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    手機閃光燈的關(guān)鍵光學(xué)特性及測量方案

    :2017-12-13    :333
    1.引言
     
    目前,智能手機拍照基本替代了傳統的數碼相機,成為人們最喜愛(ài)、最便捷的拍照方式。閃光燈是手機拍照不可缺少的一個(gè)部分,可作為拍攝的瞬間照明、也可以作為補光用途。為了采集到高品質(zhì)的畫(huà)面、提高照相感光能力,閃光燈的挑選成為智能手機關(guān)注的重點(diǎn)之一。
     
    調查顯示,手機閃光燈主要有氙燈和LED閃光燈兩類(lèi),但氙燈因為結構復雜,體積大,難于集成,逐漸被LED閃光燈取而代之。LED憑著(zhù)自身的光品質(zhì)高、頻閃速度快、低功耗以及體積小、可作連續光源等諸多優(yōu)點(diǎn)被大多數智能手機所采用,如Apple的iphone6、三星GalaxyS5、華為AscendP7、小米4等智能手機均配置了LED閃光燈,但是采用不同的LED設計方案。圖2中給出了市場(chǎng)上幾種典型的手機閃光燈方案。
     
    圖1:幾種典型的LED閃光燈設計方案
     
    2.LED閃光燈的相關(guān)標準及關(guān)鍵光學(xué)參數
     
    在拍照方面,類(lèi)似于數碼照相機,LED閃光燈的性能評價(jià)可參考標準GB/T 10072, ISO 1230,JB/T 7474.1,GB/T 17558以及ISO 2827等,主要包括曝光量及曝光值、閃光特性曲線(xiàn)、閃光指數、總的閃光持續時(shí)間、閃光峰值照度、有效照射角、曝光均勻性等參數,以及表征拍照色彩再現能力的光譜分布指數ISO/SDI、顯色指數和色溫等顏色參數。
     
    2.1.閃光特性評價(jià)參數
     
    閃光燈拍照時(shí)提供的是瞬間的高速照明,其閃光持續時(shí)間(也稱(chēng)為閃光速度)一般非常短,可到幾十微妙。閃光時(shí)間過(guò)長(cháng)不利于捕捉運動(dòng)物體的圖像,造成明顯的拖尾。此外,在短暫的閃光時(shí)間內,照射面積上獲得合適的曝光量也是采集圖像質(zhì)量的重要保證,如圖2所示。
     
    圖2:不同曝光量影響照片的明亮和色彩
     
    通常當攝像系統得到合適的曝光量時(shí),照相鏡頭光圈數與閃光裝置到被攝體之間的距離L的乘積則為閃光指數GN,它是衡量相機閃光燈性能最重要的參數之一,閃光指數一般【3】【4】可通過(guò)測量閃光燈的閃光強度及其隨時(shí)間的變化,由公式(1)計算得到:
    式中,K 為常數,K =0.0713,單位
                     
     
    為閃光燈的光輸出,即輸出光強對時(shí)間的積分值,單位cd.s ;S為感光度。
     
    閃光波形一般都是非常窄的脈沖,閃光持續時(shí)間以及閃光指數的準確測量均需要較高的采樣速度,以獲得精確的光強隨時(shí)間的變化,即閃光特性曲線(xiàn)。
     
    2.2.色彩再現以及逼真度評價(jià)參數
     
    閃光燈輸出光線(xiàn)的顏色特性直接關(guān)系到被攝物體顏色的真實(shí)還原能力;一般,可采用顯色指數、色溫、光譜分布指數來(lái)評價(jià)。
     
    2.2.1 顯色性和色溫
     
    目前很多智能手機采用藍色LED+熒光粉來(lái)產(chǎn)生白光設計,然而這種設計使得光譜中藍色成分較多,綠色和紅色光較少,拍出來(lái)的照片顏色失真,色調偏冷。緊接著(zhù)雙色溫LED閃光燈解決了這個(gè)問(wèn)題,即采用一枚高亮白色LED閃光燈配合一枚亮度稍暗的琥珀色LED暖色燈來(lái)達到色溫補償的效果并提升了拍照畫(huà)質(zhì)的真實(shí)性,如圖3。
     
