孫長俐+劉紅+王蔚生

文章編號： 10055630(2014)03018905

收稿日期： 20140116

基金項目： 國家高技術(shù)發(fā)展計劃863項目(2007AA030112、2009AA032708)

作者簡介： 孫長俐(1989),女,碩士研究生,主要從事顯示技術(shù)方面的研究。

通迅作者： 王蔚生(1967),男,副研究員,博士,主要從事顯示技術(shù)方面的研究。

摘要： 鑒于激光波長相對固定的特性,采用一種新的測量激光光色性能測量方法,設(shè)計出基于單片機的手持式高精度激光光色性能測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)不同波長激光光色性能測量,通過系統(tǒng)初始化時波長輸入來提取相應(yīng)光譜三刺激值,而后進行參數(shù)計算。對測量系統(tǒng)進行了實驗誤差分析,由系統(tǒng)驗證結(jié)果及誤差分析表明,該系統(tǒng)可實現(xiàn)低成本制作,所述測量原理能完成對色空間坐標、光照度、色溫等光色性能參數(shù)的高精度測量。

關(guān)鍵詞： 激光; 單片機; 高精度測量系統(tǒng); 光色性能參數(shù); 誤差分析

中圖分類號： TN 247文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.001

Realization and error analysis of handheld laser measurement system

SUN Changli1, LIU Hong2, WANG Weisheng1

Abstract： Relying on the relatively fixed wavelength character of laser, a high precision measurement system is implemented to obtain the luminosity & chromaticity performance in a new method on the basis of Mega128 chip. The luminosity & chromaticity performances of different wavelengths of laser can be measured by entering the wavelengths during initialization. The results and error analysis demonstrate that the low cost system is capable of accurately measuring laser luminosity & chromaticity performances, including color coordinates, illuminance, color temperature and so on.

Key words： laser; microcontroller unit; high precision measurement system; luminosity & chromaticity performances; error analysis

引言激光具有高亮度、高方向性以及高相干性的特性,相比于傳統(tǒng)光源,具有亮度高、器件小、功耗低和壽命長等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用,與此同時,激光光色性能測量系統(tǒng)也在不斷發(fā)展,但是現(xiàn)有的各類檢測系統(tǒng),如各類色度照度計等其測量目標都主要針對非相干光源［13］,需要在整個可見光譜范圍內(nèi)對顏色匹配函數(shù)進行校正,這在很大程度上對測量儀器的測量精度造成了影響。激光光源的波長相對固定,不需要用光電傳感器在整個可見光譜范圍內(nèi)進行擬合,而且激光波長漂移量一般小于1 nm,因而可以對激光顯示的光色性能做出精確的測量。本文通過不同波長輸入來提取相應(yīng)的光譜三刺激值進行參數(shù)計算,進而得到精確的光照度、色坐標、色溫等光色性能參數(shù),研究開發(fā)了一種手持式激光投影顯示光色性能高精度測量系統(tǒng),并對該測量系統(tǒng)進行了理論誤差分析,進一步提高了系統(tǒng)的可靠性和精確性。1測量原理激光投影顯示系統(tǒng)的性能參數(shù)［3］可分為光度參數(shù)、色度參數(shù)、亮度參數(shù)以及圖像清晰度參數(shù)等,本測量裝置主要針對激光投影的光度參數(shù)以及色度參數(shù)進行度量。本測量裝置采用的光電轉(zhuǎn)換裝置為S9706型數(shù)字顏色傳感器,通過該傳感器對激光光源進行光電能量轉(zhuǎn)換,得到由被測特定波長的激光光源照射而產(chǎn)生的光電流值,由光電流值光功率分布轉(zhuǎn)換公式可得到被測激光光源對應(yīng)的RGB三基色的光譜功率分布。光電流值光功率分布轉(zhuǎn)換公式為:IB=kB?PB+k(R)B?PR+k(G)B?PG

