 1 对于l e d 显示屏的质量评定标准中，也还有很大一部分 是以目测结果为依据进行规定的。 应用于生产的一个有效方法是使用仪器测量的逐点校正法。对于主流的户外 显示屏，要对上万乃至几十万个像素的l e d 灯管进行逐点的色度测量和校正的工 程量十分庞大。而且是，逐点使用色度计、光度计测量，反馈驱动电路进行校正 对工程人员的要求仍然很高。 还有一个实际问题，现有l e d 屏幕即使安装时屏幕整体效果足够理想，但由 于屏幕上每个像素( 即l e d 灯管) 随时间的光衰( 即亮度下降速度) 各不相同， 在以后一到两年内，各像素的亮度与颜色也无法再保持一致。另外，当需要更换 有缺陷的面板时，新换上的面板的亮度在视觉上就会和其他面板有差异，对显示 屏整体显示效果造成不良影响。这时，需要有相关的设备能够对此时屏幕的“马 赛克”现象进行亮度与颜色的调整，使整个显示屏保持亮度与色度的一致性n 钉啪1 。 为了解决仪器测试效率低和目测精确度差的缺点，我国部分高校和研究所， 如哈尔滨工程大学、浙江大学等少数几家高校和研究所采用了图像处理的技术进 行l e d 屏幕显示一致性测量技术的研究犯妇1 矧。但是他们研究均仅局限于亮度校 正方面，其方法是测量了整个屏幕各个像素三原色的最大亮度后，分别将所有灯 的三原色亮度调至与最高亮度值最小的灯一样，即认为所有的灯亮度一致，方法 略微粗糙，并且未涉及l e d 屏幕色度一致性的校正，而l e d 的显示效果是受亮度 与色度同时影响的，仅调整亮度一致性，不能最终获得显示效果好的画面。因此， 设计一套l e d 屏幕色度一致性的快速校准系统是十分必要且有意义的。 综合上述需求，本文计划通过实验，首先优化出一种快速、科学、可靠的 l e d 屏幕色度的测量与评价的方法，包括测试的手段以及测试环境的方案等。在 测量l e d 屏幕色度参数的基础上，将基于图像处理技术设计一套l e d 屏幕色差校 正系统，对待测屏幕进行拍摄后，在计算机内完成l e d 屏幕色度、亮度的计算与 统计，评价整个屏幕各像素之间的颜色差异( 即色差) ，根据处理所得的色差结 果指导l e d 屏幕驱动系统改变驱动电流，对屏幕每个像素进行亮度与色度一致性 进行校正，在不改变原有l e d 屏幕的硬件基础上，实现屏幕整体显示质量的提高。 1 3 l e d 的结构与发光原理 发光二极管，通常也叫光发射二极管( l i g h te m i t t i n g d i o d e ，简写为l e d ) 4 中山大学硕士学位论文 第一章绪论 是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源。 l e d 是一种注入式电致发光器件。由于它具有高效率、使用寿命长、抗振动 和冲击、低紫外线辐射、低放热、可在5 0 。c 以下环境温度中正常工作、特殊的 光色、体积小，功耗低、可视性高、易实现固体化、响应速度快、亮度高、易和 集成电路匹配等优点而获得广泛应用。比如，公路和铁路交通信号灯和交通信息 显示板，汽车车灯，用作航海和水路标志，供涂敷透明图案板的正文或象征符标 照明用以及电力网远距离传输系统指示器，红外波段l e d 族可用于遥控、自动化 和医疗装置，l e d 还可作为l c d 的背景光源。在光纤通信、全彩色显示屏，照明 光源的开拓应用等方面也具有很高的应用价值。 近年来，l e d 显示屏作为多媒体技术的重要载体之一，在人们工作、生活和 娱乐当中起着越来越重要的作用，逐渐引起人们的关注n8 1 。特别是在大屏幕显示 方面，由于l e d 具有工作电压低、耐冲击、抗震动、寿命长( 超过1 0 万小时) ， 便于灵活拼装，显示屏幕分辨率高等优势，所以在大型的显示设备中，目前尚无 其他的显示方式与l e d 显示方式匹敌。l e d 早已取代d m d 拼接屏和霓虹灯成为室 外大屏幕显示的主流方向。 l e d 基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有正极与负极两条引 线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线及调整光线照射方向 的作用，所以l e d 具有抗震性能好和光照汇聚的优点。