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手机闪光灯的关键光学特性及测量方案

:2017-12-13    :333

 1.引言

目前,智能手机拍照基本替代了传统的数码相机,成为人们最喜爱、最便捷的拍照方式。闪光灯是手机拍照不可缺少的一个部分,可作为拍摄的瞬间照明、也可以作为补光用途。为了采集到高品质的画面、提高照相感光能力,闪光灯的挑选成为智能手机关注的重点之一。

调查显示,手机闪光灯主要有氙灯和LED闪光灯两类,但氙灯因为结构复杂,体积大,难于集成,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机所采用,如Apple的iphone6、三星GalaxyS5、华为AscendP7、小米4等智能手机均配置了LED闪光灯,但是采用不同的LED设计方案。图2中给出了市场上几种典型的手机闪光灯方案。

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,类似于数码照相机,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现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(也称为闪光速度)一般非常短,可到几十微妙。闪光时间过长不利于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

通常当摄像系统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间的距离L的乘积则为闪光指数GN,它是衡量相机闪光灯性能最重要的参数之一,闪光指数一般【3】【4】可通过测量闪光灯的闪光强度及其随时间的变化,由公式(1)计算得到:

式中,K 为常数,K =0.0713,单位

 

为闪光灯的光输出,即输出光强对时间的积分值,单位cd.s ;S为感光度。

闪光波形一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较高的采样速度,以获得精确的光强随时间的变化,即闪光特性曲线。

2.2.色彩再现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;一般,可采用显色指数、色温、光谱分布指数来评价。

2.2.1 显色性和色温

目前很多智能手机采用蓝色LED+荧光粉来产生白光设计,然而这种设计使得光谱中蓝色成分较多,绿色和红色光较少,拍出来的照片颜色失真,色调偏冷。紧接着双色温LED闪光灯解决了这个问题,即采用一枚高亮白色LED闪光灯配合一枚亮度稍暗的琥珀色LED暖色灯来达到色温补偿的效果并提升了拍照画质的真实性,如图3。

随着LED闪光灯技术的不断提升,目前有些外置手机闪光灯已经实现色温可调功能。如德国专业闪光灯品牌Metz新推出mecalight LED-72 smart智能手机。

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,并不意味着所产生的照片的颜色能达到相同的还原效果,主要是因为它们的光谱分布存在差异。这个问题同样存在于照明用途的光源上,一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 和一般显色指数 ,数值越高,对于物体颜色的还原度越高,且各特殊显色指数 分别代表对于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,一般要求大于0。

对比图4在自然光和某手机闪光灯下的果蔬颜色,该闪光灯的一般显指Ra不错,为77.25,但R9为-9.26,这与闪光灯下果蔬红色表现不佳(橙子不够橙,西红柿偏暗红色)的现象是对应的。

图4 自然光下与手机闪光灯拍照比较

另外,随着光源测量和评价技术的发展,一些针对LED新型照明产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。极光光电RA≥97

2.2.2 光谱分布指数ISO/SDI

该参数描述闪光光源相对于一指定照明光源,预期改变摄影的整个色彩程度,通常用三个数[8]来表示,通过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。早期用于各类闪光光源的色再现质量的评价。

2.3.光色一致性评价

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一致性,也称作闪光均匀性。如果被摄面曝光不均匀将会会造成拍摄画面出现明显的暗区和亮区,如图5所示。

图5 曝光不均匀形成照片亮区和暗区

根据影室照相电子闪光灯标准JB/T 8477.1以及JB/T 7474.1, 被摄面有效照射范围内,边缘与中央的曝光值之差应在1EV以内。

2.3.2 颜色均匀性

手机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色度学系统常用色度坐标 来描述颜色,每个色度坐标均对应于相应色品图上的一个颜色点。颜色均匀性一般可以用闪光灯投射区域内两点之间的最大色差【1】表示:

其中,分别为点A和点B两点的色坐标;A和B为所有显色性测试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,对于LED闪光灯的性能评估来说,测量的关键在于:

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术,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现质量。极关光电专业制造高显示指数LED灯

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

光度探头与人眼视觉响应函数高度匹配以获得高精度光度测量结果。光度探头是通过在光电传感器件前加入滤色片以使其光谱灵敏度与模拟人眼光视效率函数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来直接影响;因此,为了确保测量准确度,所采用的光学探头最好为标准级。

3.2 测量解决方案

本文提出一种针对手机闪光灯测试的多通道快速光度与光谱相结合的测量方案:该方案集成了多个快速光度采样模块,采样速度高达50ks/s,可实现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术,将光度探头和光谱测量结果相结合,并且相互校正,不仅避免了传统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,真正实现速度和精度的双向需求。多通道还可以根据闪光灯的光形(如矩形或圆形)灵活布点,图6所示为典型的矩形光分布测量点阵,配合专业的闪光分析软件,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统(远方MFL-300闪光灯测量系统)

本文采用上述闪光灯测量系统及测试方法对手机闪光灯进行了系列测试,测试时要注意保证整个测量处于暗室中;安装待测手机闪光灯至预设位置,开启手机闪光灯,与此同时,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;根据所采集的波形,软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,加以软件配合可获得色温、显色指数等颜色参数。

图7 光输出瞬时采样图

为了更加直观准确地比较不同手机闪光灯的拍照效果,本文中对多款手机闪光灯的光谱进行了测试和比较,见图8,由测试结果不难看出,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,意味着对红色显示较好,综合表现型号B的色彩表现会更好。

图8几款手机的显色性测试结果

4. 总结

为了保证手机在昏暗条件下拍摄图片的品质,对手机闪光灯的光学检测也十分必要。目前相关的检测技术已经逐渐成熟,本文所介绍的多通道光度与光谱相结合测试方案不仅具备了高速采样技术,实时捕捉闪光波形,而且能同时实现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一站式方案,为业内闪光灯制造及检测行业提供了技术参考。




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