IG=kG?PG+k(R)G?PR+k(B)G?PB

IR=kR?PR+k(G)R?PG+k(B)R?PB(1)其中,IB,IG,IR分別代表由光電轉(zhuǎn)換裝置輸出的藍、綠和紅三色激光對應(yīng)的光電流值;kR,kG,kB,k(R)G,k(R)B,k(G)R,k(G)B,k(B)R,k(B)G為光電轉(zhuǎn)換裝置的光電轉(zhuǎn)換系數(shù),kR表示被測試光中紅色激光分量光功率對應(yīng)光電轉(zhuǎn)換裝置輸出的紅色光電流信號的光電轉(zhuǎn)換系數(shù),k(R)G表示被測光為紅色激光的光功率對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換裝置輸出的綠色光電流分量的光電轉(zhuǎn)換系數(shù),其他光電轉(zhuǎn)換系數(shù)的意義同理。PR,PG,PB分別表示R、G、B三基色光譜功率能量P。光學(xué)儀器第36卷

第3期孫長俐，等：手持式激光光色性能測量系統(tǒng)實現(xiàn)及誤差分析

R、G、B三基色各分量所對應(yīng)的顏色匹配值由下式來確定:Xi=k?Pi?x—(i)

Yi=k?Pi?y—(i)

Zi=k?Pi?z—(i)(2)式(2)角標i對應(yīng)R、G、B三基色之一;k為光功當量常數(shù);Xi,Yi,Zi分別表示R、G、B三基色中某一個分量的顏色匹配值,x—(i),y—(i),z—(i)為三基色分量R、G、B中某一分量在顏色匹配曲線上的顏色匹配函數(shù)數(shù)值。由式(2)計算出的R、G、B三基色分量各自對應(yīng)的顏色匹配值Xi,Yi,Zi,即可得到被測激光光源的顏色匹配數(shù)值X,Y,Z如下:X=XR+XG+XB

Y=YR+YG+YB

Z=ZR+ZG+ZB(3)CIE1931色度系統(tǒng)x、y坐標及CIE1976均勻色坐標u′、v′可表示為:x=XX+Y+Z

y=YX+Y+Z

u′=4x－2x+12y+3

v′=9y－2x+12y+3(4)2測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的測量裝置由U1中央處理單元、U2 ISP下載接口、U3 PC數(shù)據(jù)傳輸單元、U4顯示單元、圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.1System structure diagramU5操作界面按鍵輸入部分、U6光電轉(zhuǎn)換裝置、U7外部時鐘晶振以及U8系統(tǒng)供電單元等組成,如圖1所示。其中U1使用Atmel mega128A芯片,可實現(xiàn)低電壓編程操作［4］。U2單元采用ISP串口下載接口進行數(shù)據(jù)下載傳輸,U3將待存儲數(shù)據(jù)進行傳輸并存儲于電腦中。U4采用Nokia 3510i LCD彩色顯示屏。U5為按鍵輸入人機交互操作界面,使用者選擇按鍵即可進入相應(yīng)的參數(shù)顯示界面。U6選擇色彩傳感器S9706,該色彩傳感器的可感應(yīng)范圍寬,工作時鐘周期短至500 ns,感應(yīng)面積為9 μm×110 μm［5］。U7使用8 MHz晶振,作為系統(tǒng)時鐘源。由于該裝置的器件都可采用低電壓供電,所以U8使用一節(jié)3.7 V磷酸鐵鋰電池進行供電,這樣占用體積小,方便攜帶與使用。3測量系統(tǒng)誤差分析本文所進行的誤差分析主要針對測量裝置的函數(shù)系統(tǒng)誤差以及激光投影儀投影激光波長漂移所產(chǎn)生的誤差進行分析。

