光源颜色特性参数的测量

光源颜色特性参数的测量

1光谱功率的传递为了获得测量源的所有颜色参数，有必要首先获得用于测量的光源在光范围内的光谱能量分布。因此如何准确测量出光源光谱功率是十分重要的,对于最终评价光源颜色特性也是必不可少的。本系统采用比较法,将标准光源的光谱功率(其光谱功率由黑体传递而来)通过比对的方法量值传递得到待测光源的光谱功率。系统的装置如图1所示。本套系统中,单色仪的作用为取得额定波长的单色光;光电倍增管则将从单色仪出来的光信号转换成电信号,光电倍增管的高压控制和数据采集,以及单色仪的狭缝改变、波长扫描,550nm截止滤光片的位置移动,最终的颜色特性参数的计算等都是通过计算机实现的。测量过程中,在积分球中先后点燃标准灯和待测灯,将积分球窗口出射光投入单色仪,通过计算机驱动单色仪至各个波长,再读取相应波长下光电倍增管的信号,分别为is(λ),ix(λ),由标准灯的光谱功率分布Ps(λ)可以求出待测灯的光谱功率分布Px(λ)Ρx(λ)=ix(λ)is(λ)Ρs(λ)(1)Px(λ)=ix(λ)is(λ)Ps(λ)(1)2计算光源参数的方法2.1光定量比例系数在XYZ系统中,三刺激值X,Y,Z和光源光谱分布函数Ps(λ)有如下关系X=Κm∫780380Ρx(λ)ˉx(λ)dλY=Κm∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)dλΖ=Κm∫780380Ρx(λ)ˉz(λ)dλ(2)X=Km∫780380Px(λ)x¯(λ)dλY=Km∫780380Px(λ)y¯(λ)dλZ=Km∫780380Px(λ)z¯(λ)dλ(2)其中:Km为辐射量和光度量之间的比例系数,为常数,等于683lm/W。ˉx(λ)‚ˉy(λ)‚ˉz(λ)x¯(λ)‚y¯(λ)‚z¯(λ)为CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值。在实际测量中,由于在380nm~780nm区间的光源由此可以得出在x-y色度图中x,y的值x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)以及在CIE1960均匀色度标尺图u-υ上色坐标u,υ的值u=4X/(X+15Y+3Z)υ=6Y/(X+15Y+3Z)2.2复配的相关染色如果一个光源发射光的颜色(即光色)与某一温度下的墨体发射光的颜色(即色品)相同,那么,此时黑体的绝对温度值就叫做该光源的颜色温度(简称色温)。黑体发射光的相对光谱功率分布由谱朗克定律给出:P(λ,T)=C1λ-5(eC2/λT-1)-1(3)其中:T为黑体的绝对温度;λ为波长;C1为第一辐射常数,C1=3.7450×10-16W·m2;C2为第二辐射常数,C2=1.4388×10-2m·K。当光源发射光的颜色和黑体不相同时,我们用“相关色温”的概念来描述光源的颜色。相关色温的定义是:在某一确定的均匀色度图中,如果一个光源与某一温度下的黑体具有最接近的色品,此时黑体的绝对温度值就叫做光源的相关色温。通过待测光源的u-υ色度图上u,υ的值,可以计算出它的相关色温。也即:相关色温=f(u,υ)相关色温的计算有多种方法,最经典的方法为罗伯逊法,参考文献中详细描述了4种衍生的不同的数值解法(直接内插法,三角形垂足法,色温逐次逼近法,经验公式法),并对各种方法产生的偏差做了详细分析,本文不再叙述。在计算待测光源的显色指数以及色容差时,这两个参数都是与国家标准中规定的系列基准光源中的一种来进行比较得出的,而在系列基准光源选择合宜的基准光源则是通过选择与待测光源具有最相近色温的基准光源来作为依据。2.3基准两相性能参数的确定待测光源颜色与基准光源颜色之间的差距用色度容差来表示。通常,认为人眼感觉不出颜色变化的最大范围称为颜色的宽容差,国标中确定了6种标准颜色灯,规定待测光源与其中之一的基准光源色度容差为5SDCM,与目标值正好差5SDCM的色点由下式确定:g11Δx2=2g12ΔxΔy+g22Δy2=25(4)其中Δx=(x-x0),Δy=(y-y0)。