1、瞄點(diǎn)式亮度計(jì)

瞄 點(diǎn) 式亮度計(jì)是一種可以選擇測量視場角的光電亮度色度計(jì)，最早由Pritchard發(fā)明，一般有4種視場角可供切換（2°、1°、0.2°、0.1°），其主要結(jié)構(gòu)

如圖所示：

其光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為開普勒望遠(yuǎn)鏡式結(jié)構(gòu)，具有平行光入射平行光出射的特點(diǎn)，包含兩路光路，一路為目視瞄準(zhǔn)光路，一路為探測光路。其中物鏡的像方焦點(diǎn)與聚光鏡的物方焦點(diǎn)重合，打孔圓盤反射鏡位于此處。

待測物面發(fā)出的光束在經(jīng)過打孔圓盤反射鏡時(shí)，大部分被反射進(jìn)入目視瞄準(zhǔn)光路，小部分從圓孔中出射進(jìn)入探測光路。打孔圓盤反射鏡的圓孔是探測光路的視場光闌，因此可以通過旋轉(zhuǎn)打孔圓盤反射鏡選擇不同孔徑的圓孔，實(shí)現(xiàn)測量視場角的切換。

使用時(shí)，首先選擇測量視場角，然后通過目鏡觀察待測物面，調(diào)節(jié)物鏡對焦環(huán)對焦，使視野清晰，此時(shí)視野中有一“黒洞”，這是打孔圓盤反射鏡的圓孔，用“黒洞”覆蓋住待測物點(diǎn)即可完成瞄點(diǎn)。

完成瞄點(diǎn)即可開始測量，進(jìn)入探測光路的光束在經(jīng)過聚光鏡后出射至XYZ濾色片組，經(jīng)XYZ濾色片組濾色后，在三個(gè)光電探測器上產(chǎn)生的電信號與待測物點(diǎn)的三刺激值成正比，以此計(jì)算待測物點(diǎn)的色度和亮度。

瞄點(diǎn)式亮度計(jì)能夠在較遠(yuǎn)處非接觸地測量待測物面中一個(gè)小區(qū)域的亮度和色度，并且可以用于測量其發(fā)光角度。測量平板顯示器時(shí)，通常多次測量屏幕的多個(gè)區(qū)域以評價(jià)整體均勻性，并通過傾斜平板顯示器實(shí)現(xiàn)可視角度的測量。

其主要缺點(diǎn)是全屏檢測時(shí)效率低下和小視場角時(shí)低亮度測量精度不佳。下圖為日本TOPCON公司的BM-7A型瞄點(diǎn)式亮度計(jì),其亮度量程為0.01-12000000 nit ，亮度精度 ±%2，色坐標(biāo)精度 ±0.002。

2、成像式亮度計(jì)

CCD（Charge CoupLED Device）于1970年被美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明后不久，其二維感光能力被應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)，成像式亮度計(jì)的結(jié)構(gòu)與它類似，下圖是成像式亮度計(jì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)原理示意圖。

定焦標(biāo)準(zhǔn)鏡頭將待測平面光源成像在CCD感光面上，光闌負(fù)責(zé)遮擋雜散光，電機(jī)控制濾色片切換，三片匹配CIE三刺激值曲線的濾色片過濾光源的三刺激值分量，CCD相機(jī)采集三刺激值圖像。

CCD相機(jī)是一種二維圖像傳感器，由CCD感光芯片、外圍驅(qū)動(dòng)電路、圖像數(shù)據(jù)處理模塊組成。其核心元件CCD全稱為電荷耦合器件，其最小結(jié)構(gòu)單元是金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器（Metal oxide semiconductor，MOS），利用光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。

其工作流程是：1、外圍驅(qū)動(dòng)電路按照設(shè)定的參數(shù)使CCD感光面曝光一定時(shí)間。2、CCD每個(gè)感光像素根據(jù)曝光時(shí)間內(nèi)接收光能大小產(chǎn)生對應(yīng)數(shù)量的電荷。3、外圍驅(qū)動(dòng)電路控制感光像素內(nèi)電荷包依次向相鄰像素轉(zhuǎn)移，通過行掃描或列掃描的方式獲得整個(gè)感光面的電信號。4、圖像數(shù)據(jù)處理模塊將電信號轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的圖像傳輸格式，如RAW格式。

在未過曝的前提下，所得圖像中每個(gè)像素的灰度值正比于對應(yīng)CCD感光像素在曝光時(shí)間內(nèi)積累的電荷量，若在曝光時(shí)間內(nèi)像面照度分布保持不變，則某圖像像素的灰度值 Fm,n , 與對應(yīng)像面元的照度 dE 的關(guān)系如公式所示

因此CCD相機(jī)可以采集像面的照度分布。在相同的感光面尺寸下，CCD相機(jī)的分辨率越高，所得的像面照度分布精度越高。通常CCD相機(jī)的分辨率可達(dá)數(shù)百萬像素，高端CCD相機(jī)的分辨率則有數(shù)千萬像素。

成像式亮度計(jì)可以近似等效為數(shù)百萬個(gè)具有相同三刺激值光譜響應(yīng)的瞄點(diǎn)式亮度色度計(jì)同時(shí)工作，面陣CCD相機(jī)的每個(gè)感光像素單元就相當(dāng)于一個(gè)瞄點(diǎn)式亮度色度計(jì)中的積分式光電探測器。其微觀結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖所示：