3.1測量裝置的函數(shù)系統(tǒng)誤差式(1)為該測量系統(tǒng)直接測得的光電轉(zhuǎn)換裝置輸出光電流值IR,IG,IB與間接測得三基色分量光譜功率PR,PG,PB之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)關(guān)系。函數(shù)系統(tǒng)誤差［6］如下:Δy=fx1Δx1+fx2Δx2+…+fxnΔxn(5)其中,Δy為系統(tǒng)間接測量值的系統(tǒng)誤差,Δx1,Δx2,…,Δxn為各個直接測量值的系統(tǒng)誤差,f/xi(i=1,2,…,n)為各個直接測量值的誤差傳遞系數(shù)。若已知該系統(tǒng)直接測量值的系統(tǒng)誤差分別為ΔIR,ΔIG,ΔIB,則由函數(shù)系統(tǒng)誤差式(5)可得到PR,PG,PB所對應(yīng)的系統(tǒng)誤差分量ΔPR,ΔPG,ΔPB分別為:ΔPR=(－k(B)G?k(G)R+kG?k(B)R)?ΔIB+(kB?k(G)R－k(G)B?k(B)R)?ΔIG+(－kB?kG+k(G)B?k(B)G)?ΔIRkB?k(R)G?k(G)R+k(R)B?kG?k(B)R+k(B)G?kR?k(G)B－k(G)B?k(R)G?k(B)R－k(R)B?k(B)G?k(G)R－kG?kR?kB(6)

ΔPG=(k(B)G?kR－k(R)G?k(B)R)?ΔIB+(－kB?kR+k(R)B?k(B)R)?ΔIG+(kB?k(R)G－k(R)B?k(B)G)?ΔIRkB?k(R)G?k(G)R+k(R)B?kG?k(B)R+k(B)G?kR?k(G)B－k(G)B?k(R)G?k(B)R－k(R)B?k(B)G?k(G)R－kG?kR?kB (7)

ΔPB=(k(R)G?k(G)R－kG?kR)?ΔIB+(－k(R)B?k(G)R+k(G)B?kR)?ΔIG+(k(R)B?kG－k(G)B?k(R)G)?ΔIRkB?k(R)G?k(G)R+k(R)B?kG?k(B)R+k(B)G?kR?k(G)B－k(G)B?k(R)G?k(B)R－k(R)B?k(B)G?k(G)R－kG?kR?kB(8)若以ΔX,ΔY,ΔZ分別代表被測激光光源三基色顏色匹配函數(shù)值所對應(yīng)的系統(tǒng)誤差量,則由式(2)和式(3)可求得使用ΔPR,ΔPG,ΔPB所表示的系統(tǒng)誤差公式:ΔX=k?x—(R)?ΔPR+k?x—(G)?ΔPG+k?x—(B)?ΔPB

ΔY=k?y—(R)?ΔPR+k?y—(G)?ΔPG+k?y—(B)?ΔPB

ΔZ=k?z—(R)?ΔPR+k?z—(G)?ΔPG+k?z—(B)?ΔPB(9)其中,ΔY即為激光光源的光照度參數(shù)的系統(tǒng)誤差量,x—(R),x—(G),x—(B),y—(R),y—(G),y—(B),z—(R),z—(G),z—(B)為激光光源三基色分量在顏色匹配曲線上的顏色匹配函數(shù)數(shù)值。誤差項ΔIR,ΔIG,ΔIB所產(chǎn)生的ΔPR,ΔPG,ΔPB對X,Y,Z的數(shù)值產(chǎn)生一定的偏移量,其偏移量大小可由式(9)計算獲得。對于該測量裝置所能測得的光色性能參數(shù)所對應(yīng)的系統(tǒng)誤差量,本文再對CIE1931色度系統(tǒng)x,y坐標進行系統(tǒng)誤差量分析。由色坐標推導(dǎo)式(4)及函數(shù)系統(tǒng)誤差式(5)可得到CIE1964色度系統(tǒng)x,y坐標系統(tǒng)誤差分量Δx,Δy及CIE1976均勻色坐標u′,v′系統(tǒng)誤差分量Δu′,Δv′如下:Δx=Y+Z(X+Y+Z)2?ΔX－X(X+Y+Z)2?ΔY－X(X+Y+Z)2?ΔZ

