（测试计量技术及仪器专业论文）屏幕颜色特性的非接触测试技术研究.pdf

屏幕颜色特性的非接触测试技术研究 摘要 本文研究的主题是大屏幕显示器颜色的远距离非接触的测量方法、测 量仪器以及此测试系统最终用p c 机完成实时控制方案。 本系统采用了装备有带孔反射镜的望远光学系统，能够对远处的测试 目标进行亮度与颜色的精确瞄准测量，同时可方便的改变视场角的大小。 光学系统的合理设计从根本上消除了存在于同类其它系统中的距离效应 以及探测器光谱灵敏度不一致性两种系统误差。本系统使用分光光度法测 出物体的光学特性，然后根据c i e 标准色度观察者光谱三刺激值函数进 行色度计算获得了较高的精度。量程的分配、信号处理的合理设计保证了 测量结果的准确性与良好的线性。硬件部分的设计使微处理系统既能控制 光电测量系统的实时采样，又能实现与p c 机的通讯。微处理系统软件部 分使得测试仪器工作高度自动化及控制实时性；p c 软件部分的设计使控 制方便灵活，并能完成大量的数据储存与对复杂的数据进行快速的计算处 理工作。 f 本篇文章详细描述了系统的每一部分：颜色测试原理、光电系统、信 号处理电路、测试部分的硬件与软件、通讯与数据处理部分的软件以及系 统的定标，最后给出了系统的调试、测试结果和结果的精度分析。土 关键字：c i e 标准，光谱灵敏度，、远距离非接触测量 壁蔓堡垒量堡箜苎堡墅型堕垫查盟圣 一一 a b s t r a c t r e c e n t l yt h et e c h n o l o g yo fc o l o rm e a s u r e m e n th a sb e e na d v a n c i n gt o ar e w s t a g e t h et o p i c o ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h e t e c h n o l o g y a n di n s t r u m e n to fc o l o r m e a s u r e m e n ti nb i gs c r e e nd i s p l a y t h et e c h n o l o g yi sr e m o t ed i s t a n c ea n dr i oo s c u l a n t m e a s u r e m e n t ，a n dt h em e a s u r ei n s t r u m e n t c a r lb er e a lt i m ec o n t r o lb yp c t h es y s t e ma d o p t sa no p t i c a ls y s t e me q u i p p e dp d t c h a r dh o l er e f l e c t o li tc a n p r o v i d ee f f i c i e n t l yo p t i c a lc h a n n e l t a n di tc a l la i ma tt h ed i s t a n to b j e c ta n dm e a s u r e b r i g h t n e s sa n d c o l o rp r e c i s e a tt h es a n l et i m e ，t h ef i e l do fv i s i o nc a nb ec h a n g e d t h e g o o dd e s i g n e do p t i c a ls y s t e mr a d i c a l l ye l i m i n a t e ss y s t e m a t i ce r r o r so f d i s t a n te f f e c ti n o p t i c s t h es y s t e mu s e ds p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o dc a r tm e a s u r eo b j e c to p t i c a l c h a r a c t e r a n dt h e n ，w i t hc i es t a n d a r do b s e r v e rs p e c t r a lt r i s t i m u l u sv a l u ef u n c t i o n t h ec o l o rp r o p e r t yo ft h eo b j e c tc a nb ec a l c u l a t e d f i n a l l y ，o b t a i n e du p p e r p r e c i s i o n d i s t r i b u t e dm e a s u r er a n g ea n d g o o dd e s i g n e ds i g n a lp r o c e s s i n ga s s u r eo r d e ro f a c c u r a c ya n dg o o dl i n e a r i t y t h es e c t i o no f h a