光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)

1、光色基礎(chǔ)培訓(xùn)（一）光色度基礎(chǔ)*杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司 (股票代碼股票代碼: 300306) EVERFINE PHOTO-E-INFO CO., LTD光度學(xué)概念色度學(xué)概念光色度測(cè)量?jī)x器及方法什么是光？ 光是一種人類(lèi)眼睛可以見(jiàn)的光是一種人類(lèi)眼睛可以見(jiàn)的電磁波（可見(jiàn)光譜）。電磁波（可見(jiàn)光譜）。如太陽(yáng)光、燭光、電燈光。 在科學(xué)上的定義，光有時(shí)候在科學(xué)上的定義，光有時(shí)候是指所有的電磁波譜。是指所有的電磁波譜。如紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)、X光紫外線(xiàn)輻射 C (UV-C) 100 280 nm紫外線(xiàn)輻射 B (UV-B) 280 315 nm紫外線(xiàn)輻射 A (UV-A) 315

2、380 nm可見(jiàn)光 380 780 nm紅外線(xiàn) A (IR-A) 780 nm 1.4 m紅外線(xiàn) B (IR-B) 1.4 3 m紅外線(xiàn) C (IR-C) 3 m 1 m可見(jiàn)光區(qū)和電磁波譜通常過(guò)程中，我們研究光，主要是針對(duì)可見(jiàn)部分而言。一、光度學(xué) 在可見(jiàn)光波段內(nèi)，考慮到人眼的主觀(guān)因素后的相應(yīng)計(jì)量學(xué)在可見(jiàn)光波段內(nèi)，考慮到人眼的主觀(guān)因素后的相應(yīng)計(jì)量學(xué)科稱(chēng)為光度學(xué)?？品Q(chēng)為光度學(xué)。光度學(xué)是1760年由朗伯建立的，定義了光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度、亮度等主要光學(xué)光度學(xué)參量，并用數(shù)學(xué)闡明了它們之間的關(guān)系。光度學(xué)測(cè)量的不是純粹的物理量，而是一種心理物理量。光度學(xué)的量光度學(xué)的量光通量是指能夠被人的視覺(jué)系統(tǒng)所感受到

3、的那光通量是指能夠被人的視覺(jué)系統(tǒng)所感受到的那部分光輻射功率的大小的度量部分光輻射功率的大小的度量。單位：?jiǎn)挝唬毫髅鳎髅鳎╨mlm） 。 符號(hào)：符號(hào)：光通量的空間密度，即單位立體角元內(nèi)的光通量光通量的空間密度，即單位立體角元內(nèi)的光通量, ,稱(chēng)稱(chēng)為光強(qiáng)。為光強(qiáng)。單位：坎德拉（單位：坎德拉（cdcd）。符號(hào)：。符號(hào)：I I 七個(gè)國(guó)際基本物理量（七個(gè)國(guó)際基本物理量（SISI）之一）之一780380)()(dVKmeddI單位面積的光通量單位面積的光通量, ,稱(chēng)為光照度。稱(chēng)為光照度。單位：勒克斯（單位：勒克斯（lxlx）。符號(hào)：。符號(hào)：E E 表征被照面所接收光的大小表征被照面所接收光的大小單位表面上

4、在某一方向的光強(qiáng)密度。即被視物體在單位表面上在某一方向的光強(qiáng)密度。即被視物體在視線(xiàn)方向單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度。視線(xiàn)方向單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度。單位：?jiǎn)挝唬嚎驳吕科椒矫卓驳吕科椒矫?（cd/mcd/m2 2 ）。符號(hào)：。符號(hào)：L L表征發(fā)光面的明亮程度表征發(fā)光面的明亮程度dSdEdSdIL I=Ed2=ES=I轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換關(guān)系 距離平方反比定律距離平方反比定律 垂直于光線(xiàn)傳播方向的照度與光源在該方向的光強(qiáng)成正比，與光源到表面的距離的平方成反比。 rIEE=Icos/R2E=Icos3/H2推導(dǎo)式 點(diǎn)光源或近似點(diǎn)光源下成立。點(diǎn)光源或近似點(diǎn)光源下成立。I=Er2輻射度學(xué)輻射度學(xué)光光度度學(xué)學(xué)參

