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手機閃光燈的關鍵光學特性及測量方案
2016/4/21 15:33:38

摘要:手機閃光燈是智能手機必不可少的一部分,不僅為昏暗的拍攝場合提供了照明條件,也常用作補光燈改善照明品質。閃光燈的閃光指數、曝光量、光分布均勻性以及色溫和顯色性都對于拍攝畫面的品質有著十分重要的影響。為了提高手機整體的拍照性能,對閃光燈性能的表征和規范非常關鍵。本文中根據相關標準詳細介紹了手機閃光燈的關鍵光學特性參數以及測量技術,并提出一種多通道光度與光譜相結合測量技術方案,可全方位的對閃光燈的各類光色參數進行測量,為手機閃光燈檢測提供有效的技術參考。

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、最便捷的拍照方式。閃光燈是手機拍照不可缺少的一個部分,可作為拍攝的瞬間照明、也可以作為補光用途。為了采集到高品質的畫面、提高照相感光能力,閃光燈的挑選成為智能手機關注的重點之一。

調查顯示,手機閃光燈主要有氙燈和LED閃光燈兩類,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憑著自身的光品質高、頻閃速度快、低功耗以及體積小、可作連續光源等諸多優點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閃光燈的相關標準及關鍵光學參數

在拍照方面,類似于數碼照相機,LED閃光燈的性能評價可參考標準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、閃光指數、總的閃光持續時間、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.閃光特性評價參數

閃光燈拍照時提供的是瞬間的高速照明,其閃光持續時間(也稱為閃光速度)一般非常短,可到幾十微妙。閃光時間過長不利于捕捉運動物體的圖像,造成明顯的拖尾。此外,在短暫的閃光時間內,照射面積上獲得合適的曝光量也是采集圖像質量的重要保證,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,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】可通過測量閃光燈的閃光強度及其隨時間的變化,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間的變化,即閃光特性曲線。

2.2.色彩再現以及逼真度評價參數

閃光燈輸出光線的顏色特性直接關系到被攝物體顏色的真實還原能力;一般,可采用顯色指數、色溫、光譜分布指數來評價。

2.2.1 顯色性和色溫

目前很多智能手機采用藍色LED+熒光粉來產生白光設計,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,拍出來的照片顏色失真,色調偏冷。緊接著雙色溫LED閃光燈解決了這個問題,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暖色燈來達到色溫補償的效果并提升了拍照畫質的真實性,如圖3。

隨著LED閃光燈技術的不斷提升,目前有些外置手機閃光燈已經實現色溫可調功能。如德國專業閃光燈品牌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

然而實際上,色溫相同的閃光光源,并不意味著所產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進行評價,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,隨著光源測量和評價技術的發展,一些針對LED新型照明產品的新的顯色評價體系也漸漸更新,例如 IES TM-30推薦的色域指數Rg和顏色逼真度Rf。

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色彩程度,通常用三個數[8]來表示,通過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。早期用于各類閃光光源的色再現質量的評價。

2.3.光色一致性評價

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】內,被攝面上各點曝光量的一致性,也稱作閃光均勻性。如果被攝面曝光不均勻將會會造成拍攝畫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以內。

2.3.2 顏色均勻性

手機閃光燈在投射面上各點的顏色均勻性對采集圖像的質量有著重要的意義。CIE色度學系統常用色度坐標 來描述顏色,每個色度坐標均對應于相應色品圖上的一個顏色點。顏色均勻性一般可以用閃光燈投射區域內兩點之間的最大色差【1】表示:

其中,分別為點A和點B兩點的色坐標;A和B為所有顯色性測試點中色坐標相差最大的兩點。

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說,測量的關鍵在于:

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,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,對色溫、顯色指數以及SDI等進行分析,全面評價閃光燈的彩色復現質量。

均勻性評價需要多通道布陣測量,而且多個通道必須保持高度同步,以準確獲取閃光燈在每個時刻點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;但實際濾色片與標準響應曲線難以完美匹配,這會對最后的曝光量和閃光指數測量的精度帶來直接影響;因此,為了確保測量準確度,所采用的光學探頭最好為標準級。

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:該方案集成了多個快速光度采樣模塊,采樣速度高達50ks/s,可實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,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題,而且大幅提高了光譜測量的線性和測量范圍,獲得極高的精度,真正實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,圖6所示為典型的矩形光分布測量點陣,配合專業的閃光分析軟件,可進行曝光量,閃光指數,閃光持續時間、色溫、顯色性、閃光以及顏色均勻性等各類參數的快速分析。

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行了系列測試,測試時要注意保證整個測量處于暗室中;安裝待測手機閃光燈至預設位置,開啟手機閃光燈,與此同時,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 光輸出瞬時采樣圖

為了更加直觀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行了測試和比較,見圖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,意味著對紅色顯示較好,綜合表現型號B的色彩表現會更好。

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,對手機閃光燈的光學檢測也十分必要。目前相關的檢測技術已經逐漸成熟,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,實時捕捉閃光波形,而且能同時實現多通道光度與光譜的快速測量,無光譜失匹配誤差,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,可以說是閃光測量的一站式方案,為業內閃光燈制造及檢測行業提供了技術參考。

參考文獻

【1】《TCO Certified PROJECTOR 1.2》,2011

【2】李恒,《閃光燈參數的測量》,中國計量科學研究院,照明工程學報,1993,4(1):67-68.

【3】GB/T 10072-2003 《照相用電子閃光裝置技術條件》.

【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閃光燈》.

【6】張衛杰. 《分布式閃光測量系統》,浙江大學,2014碩士畢業論文.

【7】GB/T 13964-2008 《照相機械術語》。

【8】GB/T 17558-1998 《照相閃光照明光源 光譜分布指數(ISO/SDI)的測定》

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[責任編輯:chled]



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