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圖1：幾種典型的LED閃光燈設(shè)計(jì)方案

 

2.LED閃光燈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)

 

在拍照方面，類似于數(shù)碼照相機(jī)，LED閃光燈的性能評(píng)價(jià)可參考標(biāo)準(zhǔn)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、閃光指數(shù)、總的閃光持續(xù)時(shí)間、閃光峰值照度、有效照射角、曝光均勻性等參數(shù)，以及表征拍照色彩再現(xiàn)能力的光譜分布指數(shù)ISO/SDI、顯色指數(shù)和色溫等顏色參數(shù)。

 

2.1.閃光特性評(píng)價(jià)參數(shù)

 

閃光燈拍照時(shí)提供的是瞬間的高速照明，其閃光持續(xù)時(shí)間(也稱為閃光速度)一般非常短，可到幾十微妙。閃光時(shí)間過長(zhǎng)不利于捕捉運(yùn)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(nèi)，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(dāng)攝像系統(tǒng)得到合適的曝光量時(shí)，照相鏡頭光圈數(shù)與閃光裝置到被攝體之間的距離L的乘積則為閃光指數(shù)GN，它是衡量相機(jī)閃光燈性能最重要的參數(shù)之一，閃光指數(shù)一般【3】【4】可通過測(cè)量閃光燈的閃光強(qiáng)度及其隨時(shí)間的變化，由公式(1)計(jì)算得到：

式中，K 為常數(shù)，K =0.0713,單位

                 

 

為閃光燈的光輸出，即輸出光強(qiáng)對(duì)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(xù)時(shí)間以及閃光指數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量均需要較高的采樣速度，以獲得精確的光強(qiáng)隨時(shí)間的變化，即閃光特性曲線。

 

2.2.色彩再現(xiàn)以及逼真度評(píng)價(jià)參數(shù)

 

閃光燈輸出光線的顏色特性直接關(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(shù)、色溫、光譜分布指數(shù)來評(píng)價(jià)。

 

2.2.1 顯色性和色溫

 

目前很多智能手機(jī)采用藍(lán)色LED+熒光粉來產(chǎn)生白光設(shè)計(jì)，然而這種設(shè)計(jì)使得光譜中藍(lán)色成分較多，綠色和紅色光較少，拍出來的照片顏色失真，色調(diào)偏冷。緊接著雙色溫LED閃光燈解決了這個(gè)問題，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暖色燈來達(dá)到色溫補(bǔ)償?shù)男Ч⑻嵘伺恼债嬞|(zhì)的真實(shí)性，如圖3。

 

隨著LED閃光燈技術(shù)的不斷提升，目前有些外置手機(jī)閃光燈已經(jīng)實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)功能。如德國(guó)專業(yè)閃光燈品牌Metz新推出mecalight LED-72 smart智能手機(jī)。

 

 

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，并不意味著所產(chǎn)生的照片的顏色能達(dá)到相同的還原效果，主要是因?yàn)樗鼈兊墓庾V分布存在差異。這個(gè)問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(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括特殊顯色指數(shù) 和一般顯色指數(shù) ，數(shù)值越高，對(duì)于物體顏色的還原度越高，且各特殊顯色指數(shù) 分別代表對(duì)于不同顏色的還原程度，其中R9代表對(duì)紅色物體的真實(shí)還原能力，一般要求大于0。

 

對(duì)比圖4在自然光和某手機(jī)閃光燈下的果蔬顏色，該閃光燈的一般顯指Ra不錯(cuò)，為77.25，但R9為-9.26，這與閃光燈下果蔬紅色表現(xiàn)不佳(橙子不夠橙，西紅柿偏暗紅色)的現(xiàn)象是對(duì)應(yīng)的。

 

圖4 自然光下與手機(jī)閃光燈拍照比較

 

另外，隨著光源測(cè)量和評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展，一些針對(duì)LED新型照明產(chǎn)品的新的顯色評(píng)價(jià)體系也漸漸更新，例如 IES TM-30推薦的色域指數(shù)Rg和顏色逼真度Rf。極光光電RA≥97

 

2.2.2 光譜分布指數(shù)ISO/SDI

 

該參數(shù)描述閃光光源相對(duì)于一指定照明光源，預(yù)期改變攝影的整個(gè)色彩程度，通常用三個(gè)數(shù)[8]來表示，通過測(cè)量閃光光源的相對(duì)光譜功率分布，與相應(yīng)的藍(lán)光、紅光以及綠光感光元件的加權(quán)光譜靈敏度值計(jì)算【8】而得出。早期用于各類閃光光源的色再現(xiàn)質(zhì)量的評(píng)價(jià)。

 

2.3.光色一致性評(píng)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】?jī)?nèi)，被攝面上各點(diǎn)曝光量的一致性，也稱作閃光均勻性。如果被攝面曝光不均勻?qū)?huì)會(huì)造成拍攝畫面出現(xiàn)明顯的暗區(qū)和亮區(qū)，如圖5所示。

 

圖5 曝光不均勻形成照片亮區(qū)和暗區(qū)

 

根據(jù)影室照相電子閃光燈標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8477.1以及JB/T 7474.1, 被攝面有效照射范圍內(nèi)，邊緣與中央的曝光值之差應(yīng)在1EV以內(nèi)。

 

2.3.2 顏色均勻性

 