r d w a r ei sd e s i g n e df o rp e r f o r m i n gyr e a l t i m ec o n t r o ls a m p l i n g s y s t e m a n dc o m m t m j c a t ew i t hp c t h ep cs o 翩l a r ec a nc o n t r o l s e c t i o no f h a r d w a r ea n d d e p o s i t ed a t aa n df a s td e a lw i t hc o m p l i c a t e dd a t a t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t so fe i g h tc h a p t e r s ：t h em a i nt a s k sa r ea r r a n g e dt h ei n t h e s i s ；b a s e do nt h et h e o r yo fc o l o r i m e t r y , s e v e r a lm e t h o d st om e a s u r ec o l o ra r e i n t r o d u c e d ；a s c e r t a i n e dc o l o rm e a s u r i n gs y s t e m ；d i s c u s s e dh a r d w a r eo f c i r c u i t r ya n d s o f t w a r ed e s i g ni nt h ec o l o r m e a s u r i n gs y s t e m ；c a l i b r a t e dt h ec o l o rm e a s u r i n g s y s t e m ； p cs o f t w a r ed e s i g n e d ；s u m m a r i z e dt h ew o r k k e yw o r d s ：c o l o r ，m e a s u r e m e n t ，c o l o r i m e t r y , s p e c t r o p h o t o m e t r i c m e t h o d ， m i c r o p r o c e s s o r , c o l o rm e a s u r i n gs y s t e m 塑蔓塑鱼壁丝堕韭堡墼型堕垫查里堕 第一章绪论 无论是有彩色还是无彩色，都有自己的外表特征，每一种色相当于它的纯度 和明度发生变化，或者处于不同的颜色搭配关系时，颜色的外表也就随之改变了。 因此要想说出各种颜色的外表特征，就象要说出世界上每个人的性格特征一样 团难，然而对典型的性格作些描述，总是有趣并可能的。因此，让我们对一些典 型的色彩的外表特征以及它们的大致用途作一些简单的描绘，以便使我们和色彩 更加亲近。色度学是研究颜色视觉机理、颜色测量的一门学科。本文讨论的是色 度学方面的研究。 1 1 麓色测量的历史，现在和将来 光是能量的一种存在方式，它具有波粒二象性。从宏观上说，光是一种电磁 波。根据光的电磁理论，光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射。其中，能被 人跟直接接受并引起视觉的光辐射只是电磁波谱中狭窄波段一一波长在 3 8 0 n m 7 8 0 n m 之间的光辐射，通常称这一波段为可见光。 视觉是光入射眼睛后产生的一种知觉，即视觉依赖于光。在可见光谱范围内， 不同波长的辐射引起人的不同颜色感觉：7 0 0 h m 为红色，5 8 0 n t o 为黄色，5 l o a m 为绿色，4 7 0 r i m 为蓝色。光的颜色取决于进入人眼的可见光谱不同波长辐射的相 对功率分布，简称相对光谱功率分布。当进入到人眼的光谱辐射波长发生变化或 其相对功率分布发生变化时，人眼对光的颜色感受也随之发生变化。 人们现在广泛接受的是1 9 2 1 年j v o nk r i e s 根据病理学材料提出的视觉的二 重功能学说。这种学说人为视觉有二重功能：视网膜中央的“锥体细胞视觉”和 视网膜边缘的“杆体细胞视觉”，也叫做“明视觉”和“瞎视觉”。人眼视网膜上 有两种视觉细胞杆体细胞和锥体细胞。杆体细胞的感光灵敏度高，亮度低于 0 o o l c d m 2 ( 称为暗视觉) 时它起作用，它只能分辨亮度，不能分辨颜色。锥体 细胞的灵敏度较差，亮度高于3 c d m 2 ( 称为明视觉) 时，它才能感受到光刺激。 若亮度介于明视觉于暗视觉对应的亮度水平之间，两种细胞同时起作用，称为介 视觉。颜色的区分主要靠锥体细胞的作用。实验表明，明视觉与暗视觉的最大感 受处处在光谱的不同部分。此外，光谱感受在各个体之间存在一定的差异，光谱 感受还受年龄的影响。国际照明委员会i ”( c i e ，法语：c o m m i s s i o ni n t e m a t i o n a l e 壁蔓塑鱼堑丝塑苎堡墼塑堕垫查丛生一 d e l ，e c l a i 豫鲇的缩写) 制定的明视觉曲线矿( 五) 和暗视觉曲线( 五) 是根据许多国 家的数百名观察者的中央窝视觉平均光谱感受性得出的。 