典型的l e d 结构图如下图 1 1 所示： 图1 1l e d 结构图 阴板抒 发光二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的芯片。下面图1 2 所示的是常规的i n g a n 蓝光发光二极管芯片结构简图。一块l e d 芯片主要分为衬 底，外延层( 图1 2 中的n 型氮化镓，铝镓铟磷有源区和p 型氮化镓) ，透明接触 层，p 型与n 型电极、钝化层等几部分组成。其中钝化层的作用是保护透明接触层。 5 中山大学硕+ 学位论文 第一章绪论 图1 2 常规i n g a n 蓝宝石衬底l e d 芯片剖面图 在p 型半导体和n 型半 导体之间存在一个过渡层，称 为p n 结。跨过此p n 结，电 子从n 型材料扩散到p 区，而空 穴则从p 型材料扩散到n 区， 如右面的图1 3 ( a ) 所示。作 为这一相互扩散的结果，在p n 结处形成了一个高度的eav 的势垒，阻止电子和空穴的进 一步扩散，达到平衡状态( 见 图1 3 ( b ) ) 。 当外加一个足够高的直流 电压v 时，且p 型材料接正 极，n 型材料接负极时，电子 和空穴将克服在p n 结处的势 垒，分别流向p 区和r l 区。 在p n 结处，电子与空穴相遇， 复合，电子由高能级跃迁到低 能级，电子将多余的能量将以 发射光子的形式释放出来，产 生电致发光现象。这就是发光 s = 一 i ：+一： ：+一： ：_ + ： ：电场 ： n( a ) ( a ) 电子和空穴扩散； ( b ) 形成势垒； ( c )电子和空穴复合发光 图1 3l e d - i - 作原理图 c ) 二极管的发光原理。( 见图1 3 ( c ) ) 。通过材料的选择可以改变半导体的能带带 隙，从而就可以发出从紫外到红外不同波长的光线，且发光的强弱与注入电流有 关。例如，由目前流行的第三代半导体材料叫a n 所制成的l e d 光谱分布很宽， 6 莳羽噩=剽彭稳黜蚕 中山大学硕士学位论文第一章绪论 可以从紫外的3 8 0 n t o ，到蓝色的4 6 5 n m ，直至翠绿色的5 2 5 n m 。 1 4 l e d 主要的电光特性 l e d 芯片的厂家很多，各家的制作方法不同、技术工艺水平高低不同，所生产 的l e d 芯片性能及可靠性有很大差异。因此，l e d 电光特性的测量在大屏幕显示、 l e d 照明光源等对颜色要求较高的场合，品质控制的难度和重要性均显得特别突 出。l e d 的特性有许多，不能一一赘述，下面仅列举与l e d 的亮度和色度相关的一 些电光方面的特性： ( 1 ) 光谱分布、峰值波长和光谱辐射带宽：发光二极管所发出的光并非是单 一波长的，其波长具有正态分布的特点，在最大光谱能量( 功率) 处的波长成为峰 值波长。峰值波长在实际应用中其意义并不是十分明显，这是因为即使有两个l e d 的峰值波长是一样的，但它们在人眼中引起的色感觉也是可能不同的。 光谱辐射带宽是指光谱辐射功率大于等于最大值一半的波长间隔，它表示发 光管的光谱纯度。光谱辐射带宽越窄，贝j j l e d 所发的光颜色饱和度越高。g a n 基发 光二极管的光谱射带宽在2 5 至3 0 h m 范围。 ( 2 ) 光通量：l e d 光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的感应，称为光通 量，( 单位是流明( 1 m ) ) ，是指l e d 向整个空间在单位时间内发射的能引起人 眼视觉的辐射通量。例如一个1 0 0w 的灯泡可产生1 5 0 0 1 m ，一支4 0w 的日光灯可 产生3 5 0 0 1 m 的光通量。 