Δy=X+Z(X+Y+Z)2?ΔY－Y(X+Y+Z)2?ΔX－Y(X+Y+Z)2?ΔZ

Δu′=12y+3(－2x+12y+3)2?Δx－48x(－2x+12y+3)2?Δy

Δv′=18y(－2x+12y+3)2?Δx+－18x+27(－2x+12y+3)2?Δy(10)其中,Δu′,Δv′為CIE1976均勻色坐標u′,v′系統(tǒng)誤差分量,Δx,Δy為CIE1964色度系統(tǒng)x,y坐標系統(tǒng)誤差分量,ΔX,ΔY,ΔZ分別為被測激光光源三基色顏色匹配函數(shù)值所對應(yīng)的系統(tǒng)誤差量,它們的存在進一步產(chǎn)生x,y坐標系統(tǒng)誤差分量Δx,Δy;X,Y,Z為系統(tǒng)測量所得激光光源三基色顏色匹配函數(shù)值。假設(shè)系統(tǒng)測量的激光顯示系統(tǒng)激光光源三基色R、G、B波長分別為635 nm、532 nm、457 nm,三色激光功率依舊分別為PR=0.6 W,PG=0.6 W,PB=0.6 W,采用光電轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為kR=50.1,kG=51.6,kB=48.7,k(R)G=1.5,k(R)B=1.8,k(G)R=5.3,k(G)B=2.9,k(B)R=1.1,k(B)G=2.3的光電轉(zhuǎn)換裝置進行感光。將IR數(shù)值的1%作為直接測量值的系統(tǒng)誤差量,即取系統(tǒng)誤差量ΔIR=0.3,ΔIG=0,ΔIB=0,通過式(6)~式(8)可計算得到ΔPR,ΔPG,ΔPB值分別為0.006 0,-1.652 5×10-4,-2.123 0×10-4,被測激光光源三基色顏色匹配函數(shù)值所對應(yīng)的系統(tǒng)誤差量ΔX,ΔY,ΔZ取值分別為2.119 3,0.819 4,-0.270 5。x,y坐標系統(tǒng)誤差Δx,Δy分別為8.122 6×10-4,2.288 0×10-5。u,v坐標系統(tǒng)誤差Δu′,Δv′分別為1.398 8×10-4,1.339 3×10-4。

3.2投影儀激光波長漂移引起的誤差激光器［7］在工作較長時間后,會發(fā)生激光器發(fā)出激光波長漂移的現(xiàn)象?，F(xiàn)以激光波長漂移1 nm為例來計算激光波長漂移所導(dǎo)致的測量誤差。同3.1節(jié),相同實驗情況下,依據(jù)CIE1964標準色度觀察者的光譜三刺激值表［8］,該三色激光的三刺激值分別為R(635 nm):0.535 1,0.228 3,0.000 0;G(532 nm):0.263 0,0.895 4,0.025 9;B(457 nm):0.328 3,0.113 8,1.845 1。光色性能理論輸出如表1所示。