5、參數(shù)數(shù)光通量光通量V()人眼視覺(jué)函數(shù)人眼視覺(jué)函數(shù)輻射通量輻射通量輻輻射射度度學(xué)學(xué)參參數(shù)數(shù)光照度光照度輻射照度輻射照度光亮度光亮度輻射亮度輻射亮度光強(qiáng)度光強(qiáng)度輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度 輻射度量和光度量的關(guān)系輻射度量和光度量的關(guān)系如上表所示，輻射量和光度量的轉(zhuǎn)換主要是人眼因數(shù)的參與。以光通量為例，其轉(zhuǎn)換公式如下：780380)()(683dVe 對(duì)輻射量e進(jìn)行視覺(jué)加權(quán)即可得到光通量 光譜光效率（視見(jiàn)函數(shù)）光譜光效率（視見(jiàn)函數(shù)）人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的感光靈敏度是不一樣的，根據(jù)大量的觀(guān)察結(jié)果，并取平均后，得到了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)光的相對(duì)靈敏度，即視見(jiàn)函數(shù)CIE明視覺(jué)光視效率V()曲線(xiàn)。555nm光，即黃綠色時(shí)的光視效率

6、最高 人眼在明暗環(huán)境下，靈敏度是不一樣的，總的來(lái)說(shuō)亮度越低，眼睛對(duì)亮度越低，眼睛對(duì)短波越敏感，總體靈敏短波越敏感，總體靈敏度也越高。度也越高。Purkinje shift浦爾金耶漂移浦爾金耶漂移 目前光的度量，基本都是基于明視覺(jué)的二、色度學(xué)二、色度學(xué)色度學(xué)確切的講它是研究人眼對(duì)顏色感覺(jué)規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。目前在色度學(xué)上為國(guó)際所引用的數(shù)據(jù)，是由在許多正常視覺(jué)人群中觀(guān)測(cè)得來(lái)的數(shù)據(jù)而得出的平均結(jié)果。 一般來(lái)說(shuō)光源發(fā)出的光都可以由三種單色光混合得到，但這3種單色光的任何一種不能由其余兩種產(chǎn)生。這三種色便稱(chēng)為三原色。三原色有很多選擇。三原色有很多選擇。RGB系統(tǒng)的三原色：系統(tǒng)的三原色：紅（紅（R）R= 70

7、0.0nm綠（綠（G） G= 546.1nm藍(lán)（藍(lán)（B） B= 435.8nm 三原色 CIE1931 XYZ 色系統(tǒng)由于從實(shí)際光譜中選定的紅、綠、藍(lán)三原色光不可能調(diào)(匹)配出存在于自然界的所有色彩，CIE于1931年從理論上假設(shè)了并不存在于自然界的三種原色，即理論三原色，以X，Y，Z表示，以期從理論上來(lái)調(diào)(匹)配一切色彩。CIE 1931 XYZCIE 1931 XYZ標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng) 三刺激值三刺激值 待測(cè)顏色在和指定三原色匹配時(shí)，所需三原色的數(shù)量，稱(chēng)為三刺激值。 色品坐標(biāo)色品坐標(biāo)三刺激值和它們之和的比，稱(chēng)為色品坐標(biāo)。色坐標(biāo)可以精確的表示顏色。dkZdkYdkX)(z)()(y)(

8、)(x)(780380780380780380ZYXZZYXYZYXXzyx， 色品圖色品圖 色品坐標(biāo)表示的平面圖稱(chēng)為色品圖。CIE1931色品圖中存在諸如色差容限不均勻等問(wèn)題， CIE推出了1976 色品圖 CIE1931 色品圖色品圖 x，y 表示表示CIE-1976 UCS色品圖色品圖 u v 表示表示 光譜分布光譜分布描述光譜功率和對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的關(guān)系。通常會(huì)以表格或曲線(xiàn)形式出現(xiàn)。WL(nm)波長(zhǎng)相對(duì)光譜3800.00713850.006。4500.5。7750.00427800.0042 色溫、相關(guān)色溫色溫、相關(guān)色溫色溫（色溫（CT）：光源色品與某一溫度下黑體色品相同時(shí)，黑體呈現(xiàn)的溫度。相

9、關(guān)色溫（相關(guān)色溫（CCT）：光源色品與某一溫度下黑體色品最接近時(shí)，黑體呈現(xiàn)的溫度。色溫也是表示顏色的一種方法，只不色溫也是表示顏色的一種方法，只不過(guò)它的描述并不像色坐標(biāo)那么精確。過(guò)它的描述并不像色坐標(biāo)那么精確。色溫相應(yīng)的電光源-7500 蘭色金屬鹵化物燈-5500 白色金屬鹵化物燈-4500 汞燈-3300 暖色熒光燈-2800 白熾燈-2100 高壓鈉燈自然光色溫晴朗的天空 12000-陰云的天空 7000-白天北窗射進(jìn)的光 6500-頭頂?shù)奶?yáng)光 5250-圓月 4152- 地平線(xiàn)上的太陽(yáng)光 1850-光色 顯色指數(shù)（顯色指數(shù)（Color Rendering Index） 表征物體在被測(cè)光