墨翰硼d帅讨0 b 艘长( 眦) 图1 4 明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数 但要考虑人眼对不同波长的可见光的光灵敏度是不同的，国际照明委员会 ( c i e ) 为人眼对不同波长单色光的灵敏度作了总结，在明视觉条件( 亮度大于 3 c d m 2 ) 下，归结出人眼标准光度观测者光谱光效率函数v ( z ) 。如上图1 4 中 7 吖 们帖呐咐 迥越霉茛罂 中山大学硕士学位论文第一章绪论 的实线所示，人眼在绿光( 5 5 5 朐) 上有最大值，此时1 w 的辐射通量等于6 8 3 1 m ； 图1 4 中的虚线v ( 九) 为人眼在暗视觉条件( 亮度为0 0 0 1 c d m 2 以下) 下的光谱 光视效率。 ( 3 ) 色温：不同的光源，由于发光物质成份不同，其光谱功率分布有很大 差异，一种确定的光谱功率分布显示为一种相应的光色，我们可以将光源所发的 光与“黑体 辐射的光相比较来描述它的光色。人们用黑体加热到不同温度所发 出的不同光色来表达一个光源的颜色，称作光源的颜色温度，简称色温。用光源 最接近黑体轨迹的颜色来确定该光源的色温，这样确定的色温叫做相关色温。以 绝对温度k 来表示，即将一黑体加热，温度升到一定程度时，颜色逐渐由深红一 浅红一橙红一黄一黄白一白一蓝白一蓝变化。如：当黑体加热呈现深红时温度约为5 5 0 ，色温为8 2 3 k 。 ( 4 ) p i 特性：e p l e d 轴向光强与正向注入电流关系特性。由于一个产品 中往往要使用许多个l e d ，各l e d 的发光亮度必须相同或成一定比例后才能呈现统 一的外观，因此，必须使用恒流源控制好各l e d 的工作电流，从而使各l e d 的亮度 达到的一致性。l e d 光强的测量是按照光度学上的距离平方反比定律来实现的。 我们的测量电路及装置如图1 5 和1 6 9 所示。根据c i e l 2 7 - 1 9 9 7 标准，取l e d 至u 探 测器端面距离d = l o o m m ，探测器接收面直径a = 1 1 3 m m 。 可调稳流 电流源 图1 5 l e dp l 特性测试电路图 图1 6l e dp i 特性测试装置图 本章介绍了目前我国l e d 显示屏幕的发展情况和所遇到的无法保证屏幕的 亮度与色度一致性的问题，在此基础上提出设计一套l e d 屏幕色差校正系统，在 不改变原有l e d 屏幕的硬件基础上，对屏幕逐点进行亮度与色度一致性进行校 正，实现屏幕整体显示质量的提高。本章还讨论了l e d 发光二极管的构造和工作 原理，以及与l e d 的色度与光度相关的特性参数。 本文的第二章将介绍色度学的混色原理、不同的色度体系，并选择了1 9 7 6 c i el u v 色度体系作为系统中进行颜色评价的平台，讲述了色差定义并提出了 一种新的评价颜色标准的方法一质心法，根据选定的l u v 色度体系确定了颜 色差异的容忍度。 8 中山大学硕士学位论文 第一章绪论 第三章首先讲述整个l e d 屏幕色差校正系统的设计思路和组成方案，然后 详细介绍了硬件选择的条件，并根据选定的硬件，建立了一套包括设备工作参数 和测量坏境在内的完整的测试方案。 第四章阐述了m a t l a b 开发平台的优点，并对软件部分的工作流程进行了分 析。然后，按照系统工作流程的顺序，详细地讨论了图像的分割和标记、- - n 激 值的g a m m a 校正、色度坐标的计算、色差评定的原理和软件实现的过程，推导得 出色差校正函数方程组。 第五章展示了所开发的软件的界面，并给出了图像分割效果图，屏幕各个像 素色度的计算、整体的颜色标准、色差矩阵的运算结果，并将色差矩阵代入色差 校正方程组，计算得到了色差校正矩阵。 在最后的第六章中对本文的工作进行了概括和总结，并讨论了有待完善的地 方，为下一步的工作提供参考。 9 中山大学硕士学位论文第二章l e d 屏幕色差分析及校正方案 第二章l e d 屏幕色差分析及校正方案 全彩l e d 屏幕之所以能显示出不同的颜色，是因为屏幕中的每个像素均有 红、绿、蓝三原色l e d 芯片组成，改变某种基色的注入电流就可以改变该芯片的 亮度，适当调配三种芯片的光功率，就可以把不同亮度的三原色光，混合出不同 颜色的光进行显示。