光学基础知识培训

1、光色基础培训（一）光色度基础*杭州远方光电信息股份有限公司杭州远方光电信息股份有限公司 (股票代码股票代码: 300306) EVERFINE PHOTO-E-INFO CO., LTD光度学概念色度学概念光色度测量仪器及方法什么是光？ 光是一种人类眼睛可以见的光是一种人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱）。电磁波（可见光谱）。如太阳光、烛光、电灯光。 在科学上的定义，光有时候在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。是指所有的电磁波谱。如红外线、紫外线、X光紫外线辐射 C (UV-C) 100 280 nm紫外线辐射 B (UV-B) 280 315 nm紫外线辐射 A (UV-A) 315

2、380 nm可见光 380 780 nm红外线 A (IR-A) 780 nm 1.4 m红外线 B (IR-B) 1.4 3 m红外线 C (IR-C) 3 m 1 m可见光区和电磁波谱通常过程中，我们研究光，主要是针对可见部分而言。一、光度学 在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学。科称为光度学。光度学是1760年由朗伯建立的，定义了光通量、发光强度、照度、亮度等主要光学光度学参量，并用数学阐明了它们之间的关系。光度学测量的不是纯粹的物理量，而是一种心理物理量。光度学的量光度学的量光通量是指能够被人的视觉系统所感受到

3、的那光通量是指能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的度量部分光辐射功率的大小的度量。单位：单位：流明（流明（lmlm） 。 符号：符号：光通量的空间密度，即单位立体角元内的光通量光通量的空间密度，即单位立体角元内的光通量, ,称称为光强。为光强。单位：坎德拉（单位：坎德拉（cdcd）。符号：。符号：I I 七个国际基本物理量（七个国际基本物理量（SISI）之一）之一780380)()(dVKmeddI单位面积的光通量单位面积的光通量, ,称为光照度。称为光照度。单位：勒克斯（单位：勒克斯（lxlx）。符号：。符号：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单位表面上

4、在某一方向的光强密度。即被视物体在单位表面上在某一方向的光强密度。即被视物体在视线方向单位投影面积上的发光强度。视线方向单位投影面积上的发光强度。单位：单位：坎德拉每平方米坎德拉每平方米 （cd/mcd/m2 2 ）。符号：。符号：L L表征发光面的明亮程度表征发光面的明亮程度dSdEdSdIL I=Ed2=ES=I转换关系转换关系 距离平方反比定律距离平方反比定律 垂直于光线传播方向的照度与光源在该方向的光强成正比，与光源到表面的距离的平方成反比。 rIEE=Icos/R2E=Icos3/H2推导式 点光源或近似点光源下成立。点光源或近似点光源下成立。I=Er2辐射度学辐射度学光光度度学学参

5、参数数光通量光通量V()人眼视觉函数人眼视觉函数辐射通量辐射通量辐辐射射度度学学参参数数光照度光照度辐射照度辐射照度光亮度光亮度辐射亮度辐射亮度光强度光强度辐射强度辐射强度 辐射度量和光度量的关系辐射度量和光度量的关系如上表所示，辐射量和光度量的转换主要是人眼因数的参与。以光通量为例，其转换公式如下：780380)()(683dVe 对辐射量e进行视觉加权即可得到光通量 光谱光效率（视见函数）光谱光效率（视见函数）人眼对不同波长的感光灵敏度是不一样的，根据大量的观察结果，并取平均后，得到了人眼对各种波长光的相对灵敏度，即视见函数CIE明视觉光视效率V()曲线。555nm光，即黄绿色时的光视效率

6、最高 人眼在明暗环境下，灵敏度是不一样的，总的来说亮度越低，眼睛对亮度越低，眼睛对短波越敏感，总体灵敏短波越敏感，总体灵敏度也越高。度也越高。Purkinje shift浦尔金耶漂移浦尔金耶漂移 目前光的度量，基本都是基于明视觉的二、色度学二、色度学色度学确切的讲它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学。目前在色度学上为国际所引用的数据，是由在许多正常视觉人群中观测得来的数据而得出的平均结果。 一般来说光源发出的光都可以由三种单色光混合得到，但这3种单色光的任何一种不能由其余两种产生。这三种色便称为三原色。三原色有很多选择。三原色有很多选择。RGB系统的三原色：系统的三原色：红（红（R）R= 70