历史上存在着两种色觉理论1 5 】1 6 1 ：t y o u n g 和h l ey o n h c l m h o l t z 的三色学 说，以及e h e r i n g 的四色学说( 对抗色学说) 。现代色觉理论的发展有将三色学 说与四色学说这两种似乎完全对立的古老颜色学说统一的趋势。科学家通过对视 网膜的研究和分析，发现锥体细胞并不是由同一类细胞所组成，在视网膜中存在 着三种不同类型的锥体细胞。它们对不同的光谱具有不同的吸收，也就是说它们 的光谱灵敏度不同，它们受到光刺激时有不同的反应，这种反应的总和形成了单 一的颜色感觉。图1 1 表示了这三种锥体细胞的光谱响应。 赫 m 巡 l 图1 1三种锥体细胞的光谱响应曲线 其中的锥体细胞f ( z ) 对蓝光( 4 4 5 n m 4 5 0 n m ) 最敏感，锥体细胞d ( 五) 对绿 光( 5 2 5 5 3 5 ) 最敏感，另一种锥体细胞p ( a ) 对黄光( 5 3 5 5 7 0 ) 最敏感。三 色学说的生理依据是颜色匹配实验，而四色学说的生理依据是：颜色总是以红一 绿、黄一蓝、黑一白成对地发生。三种锥体细胞接受的外部信息经过处理加工， 形成三对对立的红一绿、黄一蓝、黑一白反应，最后经过视神经中枢的综合判断， 使人最终感受到颜色的三个重要特性：明度、色调和饱和度。再加上杆体细胞所 决定的暗视场，构成对颜色的认识( 如图1 2 构成) 。可以认为视网膜上的锥体 细胞感受符合三色机理，光刺激的视觉信息向大脑皮层视区的传输通路符合四色 机理。 2 屏幕颜色特性的非接触测试技术研究 锥体细胞 图1 - 2 人对颜色认识的构成图 近年来，计算机及彩色电视工业飞速发展，彩色c r t 显示器和大屏幕投影 技术为人类提供了越来越多逼真的视频图像图形，成为重要的人机交换的信息来 源。为进一步提高彩色c r t 显示器和大屏幕投影技术视频图像的光、色显示质 量，视频图像色度学特性，测量系统是必需的检测设备。还有颜色测量系统及相 关技术已经在很多相关行业普及和应用，如：随着光学技术的进步，特别是将光 导纤维探头与测色仪相联，使口腔内活体牙颜色测量成为可能。美国及日本已有 学者作了这方面的研究，国内也有见报道。 在将来，颜色的测量技术会在许多领域得到广泛的应用，并为它们提供丰富 的理论依据和实现手段。 1 2 慑曩的背景硬意义 由于科学技术的进步与国民经济的发展，各个领域对颜色的测量提出了越来 越多和不断提高的要求。例如：在信息技术已成为二十一世纪发展的支柱产业之 一，随着通讯、网络、电子商务的发展，人们对图像质量的要求越来越高，那么 图像处理、特别是颜色的处理显得尤为重要：轻工业中的纺织印染、造纸印刷等 部门需要对颜色质量进行检测和监控，颜色参数作为对产品分类、划分等级的依 据；电视t , i i , 8 e ，需要对彩色显像管的光色指标检测：航空领域要对仪表的亮度、 色度坐标及伪装颜色进行测量；交通部门要对信号的亮度及颜色参数统一标准与 要求：在照明工程、建筑领域。光度色度方面的计量手段也是必备的。综上可知， 颜色测量及相关的光度色度理论己在彩色摄影、化纤、染料、塑料、油墨光源研 制、遥感、信息处理、军事伪装等诸多方面被广泛的应用。 屏幕颜色特性的非接触测试投术研究 对远距离非接触目标的颜色测量设备，有诸如美国p h o t or e s e a r c h 的1 9 8 0 一a 犁、1 9 8 0 b 型，日本t o p c o n 的b m 5 等彩色亮度计产品，并以进入我国市场 被国内单位在科研与生产中所采用。浙江大学光电系光辐射所几年前已成功研制 除c l - - i 和c l - - i i 型彩色亮度计系统，并且达到很高的技术指标。 本课题的目标是对精密仪器( 即能对远距离目标物体的颜色与亮度进行非接 触光谱测量) 作进一步的研究，系统是通过p c 机的串口通信实现说硬件系统的 控制，极大的提高了硬件系统对光学系统控制的实时性、可靠性：并且能把硬件 系统采样到的数据传输到p c 机上进行处理，提高数据处理的快速性、准确性。 目前国内应用光谱方法对目标进行非接触测量工作还不够。 4 一 墅! 塑鱼壁! ! ：堕堑堡竺塑堕垫查型壅 2 1 光度学的一些基本概念阿 2 】光度学中的基本量 在光辐射测量中，与能量有关的量有两类：一是物理的，即客观的，叫做辐 射度学量，简称为辐射量：另一类是生理的，即主观的，叫做光度学量，简称光 度量。前者表示某辐射源客观上发射出的辐射能的大小，后者表示人的视觉系统 毫观上感受到的那部分光辐射能的温度。 1 光通量( 1 u m i n o u sf l u x ) o 。 光源在单位时间内发出的光量称为光通量，在光度学中，光通量是从辐射通 量导出的量，它明确地定义为能够被人眼视觉系统所感受到的那部分辐射功率的 大小的量度。单位是流明( 1 u m e n ) ，符号为l m ，表达式为西，= d q ，d 2 发光强度( 1 u m i n o u si n t e n s i t y ) i 。 光源在指定方向上的一个很小的立体角元d q 内所包含的光通量d o 值，所 以这个立体角元，所得的商就定义为光源在此方向上的发光强度。