10、下的顏色和基準(zhǔn)光(A光源)照明的顏色的符合程度鹵素?zé)粝蔓u素?zé)粝碌蛪衡c燈下低壓鈉燈下金鹵燈下金鹵燈下以黑體或標(biāo)準(zhǔn)照明體D作為參考光源，將其顯色指數(shù)定為100；對(duì)在參考光和待測(cè)光源下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品形成的色差進(jìn)行考察，以此評(píng)定光源的顯色性，用顯色指數(shù)來(lái)表示。一般顯色指數(shù)一般顯色指數(shù)定義為18號(hào)樣品的特殊顯色指數(shù)特殊顯色指數(shù)的平均數(shù)，表達(dá)式為：1416 . 4100iERii8181iiaRR顯色指數(shù)（CRI）的計(jì)算方法R1-R8R9-R14CRI-Ra評(píng)價(jià)系統(tǒng)的問(wèn)題Ra=72R9=-10Ra=82R9=-90 主波長(zhǎng)主波長(zhǎng) 某種顏色S可以通過(guò)單色光D和參照光E混合而得，那么D的波長(zhǎng)d就是S的主波長(zhǎng)。 色

11、純度色純度 色純度是指該顏色和其主波長(zhǎng)顏色之間的接近程度。EDESPURE/主波長(zhǎng)大致表明顏色的基本色調(diào)；主波長(zhǎng)大致表明顏色的基本色調(diào)；色純度給出了大致的飽和度；色純度給出了大致的飽和度；在單色光中用這樣的表示顏色更直觀(guān)在單色光中用這樣的表示顏色更直觀(guān) 色容差色容差 兩個(gè)顏色比較時(shí)，人眼感覺(jué)不出顏色變化的最大范圍稱(chēng)為顏色的寬容量，也叫恰可察覺(jué)差。也就是我們常常提到的色容差，單位是SDCM(標(biāo)準(zhǔn)配色偏差-Standard Deviation of Color Matching) 以橢圓形表示，橢圓上的每一個(gè)點(diǎn)到中心的距離都是相等的SDCM. 之所以圖形呈現(xiàn)橢圓形，是由CIE1931色度圖顏色表示

12、的不均勻性決定的，如果將之轉(zhuǎn)換為1960均色圖，情況會(huì)好很多，橢圓基本上將變化成接近圓形。 DuvDuv, 色差；顧名思義，就是顏色的差異。在色度圖上就是兩個(gè)點(diǎn)之間的距離。比如A顏色跟B顏色，線(xiàn)段AB，就是他們的色差。特別注意：特別注意：我們光譜儀測(cè)試系統(tǒng)也有Duv的值，因?yàn)閷?duì)于燈來(lái)說(shuō)，測(cè)試出來(lái)只有一個(gè)顏色，這時(shí)候講色差，必然是有另一個(gè)已經(jīng)確定的點(diǎn)，否則就沒(méi)有意義了。這個(gè)確定的點(diǎn)就是測(cè)試顏色和它離黑體最近的那個(gè)點(diǎn)。如BE.三、光色度測(cè)量?jī)x器 常規(guī)的光度，色度量，需要一些儀器進(jìn)行測(cè)量。我們先了解下測(cè)量這些量的儀器和測(cè)量方法。照度測(cè)量光度探測(cè)器的一般組成光度探測(cè)器的一般組成光度探頭的光譜靈敏度曲線(xiàn)

13、與光度探頭的光譜靈敏度曲線(xiàn)與V()曲線(xiàn)的匹配，曲線(xiàn)的匹配，CIE用用f1來(lái)表來(lái)表示光度探頭的失匹配程度示光度探頭的失匹配程度JJG245中關(guān)于光照度計(jì)示值誤差和匹配誤差的要求中關(guān)于光照度計(jì)示值誤差和匹配誤差的要求Z-10PHOTO 2000GO/柱面照度計(jì)柱面照度計(jì)光強(qiáng)測(cè)量光強(qiáng)測(cè)量 光源光強(qiáng)的測(cè)量一般通過(guò)照度測(cè)量和照度平方反比計(jì)算得出cos2REIdALIcosI=ER2rIE也可以通過(guò)測(cè)量光源表面各點(diǎn)亮度，通過(guò)對(duì)面積積分求出測(cè)量?jī)x器依然是照度探測(cè)器測(cè)量?jī)x器依然是照度探測(cè)器如：如：PHOTO 2000GO ID 1000等等亮度測(cè)量亮度測(cè)量 LM-2CBM-8SR-2瞄點(diǎn)式亮度計(jì)瞄點(diǎn)式亮度計(jì)