7、0.0nm绿（绿（G） G= 546.1nm蓝（蓝（B） B= 435.8nm 三原色 CIE1931 XYZ 色系统由于从实际光谱中选定的红、绿、蓝三原色光不可能调(匹)配出存在于自然界的所有色彩，CIE于1931年从理论上假设了并不存在于自然界的三种原色，即理论三原色，以X，Y，Z表示，以期从理论上来调(匹)配一切色彩。CIE 1931 XYZCIE 1931 XYZ标准色度系统标准色度系统 三刺激值三刺激值 待测颜色在和指定三原色匹配时，所需三原色的数量，称为三刺激值。 色品坐标色品坐标三刺激值和它们之和的比，称为色品坐标。色坐标可以精确的表示颜色。dkZdkYdkX)(z)()(y)(

8、)(x)(780380780380780380ZYXZZYXYZYXXzyx， 色品图色品图 色品坐标表示的平面图称为色品图。CIE1931色品图中存在诸如色差容限不均匀等问题， CIE推出了1976 色品图 CIE1931 色品图色品图 x，y 表示表示CIE-1976 UCS色品图色品图 u v 表示表示 光谱分布光谱分布描述光谱功率和对应波长的关系。通常会以表格或曲线形式出现。WL(nm)波长相对光谱3800.00713850.006。4500.5。7750.00427800.0042 色温、相关色温色温、相关色温色温（色温（CT）：光源色品与某一温度下黑体色品相同时，黑体呈现的温度。相

9、关色温（相关色温（CCT）：光源色品与某一温度下黑体色品最接近时，黑体呈现的温度。色温也是表示颜色的一种方法，只不色温也是表示颜色的一种方法，只不过它的描述并不像色坐标那么精确。过它的描述并不像色坐标那么精确。色温相应的电光源-7500 兰色金属卤化物灯-5500 白色金属卤化物灯-4500 汞灯-3300 暖色荧光灯-2800 白炽灯-2100 高压钠灯自然光色温晴朗的天空 12000-阴云的天空 7000-白天北窗射进的光 6500-头顶的太阳光 5250-圆月 4152- 地平线上的太阳光 1850-光色 显色指数（显色指数（Color Rendering Index） 表征物体在被测光

10、下的颜色和基准光(A光源)照明的颜色的符合程度卤素灯下卤素灯下低压钠灯下低压钠灯下金卤灯下金卤灯下以黑体或标准照明体D作为参考光源，将其显色指数定为100；对在参考光和待测光源下对标准样品形成的色差进行考察，以此评定光源的显色性，用显色指数来表示。一般显色指数一般显色指数定义为18号样品的特殊显色指数特殊显色指数的平均数，表达式为：1416 . 4100iERii8181iiaRR显色指数（CRI）的计算方法R1-R8R9-R14CRI-Ra评价系统的问题Ra=72R9=-10Ra=82R9=-90 主波长主波长 某种颜色S可以通过单色光D和参照光E混合而得，那么D的波长d就是S的主波长。 色

11、纯度色纯度 色纯度是指该颜色和其主波长颜色之间的接近程度。EDESPURE/主波长大致表明颜色的基本色调；主波长大致表明颜色的基本色调；色纯度给出了大致的饱和度；色纯度给出了大致的饱和度；在单色光中用这样的表示颜色更直观在单色光中用这样的表示颜色更直观 色容差色容差 两个颜色比较时，人眼感觉不出颜色变化的最大范围称为颜色的宽容量，也叫恰可察觉差。也就是我们常常提到的色容差，单位是SDCM(标准配色偏差-Standard Deviation of Color Matching) 以椭圆形表示，椭圆上的每一个点到中心的距离都是相等的SDCM. 之所以图形呈现椭圆形，是由CIE1931色度图颜色表示

12、的不均匀性决定的，如果将之转换为1960均色图，情况会好很多，椭圆基本上将变化成接近圆形。 DuvDuv, 色差；顾名思义，就是颜色的差异。在色度图上就是两个点之间的距离。比如A颜色跟B颜色，线段AB，就是他们的色差。特别注意：特别注意：我们光谱仪测试系统也有Duv的值，因为对于灯来说，测试出来只有一个颜色，这时候讲色差，必然是有另一个已经确定的点，否则就没有意义了。这个确定的点就是测试颜色和它离黑体最近的那个点。如BE.三、光色度测量仪器 常规的光度，色度量，需要一些仪器进行测量。我们先了解下测量这些量的仪器和测量方法。照度测量光度探测器的一般组成光度探测器的一般组成光度探头的光谱灵敏度曲线