表达式为 小等( 2 - 1 ) 发光强度的单位是坎德拉( c a n d e l a ) ，符号为c d 。从式2 - 1 可以清楚的看到， 发光强度i 描述了光源在某一方向上发光的强弱程度，它考虑了光源发光的方向 性。 3 光亮度( 1 u m i n a n c e ) 。 个面光源，除了可以用发光强度来描述它在某一方向上的发光能力之外， 还要知道它每单位面积在这个方向上的发光能力，以便比较两种不同类型光源 的明亮程度，这就要用到亮度这个概念。它表示每单位面积上的发光强度，即 卜等( 2 - 2 ) 亮度的单位为坎德拉每平方米( c d m ) 。式2 2 中的面积，应理解为一个面在观 曼!塑鱼堕丝塑!丝丝塑堕垫查塑塞一 察方向上的正投影面积。因此，若观察方向与该面的法线夹角为口时，上式将变 为 ，甜， “2 否磊五 所以，光源的光亮度可定义为：在表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除 以该面元在垂至于给定方向的平面上的正投影面积。由于 ，：盟 1 拉 放有 ： 垡：竺! ( 2 3 ) “2 面丽 “。7 式2 - 3 是光亮度的较通用的定义式。由该式可知，亮度可用来描述一柬光，光束 的亮度等于这个光束所包含的光通量除以这束光的横截面和这束光的立体角。 4 光照度( i l l u m i n a n c e ) e ， 在光接受面上一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光 通量踯。除以该面元的面积d s 。即 弘等( 2 - 4 ) 单位为勒克斯( 1 u x ) ，符号为i x ，当l l m 的光通量均匀地照射在lm 2 的面积上时， 这个面e 的光照度就等于l l x 。即l l x = 1 l r t a j m 2 2 簟色的本质 2 2 1 颜色的基本特性 因发光体发出的光而引起人们色觉的颜色称为光源色。光源色的颜色完全取 决于光的波长成分。当发光发出的是单色光，那么其光源称为光谱色，它将完全 取决于单色光的波长。当发光体发出的是复色光，那么其光源色将取决于它的光 谱能量分布。非发光体( 即一般物体) 的颜色称为物体表面色，可简称为物体色 或表面色。它是物体在光源照射下引起的色觉。物体色既与入射光的光谱能量分 6 一 壁堡塑垒竺丝塑苎垫丝塑堕堡查塑塾一 佰有关，又决定于物体自身的光谱特性。 颜色可分为非彩色与彩色两大类。非彩色是指白色、黑色和各种深浅不同的 火色。对于光来说，非彩色的白黑变化相对于白光的亮度变化。白色、黑色和灰 色物体对光谱各波长的反射没有选择性，它们是中性色。非彩色只有明亮的区别， 而没有色调和饱和度这两种特性。彩色是白黑系列以外的各种颜色a 彩色有三种 基本特性：明度、色调、饱和度。明度是人眼感受到的物体的明暗程度，它与人 眼的视觉特性有关，也与物体本身的特性如反射比、透射比有关a 光源色的明度 眨映的是光的强弱。色调是彩色彼此相互区分的特性往往以“主波长”来表示 色调。色调是颜色最重要的属性。饱和度是彩色的纯洁性，可见光谱的各种单色 兆是最饱和的彩色，光谱色掺入白光成分越多越不饱和，物体色的饱和程度取决 于物体表面反射光谱辐射的选择性程度。 用一个三维空间的枣形立体可以把颜色的三种基本特性明度、色调与饱 和度全部表示出来，称为颜色立体。美国光学学会采用的孟塞尔( h a m u n s e | 1 ) 颜色立体( o s a u c s ) 就是一种在视觉上等间距的八面立体结构。 卜 ， 夯 坶7 黄 。 。7 一，彳 青1 v 一一 、 t ： 图2 - 1 明度、色调、饱和度的表示法 颜色的混合和颜色的复现既可利用颜色相加混合的原理，如颜色匹配实验和 彩色电视机：也可利用颜色的减法混合来控制，如染料涂料、彩色印刷、彩色摄 ! ! 鲤鱼竺丝箜韭鳖丝型堕丝查竺壅 影等。在颜色相加的混合中。通过对红、绿、蓝三种颜色相加可以获得最多的混 合色，在色度图上也占有较大的色域，因此选用红、绿、蓝作为加混色的三原色。 而在减法混色的过程中，应用红、绿、蓝的补色即青、品红和黄色作为三原色。 【8 1 1 9 5 4 年格拉斯曼( h g r a s s m a n n ) 将颜色的混合现象总结成颜色混合定律： 人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度、色调、饱和度。 有几个成分组成的混合色中，如果一个成分连续地变化，混合色的外貌 也连续地变化。由此可导出补色律和中阳】色律。 颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有 相同的效果。换言之，凡是在视觉上相同的颜色都是等效的，可用颜色 混合方法来产生或替代各种所需的颜色。它是现代色度学的基石。 有几种颜色光组成的混合色的亮度等于组成混合色的各颜色光亮度的总 和。 格拉斯曼颜色混合定律除第一条外，只适用于加混色而不适用于减混色。 2 2 2 颜色测量的参考标准【7 1 对物体表面色的精确测量，必须使用分光光度法测量。分光光度法的颜色测 量在色度学中具有重要意义，它是建立色度基准或对光电积分式色度仪器的基 础。分光光度法通过定量地比较“标准”和样品在同一波长上的单色辐射功率， 是一种相对测量。