表1RGB光色性能輸出值

Tab.1RGB photochromic performance parameters output

三基色波長/nmXYZEv/lxCIE1964

x,yCIE1976

u′,v′Tcp/KR:635

G:532

B:457X=461.584 8

Y=507.110 7

Z=766.720 2507.110 7x=0.266 0

y=0.292 2u′=0.178 1

v′=0.400 711 261R:634

G:532

B:457X=470.706 9

Y=511.221 0

Z=766.720 2511.221 0x=0.269 2

y=0.292 4u′=0.180 4

v′=0.405 810 900R:636

G:532

B:457X=452.622 5

Y=502.848 4

Z=766.720 2502.848 4x=0.262 8

y=0.292 0u′=0.175 9

v′=0.395 711 634

若紅色激光波長向短波方向漂移1 nm,依據(jù)CIE1964標準色度觀察者的光譜三刺激值表,該三色激光的三刺激值分別為R(634 nm):0.557 4,0.238 9,0.000 0;G(532 nm):0.263 0,0.895 4,0.025 9;B(457 nm):0.328 3,0.113 8,1.845 1。同理,可得紅色激光波長向長波方向漂移1 nm后三色激光的三刺激值。紅色激光波長向短波方向漂移1 nm以及向長波方向漂移1 nm的情況下的各光色性能輸出值如表1所示。通過表1中數(shù)據(jù)計算可得,紅色激光波長向短波方向漂移1 nm后,照度值Ev增加4.11,CIE1964色度系統(tǒng)x坐標右移0.003 2,y坐標上移0.000 2,CIE1976系統(tǒng)u′坐標增加0.002 3,v′坐標增加0.005 1,色溫Tcp減小361 K,紅色激光波長向長波方向漂移1 nm后,照度值Ev減小4.26,CIE1964色度系統(tǒng)x坐標左移0.003 2,y坐標下移0.000 2,CIE1976系統(tǒng)u′坐標減小0.002 2,v′坐標減小0.005 0,色溫Tcp增加373 K。4實驗結(jié)果該測量系統(tǒng)所占體積小,為手持式測量裝置,故可實現(xiàn)光色性能的快速可移動測量。測量系統(tǒng)實物圖如圖2所示。實驗采用已知精度為0.1%的功率計作為光電轉(zhuǎn)換裝置中各系數(shù)確定的標準。在相同實驗條件下,分別使用該測量裝置以及美能達CL200同時對輸出圖像進行光色性能參數(shù)測量,采用激光投影機進行圖像投影,取同一位置進行測試記錄,測量比較結(jié)果如表2所示。

圖2實物圖

Fig.2Physical map

表2實驗光色性能輸出值

Tab.2Luminosity & chromaticity performance parameters output

測試裝置XYZEv/lxCIE1964

x,yCIE1976

u′,v′手持式

測量系統(tǒng)X=214.620 6

Y=228.410 7

Z=246.030 8228.410 7x=0.311 5

y=0.331 5u′=0.196 1

v′=0.469 5美能達

CL200X=212.7

Y=223.7

Z=239.0223.7x=0.314 9

y=0.331 2u′=0.198 5

v′=0.469 8

5結(jié)論本文采用波長相對固定的激光光源,設(shè)計出一種基于單片機的手持式高精度激光光色性能測量系統(tǒng),并對該系統(tǒng)的函數(shù)系統(tǒng)誤差及激光波長漂移誤差進行了系統(tǒng)的分析。通過對其理論誤差的分析可看出,在光電流產(chǎn)生1%誤差情況下,系統(tǒng)的測量輸出僅產(chǎn)生微小的誤差偏移,如色坐標誤差在10-4數(shù)量級,在發(fā)生波長漂移的情況下,其偏移量也遠小于現(xiàn)有光色性能測量原理所產(chǎn)生的誤差。因此,本系統(tǒng)所采用的測量原理能夠?qū)崿F(xiàn)對激光光色性能的低誤差測量,能很好地利用激光波長固定的特性,實現(xiàn)不同波長激光光色性能的高精度測量。參考文獻：

［1］劉紅,孫傳偉,那柏林,等.三片式硅基液晶激光投影顯示中光學(xué)引擎的設(shè)計［J］.強激光與粒子束,2011,23(10):26212624.

［2］NA B L,LIU H,WANG W S.Design of optical engine for laserLCOS projector［J］.High Power Laser and Particle Beams,2013,25(2):363366.

［3］劉旭,李海峰.現(xiàn)代投影顯示技術(shù)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社,2009:324.

［4］馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:191197.

［5］HAMAMATSU.Digital color sensor S9706［EB/OL］.(20130614)［20131226］.http:∥www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/S9706_kpic1060e11.pdf.

［6］費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理［M］.6版.北京:機械工業(yè)出版社,2010:5780.

［7］劉萬發(fā),桑鳳亭.激光輸出功率隨耦合率及放大率的變化規(guī)律［J］.強激光與粒子束,2013,25(4):832840.