13、与光度探头的光谱灵敏度曲线与V()曲线的匹配，曲线的匹配，CIE用用f1来表来表示光度探头的失匹配程度示光度探头的失匹配程度JJG245中关于光照度计示值误差和匹配误差的要求中关于光照度计示值误差和匹配误差的要求Z-10PHOTO 2000GO/柱面照度计柱面照度计光强测量光强测量 光源光强的测量一般通过照度测量和照度平方反比计算得出cos2REIdALIcosI=ER2rIE也可以通过测量光源表面各点亮度，通过对面积积分求出测量仪器依然是照度探测器测量仪器依然是照度探测器如：如：PHOTO 2000GO ID 1000等等亮度测量亮度测量 LM-2CBM-8SR-2瞄点式亮度计瞄点式亮度计

14、视场角大小是最重要的指标之一，视场角越小，亮度计所能测量的最小面积就越小。光谱亮度计光谱亮度计 将描点亮度计中的照度探测器接收部分更改为CCD，CCD前方设置分光，这样就可以得到光谱分布，从而得到亮度值，同时可以精确的得到颜色参数。成像亮度计成像亮度计 采用面阵CCD感光元件（每个像素单元当做一个探测器），CCD前设有光学成像系统和用于匹配V()曲线的光学元件。通过一次曝光，测量平面内各点的亮度和亮度均匀度。SR-2CX-2A/B光通量测量光通量测量 积分球法积分球法 积分法积分法设备：积分球、 光度计 PHOTO 2000J 供电电源组成结构：PHOTO2000J电源积分球测量原理142RE

15、SS142RECCSSCCEE标准灯被测灯求比两次结果精度来自于光度探测器，其关键是探头光谱响应与V()曲线的精确匹配。分光法分光法设备：积分球、 光谱仪haas2000 供电电源组成结构：haas200电源积分球测量原理测出绝对光谱功率分布P()，与V()加权积分，就可以求出光通量。780380)()(dPVKG可以消除探头的V()匹配带来的误差，精度主要取决于光谱辐射计的精度。 分光法的延伸分光法的延伸 分光法的测量原理是测出光谱功率分布P()，与V()加权积分，就可以求出光通量。780380)()(dPVKG 如果对系统进行合适的标定后，该原理实际上适合所有光度量的测量，不单指光通。这也

16、就意味着，照度，光强，亮度也是可以用同样的方法进行测量，其优点依然是消除探头的V()匹配带来的误差。应用实例：光谱仪HAAS2000和ALI装置组成的LED光强测试系统光谱辐射亮度计SR-2分光分光-积分结合技术积分结合技术(SBCT)参考探头测出光度量得出光谱解析校正系数K1乘以K1得到待测样品的精确光度量快速光谱仪测出光源光谱功率分布12345远方专利技术远方专利技术780380iisi780380irelisi780380ireliti780380iitiVPsPsPVPccf其中：Pti: 待测灯相对光谱功率分布 Psi: 标准灯相对光谱功率分布 sreli: 光度计相对光谱灵敏度 d

17、ddd1780380rel780360rel 780380t780360tVPsPsPVPccfKss测量光度量时，光谱修正因子为： 在计算中积分变成求和：分布光度计法分布光度计法 照度积分法照度积分法总光通量的基准级测量方法 2002402)(sin),(),(ddErdErEdStotStot 被CIE 84-1989推荐，是多数国家实验室实现光通量基准单位的方法照度分布法是测量光通量最好的方法照度分布法是测量光通量最好的方法 被测灯无需处于中心 测量距离没有严格要求 。 取样步长足够小 具有良好的余弦修正 被测灯高度稳定光强积分法光强积分法 200sin),(ddItot 2121sin

18、),(ddIzone总光通量测量：区域光通量测量： 颜色参数测量颜色参数测量三刺激值法三刺激值法光谱法光谱法780380780380780380)(z)(P)(y)(P)(x)(PkZkYkXZYXZZYXYZYXXzyx，光谱功率分布的测量过程光谱功率分布的测量过程K()测试系统的光谱响应常数Iphs()=Ps()K()K()=Iphs()/Ps()标准灯光谱功率分布为Ps()标准灯光电流信号Iphs()光源光谱功率分布为P()光电流信号Iph()已知测量定定标标测量结果P()= Iph()/K() =Iph()/Iphs()*Ps()?仪器测量过程中，光电流信号仪器测量过程中，光电流信号Iph()=P()【()()T()S() 】=P()K