只有分光光度式测色仪器用标准透射率样品及标准反射率白板 定标后，才能测量待测样品的绝对光谱光度量值。 光谱透射率定义为物体透射的辐射通量与入射的辐射通量之比。物体的光谱 透射率的参照标准是空气，因为空气是理想透射体，在整个可见光谱波段内的透 射率均为l 。通过将透射物体与同样厚度的空气层相比较而测得光谱透射率。因 而只需测出物体透射的辐射通量和入射的辐射通量，就可得出绝对光谱透射率。 这种情况下，空气层既是参照标准，又是工作标准。一般可利用标准溶液或标准 玻璃板作为工作标准。 物体的光谱反射系数定义为在给定的立体角、限定的方向上，待测物体反射 的辐射通量与在相同照明、相同方向上完全反射漫射体反射的辐射通量之比。完 堡苎璧鱼竺丝塑苎堡苎塑堕丝查竺塞 全反射漫射体定义为反射率等于1 的理想均匀漫射体，它无损地全部反射入射的 辐射通量，且在各个方向具有相同的亮度。c i e 公布用完全反射漫射体作为测量 不透明物体的光谱反射系数的参照标准。但是，没有一种材料表面具有完全反射 漫射性能，然而却可以根据反射率等于l 的理想均匀漫射体标定合适的工作标 准，称此工作标准为“标准白”。它的光谱辐射亮度系数或光谱反射比是已知的， 反射比应该比较高，大于0 8 以上，而且不应有透光的特性，在整个使用期间保 持恒定不变的光谱反射系数。通常采用烟熏、压粉或喷涂的氧化镁、硫酸钡白板 作为工作标准。工厂有时也用陶瓷白板、乳白玻璃作为工作标准，但不太理想。 2 3i l l 色测i l m w 9 1 为了描述各种颜色，必须测出它的亮度和色度坐标。亮度表示颜色的明亮程 度，色度可以用1 9 3 1c i e - - x y z 系统的两个坐标标定。亮度测量就是测出物体 的亮度y ，色度测量就是设法测出它的色品坐标x ，y 值。 在颜色测量中，首要的任务是测定色刺激值函数够( a ) ：如果要测量的是光 源色，实际上是要测定被测光源的相对光谱功率分布r ( a ) ：如果要测量的是物 体色，则是测定物体的光度特性，如：光谱透射比f ( 五) 、光谱反射比p ( 兄) 、 光谱辐亮度系数( 五) 。有了这些参数，在根据1 9 3 1c i e x y z 标准色度观察者 光谱三刺激值函数就可由色度学的三个基本方程式求得颜色的三刺激值x 、y 、 和z 为 j 8 0 一 x = 2 j 缈( 五) 工( 五) d 兄 口8 0 一 ，= 七j 8 0 妒( a ) y ( a ) d 兄 ( 2 - 5 ) ，舯一 z = 2 j 妒( a ) z ( a ) ( 规 其中，x ( 丑) ，y ( 五) ，z ( 五) 式c i e 标准色度观察者光谱三刺激值函数( 如图2 - 2 所示) 。 9 屏幕颜色特性的非接触测试技术研究 2 0 - “) j ( ) 、份f 2| l 砹心 蚓2 - 2c i e 标准色厦观察者光谱三刺激值函数 得到了颜色三刺激值之后，就可由下式求出该颜色在c i e 色度坐标系统中的色 品坐标值： x h 万万西 ( 2 _ 6 ) y j ，2 x + y + z 颜色测量一般有以下二种方法：分光光度法和光电积分法测量。 分光光度法【6 】： 分光光度法测量从测定物体的基本光度特性着手，测量物体的光谱功率分布 或物体本身的光度特性，然后再有这些光谱测量数据以及c i e 标准色度观察者 光谱三刺激值函数；( a ) ，歹( a ) ，：m ) ，通过式2 - 5 计算而得到物体在各种标准 光源和标准照明体下的三刺激值，再根据式2 - 6 得出色度坐标值。这种方法可以 获得很高的精度，但需要光谱扫描，因此所需时间长，数据处理量大，系统要配 备结果复杂的分光元件，体积庞大、对工作环境要求高。我们知道由于口( a ) 这 一光学量在测试系统中没有用来反映大小的标定器，但是我们可以通过测出光谱 光亮度，从而来确定系统的系数参数如式2 7 。 l ( ”。k ( ”妒( 九) ( 2 7 ) 1 0 式中k ( 九) 为系统的系数，我们可以通过此式可得： k ( 九) = 币( 九) ，“” ( 2 - 8 ) 这样当我们去测量目标时，根据所得的光亮度l ( ”得出光学量平( 九) 的值如 2 - 9 式所示。 甲( 九) = 叩l ( 九) l ( l ) ( 2 9 ) 光电积分法： 光电积分法是通过把探测器的光谱响应匹配成所要求的c i e 标准色度观察 者光谱三刺激曲线，或某一特定的光谱响应曲线，来对被测量的光谱功率进行积 分测量。它不象分光光度法测量一次仅测量某一波长的色刺激，而是整个测量波 长范围内进行一次积分测量。它的特点是速度快，因为它不必像分光光度法那样 先测光谱分布，也省略了在整个可见光谱范围内的大量积分计算。而且只要光探 测器的匹配精度足够好，那么光电积分法也具有相当的测量精度。 在选用光电积分法测量颜色时，必须把探测器的相对光谱灵敏度s ( a ) 修正 成国际照明委员会推荐的标准色度观察者光谱三刺激值x ( 矗) ，y ( 五) ，z ( z ) ，那 么用这样的三个光探测器接受光刺激时，就能用一次积分测量出目标的三刺激值 x 、y 、z 。可以写出如下方程式： z = 七( 丑) ；( 兄) 幽= qp ( 旯) s ( a ) 。