光源顏色特性參數(shù)的測量

光源顏色特性參數(shù)的測量

1光譜功率的傳遞為了獲得測量源的所有顏色參數(shù)，有必要首先獲得用于測量的光源在光范圍內(nèi)的光譜能量分布。因此如何準確測量出光源光譜功率是十分重要的,對于最終評價光源顏色特性也是必不可少的。本系統(tǒng)采用比較法,將標準光源的光譜功率(其光譜功率由黑體傳遞而來)通過比對的方法量值傳遞得到待測光源的光譜功率。系統(tǒng)的裝置如圖1所示。本套系統(tǒng)中,單色儀的作用為取得額定波長的單色光;光電倍增管則將從單色儀出來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號,光電倍增管的高壓控制和數(shù)據(jù)采集,以及單色儀的狹縫改變、波長掃描,550nm截止濾光片的位置移動,最終的顏色特性參數(shù)的計算等都是通過計算機實現(xiàn)的。測量過程中,在積分球中先后點燃標準燈和待測燈,將積分球窗口出射光投入單色儀,通過計算機驅(qū)動單色儀至各個波長,再讀取相應波長下光電倍增管的信號,分別為is(λ),ix(λ),由標準燈的光譜功率分布Ps(λ)可以求出待測燈的光譜功率分布Px(λ)Ρx(λ)=ix(λ)is(λ)Ρs(λ)(1)Px(λ)=ix(λ)is(λ)Ps(λ)(1)2計算光源參數(shù)的方法2.1光定量比例系數(shù)在XYZ系統(tǒng)中,三刺激值X,Y,Z和光源光譜分布函數(shù)Ps(λ)有如下關系X=Κm∫780380Ρx(λ)ˉx(λ)dλY=Κm∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)dλΖ=Κm∫780380Ρx(λ)ˉz(λ)dλ(2)X=Km∫780380Px(λ)xˉ(λ)dλY=Km∫780380Px(λ)yˉ(λ)dλZ=Km∫780380Px(λ)zˉ(λ)dλ(2)其中:Km為輻射量和光度量之間的比例系數(shù),為常數(shù),等于683lm/W?！(λ)?ˉy(λ)?ˉz(λ)xˉ(λ)?yˉ(λ)?zˉ(λ)為CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激值。在實際測量中,由于在380nm~780nm區(qū)間的光源由此可以得出在x-y色度圖中x,y的值x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)以及在CIE1960均勻色度標尺圖u-υ上色坐標u,υ的值u=4X/(X+15Y+3Z)υ=6Y/(X+15Y+3Z)2.2復配的相關染色如果一個光源發(fā)射光的顏色(即光色)與某一溫度下的墨體發(fā)射光的顏色(即色品)相同,那么,此時黑體的絕對溫度值就叫做該光源的顏色溫度(簡稱色溫)。黑體發(fā)射光的相對光譜功率分布由譜朗克定律給出:P(λ,T)=C1λ-5(eC2/λT-1)-1(3)其中:T為黑體的絕對溫度;λ為波長;C1為第一輻射常數(shù),C1=3.7450×10-16W·m2;C2為第二輻射常數(shù),C2=1.4388×10-2m·K。當光源發(fā)射光的顏色和黑體不相同時,我們用“相關色溫”的概念來描述光源的顏色。相關色溫的定義是:在某一確定的均勻色度圖中,如果一個光源與某一溫度下的黑體具有最接近的色品,此時黑體的絕對溫度值就叫做光源的相關色溫。通過待測光源的u-υ色度圖上u,υ的值,可以計算出它的相關色溫。也即:相關色溫=f(u,υ)相關色溫的計算有多種方法,最經(jīng)典的方法為羅伯遜法,參考文獻中詳細描述了4種衍生的不同的數(shù)值解法(直接內(nèi)插法,三角形垂足法,色溫逐次逼近法,經(jīng)驗公式法),并對各種方法產(chǎn)生的偏差做了詳細分析,本文不再敘述。在計算待測光源的顯色指數(shù)以及色容差時,這兩個參數(shù)都是與國家標準中規(guī)定的系列基準光源中的一種來進行比較得出的,而在系列基準光源選擇合宜的基準光源則是通過選擇與待測光源具有最相近色溫的基準光源來作為依據(jù)。2.3基準兩相性能參數(shù)的確定待測光源顏色與基準光源顏色之間的差距用色度容差來表示。通常,認為人眼感覺不出顏色變化的最大范圍稱為顏色的寬容差,國標中確定了6種標準顏色燈,規(guī)定待測光源與其中之一的基準光源色度容差為5SDCM,與目標值正好差5SDCM的色點由下式確定:g11Δx2=2g12ΔxΔy+g22Δy2=25(4)其中Δx=(x-x0),Δy=(y-y0)。x0,y0為基準光源的色度值,g11,g12,g22為基準光源的顏色系數(shù),它們的數(shù)值都可以在國標中查到。x,y為待測光源的色度值,當g11Δx2+2g12ΔxΔy+g22Δy2>25時,則認為待測光源與基準光源的色度容差大于5SDCM,國標中認定不合格。2.4顯色性的評價用光譜功率分布不同的光源去照明物體,產(chǎn)生的顏色感覺是不一樣的。光源的這種決定被照物體顏色感覺的性質(zhì)稱為顯色性,顯色指數(shù)即為評價顯色性的參數(shù)。