x0,y0为基准光源的色度值,g11,g12,g22为基准光源的颜色系数,它们的数值都可以在国标中查到。x,y为待测光源的色度值,当g11Δx2+2g12ΔxΔy+g22Δy2>25时,则认为待测光源与基准光源的色度容差大于5SDCM,国标中认定不合格。2.4显色性的评价用光谱功率分布不同的光源去照明物体,产生的颜色感觉是不一样的。光源的这种决定被照物体颜色感觉的性质称为显色性,显色指数即为评价显色性的参数。目前,评价光源显色性的方法主要采用试验色法,即规定适当数目的物体色作为标准试验色,同时也规定一系列色温度下基准光源,分析和待测光源分别照明该物体上产生的色度差别,来定量地测出待测光源的显色性。2.4.1i为标准试验色的数值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)x¯(λ)αi(λ)dλYi=Km∫780380Px(λ)y¯(λ)αi(λ)dλZi=Km∫780380Px(λ)z¯(λ)αi(λ)dλ(5)Li=∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)αi(λ)dλ/∫780380Ρx(λ)ˉy(λ)dλ×100Li=∫780380Px(λ)y¯(λ)αi(λ)dλ/∫780380Px(λ)y¯(λ)dλ×100其中,αi(λ)为标准试验色的光谱亮度系数,其数值可以在国家标准中找到。根据式(5),可以推算出xi,yi和ui,υi的值。2.4.2基准水源色度修正显色指数是比较待测光源和基准光源的色度差别,因此必须选择合适的基准光源,一般根据待测光源的相关色温来选定合宜的基准光源。基准光源的相对光谱功率分布可以根据国标查到:在待测光源不高于5000K时,以普朗克辐射体作为基准光源,相对光谱功率分布见公式(3)。当待测光源高于5000K时,以组合昼光做为基准光源,在待测光源相关色温已知时,相对光谱功率分布见公式(6):S(λ)=S0(λ)+M1S1(λ)+M2S2(λ)(6)式中,S0(λ),S1(λ),S2(λ)为计算昼光光谱功率分布用的系数,国标中的表1给出。M1,M2为与光源色坐标相关的量,其量值由公式(7)和(8)计算给出: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为基准光源的CIE1931xy色品坐标值,其量值由公式(9),(10)或(11)计算出。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)根据以上公式就可以得到与待测光源色温相同的基准光源的相对光谱功率分布了。由于待测光源和基准光源照明条件下色适应状态不同,因此必须进行修正。相应的修正公式可以在国家标准中找到,引用后修正的色度坐标如下:u′i=10.872+0.404CrCCi-4drddi16.518+1.481CrCCi-drddiυ′i=5.52016.518+1.481CrCCi-drddi(12)其中Cr,dr代表基准光源的色适应色品位移修正值,可以在国标中查到。而待测光源的色适应色品位移修理正值C,d,以及待测光源下各试验物体色下的色适应色品位移修正值Ci,di,可以通过公式(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)由此可以得出待测光源在各种试验物体色下修正后的色度指标值u′i,υ′i。2.4.3色度坐标系的计算将上述数据转换为CIE1964颜色空间坐标:W*′i=25L1/3i-17U*′i=13W*′i(u′i-ur)V*′i=13W*′i(υ′i-υr)(14)其中ur,υr为基准光源的色度坐标,可以根据第1节中论述的方法计算得出。此时,就可以计算出待测光源与基准光源在各个试验物体色下的色差为: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为基准光源下各试验物体色下的CIE1964颜色空间坐标。2.4.4般显色指数ra显色指数用R表示。对某一色样i的显色指数Ri成为特殊显色指数,由下式求出:Ri=100-4.6ΔEi(16)一般显色指数Ra由8个特