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行业知识

LED全彩大屏幕色度学原理


现代色度学采用的是 CIE(国际照明委员会)所规定的一套颜色测量原理、数据和计算方法,称为 CIE 标准色度学系统。其中规定 RGB 三基色的标准波长分别为 R(700nm)、G(546.1nm)、B(435.8nm)。众所周知,波长决定了颜色(色调)。在标准 CIE 色度图上,根据色调及饱和度的不同,各种颜色呈区域分布,如果将表示不同色度波长的点与中心白光点相连,就可以将色度图划分为多个不同的颜色区域。

因此,根据每个 LED 固有的波长等相关光学参数,可以在 CIE 色度图中找到其对应的坐标位置,再与图相比较即可得到所属的颜色区域,从而直观地得到LED 的色度。

根据色度学中的“三基色”原理,即将 RGB 三基色按不同比例混合,可以合成从白到黑各种颜色的光。如白光就可以由光通量比例为:φR:φG:φB=1:4.5907:0.0601 的三基色配合生成。在此基础上,调整 RGB 各基色的比例,就可以产生需要的各种颜色,这就是所谓的加色法。

所有的显示、投影等设备都是依赖于这种模式来实现的。就图像而言,该模式是相当好的一种色彩模式,因为它可以提供全屏幕的 24bit,多达 1677 万色的色彩范围(224=28×2828
=16 777 216),即所谓的真彩色,可以很大程度上还原实际颜色。

LED全彩大屏幕正是依据加色法,当人在一定距离外观察时,由于屏幕上三基色点对人眼所张视角小于人眼的空间分辨率,从而实现加色法混色。利用 RGB三基色 LED 模块,或自行设计配色方案(如 3.1.2 节所述的 2 红 2 绿 1 蓝等搭配模式),构成了显示屏上的每个像素,通过对每个 LED 的发光强度进行控制,最终配出各种所需的颜色。

两种颜色对于人眼在色彩感觉上的差别用“色差”来度量。对人眼视觉来说,当一种颜色在 CIE 色度图上的坐标位置变化极小时,人眼仍认为它是原来的颜色,感觉不出它的变化。因此,每个颜色实际上是一个范围(即所谓的“颜色宽容量”),在这个范围内变化时人眼视觉是感觉不到的。麦克亚当(D.L.MacAdam)于 1942 年对此进行了深入研究,通过实验对颜色宽容量进行了量化[27~30]:

(1) 在 CIE 色度图上不同位置选择 25 个色度点作为标准点,记录其色度坐标(x,y)。

(2)以每个标准点为中心,画出 5~9 条不同方向的直线,将相对两侧的颜色与标准点进行匹配,由同一位观察者调节所配颜色的比例,确定其颜色辨别的宽容量。

(3)反复进行 50 次,通过下式计算每次所得色度坐标的标准差。

(4)将实验结果标识在标准 CIE 色度图上。

可以看到,围绕标准点向各方向的辐射线为各标准差的距离,它们在不同方向上不相等,轨迹近似一个椭圆,且每个椭圆的形状、大小、方向并不一致。这表明在色度图中,不同位置、方向上颜色的宽容量是不相同的,即相同的几何距离,在不同的颜色区域及变化方向上,所对应的视觉颜色差别量大小不等。颜色宽容量为 LED 的颜色显示提供了极大便利,即不必苛求每个 LED 发出的光都必须一模一样,只要在宽容量之内,人眼都认为是一致的。但由于每种颜色的宽容量并不相同,对比图 4.1 与图 4.2 即可发现,蓝色宽容量最小,绿色最大,人眼对蓝色的恰可辨别最小距离比绿色的恰可辨别最大距离可达 1:20。因此,当相同的波长差异同时出现在一批蓝光 LED 和一批绿光 LED 上时,人眼也许就会认为绿色完全相同,而蓝色却是参差不齐的。