光學基礎(chǔ)知識培訓

1、光色基礎(chǔ)培訓（一）光色度基礎(chǔ)*杭州遠方光電信息股份有限公司杭州遠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光度學概念色度學概念光色度測量儀器及方法什么是光？ 光是一種人類眼睛可以見的光是一種人類眼睛可以見的電磁波（可見光譜）。電磁波（可見光譜）。如太陽光、燭光、電燈光。 在科學上的定義，光有時候在科學上的定義，光有時候是指所有的電磁波譜。是指所有的電磁波譜。如紅外線、紫外線、X光紫外線輻射 C (UV-C) 100 280 nm紫外線輻射 B (UV-B) 280 315 nm紫外線輻射 A (UV-A) 315

2、380 nm可見光 380 780 nm紅外線 A (IR-A) 780 nm 1.4 m紅外線 B (IR-B) 1.4 3 m紅外線 C (IR-C) 3 m 1 m可見光區(qū)和電磁波譜通常過程中，我們研究光，主要是針對可見部分而言。一、光度學 在可見光波段內(nèi)，考慮到人眼的主觀因素后的相應計量學在可見光波段內(nèi)，考慮到人眼的主觀因素后的相應計量學科稱為光度學?？品Q為光度學。光度學是1760年由朗伯建立的，定義了光通量、發(fā)光強度、照度、亮度等主要光學光度學參量，并用數(shù)學闡明了它們之間的關(guān)系。光度學測量的不是純粹的物理量，而是一種心理物理量。光度學的量光度學的量光通量是指能夠被人的視覺系統(tǒng)所感受到

3、的那光通量是指能夠被人的視覺系統(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：單位：流明（流明（lmlm） 。 符號：符號：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, ,稱稱為光強。為光強。單位：坎德拉（單位：坎德拉（cdcd）。符號：。符號：I I 七個國際基本物理量（七個國際基本物理量（SISI）之一）之一780380)()(dVKmeddI單位面積的光通量單位面積的光通量, ,稱為光照度。稱為光照度。單位：勒克斯（單位：勒克斯（lxlx）。符號：。符號：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、在某一方向的光強密度。即被視物體在單位表面上在某一方向的光強密度。即被視物體在視線方向單位投影面積上的發(fā)光強度。視線方向單位投影面積上的發(fā)光強度。單位：單位：坎德拉每平方米坎德拉每平方米 （cd/mcd/m2 2 ）。符號：。符號：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 垂直于光線傳播方向的照度與光源在該方向的光強成正比，與光源到表面的距離的平方成反比。 rIEE=Icos/R2E=Icos3/H2推導式 點光源或近似點光源下成立。點光源或近似點光源下成立。I=Er2輻射度學輻射度學光光度度學學參

5、參數(shù)數(shù)光通量光通量V()人眼視覺函數(shù)人眼視覺函數(shù)輻射通量輻射通量輻輻射射度度學學參參數(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度光強度輻射強度輻射強度 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 對輻射量e進行視覺加權(quán)即可得到光通量 光譜光效率（視見函數(shù)）光譜光效率（視見函數(shù)）人眼對不同波長的感光靈敏度是不一樣的，根據(jù)大量的觀察結(jié)果，并取平均后，得到了人眼對各種波長光的相對靈敏度，即視見函數(shù)CIE明視覺光視效率V()曲線。555nm光，即黃綠色時的光視效率

6、最高 人眼在明暗環(huán)境下，靈敏度是不一樣的，總的來說亮度越低，眼睛對亮度越低，眼睛對短波越敏感，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的二、色度學二、色度學色度學確切的講它是研究人眼對顏色感覺規(guī)律的一門科學。目前在色度學上為國際所引用的數(shù)據(jù)，是由在許多正常視覺人群中觀測得來的數(shù)據(jù)而得出的平均結(jié)果。 一般來說光源發(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（藍（B） B= 435.8nm 三原色 CIE1931 XYZ 色系統(tǒng)由于從實際光譜中選定的紅、綠、藍三原色光不可能調(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，以期從理論上來調(diào)(匹)配一切色彩。CIE 1931 XYZCIE 1931 XYZ標準色度系統(tǒng)標準色度系統(tǒng) 三刺激值三刺激值 待測顏色在和指定三原色匹配時，所需三原色的數(shù)量，稱為三刺激值。 色品坐標色品坐標三刺激值和它們之和的比，稱為色品坐標。色坐標可以精確的表示顏色。dkZdkYdkX)(z)()(y)(

8、)(x)(780380780380780380ZYXZZYXYZYXXzyx， 色品圖色品圖 色品坐標表示的平面圖稱為色品圖。CIE1931色品圖中存在諸如色差容限不均勻等問題， 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應波長的關(guān)系。通常會以表格或曲線形式出現(xiàn)。WL(nm)波長相對光譜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，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，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，只不過它的描述并不像色坐標那么精確。過它的描述并不像色坐標那么精確。色溫相應的電光源-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-白天北窗射進的光 6500-頭頂?shù)奶柟?5250-圓月 4152- 地平線上的太陽光 1850-光色 顯色指數(shù)（顯色指數(shù)（Color Rendering Index） 表征物體在被測光