( a ) a a y = k 艮( a ) 歹( ) 烈= c y p ( 五) s ( a ) o ( 五) 以( 2 - l o ) z = k 艮( a ) ；( 兄) 以= c ：扣( 旯) s ( 五) t ( a ) 烈 式中，k 和c 。，c y ，c ：是常数；r ，( a ) 、f ，( a ) 、r ：( a ) 为覆盖的光谱透射比，可以 简单的写为： x ( a ) = t ( a ) s ( 五) y ( a ) = f 。( 五) s ( 五) z ( 兄) = f ：( 丑) s ( 丑) t ( a ) ：盟 s ( 旯) 必) = 器 f ( 丑) ：型 、 s ( 五) ( 2 1 1 ) 屏幕颜色特性的非接触测试技术研究 式2 - 1 1 称为卢瑟条件。为实现光电积分法测色，需寻找合适的色玻璃满足式2 - 1 1 的要求。我们用全滤色片法就可以近似满足上述要求。 由于；( a ) 具有两个峰值波长，给x 探测器的匹配带来很大困难，在色度测 餐中一般将；( 五) 曲线分成i ( 五) 和承五) 两部分( 如图2 - 3 ) 。 “1 1 1 1 1 图2 - 3 工( a ) 曲线分成x ，( 丑) 和( 旯) 两部分 通常假设z ( 五) 和x 。( a ) 的形状相似。x 的总刺激值为 l ，j 只( 五) d 2 其中：c = 等= 亲0 _ 一 陋( a ) ：( a ) 以 不同型号，不同色温的c r t 的光谱功率分布( a ) 是不同的，因此c 值也 不同。我们利用本所研制c a s 彩色分析系统测量了几种型号c r t 在不同色温下 的光谱功率分布。如图2 - 3 所示为色温为9 3 0 0 k 的彩色显像管的光谱分布。对色 温在6 5 0 0 1 1 0 0 0 k 的c r t ，其c 值分布为0 1 6 5 0 1 7 3 。而对于d 6 5 标准白场， 我们取c = o 1 6 7 。 一生蔓塑鱼竺堡箜苎堡壁塑堕垫查堕塞 2 4 颤色测量的方法和仪曩 241 测量方法 颜色测量和测量仪器的研究是色度学最重要的工程应用。它通过心里物理方 法的研究，规定统一的标准，探讨如何用数学方法来描述和计量颜色。颜色参数 除了与被测颜色本身的特性有关外，还与测量的几何条件、照明光源的光谱特性 有很大的关系。为此，c i e 推荐了几种标准照明体和标准光源，制定了标准照明 条件、测量条件和白色标准，以便各国的颜色照明参数能够交流、对比。 照明光源的光谱功率分布与物体呈现的颜色有密切的关系。同一物体，在不 同的光源照明下具有不同的颜色。c i e 推荐了几种标准的照明体和标准光源：标 准照明体a 、c 、d 6 5 和另外一些照明体d ，标准光源a 和c 。照明体d 模拟各 种同光时相，它们的相对光谱功率分布是在对日光进行实验测量的基础上获得 的，分别代表不同的相关色温，如d 6 5 代表6 5 0 0 k 相关色温的标准照明体，d 7 5 代表相关色温为7 5 0 0 k 的标准照明体。c i e 优先推荐采用d 6 5 照明体进行颜色测 壁。 照明几何状态对测量结果会有很大的影响，绝大多数待测物体不是完全的漫 反射体，它们的表面或多或少有光泽，即有部分的规则反射。照明在物体上的辐 射通量一部分被吸收，一部分可能透射过去，其余部分被有方向性地反射出来。 被吸收的辐射通量转化为热能，透射部分朝着离开眼睛的方向传播，这两部分辐 射通量对眼睛都不起作用，只有物体从一定方向的反射而进入到眼睛的那部分辐 射通量才构成颜色刺激。因而同样的物体在不同的方向上有不同的反射或透射。 此外，照明光束的孔径和测量光束的孔径对颜色测量的结果也有影响。将照明几 何状态、照明光束的孔径、测量光束的孔径统称为照明和测量( 观察) 条件。 c i e 正式推荐了四种用于反射样品测量的标准照明和测量条件( 如图2 - 4 所 示) ：1 7 1 一 生蔓塑鱼堑丝塑斐苎型堕堕坠堑苎堕篓一 图2 - - 4c i e 正式推荐了四种用于反射样品测量的标准照明和测量条件 垂直4 5 0 ( 缩写为0 4 5 0 ) ： 照明光束的光轴和样品表面的法线间的夹角 不应超过1 0 0 。在与样品表面法线成4 5 0 5 0 的方向观测，照明光束的任 一光线和其光轴之间的夹角不超过5 0 。观测光束也应遵守同样的限制。 将此条件下的光谱反射系数记为芦0 4 5 4 5 0 垂直( 缩写为4 5 0 o ) ：样品可以被一束或多束光照明，照明光束的轴 线与样品的表面的法线成4 5 0 5 0 。观测方向和样品表面的法线之间的夹 角不超过1 0 0 。照明光束的任一光束和照明光束轴之间的夹角不超过5 0 。 观测光束也应遵守同样的限制。将此条件下的光谱反射系数记为4 5 ，o 垂直漫射( 缩写为0 d ) ：照明光束的光轴与样品表面的法线之间的夹角 1 4 墅苎塑鱼竺丝塑芝堡竺型堡垫查婴塑 不应超过l o o 。反射通量借助于积分球来收集。照明光束的任一光线和 其光轴之问的夹角不超过5 0 。积分球的大小可以随意，股认为测色标 准积分球的直径是2 0 0 m m ，但其开孔的总面积不能超过积分球内反射总 面积的1 0 。将此条件下的光谱反射系数记为p 漫射，垂直( 缩写d o ) ：用积分球漫射照明样品。