首页 / 制程工艺 / 手机|数码|本本

TP > 正文

手机闪光灯的关键光学特性及测量方案
2016/4/21 15:33:47

摘要:手機闪光灯是智能手機必不可少的壹部分,不仅為昏暗的拍摄场合提供了照明条件,也常用作补光灯改善照明品质。闪光灯的闪光指数、曝光量、光分布均匀性以及色温和显色性都对於拍摄画面的品质有着十分重要的影响。為了提高手機整体的拍照性能,对闪光灯性能的表征和规范非常关键。本文中根據相关标准详细介绍了手機闪光灯的关键光学特性参数以及测量技術,并提出壹种多通道光度与光谱相结合测量技術方案,可全方位的对闪光灯的各类光色参数进行测量,為手機闪光灯检测提供有效的技術参考。

1.引言

目前,智能手機拍照基本替代了傳統的数码相機,成為人们最喜爱、最便捷的拍照方式。闪光灯是手機拍照不可缺少的壹個部分,可作為拍摄的瞬间照明、也可以作為补光用途。為了采集到高品质的画面、提高照相感光能力,闪光灯的挑选成為智能手機关注的重点之壹。

调查顯示,手機闪光灯主要有氙灯和LED闪光灯两类,但氙灯因為结构复杂,体积大,难於集成,逐渐被LED闪光灯取而代之。LED凭着自身的光品质高、频闪速度快、低功耗以及体积小、可作连续光源等诸多优点被大多数智能手機所采用,如Apple的iphone6、三星GalaxyS5、华為AscendP7、小米4等智能手機均配置了LED闪光灯,但是采用不同的LED设计方案。图2中给出了市場上几种典型的手機闪光灯方案。

图1:几种典型的LED闪光灯设计方案

2.LED闪光灯的相关标准及关键光学参数

在拍照方面,类似於数码照相機,LED闪光灯的性能评价可参考标准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、闪光特性曲线、闪光指数、总的闪光持续时间、闪光峰值照度、有效照射角、曝光均匀性等参数,以及表征拍照色彩再現能力的光谱分布指数ISO/SDI、显色指数和色温等颜色参数。

2.1.闪光特性评价参数

闪光灯拍照时提供的是瞬间的高速照明,其闪光持续时间(也称為闪光速度)壹般非常短,可到几十微妙。闪光时间過长不利於捕捉运动物体的图像,造成明显的拖尾。此外,在短暂的闪光时间内,照射面积上获得合适的曝光量也是采集图像质量的重要保证,如图2所示。

图2:不同曝光量影响照片的明亮和色彩

通常当摄像系統得到合适的曝光量时,照相镜头光圈数与闪光装置到被摄体之間的距离L的乘积則為闪光指数GN,它是衡量相機闪光灯性能最重要的参数之壹,闪光指数壹般【3】【4】可通過测量闪光灯的闪光强度及其隨时间的变化,由公式(1)计算得到:

式中,K 為常数,K =0.0713,单位

為闪光灯的光输出,即输出光强对时间的积分值,单位cd.s ;S為感光度。

闪光波形壹般都是非常窄的脉冲,闪光持续时间以及闪光指数的准确测量均需要較高的采样速度,以获得精确的光强隨时间的变化,即闪光特性曲线。

2.2.色彩再現以及逼真度评价参数

闪光灯输出光线的颜色特性直接关系到被摄物体颜色的真实还原能力;壹般,可采用显色指数、色温、光谱分布指数來评价。

2.2.1 显色性和色温

目前很多智能手機采用蓝色LED+荧光粉來產生白光设计,然而这种设计使得光谱中蓝色成分較多,绿色和红色光較少,拍出來的照片颜色失真,色调偏冷。紧接着双色温LED闪光灯解决了这個问题,即采用壹枚高亮白色LED闪光灯配合壹枚亮度稍暗的琥珀色LED暖色灯來达到色温补偿的效果并提升了拍照画质的真实性,如图3。