10、下的顏色和基準光(A光源)照明的顏色的符合程度鹵素燈下鹵素燈下低壓鈉燈下低壓鈉燈下金鹵燈下金鹵燈下以黑體或標準照明體D作為參考光源，將其顯色指數(shù)定為100；對在參考光和待測光源下對標準樣品形成的色差進行考察，以此評定光源的顯色性，用顯色指數(shù)來表示。一般顯色指數(shù)一般顯色指數(shù)定義為18號樣品的特殊顯色指數(shù)特殊顯色指數(shù)的平均數(shù)，表達式為：1416 . 4100iERii8181iiaRR顯色指數(shù)（CRI）的計算方法R1-R8R9-R14CRI-Ra評價系統(tǒng)的問題Ra=72R9=-10Ra=82R9=-90 主波長主波長 某種顏色S可以通過單色光D和參照光E混合而得，那么D的波長d就是S的主波長。 色

11、純度色純度 色純度是指該顏色和其主波長顏色之間的接近程度。EDESPURE/主波長大致表明顏色的基本色調(diào)；主波長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在單色光中用這樣的表示顏色更直觀 色容差色容差 兩個顏色比較時，人眼感覺不出顏色變化的最大范圍稱為顏色的寬容量，也叫恰可察覺差。也就是我們常常提到的色容差，單位是SDCM(標準配色偏差-Standard Deviation of Color Matching) 以橢圓形表示，橢圓上的每一個點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點之間的距離。比如A顏色跟B顏色，線段AB，就是他們的色差。特別注意：特別注意：我們光譜儀測試系統(tǒng)也有Duv的值，因為對于燈來說，測試出來只有一個顏色，這時候講色差，必然是有另一個已經(jīng)確定的點，否則就沒有意義了。這個確定的點就是測試顏色和它離黑體最近的那個點。如BE.三、光色度測量儀器 常規(guī)的光度，色度量，需要一些儀器進行測量。我們先了解下測量這些量的儀器和測量方法。照度測量光度探測器的一般組成光度探測器的一般組成光度探頭的光譜靈敏度曲線

13、與光度探頭的光譜靈敏度曲線與V()曲線的匹配，曲線的匹配，CIE用用f1來表來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)于光照度計示值誤差和匹配誤差的要求中關(guān)于光照度計示值誤差和匹配誤差的要求Z-10PHOTO 2000GO/柱面照度計柱面照度計光強測量光強測量 光源光強的測量一般通過照度測量和照度平方反比計算得出cos2REIdALIcosI=ER2rIE也可以通過測量光源表面各點亮度，通過對面積積分求出測量儀器依然是照度探測器測量儀器依然是照度探測器如：如：PHOTO 2000GO ID 1000等等亮度測量亮度測量 LM-2CBM-8SR-2瞄點式亮度計瞄點式亮度計

14、視場角大小是最重要的指標之一，視場角越小，亮度計所能測量的最小面積就越小。光譜亮度計光譜亮度計 將描點亮度計中的照度探測器接收部分更改為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，同時可以精確的得到顏色參數(shù)。成像亮度計成像亮度計 采用面陣CCD感光元件（每個像素單元當做一個探測器），CCD前設(shè)有光學成像系統(tǒng)和用于匹配V()曲線的光學元件。通過一次曝光，測量平面內(nèi)各點的亮度和亮度均勻度。SR-2CX-2A/B光通量測量光通量測量 積分球法積分球法 積分法積分法設(shè)備：積分球、 光度計 PHOTO 2000J 供電電源組成結(jié)構(gòu)：PHOTO2000J電源積分球測量原理142RE

15、SS142RECCSSCCEE標準燈被測燈求比兩次結(jié)果精度來自于光度探測器，其關(guān)鍵是探頭光譜響應與V()曲線的精確匹配。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電源積分球測量原理測出絕對光譜功率分布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()匹配帶來的誤差，精度主要取決于光譜輻射計的精度。 分光法的延伸分光法的延伸 分光法的測量原理是測出光譜功率分布P()，與V()加權(quán)積分，就可以求出光通量。780380)()(dPVKG 如果對系統(tǒng)進行合適的標定后，該原理實際上適合所有光度量的測量，不單指光通。這也

16、就意味著，照度，光強，亮度也是可以用同樣的方法進行測量，其優(yōu)點依然是消除探頭的V()匹配帶來的誤差。應用實例：光譜儀HAAS2000和ALI裝置組成的LED光強測試系統(tǒng)光譜輻射亮度計SR-2分光分光-積分結(jié)合技術(shù)積分結(jié)合技術(shù)(SBCT)參考探頭測出光度量得出光譜解析校正系數(shù)K1乘以K1得到待測樣品的精確光度量快速光譜儀測出光源光譜功率分布12345遠方專利技術(shù)遠方專利技術(shù)780380iisi780380irelisi780380ireliti780380iitiVPsPsPVPccf其中：Pti: 待測燈相對光譜功率分布 Psi: 標準燈相對光譜功率分布 sreli: 光度計相對光譜靈敏度 d

17、ddd1780380rel780360rel 780380t780360tVPsPsPVPccfKss測量光度量時，光譜修正因子為： 在計算中積分變成求和：分布光度計法分布光度計法 照度積分法照度積分法總光通量的基準級測量方法 2002402)(sin),(),(ddErdErEdStotStot 被CIE 84-1989推薦，是多數(shù)國家實驗室實現(xiàn)光通量基準單位的方法照度分布法是測量光通量最好的方法照度分布法是測量光通量最好的方法 被測燈無需處于中心 測量距離沒有嚴格要求 。 取樣步長足夠小 具有良好的余弦修正 被測燈高度穩(wěn)定光強積分法光強積分法 200sin),(ddItot 2121sin

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