如本系统的所测试的l e d 屏幕样品中红、绿、蓝三原色芯片 的注入电流的可调范围分为2 5 6 个分立的等份，也即是所谓的色阶，每个色阶对 应一个电流值，所以每一种芯片的电流就有2 5 6 中取值，故该屏幕可以显示1 6 8 0 万( 2 5 6 3 ) 种不同的颜色。 因为l e d 芯片制造工艺的不一致和注入电流的不恒定，均会造成l e d 芯片光 功率的差异，所以在混色之后的屏幕各像素之间的颜色便会产生差异，差异较小 不会被人眼所发现，如果差异达到一定的程度就会被人眼所发现，差异继续增大 的话，观看屏幕时就会产生不适。而如何对差异进行评判，差异可以容忍的限度 等均属于色度学中的内容，本文在这一章将会集中从色度学的角度讲述如何实用 科学的方法计算l e d 屏幕颜色的依据，评价颜色差异的方法和差异可以容忍的限 度等相关的内容。 色度学与物理光学等学科的基础不同，是一种主观的科学，以人类的平均感 觉为基础，因此属于人类工程学范畴，以对光强的度量为例，物理光学以光的辐 射能量这个客观单位来度量，而色度学却以色光对人眼的刺激强度来度量。光功 率相同的红光与黄光相比，波长较长的红光对人的感觉而言，没有黄光的亮度高， 即人们就认为黄光的强度比红光大。 色度学基础是颜色的混色。把两种或两种以上的光进行叠加获得新的颜色的 方法叫混色。l e d 等发光物体的混色是利用色光加色来实现的。t o m a sy o u n g 提 出三基色原理：任何彩色可以用合适的三种基本色混合而再生。实验也证明：采 用三原色光可以混合出新的颜色。 1 8 5 4 年格拉斯曼( h g r a s s m a n n ) 在大量颜色混合实验的基础上总结出颜色 混合的定性定律，成为格拉斯曼定律瞳”，为现代色度学的奠定了基础。 ( 1 ) 人的视觉只能辨别颜色三种变化：明度、色调和饱和度。 ( 2 ) 在由两种成分组成的混合色中，如果一种成分连续变化，混合色的外貌也 连续变化。若两种颜色互为补色，以适当的比例混合，便产生白的或者灰 色，其他比例混合，便会产生近似于比重大的那种颜色成分的非饱和色； 若任何两种非补色相混合，便会产生中间色，中间色的色调和饱和度随这 两种颜色的色调以及相对数量不同而变化。 中山人学硕士学位论文第二章l e d 屏幕色差分析及校正方案 ( 3 ) 颜色外貌相同的光，不管他们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相 同的效果。也就是说，凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。 混合色的总亮度等于组成混合色的各种色光的亮度的总和，成为亮度相加定 律。据格拉斯曼定律，在色光混合匹配方面，可以用下列数学公式来描述，先假 设有四种颜色a 、b 、c 和d ： 两个相同颜色各自与另外两个相同颜色相加混合后，颜色仍然相同，用公式 表示为： 彳= bc=d 则有彳+ c = b + d ( 2 2 ) 两个相同的颜色，每个相应的减去相同的颜色，剩余下的颜色仍相同。用公 式表示为： 彳= bc=d 贝0 有 么一c = b d ( 2 - 3 ) 一个单位量的颜色和另一个单位量的颜色相同，那这两种颜色数量同时扩大 或缩小相同倍数则两颜色仍为相同。用公式表示为： 么= b 则 n , 4 = n b 又如果 彳+ b = cx + y = b ( 2 - 4 ) 则么+ ( x + d = c ( 2 - 5 ) 称为代替律( l a wo fs u b s t i t u t i o n ) 。根据这个定律，凡是视感觉上相同的色光 便可以互相代替，所得的视觉效果是同样的。因此，可以利用颜色混合方法来产 生或代替各种所需要的颜色。代替律是一条非常重要的定律，现代色度学就是建 立在这一理论的基础上。 格拉斯曼定律仅适用各种颜色光的相加混合过程。 三原色可以任意选定，但是三原色的任何一种颜色不能由其余两种颜色 相加混合得到。最常用的三原色就是红、绿、蓝。