样品的法线和观测光束 轴之间的央角不应超过l o o 。积分球可以任意大小，但其开孔的总面积 不能超过积分球内反射总面积的1 0 。观测光束的任一光线和其光轴之 间的夹角不超过5 0 。将此条件下的光谱反射系数记为p * o 对透射样品的色度测量，c i e 推荐了三种照明和测量条件： 垂直垂直( 缩写为0 0 ) ：照明光束的光轴和样品表面的法线间的夹角 不应超过5 0 。照明光束的任一光线和其光轴之间的夹角不超过5 0 。观测 光束的几何结构与照明光束相同。安置样品时，只让规则透射部分光辐 射进入探测器，这一条件下测得的光谱透射率称为规则透射比f ， 垂直，漫射( 缩写为o d ) ：照明光束的光轴和样品表面的法线间的夹角 不应超过l o o 。照明光束的任一光线和其光轴之间的夹角不超过5 0 。用 积分球收集半球形投射的光辐射通量，积分球球壁的反射比应该一致。 在积分球上设置光泽陷阱可以消除规则透射部分的光辐射通量的影响， 这一条件下测得的光谱透射率称为漫透射比r o ，。；此时，如将探测器和 光源的位置互换，则得力，。 漫射漫射( 缩写d d ) ：样品由积分球漫射照明，用积分球收集投射的光 辐射通量。这一条件下测得的光谱透射率称为双漫透射比乃。 2 4 2 单色仪【5 单色仪是用来从具有复杂光谱组成的光源中、或从连续光谱中分离出不同 波长的单色光的仪器，是分光光度计的核心组件。单色仪与摄谱仪器相比，在 于它有一个固定在光谱成像面上的出射夹缝和单色光的扫描机构。单色仪经常 作为其它光谱或光谱装置中产生单色光的一个部件而存在。 堡苎堡垒竺堡塑芏堡壁塑堕丝查型! 塑 单色仪的基本类型 按照色散元件的不同，单色仪可分为棱镜单色仪、光栅单色仪和棱镜、光 栅单色仪，另外还有滤色片分光的单色仪。按光学系统的安排方式可分为 单单色仪和双单色仪。在选择单色仪的光学系统时，除必须满足基本光学 特性的要求外，还要使所选择的装置型式能够用较简单的机构实现波长扫 描，并在扫描过程中，被引到出射夹缝的任何波长的光束其光束轴方向不 变。 单色仪的基本特性 1 出射光束的光谱带宽：单色仪不可能分离出严格的单一波长的单色光。 以为理想的单色光只有在理想的光学系统中，使用无限窄的狭缝而又 没有衍射时才能得到。任何光学系统实际上总有像差和衍射现象存在， 狭缝必定具有宽度。即使入射夹缝为无限窄，因像差和衍射的作用， 在出射狭缝所在的光谱面上也会发生各相邻波长的单色狭缝像的重 叠。此时，从出射狭缝射出的就是包含有一定波长范围的“准单色光”， 这一波长范围的宽窄即表明了光谱纯度。 2 出射光束的光强度 3 出射光束中光能量按波长的分布 单色仪的波长扫描机构 单色仪工作时，需要知道输出光束的波长。波长示数的精度和重复性是单色 仪的重要性能指标之一，一般要求与单色仪的出射光谱带宽( 或分辨率) 为同一 数量级。高分辨率的仪器要求有高精度的波长精度和重复性。波长示数的精度， 决定于整个波长扫描机构及示数装置的精度。光学系统的最后调整、环境温度的 变化、机构系统的空回等因素都会影响波长的示数精度。单色仪的波长扫描是通 过转动棱镜或光栅来实现的。对这种机构的基本要求是：使输出光束的波长( 或 波数) 按线性变化，以获得波长( 或波数) 坐标为均匀刻度的谱图。由于波长( 或 波数) 的变化和棱镜或光栅的转角不成正比，所以需要采用一定的机构来实现波 长扫描。常用的有凸轮机构、正弦杠杆机构和余割杠杆机构。 6 生苎堡垒丝丝塑韭堡丝塑堕垫查塑塞 2 5 光电采集墨 251 光电探测器 光电探测器是光电探测系统中的核心器件。光电探测系统的探测能力及探测 精度在很大程度上依赖于光电探测器的性能。按照响应方式或工作机理的不同， r 可将光电探测器分为光子探测器和热敏探测器两大类：按照接受方法分可分成直 接( 非相干或功率) 探测系统和外差( 相干) 探测系统。 热探测器是基于光辐射与物质相互作用的光热效应( 包括热释电效应、测辐 射热计效应和温差电效应如s e e b e c k 效应、p e l t i e r 效应及t o m s o n 效应) 制成的 器件。它对各波长的等能辐射具有相同的响应特性，是一种非选择性探测器。它 的优点是不需制冷、在全部波长上具有平坦响应：它的主要缺点是探测度较低、 响应时间长，然而随着近年来对热释电探测器研究的日趋活跃，它的应用已进入 某些以前为光子探测器所独占的领域。 光子探测器则基于入射光辐射与光电材料中束缚于晶格的电子或自由电子 的相互作用引起的光电效应。按是否发射电子，光电效应分为内光电效应( 包括 光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光磁电效应) 和外光电效应( 又称 光电子发射效应) 。光子探测器的响应波段有选择性，每一种光子探测器都有特 定的响应波段。另外，光子探测器的响应时间短。光子探测器既可有单元器件， 也可制成阵列器件及摄像器件。光子探测器叉可分为光电导探测器、光伏探测器、 圯电子发射探测器和光子牵引探测器。 光电导探测器属于内光电效应器件，也称光敏电阻。光照射到半导体材料上， 半导体因吸收光能量而形成非平衡载流子，使其电导率升高。因半导体材料结构 不同，可分成单晶和多晶两种探测器：单晶光导探测器中又因吸收机构的不同分 成本征光导探测器及杂质( 非本征) 光导探测器。