隨着LED闪光灯技術的不斷提升,目前有些外置手機闪光灯已经实現色温可调功能。如德國专业闪光灯品牌Metz新推出mecalight LED-72 smart智能手機

图3 不同色温LED闪光灯拍照效果图

然而实际上,色温相同的闪光光源,并不意味着所產生的照片的颜色能达到相同的还原效果,主要是因為它们的光谱分布存在差異。这個问题同样存在於照明用途的光源上,壹般可以采用闪光光源的显色指数进行评价,包括特殊显色指数 和壹般显色指数 ,数值越高,对於物体颜色的还原度越高,且各特殊显色指数 分别代表对於不同颜色的还原程度,其中R9代表对红色物体的真实还原能力,壹般要求大於0。

对比图4在自然光和某手機闪光灯下的果蔬颜色,該闪光灯的壹般显指Ra不错,為77.25,但R9為-9.26,这与闪光灯下果蔬红色表現不佳(橙子不够橙,西红柿偏暗红色)的現象是对应的。

图4 自然光下与手機闪光灯拍照比較

另外,隨着光源测量和评价技術的发展,壹些针对LED新型照明產品的新的显色评价体系也渐渐更新,例如 IES TM-30推荐的色域指数Rg和颜色逼真度Rf。

2.2.2 光谱分布指数ISO/SDI

該参数描述闪光光源相对於壹指定照明光源,预期改变摄影的整個色彩程度,通常用三個数[8]來表示,通過测量闪光光源的相对光谱功率分布,与相应的蓝光、红光以及绿光感光元件的加权光谱灵敏度值计算【8】而得出。早期用於各类闪光光源的色再現质量的评价。

2.3.光色壹致性评价

2.3.1 曝光均匀性

曝光均匀性是指在闪光灯有效照射角【3】内,被摄面上各点曝光量的壹致性,也称作闪光均匀性。如果被摄面曝光不均匀將会会造成拍摄画面出現明显的暗区和亮区,如图5所示。

图5 曝光不均匀形成照片亮区和暗区

根據影室照相電子闪光灯标准JB/T 8477.1以及JB/T 7474.1, 被摄面有效照射范围内,边緣与中央的曝光值之差应在1EV以内。

2.3.2 颜色均匀性

手機闪光灯在投射面上各点的颜色均匀性对采集图像的质量有着重要的意义。CIE色度学系統常用色度坐标 來描述颜色,每個色度坐标均对应於相应色品图上的壹個颜色点。颜色均匀性壹般可以用闪光灯投射区域内两点之間的最大色差【1】表示:

其中,分别為点A和点B两点的色坐标;A和B為所有显色性测試点中色坐标相差最大的两点。

3. 检测方案

3.1 总体测量要求

综合上述的表征参数,对於LED闪光灯的性能评估來说,测量的关键在於:

采样速度需要足够快,至少达到每秒20kS/s以上,才能够捕捉精细准确的闪光特性曲线,并准确得到闪光指数、闪光峰值照度等参数。

需要具备快速光谱测量技術,对色温、显色指数以及SDI等进行分析,全面评价闪光灯的彩色复現质量。

均匀性评价需要多通道布阵测量,而且多個通道必须保持高度同步,以准确获取闪光灯在每個时刻点的光分布特征以及总曝光量均匀性。

光度探头与人眼視觉响应函数高度匹配以获得高精度光度测量结果。光度探头是通過在光電传感器件前加入滤色片以使其光谱灵敏度与模拟人眼光視效率函数V(λ)或者三刺激相应函数V(λ)相匹配;但实际滤色片与标准响应曲线难以完美匹配,这会对最后的曝光量和闪光指数测量的精度带來直接影响;因此,為了确保测量准确度,所采用的光学探头最好為标准級。

