1、瞄點式亮度計

瞄 點 式亮度計是一種可以選擇測量視場角的光電亮度色度計，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)為開普勒望遠鏡式結(jié)構(gòu)，具有平行光入射平行光出射的特點，包含兩路光路，一路為目視瞄準光路，一路為探測光路。其中物鏡的像方焦點與聚光鏡的物方焦點重合，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，大部分被反射進入目視瞄準光路，小部分從圓孔中出射進入探測光路。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，實現(xiàn)測量視場角的切換。

使用時，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”覆蓋住待測物點即可完成瞄點。

完成瞄點即可開始測量，進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，在三個光電探測器上產(chǎn)生的電信號與待測物點的三刺激值成正比，以此計算待測物點的色度和亮度。

瞄點式亮度計能夠在較遠處非接觸地測量待測物面中一個小區(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，通常多次測量屏幕的多個區(qū)域以評價整體均勻性，并通過傾斜平板顯示器實現(xiàn)可視角度的測量。

其主要缺點是全屏檢測時效率低下和小視場角時低亮度測量精度不佳。下圖為日本TOPCON公司的BM-7A型瞄點式亮度計,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

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

定焦標(biāo)準鏡頭將待測平面光源成像在CCD感光面上，光闌負責(zé)遮擋雜散光，電機控制濾色片切換，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相機采集三刺激值圖像。

CCD相機是一種二維圖像傳感器，由CCD感光芯片、外圍驅(qū)動電路、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)動電路按照設(shè)定的參數(shù)使CCD感光面曝光一定時間。2、CCD每個感光像素根據(jù)曝光時間內(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，所得圖像中每個像素的灰度值正比于對應(yīng)CCD感光像素在曝光時間內(nèi)積累的電荷量，若在曝光時間內(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相機可以采集像面的照度分布。在相同的感光面尺寸下，CCD相機的分辨率越高，所得的像面照度分布精度越高。通常CCD相機的分辨率可達數(shù)百萬像素，高端CCD相機的分辨率則有數(shù)千萬像素。

成像式亮度計可以近似等效為數(shù)百萬個具有相同三刺激值光譜響應(yīng)的瞄點式亮度色度計同時工作，面陣CCD相機的每個感光像素單元就相當(dāng)于一個瞄點式亮度色度計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，物距遠大于物鏡焦距， f/l 的值很小，可以忽略，此時公式可以化簡為：

E=KL

成像式亮度計在測量平板顯示器的整體亮度色度分布時的效率顯著高于瞄點式亮度計，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)機器視覺算法發(fā)展迅速，一些高端的成像式亮度計還具有屏幕缺陷自動檢測功能，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（如圖）在搭載50mm標(biāo)準鏡頭和200萬像素CCD相機時，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

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，價格降低了十幾倍，使光譜儀可以作為一個模塊集成進測量儀器中。

光譜亮度計是一種使用光譜法的光電亮度色度計，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反射后到達平面反射光柵。

平面反射光柵通常是由金屬鏡上刻劃細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算光源的三刺激值，從而計算出光源的亮度和色度。

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

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，大小接近一臺智能手機。

下圖是日本美能達公司的CS2000型光譜亮度計，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

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。瞄點式亮度計、光譜亮度計和成像式亮度計都不適合快速大量測量平板顯示器的像素亮度和色度。

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

成像式亮度計的空間分辨率不足，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。

顯微成像式亮度計是在成像式亮度計的基礎(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的應(yīng)用場景較為單一，主要用于像素測量，沒有成為一個新的品類。國外儀器廠商通常在原有成像式亮度計的基礎(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。

如Radiant公司的ProMetric型成像色度計推出了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。