光电导探测器的品种较多，每 种都有特定的光谱范围，工作在可见光波段的光电导探测器有单晶c d s 、c d s e 。 一般来说，光电导器件增益较大而响应较慢，适用于受光面较大。光电流与暗电 流之比较大的情况。 光伏探测器是基于光生伏特效应的内光电效应器件。它具有内部电场形成的 辨垒，当光照这种探测器的是时候，光生电子一空穴对被内部电场分开，形成光 型堡堡垒楚丝塑苎垄墅型苎丝查! ! 型 一 ，t 电动势。几乎所有的光伏效应都是利用本征激发的光伏效应制造的，它可分为 p - n 结型、肖特基型、异质结型。光伏探测器在微弱快速光信号探测方面有着非 常重要的作用。由于光伏效应是一种少数载流子过程，而少数载流子的寿命通常 短于多数载流子的寿命，所以基于光伏效应的光伏探测器比用相同材料制成的光 电导探测器响应更快。 光电子发射探测器是利用外光电效应制成的光电器件。在光辐射下，器件内 光敏材料( 光电阴极) 中的电子得到足够的能量，便会逸出光敏材料而进入外界 空间真空或气体，即有电流经过这一空间。光电二极管是一种较简单的光电 子发射探测器，有真空光电二极管和充气光电二极管两种。前者的光电阴极在很 宽的光强范围内精确地与入射到光电阴极的光通量成正比、寿命长，电源电压对 灵敏度影响不大，机械强度高以及抗外界干扰能力强，但灵敏度较低；后者利用 碰撞电离可获得十倍左右的电流增益因而灵敏度高，但稳定性差、线性不好、受 温度影响大、暗电流大、噪声电平高、响应时间长。光电倍增管( p m t ： p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ) 是利用倍增极的二次电子发射而获得电流倍增的高灵敏度 光电探测器，一般器件的电流放大倍数g m 可达1 0 5 1 0 8 。由于这类探测器灵敏 度商，且在很宽范围内对入射光强成线性响应，故在光度学及需高灵敏度的场合 得到广泛应用。其缺点是体积大、工作电压高，在使用中受到一定限制。微通道 板是利用某些固体材料的二次电子发射特性来实现电流倍增的。它与光电阴极、 荧光屏结合起来构成了能清晰观察两维空间微弱电信号的电子光学变换器。 光子牵引探测器是利用光子牵引效应制成的光电器件。在半导体中传播的光 子与材料中的自由载流子碰撞产生动量传递，载流子在坡印廷方向受到有效的推 动，开路条件下，半导体内产生纵向电场以阻止载流子的运动，两端便产生电压。 b 于不涉及载流子的产生复合过程，光子牵引探测器响应速度快。此外还具有 能承受大功率光脉冲、室温工作、不需外加电源等优点。在窄脉冲的测量方面非 常有用。但光子牵引探测器的响应率和探测率都较低，不适合探测来自室温目标 或等离子体的散射光。 光辐射探测系统实际上是光信号的变换、传输和处理的系统。系统在工作时， 会受到光电变换中光电子随机起伏的干扰、辐射光场在传输过程中受到通道的影 响及背景光的干扰、放大器引入的干扰等，这些非信号的成份统称为噪声。这里 壁蔓塑垒签丝塑斐堡丝型亟垫查盟塞 仅讨论光电探测器中几种主要的固有噪声，即散粒噪声、热噪声、产生复合噪 声、温度噪声及1 f 噪声。 有照射到探测器上的光子的起伏及光生载流子流动的不连续性和随机性而 形成的载流子的起伏变化引起的噪声称为散粒噪声。其值为： ，二( ，) = 2 ，q v ( 2 - 1 3 ) 式中，i 为通过光电二极管的平均电流，q 是电子电荷，v 为测量带宽。散粒噪 声的方均值与频率无关，谱密度为常数，即它为白噪声。但散粒噪声与器件的平 均电流成正比，因而属于有偏压噪声。散粒噪声主要存在于光电二极管内。 热噪声是由于导体中电子无规则热运动引起导体两端电压涨落而形成的一 种噪声，它存在于任何有电阻的材料中。热噪声与频率无关，其功率谱密度是常 数。其值为： 器( r ) = ! 半( 2 - 1 4 ) 式中，k 为玻尔常数，t 为电阻的绝对温度( 单位：k ) ，r 为电阻值。可见，电 阻热噪声电压( 或电流) 方均值与温度t 成正比。降低使用温度可减小噪声电 压( 电流) 。 半导体中自由载流子的热产生率及热复合率的起伏，引起了平均载流子浓度 的起伏，从而引起了产生复合噪声( g _ f ) 噪声。其谱密度表达式如下： ”c o 豁 ( 2 _ 1 5 ) 式中，g ( n o ) 为热平衡时载流子的产生率，f 为载流子的复合时间，为角频 率。可见，其谱密度与频率无关，不再是白噪声，而是低频限带噪声，与一般散 粒噪声不同。产生复合噪声主要存在于光电导探测器中。 温度噪声主要存在于热探测器中。设热探测器与周围环境的热导为g ，则热 功率起伏的均方值或温度噪声为： 陟7 = s 。( ，) 厂= 4 g 女- t 2 ，( 2 - 1 6 ) l f 噪声近似地具有l f 方次率频谱，不能精确分析论证。其经验表达式如下： 嘶= 竿 ( 2 1 1 7 ) 9 堡曼塑鱼壁丝箜斐丝丝塑堕苎! ! ! 堕一 式中，k l 是比例系数，它与探测器的制造工艺、电极接触情况及表面状态等因 素有关。口是与通过器件电流有关的系数，大多数情况下口= 2 是与器件特 性有关的系数，大部分材料取1 。，一般在1 4 i 7 之间有公式可见，这一 噪声只在低频区域影响较大，只要调制频率吐，大于几百赫兹，l ，f 噪声可忽略。 2 5 2 光电倍增管【