［8］胡威捷,湯順青,朱正芳.現(xiàn)代顏色技術(shù)原理及應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社,2007:436452.

圖2實物圖

Fig.2Physical map

表2實驗光色性能輸出值

Tab.2Luminosity & chromaticity performance parameters output

測試裝置XYZEv/lxCIE1964

x,yCIE1976

u′,v′手持式

測量系統(tǒng)X=214.620 6

Y=228.410 7

Z=246.030 8228.410 7x=0.311 5

y=0.331 5u′=0.196 1

v′=0.469 5美能達

CL200X=212.7

Y=223.7

Z=239.0223.7x=0.314 9

y=0.331 2u′=0.198 5

v′=0.469 8

5結(jié)論本文采用波長相對固定的激光光源,設(shè)計出一種基于單片機的手持式高精度激光光色性能測量系統(tǒng),并對該系統(tǒng)的函數(shù)系統(tǒng)誤差及激光波長漂移誤差進行了系統(tǒng)的分析。通過對其理論誤差的分析可看出,在光電流產(chǎn)生1%誤差情況下,系統(tǒng)的測量輸出僅產(chǎn)生微小的誤差偏移,如色坐標誤差在10-4數(shù)量級,在發(fā)生波長漂移的情況下,其偏移量也遠小于現(xiàn)有光色性能測量原理所產(chǎn)生的誤差。因此,本系統(tǒng)所采用的測量原理能夠?qū)崿F(xiàn)對激光光色性能的低誤差測量,能很好地利用激光波長固定的特性,實現(xiàn)不同波長激光光色性能的高精度測量。參考文獻：

［1］劉紅,孫傳偉,那柏林,等.三片式硅基液晶激光投影顯示中光學(xué)引擎的設(shè)計［J］.強激光與粒子束,2011,23(10):26212624.

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［4］馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:191197.

［5］HAMAMATSU.Digital color sensor S9706［EB/OL］.(20130614)［20131226］.http:∥www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/S9706_kpic1060e11.pdf.

［6］費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理［M］.6版.北京:機械工業(yè)出版社,2010:5780.

［7］劉萬發(fā),桑鳳亭.激光輸出功率隨耦合率及放大率的變化規(guī)律［J］.強激光與粒子束,2013,25(4):832840.

［8］胡威捷,湯順青,朱正芳.現(xiàn)代顏色技術(shù)原理及應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社,2007:436452.

圖2實物圖

Fig.2Physical map

表2實驗光色性能輸出值

Tab.2Luminosity & chromaticity performance parameters output

測試裝置XYZEv/lxCIE1964

x,yCIE1976

u′,v′手持式

測量系統(tǒng)X=214.620 6

Y=228.410 7

Z=246.030 8228.410 7x=0.311 5

y=0.331 5u′=0.196 1

v′=0.469 5美能達

CL200X=212.7

Y=223.7

Z=239.0223.7x=0.314 9

y=0.331 2u′=0.198 5

v′=0.469 8

5結(jié)論本文采用波長相對固定的激光光源,設(shè)計出一種基于單片機的手持式高精度激光光色性能測量系統(tǒng),并對該系統(tǒng)的函數(shù)系統(tǒng)誤差及激光波長漂移誤差進行了系統(tǒng)的分析。通過對其理論誤差的分析可看出,在光電流產(chǎn)生1%誤差情況下,系統(tǒng)的測量輸出僅產(chǎn)生微小的誤差偏移,如色坐標誤差在10-4數(shù)量級,在發(fā)生波長漂移的情況下,其偏移量也遠小于現(xiàn)有光色性能測量原理所產(chǎn)生的誤差。因此,本系統(tǒng)所采用的測量原理能夠?qū)崿F(xiàn)對激光光色性能的低誤差測量,能很好地利用激光波長固定的特性,實現(xiàn)不同波長激光光色性能的高精度測量。參考文獻：

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