    隨著(zhù)LED閃光燈技術(shù)的不斷提升,目前有些外置手機閃光燈已經(jīng)實(shí)現色溫可調功能。如德國專(zhuān)業(yè)閃光燈品牌Metz新推出mecalight LED-72 smart智能手機。
     
     
    圖3 不同色溫LED閃光燈拍照效果圖
     
    然而實(shí)際上,色溫相同的閃光光源,并不意味著(zhù)所產(chǎn)生的照片的顏色能達到相同的還原效果,主要是因為它們的光譜分布存在差異。這個(gè)問(wèn)題同樣存在于照明用途的光源上,一般可以采用閃光光源的顯色指數進(jìn)行評價(jià),包括特殊顯色指數 和一般顯色指數 ,數值越高,對于物體顏色的還原度越高,且各特殊顯色指數 分別代表對于不同顏色的還原程度,其中R9代表對紅色物體的真實(shí)還原能力,一般要求大于0。
     
    對比圖4在自然光和某手機閃光燈下的果蔬顏色,該閃光燈的一般顯指Ra不錯,為77.25,但R9為-9.26,這與閃光燈下果蔬紅色表現不佳(橙子不夠橙,西紅柿偏暗紅色)的現象是對應的。
     
    圖4 自然光下與手機閃光燈拍照比較
     
    另外,隨著(zhù)光源測量和評價(jià)技術(shù)的發(fā)展,一些針對LED新型照明產(chǎn)品的新的顯色評價(jià)體系也漸漸更新,例如 IES TM-30推薦的色域指數Rg和顏色逼真度Rf。極光光電RA≥97
     
    2.2.2 光譜分布指數ISO/SDI
     
    該參數描述閃光光源相對于一指定照明光源,預期改變攝影的整個(gè)色彩程度,通常用三個(gè)數[8]來(lái)表示,通過(guò)測量閃光光源的相對光譜功率分布,與相應的藍光、紅光以及綠光感光元件的加權光譜靈敏度值計算【8】而得出。早期用于各類(lèi)閃光光源的色再現質(zhì)量的評價(jià)。
     
    2.3.光色一致性評價(jià)
     
    2.3.1 曝光均勻性
     
    曝光均勻性是指在閃光燈有效照射角【3】?jì)?,被攝面上各點(diǎn)曝光量的一致性,也稱(chēng)作閃光均勻性。如果被攝面曝光不均勻將會(huì )會(huì )造成拍攝畫(huà)面出現明顯的暗區和亮區,如圖5所示。
     
    圖5 曝光不均勻形成照片亮區和暗區
     
    根據影室照相電子閃光燈標準JB/T 8477.1以及JB/T 7474.1, 被攝面有效照射范圍內,邊緣與中央的曝光值之差應在1EV以?xún)取?/div>
     
    2.3.2 顏色均勻性
     
    手機閃光燈在投射面上各點(diǎn)的顏色均勻性對采集圖像的質(zhì)量有著(zhù)重要的意義。CIE色度學(xué)系統常用色度坐標 來(lái)描述顏色,每個(gè)色度坐標均對應于相應色品圖上的一個(gè)顏色點(diǎn)。顏色均勻性一般可以用閃光燈投射區域內兩點(diǎn)之間的最大色差【1】表示:
     
     
     
    其中,分別為點(diǎn)A和點(diǎn)B兩點(diǎn)的色坐標;A和B為所有顯色性測試點(diǎn)中色坐標相差最大的兩點(diǎn)。
     
    3. 檢測方案
     
    3.1 總體測量要求
     
    綜合上述的表征參數,對于LED閃光燈的性能評估來(lái)說(shuō),測量的關(guān)鍵在于:
     
    采樣速度需要足夠快,至少達到每秒20kS/s以上,才能夠捕捉精細準確的閃光特性曲線(xiàn),并準確得到閃光指數、閃光峰值照度等參數。
     
    需要具備快速光譜測量技術(shù),對色溫、顯色指數以及SDI等進(jìn)行分析,全面評價(jià)閃光燈的彩色復現質(zhì)量。極關(guān)光電專(zhuān)業(yè)制造高顯示指數LED燈
     
