光学基础知识培训

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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 (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) 315 380 nm 可见光 380 780 nm 红外线 A (IR-A) 780 nm 1.4 m

2、 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。 光度量 光通量 光照度 光亮度 光强度 光度学的量 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 。 单位： 流明（ lm） 。 符号： 光通量的空间密度，即单位立体角元

3、内的光通量 ,称为光强。 单位：坎德拉（ cd） 。符号： I 七个国际基本物理量（ SI）之一 780380 )()( dVKm e ddI单位面积的光通量 ,称为光照度。 单位：勒克斯（ lx） 。符号： E 表征被照面所接收光的大小 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。 单位： 坎德拉每平方米 （ cd/m2 ） 。符号： L 表征发光面的明亮程度 dSdE dSdIL 光通量 光强 I 照度 E I=E d2 转换关系 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。 r I E E=Ico

4、s/R2 E=Icos3/H2 推导式 点光源或近似点光源下成立。 I=E r2 辐射度学 辐射通量 单位时间内通过某一面积的辐射能量 辐射照度 受照面上，单位面元内的辐射通量 辐射亮度 单位面积上的辐射强度 辐射强度 给定方向上的单位立体角元内的辐射通量 辐射度学 光度学参数 光通量 V() 人眼视觉函数 辐射通量 辐射度学参数 光照度 辐射照度 光亮度 辐射亮度 光强度 辐射强度 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 )()(683 dV e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）

5、 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，眼睛对短波越敏感，总体灵敏度也越高。 Purkinje shift 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 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

6、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。 RGB系统的三原色： 红（ R） R= 700.0nm 绿（ G） G= 546.1nm 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 XYZ标准色度系统 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 三刺激值和它们之和的

7、比，称为色品坐标。色坐标可以精确的表示颜色。 dkZdkYdkX)(z)()(y)()(x)(7 8 03 8 07 8 03 8 07 8 03 8 0ZYXZZYXYZYXXzyx， 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 x， y 表示 CIE-1976 UCS色品图 u v 表示 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 380 0.0071 385 0.006 。 。 。 。 450 0.5 。 。 。 。 775 0

8、.0042 780 0.0042 色温、相关色温 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-

9、光色 显色指数（ Color Rendering Index） 表征物体在被测光下的颜色和基准光 (A光源 )照明的颜色的符合程度 卤素灯下 低压钠灯下 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 定义为 18号样品的 特殊显色指数 的平均数，表达式为： 1416.4100 iER ii 8181i ia RR显色指数（ CRI）的计算方法 R1-R8 R9-R14 CRI-Ra评价系统的问题 Ra=72 R9=-10 Ra=82 R9=-90 主波长 某种

10、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。 色纯度 色纯度是指该颜色和其主波长颜色之间的接近程度。 EDESP U R E /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； 在单色光中用这样的表示颜色更直观 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

11、颜色表示的不均匀性决定的，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。 Duv Duv, 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： 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 光度探头的光谱灵敏度

12、曲线与V()曲线的匹配， CIE用 f1来表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 Z-10 PHOTO 2000GO/ 柱面照度计 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 c o s2REI dALI c osI=E R2 r I E 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 如： PHOTO 2000GO ID 1000等 亮度测量 LM-2 CBM-8 SR-2 瞄点式亮度计 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 将描点亮度计中的照度探测器接收

13、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 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-2 CX-2A/B 光通量测量 积分球法 积分法 分光法 分光 -积分法（ SBCT)） 分布光度计法 照度积分法 光强积分法 光通量测量 积分球法 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 14 2RE SS 14 2R

14、E CCSSCCEE 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 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。这也就意味着，照度，光强，亮度也是可以用同样的方法进行测