3.2 测量解决方案

本文提出壹种针对手機闪光灯测試的多通道快速光度与光谱相结合的测量方案:該方案集成了多個快速光度采样模块,采样速度高达50ks/s,可实現各种闪光波形的快速准确测量;此外还设置光谱测量单元,以准确获得闪光灯的光谱分布,进而分析闪光灯的色度参数。更重要的是,本方案中采用了光度与光谱相结合技術,將光度探头和光谱测量结果相结合,并且相互校正,不仅避免了傳統光色度计的光谱失匹配问题,而且大幅提高了光谱测量的线性和测量范围,获得极高的精度,真正实現速度和精度的双向需求。多通道还可以根據闪光灯的光形(如矩形或圆形)灵活布点,图6所示為典型的矩形光分布测量点阵,配合专业的闪光分析軟件,可进行曝光量,闪光指数,闪光持续时间、色温、显色性、闪光以及颜色均匀性等各类参数的快速分析。

图6 典型的多通道闪光灯测量系統(远方MFL-300闪光灯测量系統)

本文采用上述闪光灯测量系統及测試方法对手機闪光灯进行了系列测試,测試时要注意保证整個测量处於暗室中;安装待测手機闪光灯至预设位置,开启手機闪光灯,与此同時,所有的测量通道同步采集数据,并输出如图7所示的输出波形;根據所采集的波形,軟件可分析得到闪光灯的曝光量、总闪光时间以及闪光指数等参数;其中光谱测量单元输出如图8所示的光谱功率分布,加以軟件配合可获得色温、显色指数等颜色参数。

图7 光输出瞬时采样图

為了更加直观准确地比較不同手機闪光灯的拍照效果,本文中对多款手機闪光灯的光谱进行了测試和比較,见图8,由测試结果不难看出,型号A闪光灯的Ra数值最高,型号B紧跟其后,但要指出的是型号B闪光灯的R9是正值,意味着对红色顯示較好,综合表現型号B的色彩表現会更好。

图8几款手機的显色性测試结果

4. 总结

為了保证手機在昏暗条件下拍摄图片的品质,对手機闪光灯的光学检测也十分必要。目前相关的检测技術已经逐渐成熟,本文所介绍的多通道光度与光谱相结合测試方案不仅具备了高速采样技術,实时捕捉闪光波形,而且能同時实現多通道光度与光谱的快速测量,无光谱失匹配误差,测量精度极高,可做到闪光指数、有效闪光时间、色温、显色指数以及均匀性等光色参数的全方位测量,可以说是闪光测量的壹站式方案,為业内闪光灯制造及检测行业提供了技術参考。

参考文献

【1】《TCO Certified PROJECTOR 1.2》,2011

【2】李恒,《闪光灯参数的测量》,中國计量科学研究院,照明工程学报,1993,4(1):67-68.

【3】GB/T 10072-2003 《照相用電子闪光装置技術条件》.

【4】BS ISO 1230:2007 《Photography—determination of flash guide numbers for electronic flash equipment》.

【5】JB/T 8477.1~.2-1993 《影視照相用大型電子闪光灯》.

【6】张卫杰. 《分布式闪光测量系統》,浙江大学,2014硕士毕业论文.

【7】GB/T 13964-2008 《照相機械术语》。

【8】GB/T 17558-1998 《照相闪光照明光源 光谱分布指数(ISO/SDI)的测定》

敬告:本技術文章由远方光電授权中华顯示網发布,转载请注明出处并附带本文链接(http://www.chinafpd.net/news/27411.html),违者必追究法律责任。

[责任编辑:chled]



想更便捷地了解触控产业最新资讯?那就关注中华全触网推出的微信公共平台吧!本平台将推送每日最新、最具看点的触控产业资讯。微信平台使用帮助请关注后发送“help”。具体关注方式:微信关注“亚威资讯”(微信号:china_tp)或扫描以下二维码:

分享到:
今日新闻热点
上周新闻热点