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手機閃光燈的關鍵光學特性及測量方案

編輯:chinafpd 2016-04-21 13:54 瀏覽 評論 評論 3 贊    來源:  中華顯示網

  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。

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