调配不同颜色时，所需的三原 色光亮度不同，可用颜色方程表示j ： c = r ( r ) + g ( g ) - i - b ( b ) ( 2 - 1 ) 式中c 表示待配色光；( r ) 、( g ) 、( b ) 代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的 单位量；r 、g 、b 分别为匹配待配色所需要的红、绿、蓝三原色的数量，称为三 刺激值，可为负值。式中的“= 代表视觉上的相等。 在混色过程中，待测色达到色匹配时所需要的三原色的数量，称为三刺激值 中山大学硕士学位论文 第二章l e d 屏幕色差分析及校j 下方案 量，也就是颜色匹配方程中的r 、g 、b 值。选定三原色以后，则一种颜色与一组 r 、g 、b 相对应，颜色感觉可以通过三刺激值定量表示。任意两种颜色只要r 、g 、 b 值相同，颜色的感觉就是相同的。 国际照明委员会( 英文简称c i e ) 规定红、绿、蓝三原色的波长分别为7 0 0 n m 、 5 4 6 1 n m 、4 3 5 8 n m ，7 0 0 n m 是可见光谱的红色末端，5 4 6 1 n m 和4 3 5 8 n m 为明显 的汞谱线。在颜色匹配实验中，当红、绿、蓝三原色光的相对亮度比例为1 0 0 0 0 ： 4 5 9 0 7 ：0 0 6 0 1 时就能匹配出等能白光，对应的辐射量度比率是：7 2 0 9 6 2 ： 1 3 7 9 ：1 0 0 0 0 ，所以c i e 选取这一比例作为红、绿、蓝三原色的单位量，即( r ) ： ( g ) ：( b ) = 1 ：l ：1 。尽管这时三原色的亮度值并不等，但c i e 却把每一原色 的亮度值作为一个单位看待，所以色光加色法中三原色光等比例混合结果为白 光，即( r ) + ( g ) + ( b ) = ( w ) 。 2 11 9 31 c i e r g b 色度体系 c i e1 9 3 1 一r g b 系统是建立在莱特( w d w r i g h t ) 和继而德( j g u ii d ) 两项颜 色匹配实验基础上的啪3 。其核心c i e r g b 光谱三刺激值，是3 1 7 位正常视觉 者，用c i e 规定的红、绿、蓝三原色光，对等能光谱色从3 8 0 n t o 到7 8 0 n m 所进 行的专门性颜色混合匹配实验得到的。实验时，匹配光谱每一波长为c ( 入) 的 等能光谱色所对应的红、绿、蓝三原色数量，称为光谱三刺激值，记为 ；( 允) 百( a ) 和6 ( a ) ，它是c i e 在对等能光谱色进行匹配时用来表示红、绿、蓝三原 色的专用符号。因此，匹配波长为入的等能光谱色c ( 入) 的颜色方程为 c ( 允) = r ( a ) ( r ) + g ( 允) ( g ) + 6 ( 九) ( b ) ( 2 - 6 ) 式中( r ) 、( g ) 、( b ) 为三原色的单位量，分别为1 0 0 0 0 、4 5 9 0 7 、0 0 6 0 1 ； c ( 入) 在数值上表示等能光谱色的相对亮度，如下图2 所示，其中最大值为c ( 5 5 5 ) 。且有c ( 5 5 5 ) = l ，即 c ( 5 5 5 ) = r ( 5 5 5 ) ( r ) + g ( 5 5 5 ) ( g ) + b ( 5 5 5 ) ( b ) ( 2 - 7 ) 光谱三刺激值曲线如图2 1 所示。从图2 1 中可以看到，三刺激值存在负刺 激值，即4 3 5 8 n m 至5 1 6 i n m 之间红色刺激值曲线的负值部分。这是因为待配色 为单色光，其饱和度很高，而三原色光混合后饱和度必然降低，无法和待配色实 现匹配。为实现颜色匹配，实验中须将上方红、绿、蓝三原色光中的一种从移到 待配色一侧，并与之相加混合，从而使上下色光的饱和度相匹配。