14、視場(chǎng)角大小是最重要的指標(biāo)之一，視場(chǎng)角越小，亮度計(jì)所能測(cè)量的最小面積就越小。光譜亮度計(jì)光譜亮度計(jì) 將描點(diǎn)亮度計(jì)中的照度探測(cè)器接收部分更改為CCD，CCD前方設(shè)置分光，這樣就可以得到光譜分布，從而得到亮度值，同時(shí)可以精確的得到顏色參數(shù)。成像亮度計(jì)成像亮度計(jì) 采用面陣CCD感光元件（每個(gè)像素單元當(dāng)做一個(gè)探測(cè)器），CCD前設(shè)有光學(xué)成像系統(tǒng)和用于匹配V()曲線(xiàn)的光學(xué)元件。通過(guò)一次曝光，測(cè)量平面內(nèi)各點(diǎn)的亮度和亮度均勻度。SR-2CX-2A/B光通量測(cè)量光通量測(cè)量 積分球法積分球法 積分法積分法設(shè)備：積分球、 光度計(jì) PHOTO 2000J 供電電源組成結(jié)構(gòu)：PHOTO2000J電源積分球測(cè)量原理142RE

15、SS142RECCSSCCEE標(biāo)準(zhǔn)燈被測(cè)燈求比兩次結(jié)果精度來(lái)自于光度探測(cè)器，其關(guān)鍵是探頭光譜響應(yīng)與V()曲線(xiàn)的精確匹配。分光法分光法設(shè)備：積分球、 光譜儀haas2000 供電電源組成結(jié)構(gòu)：haas200電源積分球測(cè)量原理測(cè)出絕對(duì)光譜功率分布P()，與V()加權(quán)積分，就可以求出光通量。780380)()(dPVKG可以消除探頭的V()匹配帶來(lái)的誤差，精度主要取決于光譜輻射計(jì)的精度。 分光法的延伸分光法的延伸 分光法的測(cè)量原理是測(cè)出光譜功率分布P()，與V()加權(quán)積分，就可以求出光通量。780380)()(dPVKG 如果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合適的標(biāo)定后，該原理實(shí)際上適合所有光度量的測(cè)量，不單指光通。這也

16、就意味著，照度，光強(qiáng)，亮度也是可以用同樣的方法進(jìn)行測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)依然是消除探頭的V()匹配帶來(lái)的誤差。應(yīng)用實(shí)例：光譜儀HAAS2000和ALI裝置組成的LED光強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)光譜輻射亮度計(jì)SR-2分光分光-積分結(jié)合技術(shù)積分結(jié)合技術(shù)(SBCT)參考探頭測(cè)出光度量得出光譜解析校正系數(shù)K1乘以K1得到待測(cè)樣品的精確光度量快速光譜儀測(cè)出光源光譜功率分布12345遠(yuǎn)方專(zhuān)利技術(shù)遠(yuǎn)方專(zhuān)利技術(shù)780380iisi780380irelisi780380ireliti780380iitiVPsPsPVPccf其中：Pti: 待測(cè)燈相對(duì)光譜功率分布 Psi: 標(biāo)準(zhǔn)燈相對(duì)光譜功率分布 sreli: 光度計(jì)相對(duì)光譜靈敏度 d

17、ddd1780380rel780360rel 780380t780360tVPsPsPVPccfKss測(cè)量光度量時(shí)，光譜修正因子為： 在計(jì)算中積分變成求和：分布光度計(jì)法分布光度計(jì)法 照度積分法照度積分法總光通量的基準(zhǔn)級(jí)測(cè)量方法 2002402)(sin),(),(ddErdErEdStotStot 被CIE 84-1989推薦，是多數(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)光通量基準(zhǔn)單位的方法照度分布法是測(cè)量光通量最好的方法照度分布法是測(cè)量光通量最好的方法 被測(cè)燈無(wú)需處于中心 測(cè)量距離沒(méi)有嚴(yán)格要求 。 取樣步長(zhǎng)足夠小 具有良好的余弦修正 被測(cè)燈高度穩(wěn)定光強(qiáng)積分法光強(qiáng)積分法 200sin),(ddItot 2121sin

18、),(ddIzone總光通量測(cè)量：區(qū)域光通量測(cè)量： 顏色參數(shù)測(cè)量顏色參數(shù)測(cè)量三刺激值法三刺激值法光譜法光譜法780380780380780380)(z)(P)(y)(P)(x)(PkZkYkXZYXZZYXYZYXXzyx，光譜功率分布的測(cè)量過(guò)程光譜功率分布的測(cè)量過(guò)程K()測(cè)試系統(tǒng)的光譜響應(yīng)常數(shù)Iphs()=Ps()K()K()=Iphs()/Ps()標(biāo)準(zhǔn)燈光譜功率分布為Ps()標(biāo)準(zhǔn)燈光電流信號(hào)Iphs()光源光譜功率分布為P()光電流信號(hào)Iph()已知測(cè)量定定標(biāo)標(biāo)測(cè)量結(jié)果P()= Iph()/K() =Iph()/Iphs()*Ps()?儀器測(cè)量過(guò)程中，光電流信號(hào)儀器測(cè)量過(guò)程中，光電流信號(hào)Iph()=P()【()()T()S() 】=P()K