手機(jī)閃光燈在投射面上各點(diǎn)的顏色均勻性對(duì)采集圖像的質(zhì)量有著重要的意義。CIE色度學(xué)系統(tǒng)常用色度坐標(biāo) 來描述顏色，每個(gè)色度坐標(biāo)均對(duì)應(yīng)于相應(yīng)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(qū)域內(nèi)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(biāo);A和B為所有顯色性測(cè)試點(diǎn)中色坐標(biāo)相差最大的兩點(diǎn)。

 

3. 檢測(cè)方案

 

3.1 總體測(cè)量要求

 

綜合上述的表征參數(shù)，對(duì)于LED閃光燈的性能評(píng)估來說，測(cè)量的關(guān)鍵在于：

 

采樣速度需要足夠快，至少達(dá)到每秒20kS/s以上，才能夠捕捉精細(xì)準(zhǔn)確的閃光特性曲線，并準(zhǔn)確得到閃光指數(shù)、閃光峰值照度等參數(shù)。

 

需要具備快速光譜測(cè)量技術(shù)，對(duì)色溫、顯色指數(shù)以及SDI等進(jìn)行分析，全面評(píng)價(jià)閃光燈的彩色復(fù)現(xiàn)質(zhì)量。極關(guān)光電專業(yè)制造高顯示指數(shù)LED燈

 

均勻性評(píng)價(jià)需要多通道布陣測(cè)量，而且多個(gè)通道必須保持高度同步，以準(zhǔn)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響應(yīng)函數(shù)高度匹配以獲得高精度光度測(cè)量結(jié)果。光度探頭是通過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(shù)V(λ)或者三刺激相應(yīng)函數(shù)V(λ)相匹配;但實(shí)際濾色片與標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)曲線難以完美匹配，這會(huì)對(duì)最后的曝光量和閃光指數(shù)測(cè)量的精度帶來直接影響;因此，為了確保測(cè)量準(zhǔn)確度，所采用的光學(xué)探頭最好為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)。

 

3.2 測(cè)量解決方案

 

本文提出一種針對(duì)手機(jī)閃光燈測(cè)試的多通道快速光度與光譜相結(jié)合的測(cè)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(dá)50ks/s，可實(shí)現(xiàn)各種閃光波形的快速準(zhǔn)確測(cè)量;此外還設(shè)置光譜測(cè)量單元，以準(zhǔn)確獲得閃光燈的光譜分布，進(jìn)而分析閃光燈的色度參數(shù)。更重要的是，本方案中采用了光度與光譜相結(jié)合技術(shù)，將光度探頭和光譜測(cè)量結(jié)果相結(jié)合，并且相互校正，不僅避免了傳統(tǒng)光色度計(jì)的光譜失匹配問題,而且大幅提高了光譜測(cè)量的線性和測(cè)量范圍，獲得極高的精度，真正實(shí)現(xiàn)速度和精度的雙向需求。多通道還可以根據(jù)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(cè)量點(diǎn)陣，配合專業(yè)的閃光分析軟件，可進(jìn)行曝光量，閃光指數(shù)，閃光持續(xù)時(shí)間、色溫、顯色性、閃光以及顏色均勻性等各類參數(shù)的快速分析。

 

圖6 典型的多通道閃光燈測(cè)量系統(tǒng)(遠(yuǎn)方MFL-300閃光燈測(cè)量系統(tǒng))

 

本文采用上述閃光燈測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)試方法對(duì)手機(jī)閃光燈進(jìn)行了系列測(cè)試，測(cè)試時(shí)要注意保證整個(gè)測(cè)量處于暗室中;安裝待測(cè)手機(jī)閃光燈至預(yù)設(shè)位置，開啟手機(jī)閃光燈，與此同時(shí)，所有的測(cè)量通道同步采集數(shù)據(jù)，并輸出如圖7所示的輸出波形;根據(jù)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(shù)等參數(shù);其中光譜測(cè)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(shù)等顏色參數(shù)。

 圖7 光輸出瞬時(shí)采樣圖

為了更加直觀準(zhǔn)確地比較不同手機(jī)閃光燈的拍照效果，本文中對(duì)多款手機(jī)閃光燈的光譜進(jìn)行了測(cè)試和比較，見圖8，由測(cè)試結(jié)果不難看出，型號(hào)A閃光燈的Ra數(shù)值最高，型號(hào)B緊跟其后，但要指出的是型號(hào)B閃光燈的R9是正值，意味著對(duì)紅色顯示較好，綜合表現(xiàn)型號(hào)B的色彩表現(xiàn)會(huì)更好。

圖8幾款手機(jī)的顯色性測(cè)試結(jié)果

4. 總結(jié)

為了保證手機(jī)在昏暗條件下拍攝圖片的品質(zhì)，對(duì)手機(jī)閃光燈的光學(xué)檢測(cè)也十分必要。目前相關(guān)的檢測(cè)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(jié)合測(cè)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(xiàn)多通道光度與光譜的快速測(cè)量，無光譜失匹配誤差，測(cè)量精度極高，可做到閃光指數(shù)、有效閃光時(shí)間、色溫、顯色指數(shù)以及均勻性等光色參數(shù)的全方位測(cè)量，可以說是閃光測(cè)量的一站式方案，為業(yè)內(nèi)閃光燈制造及檢測(cè)行業(yè)提供了技術(shù)參考。

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