目前,評價光源顯色性的方法主要采用試驗色法,即規(guī)定適當數(shù)目的物體色作為標準試驗色,同時也規(guī)定一系列色溫度下基準光源,分析和待測光源分別照明該物體上產(chǎn)生的色度差別,來定量地測出待測光源的顯色性。2.4.1i為標準試驗色的數(shù)值Xi=Κm∫780380Ρx(λ)ˉx(λ)αi(λ)dλYi=Κm∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)αi(λ)dλΖi=Κm∫780380Ρx(λ)ˉz(λ)αi(λ)dλ(5)Xi=Km∫780380Px(λ)xˉ(λ)αi(λ)dλYi=Km∫780380Px(λ)yˉ(λ)αi(λ)dλZi=Km∫780380Px(λ)zˉ(λ)αi(λ)dλ(5)Li=∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)αi(λ)dλ/∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)dλ×100Li=∫780380Px(λ)yˉ(λ)αi(λ)dλ/∫780380Px(λ)yˉ(λ)dλ×100其中,αi(λ)為標準試驗色的光譜亮度系數(shù),其數(shù)值可以在國家標準中找到。根據(jù)式(5),可以推算出xi,yi和ui,υi的值。2.4.2基準水源色度修正顯色指數(shù)是比較待測光源和基準光源的色度差別,因此必須選擇合適的基準光源,一般根據(jù)待測光源的相關色溫來選定合宜的基準光源?；鶞使庠吹南鄬庾V功率分布可以根據(jù)國標查到:在待測光源不高于5000K時,以普朗克輻射體作為基準光源,相對光譜功率分布見公式(3)。當待測光源高于5000K時,以組合晝光做為基準光源,在待測光源相關色溫已知時,相對光譜功率分布見公式(6):S(λ)=S0(λ)+M1S1(λ)+M2S2(λ)(6)式中,S0(λ),S1(λ),S2(λ)為計算晝光光譜功率分布用的系數(shù),國標中的表1給出。M1,M2為與光源色坐標相關的量,其量值由公式(7)和(8)計算給出:Μ1=-1.3515-1.7703xd+5.99114yd0.0241+0.2562xd-0.7341yd(7)M1=?1.3515?1.7703xd+5.99114yd0.0241+0.2562xd?0.7341yd(7)Μ2=0.0300-31.4424xd+30.0717yd0.0241+0.2562xd-0.7341yd(8)式中,xd,yd為基準光源的CIE1931xy色品坐標值,其量值由公式(9),(10)或(11)計算出。yd=-3.000x2d+2.870xd-0.2750(9)xd=-4.6070(109Τ3c)+2.9678(106Τ2c)+0.09911(103Τc)+0.244063(10)(4000K≤Tc≤7000K)xd=-2.0064(109Τ3c)+1.9018(106Τ2c)+0.24748(103Τc)+0.237040(11)(7000K≤Tc≤25000K)根據(jù)以上公式就可以得到與待測光源色溫相同的基準光源的相對光譜功率分布了。由于待測光源和基準光源照明條件下色適應狀態(tài)不同,因此必須進行修正。相應的修正公式可以在國家標準中找到,引用后修正的色度坐標如下:u′i=10.872+0.404CrCCi-4drddi16.518+1.481CrCCi-drddiυ′i=5.52016.518+1.481CrCCi-drddi(12)其中Cr,dr代表基準光源的色適應色品位移修正值,可以在國標中查到。而待測光源的色適應色品位移修理正值C,d,以及待測光源下各試驗物體色下的色適應色品位移修正值Ci,di,可以通過公式(7)得出,C=1υ(4-u-10υ)Ci=1υi(4-ui-10υi)d=1υ(1.708υ+0.404-1.481u)di=1υi(1.708υi+0.404-1.481ui)(13)由此可以得出待測光源在各種試驗物體色下修正后的色度指標值u′i,υ′i。2.4.3色度坐標系的計算將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CIE1964顏色空間坐標:W*′i=25L1/3i-17U*′i=13W*′i(u′i-ur)V*′i=13W*′i(υ′i-υr)(14)其中ur,υr為基準光源的色度坐標,可以根據(jù)第1節(jié)中論述的方法計算得出。此時,就可以計算出待測光源與基準光源在各個試驗物體色下的色差為:ΔEi=[(U*ri-U*′i)2+(V*ri-V*′i)2+(W*ri-W*′i)2]1/2(15)其中U*ri,V*ri,W*ri為基準光源下各試驗物體色下的CIE1964顏色空間坐標。2.4.4般顯色指數(shù)ra顯色指數(shù)用R表示。對某一色樣i的顯色指數(shù)Ri成為特殊顯色指數(shù),由下式求出:Ri=100-4.6ΔEi(16)一般顯色指數(shù)Ra由8個特