光學基礎(chǔ)知識培訓

光學基礎(chǔ)知識培訓第1頁/共51頁光度學概念色度學概念光色度測量儀器及方法第2頁/共51頁什么是光？光是一種人類眼睛可以見的電磁波（可見光譜）。如太陽光、燭光、電燈光。在科學上的定義，光有時候是指所有的電磁波譜。如紅外線、紫外線、X光第3頁/共51頁紫外線輻射–C(UV-C)100–280nm紫外線輻射–B(UV-B)280–315nm紫外線輻射–A(UV-A)315–380nm可見光

380–780nm紅外線

A(IR-A)780nm–1.4μm紅外線B(IR-B)1.4–3μm紅外線C(IR-C)3μm–1μm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。第4頁/共51頁一、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科稱為光度學。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。第5頁/共51頁光度量光通量光照度光亮度光強度光度學的量第6頁/共51頁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。單位：流明（lm）

。符號：Φ光通量的空間密度，即單位立體角元內(nèi)的光通量,稱為光強。單位：坎德拉（cd）。符號：I七個國際基本物理量（SI）之一第7頁/共51頁單位面積的光通量,稱為光照度。單位：勒克斯（lx）。符號：E表征被照面所接收光的大小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。單位：坎德拉每平方米（cd/m2

）。符號：L表征發(fā)光面的明亮程度第8頁/共51頁光通量Φ光強I照度E★I=E×d2Φ=E×SΦ=I×Ω轉(zhuǎn)換關(guān)系第9頁/共51頁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=Icosθ/R2E=Icos3θ/H2推導式

點光源或近似點光源下成立。★I=E×r2第10頁/共51頁輻射度學輻射通量單位時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量輻射照度受照面上，單位面元內(nèi)的輻射通量輻射亮度單位面積上的輻射強度輻射強度給定方向上的單位立體角元內(nèi)的輻射通量輻射度學第11頁/共51頁光度學參數(shù)光通量V(λ)人眼視覺函數(shù)輻射通量輻射度學參數(shù)光照度輻射照度光亮度輻射亮度光強度輻射強度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：對輻射量Φe進行視覺加權(quán)即可得到光通量Φ第12頁/共51頁光譜光效率（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(λ)曲線。555nm光，即黃綠色時的光視效率最高第13頁/共51頁人眼在明暗環(huán)境下，靈敏度是不一樣的，總的來說亮度越低，眼睛對短波越敏感，總體靈敏度也越高。Purkinjeshift浦爾金耶漂移目前光的度量，基本都是基于明視覺的第14頁/共51頁二、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。第15頁/共51頁一般來說光源發(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。RGB系統(tǒng)的三原色：紅（R）λR=700.0nm綠（G）λG=546.1nm藍（B）λB=435.8nm三原色第16頁/共51頁

CIE1931XYZ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。第17頁/共51頁CIE1931XYZ標準色度系統(tǒng)

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。第18頁/共51頁色品圖

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x，y表示CIE-1976UCS色品圖u’v’表示第19頁/共51頁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第20頁/共51頁色溫、相關(guān)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?250-

圓月4152-

地平線上的太陽光1850-光色第21頁/共51頁顯色指數(shù)（ColorRenderingIndex）表征物體在被測光下的顏色和基準光(A光源)照明的顏色的符合程度鹵素燈下低壓鈉燈下金鹵燈下第22頁/共51頁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)定義為1~8號樣品的特殊顯色指數(shù)的平均數(shù)，表達式為：顯色指數(shù)（CRI）的計算方法R1-R8R9-R14第23頁/共51頁CRI-Ra評價系統(tǒng)的問題Ra=72R9=-10Ra=82R9=-90第24頁/共51頁主波長

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λd就是S的主波長。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。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；在單色光中用這樣的表示顏色更直觀第25頁/共51頁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----StandardDeviationofColorMatching)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。第26頁/共51頁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：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.第27頁/共51頁三、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。第28頁/共51頁照度測量光度探測器的一般組成光度探頭的光譜靈敏度曲線與V(λ)曲線的匹配，CIE用f1’來表示光度探頭的失匹配程度第29頁/共51頁JJG245中關(guān)于光照度計示值誤差和匹配誤差的要求第30頁/共51頁Z-10PHOTO2000GO/μ/…柱面照度計第31頁/共51頁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I=E×R2rIE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如：PHOTO2000GO\ID1000等第32頁/共51頁亮度測量LM-2CBM-8SR-2瞄點式亮度計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。第33頁/共51頁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前設有光學成像系統(tǒng)和用于匹配V(λ)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第34頁/共51頁光通量測量積分球法積分法分光法分光-積分法（SBCT)）分布光度計法照度積分法光強積分法光通量測量第35頁/共51頁積分球法第36頁/共51頁積分法設備：積分球、

光度計PHOTO2000J供電電源組成結(jié)構(gòu)：PHOTO2000J電源積分球測量原理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(λ)曲線的精確匹配。第37頁/共51頁分光法設備：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(λ)，與V(λ)加權(quán)積分，就可以求出光通量?？梢韵筋^的V(λ)匹配帶來的誤差，精度主要取決于光譜輻射計的精度。第38頁/共51頁分光法的延伸分光法的測量原理是測出光譜功率分布P(λ)，與V(λ)加權(quán)積分，就可以求出光通量。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(λ)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第39頁/共51頁分光-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)第40頁/共51頁其中：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測量光度量時，光譜修正因子為：在計算中積分變成求和：第41頁/共51頁分布光度計法第42頁/共51頁照度積分法總光通量的基準級測量方法被CIE84-1989推薦，是多數(shù)國家實驗室實現(xiàn)光通量基準單位的方法第43頁/共51頁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)定第44頁/共51頁光強積分法總光通量測量：區(qū)域光通量測量：

第45頁/共51頁三刺激值法通過在光敏器件前加濾色片使色度探頭的光譜靈敏度曲線與CIE1931XYZ三刺激曲線相匹配三刺激值法的顏色測量精度直接與色度探頭的匹配程度相關(guān)。光譜法用光譜輻射計測量出被測光源的相