其像面照度E與物面亮度L的關(guān)系如公式：

通常情況下，物距遠(yuǎn)大于物鏡焦距， f/l 的值很小，可以忽略，此時(shí)公式可以化簡為：

E=KL

成像式亮度計(jì)在測量平板顯示器的整體亮度色度分布時(shí)的效率顯著高于瞄點(diǎn)式亮度計(jì)，是目前平板顯示器全屏檢測的主流方案。

近年來屏幕缺陷檢測的相關(guān)機(jī)器視覺算法發(fā)展迅速，一些高端的成像式亮度計(jì)還具有屏幕缺陷自動(dòng)檢測功能，能夠替代多道人工檢測工序，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量管理可靠性。

比如美國Radiant公司的ProMetric型成像色度計(jì)（如圖）在搭載50mm標(biāo)準(zhǔn)鏡頭和200萬像素CCD相機(jī)時(shí)，其亮度量程為 0.001-10000000000nit ，亮度精度 ±%3 ，色坐標(biāo)精度 ±0.003 ，視場角10°×8° ，其配套軟件TrueTest具有缺陷檢測功能。

3、光譜亮度計(jì)

光譜儀可以測量光源的光譜，應(yīng)用廣泛，1992年美國科學(xué)家Mike Morris發(fā)明了第一臺(tái)商用微型光纖光譜儀S1000型，它將光譜儀的大小縮小了幾十倍，價(jià)格降低了十幾倍，使光譜儀可以作為一個(gè)模塊集成進(jìn)測量儀器中。

光譜亮度計(jì)是一種使用光譜法的光電亮度色度計(jì)，其光學(xué)系統(tǒng)的核心一般為微型光譜儀，配有光纖探頭或入光鏡頭。微型光譜儀的一種常用結(jié)構(gòu)為交叉式Czerny-Turner結(jié)構(gòu)，如圖所示：

光源的光束通過光纖耦合、透鏡聚焦等方法接入微型光譜儀的狹縫前，狹縫使出射光為線光源，經(jīng)反射鏡1反射后到達(dá)平面反射光柵。

平面反射光柵通常是由金屬鏡上刻劃細(xì)密的等間距刻痕制成，是一種衍射光學(xué)器件，具有分光的能力，能使不同波長的光以不同的衍射角度出射。

反射鏡2將不同波長的光聚焦于線陣CCD的不同感光像素上，通過測量各感光像素的電信號即可測量光源的相對光譜功率分布。由光源的相對光譜功率分布可以計(jì)算光源的三刺激值，從而計(jì)算出光源的亮度和色度。

光譜亮度計(jì)相比于瞄點(diǎn)式亮度計(jì)和成像式亮度計(jì)具有測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、可測光譜的優(yōu)點(diǎn)，配合特殊的光纖探針還可以測量像素的亮度和色度。其主要缺點(diǎn)是只能單點(diǎn)測量。

下圖是美國海洋光學(xué)公司的HR4PRO型微型光譜儀，采用光纖入光，其在可見光波段的光譜分辨率為0.1nm，尺寸為148.6 x 104.8 x 45.1 mm，大小接近一臺(tái)智能手機(jī)。

下圖是日本美能達(dá)公司的CS2000型光譜亮度計(jì)，采用鏡頭入光，視場角1°、0.2°、0.1°可選，光譜分辨率0.9nm，亮度量程0.003-500000 nit ，亮度精度 ±%2 ，色坐標(biāo)精度 ±0.0015。

4、顯微成像式亮度計(jì)

隨著MiniLED、MicroLED顯示技術(shù)的提升，平板顯示器的像素亮度和色度的測量需求日益增加。瞄點(diǎn)式亮度計(jì)、光譜亮度計(jì)和成像式亮度計(jì)都不適合快速大量測量平板顯示器的像素亮度和色度。

其中瞄點(diǎn)式亮度計(jì)的工作距離較長，視場內(nèi)包含多個(gè)像素，無法測量單個(gè)子像素；光譜亮度計(jì)需要搭配特殊的光纖探針才能測量單個(gè)子像素，無法大量測量；

成像式亮度計(jì)的空間分辨率不足，只能測量像素尺寸較大的顯示面板的像素亮度和色度，無法測量子像素內(nèi)的亮度和色度分布，無法測量MiniLED、MicroLED顯示面板的像素亮度和色度。

顯微成像式亮度計(jì)是在成像式亮度計(jì)的基礎(chǔ)上，將成像物鏡替換為高倍率顯微物鏡，通過高倍率的顯微成像，實(shí)現(xiàn)對待測面光源的微米級的亮度和色度分布測量。

目前顯微成像式亮度計(jì)的應(yīng)用場景較為單一，主要用于像素測量，沒有成為一個(gè)新的品類。國外儀器廠商通常在原有成像式亮度計(jì)的基礎(chǔ)上推出顯微鏡頭套件與像素測量軟件，使其可以通過切換鏡頭變?yōu)轱@微成像式亮度計(jì)。

如Radiant公司的ProMetric型成像色度計(jì)推出了5X顯微鏡頭套件，其配套軟件TrueTest新增了像素測量功能。目前未見國內(nèi)廠商推出顯微成像式亮度計(jì)。