例如，将红色 移到待配色一侧，实现了颜色匹配，则颜色方程为： c ( a ) + ，( a ) ( r ) = g ( a ) ( g ) + 6 ( 允) ( b ) ( 2 8 ) 中山大学硕士学位论文 第二章l e d 屏幕色差分析及校正方案 因此，待配色 c ( z ) = 一，( a ) ( r ) + g ( a ) ( g ) + 6 ( 允) ( b ) ( 2 9 ) 所以，( a ) 出现了负值。 警f l 。 怒 攀 ，、毛幻 l “ 、峪一| _厂 入一y 一、j 、l j ii 廿n 澎聋0 ，咖害 i 篁 尹fj 乏： i ! 凄一j 一递一 i 莓 图2 11 9 3 1 c i e - r g b 系统光谱三刺激值曲线图 在颜色匹配实验中，为了表示红、绿、蓝三原色各自在三刺激值总量中的相 对比例，科学家引入了色度坐标r 、g 、b 。 似) - ，卅一g ( 卅矾) 鲋) _ g m g ( 卅砸) ( 2 _ 1 0 ) m ) = 以卅否( 卅占( 旯) 式( 2 - 1 0 ) 中r ( 入) 、g ( 入) 、b ( 入) 均为光谱色度坐标。从上式可知 r ( 入) + g ( 入) + b ( 入) = 1 。色度坐标r ( 入) 、g ( 入) 、b ( 入) 反映的是三原色各自在 三刺激值总量中的相对比例，一组色度坐标表示了色相相同和饱和度相同而亮度 不同的那些颜色的共同特征。 图2 2 是按光谱色度坐标的数据画出的r g 色度图的轮廓曲线。这一系统规 定的等能白光e 光源( 色温5 5 0 0 k ) ，位于色度图的中心( o 3 3 ，0 3 3 ) 。在c i er g 中山大学硕十学位论文第二章l e d 屏幕色差分析及校正方案 色度图中色度坐标反映的是三原色各自在三刺激值总量中的相对比例，一组色度 坐标表示了色相相同和饱和度相同而亮度不同的那些颜色的共同特征，因此c i e r g 色度图并不反映颜色亮度的变化，色度图的轮廓表达出了颜色的色域范围。 y 毫 | 、 | 、。 獠色 劈”弘穆n 秭 0 ：毒8 。1 n m 一? = l ：a= l 。o 1 i 蠡0 。霉 飞2 黜芝、? r 图2 2c i er g 色度图 1 9 3 1 c i e r g b 系统的r ( 入) 、g ( 入) 、b ( 入) 光谱三刺激值是从实验得出来的， 本来可以用于颜色测量和标定以及色度学计算，但是实验结果得到的用来标定光 谱色的原色出现了负值( 在马蹄形的光谱轨迹中，很大一部分色度坐标r 是负 值) ，正负交替不宜理解也适合于计算。因此，为了解决以上的问题，消除刺激 值中的负值部分，1 9 3 1 年c i e 推荐了一个新的国际色度学系统1 9 3 1 c i e x y z 系统，又称为x y z 国际坐标制。 2 2c i e x y z 色度体系 所谓1 9 3 1 c i e - x y z 系统，就是在r g b 系统的基础上，用数学方法，选用三个 理想的原色来代替实际的三原色，从而将c i e - r g b 系统中的光谱三刺激值 r ( a ) 、g ( a ) 和b ( 九) 和色度坐标r ( 入) 、g ( 入) 、b ( 入) 均变为正值。 选择三个理想的原色( 三刺激值) x 、y 、z ，x 代表红原色，y 代表绿原色， z 代表蓝原色，其具体情况如上面的图2 2 所示，可以看出这三个原色不是物理 1 4 巾山大学硕士学位论文 第二章l e d 屏幕色差分析及校正方案 上的真实色，而是虚构的假想色。它们在图1 - 5 中的色度坐标如下表2 1 ： 表2 1x y z 三原色点在r g 色度坐标中的位置 r g b x1 2 7 5- 0 2 7 80 0 0 3 y 一1 7 3 92 7 6 7- 0 0 2 8 z- 0 7 4 3o 1 4 11 6 0 2 在x y z 系统中所得到的光谱三刺激值，( 见) 、g ( 旯) 和b ( a ) 和色度坐标x 、y 、z 将 i x = 0 4 9 0 r + 0 3 1 0 g + 0 2 0 0 b y = 0 1 1 7 r + 0 8 1 2 g + 0 0 1 0 b( 2 1 1 ) l z = 0 0 0 0 r + 0 0 1 0 g + 0