    均勻性評價(jià)需要多通道布陣測量,而且多個(gè)通道必須保持高度同步,以準確獲取閃光燈在每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的光分布特征以及總曝光量均勻性。
     
    光度探頭與人眼視覺(jué)響應函數高度匹配以獲得高精度光度測量結果。光度探頭是通過(guò)在光電傳感器件前加入濾色片以使其光譜靈敏度與模擬人眼光視效率函數V(λ)或者三刺激相應函數V(λ)相匹配;但實(shí)際濾色片與標準響應曲線(xiàn)難以完美匹配,這會(huì )對最后的曝光量和閃光指數測量的精度帶來(lái)直接影響;因此,為了確保測量準確度,所采用的光學(xué)探頭最好為標準級。
     
    3.2 測量解決方案
     
    本文提出一種針對手機閃光燈測試的多通道快速光度與光譜相結合的測量方案:該方案集成了多個(gè)快速光度采樣模塊,采樣速度高達50ks/s,可實(shí)現各種閃光波形的快速準確測量;此外還設置光譜測量單元,以準確獲得閃光燈的光譜分布,進(jìn)而分析閃光燈的色度參數。更重要的是,本方案中采用了光度與光譜相結合技術(shù),將光度探頭和光譜測量結果相結合,并且相互校正,不僅避免了傳統光色度計的光譜失匹配問(wèn)題,而且大幅提高了光譜測量的線(xiàn)性和測量范圍,獲得極高的精度,真正實(shí)現速度和精度的雙向需求。多通道還可以根據閃光燈的光形(如矩形或圓形)靈活布點(diǎn),圖6所示為典型的矩形光分布測量點(diǎn)陣,配合專(zhuān)業(yè)的閃光分析軟件,可進(jìn)行曝光量,閃光指數,閃光持續時(shí)間、色溫、顯色性、閃光以及顏色均勻性等各類(lèi)參數的快速分析。
     
    圖6 典型的多通道閃光燈測量系統(遠方MFL-300閃光燈測量系統)
     
    本文采用上述閃光燈測量系統及測試方法對手機閃光燈進(jìn)行了系列測試,測試時(shí)要注意保證整個(gè)測量處于暗室中;安裝待測手機閃光燈至預設位置,開(kāi)啟手機閃光燈,與此同時(shí),所有的測量通道同步采集數據,并輸出如圖7所示的輸出波形;根據所采集的波形,軟件可分析得到閃光燈的曝光量、總閃光時(shí)間以及閃光指數等參數;其中光譜測量單元輸出如圖8所示的光譜功率分布,加以軟件配合可獲得色溫、顯色指數等顏色參數。

     圖7 光輸出瞬時(shí)采樣圖

     

    為了更加直觀(guān)準確地比較不同手機閃光燈的拍照效果,本文中對多款手機閃光燈的光譜進(jìn)行了測試和比較,見(jiàn)圖8,由測試結果不難看出,型號A閃光燈的Ra數值最高,型號B緊跟其后,但要指出的是型號B閃光燈的R9是正值,意味著(zhù)對紅色顯示較好,綜合表現型號B的色彩表現會(huì )更好。

     

     

    圖8幾款手機的顯色性測試結果

    4. 總結

     

    為了保證手機在昏暗條件下拍攝圖片的品質(zhì),對手機閃光燈的光學(xué)檢測也十分必要。目前相關(guān)的檢測技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟,本文所介紹的多通道光度與光譜相結合測試方案不僅具備了高速采樣技術(shù),實(shí)時(shí)捕捉閃光波形,而且能同時(shí)實(shí)現多通道光度與光譜的快速測量,無(wú)光譜失匹配誤差,測量精度極高,可做到閃光指數、有效閃光時(shí)間、色溫、顯色指數以及均勻性等光色參數的全方位測量,可以說(shuō)是閃光測量的一站式方案,為業(yè)內閃光燈制造及檢測行業(yè)提供了技術(shù)參考。




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