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光色測量原理

在討論這個(gè)問題之前，我們需要弄明白幾個(gè)問題：1、什么是光色？2、為什么要測量光色？3、如何測量光色？
1.什么是光色？

什么是光？人們想盡各種辦法去解釋這個(gè)問題。早期有各種淳樸的解釋，有人解釋為“神的眼睛”，有人解釋為“人類眼睛里的火焰與太陽的火焰交織的產(chǎn)物”，更有人解釋為“眼睛發(fā)出視覺光線，就像觸角一樣，接觸到物體，從而在大腦中產(chǎn)生視覺感覺”?？傊?，這種奇奇怪怪的解釋都是古人對(duì)光的本質(zhì)的探索。

近現(xiàn)代，科學(xué)家曾經(jīng)提出過關(guān)于光的性質(zhì)的不同理論，*具影響力的有：牛頓的微粒理論、惠更斯波動(dòng)理論、麥克斯韋電磁理論和愛因斯坦的光量子理論。

在我們?nèi)粘Ｉ罨蛘呶膶W(xué)中，光還意味著光明，也就是說，光是可以看見的，是明亮的，即在日常生活中我們認(rèn)為的光就是可見光。

光既一種電磁波已經(jīng)被人們普遍接受，而頻率或波長是描述電磁波的重要參數(shù)。我們能夠看見的光即可見光的波長范圍在400nm-700nm之間?？梢姽獾念伾晃覀儎澐譃榧t橙黃綠青藍(lán)紫七種顏色，從紅到紫光的波長逐漸減小。

圖1　可見光的范圍及其顏色

人眼能夠?qū)梢姽夥秶鷥?nèi)不同頻率的光波有不同的顏色感受，這與人眼的構(gòu)造以及大腦的結(jié)構(gòu)相關(guān)。當(dāng)光線到達(dá)眼睛的視網(wǎng)膜時(shí)，視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞對(duì)于理解視覺和光線至關(guān)重要。一旦光線照射到眼睛，眼睛的晶狀體就會(huì)把光線聚焦到那些對(duì)光敏感的細(xì)胞、視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞上，每個(gè)細(xì)胞都會(huì)接收不同波長的能量。視桿細(xì)胞在昏暗的光線下工作得最好，而視錐細(xì)胞則專門用于特定的顏色范圍。

L-視錐細(xì)胞占我們視錐細(xì)胞的64%，也被稱為紅色視錐細(xì)胞，它們對(duì)紅色光（波長較長）敏感。

M-視錐細(xì)胞構(gòu)成眼睛視錐細(xì)胞的32%，也被稱為綠色視錐細(xì)胞，它們對(duì)綠色光敏感。

S-視錐細(xì)胞占整個(gè)視錐細(xì)胞的2-7%，也被稱為藍(lán)色視錐細(xì)胞，它們對(duì)藍(lán)色光（波長較短）敏感。

視桿細(xì)胞在弱光下工作，幫助我們?cè)谝归g觀察光線，這種光線所成的像沒有顏色，它們是外圍視覺。

圖2　眼睛的構(gòu)造及視網(wǎng)膜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)

2.為什么要測量光色

眼睛是我們感知周圍世界的重要器官，而光色是“周圍世界”信息的重要載體。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們掌握了信息再現(xiàn)的方法，也發(fā)明了各種各樣的信息再現(xiàn)技術(shù)和相應(yīng)的器件，例如：CRT、等離子體顯示屏、LCD、OLED、Mini-LED顯示屏、Micro-LED顯示屏、3D顯示屏、AR、VR……

既然是重現(xiàn)信息，那么就要考慮所顯示的信息如何與人眼觀察現(xiàn)實(shí)世界所感受得信息一致。這就現(xiàn)需要科學(xué)家通過大量的試驗(yàn)，確定出影響人眼感受信息的指標(biāo)。在這些眾多的指標(biāo)中，關(guān)鍵的指標(biāo)是亮度、色度。
3.光色測量

光色測量原理涉及使用光譜儀或色彩測量儀器來分析光的波長和強(qiáng)度分布，測量原理涉及輻射度學(xué)、光度學(xué)和色度學(xué)三部分內(nèi)容。
3.1輻射度學(xué)

輻射測量是測量全光譜電磁輻射的一門科學(xué)。它的定義編入國際制（SI）單位。在SI單位中，總的電磁功率定義的單位為瓦特（W），輻射照度（通量密度）定義為從一個(gè)半球的各方向入射到包圍該半球的平面上單位面積的功率（W/m²）。輻射強(qiáng)度定義為單位立體角內(nèi)的功率（W/sr）。這里，立體角以輻射源或探測器上的一個(gè)點(diǎn)為參考，單位立體角定義為半徑為1的球體所對(duì)的單位面積。輻射亮度是單位立體角內(nèi)、單位投影面積上的功率［W/（sr﹒m²）］。頻譜變量作為密度意味著如果要實(shí)現(xiàn)從波長l到頻率n 的變換，相應(yīng)的密度要乘以|dl/dn|，以便保留完整的積分。光與視覺的研究依賴上述輻射的定義（注意，在UV和IR范圍內(nèi)用“輻射”一詞而非“光照”。光是可見的，但UV和IR輻射多數(shù)情況下是不可見的）。

光度測量是基于平均人眼觀察響應(yīng)的、測量可見光的科學(xué)。在光度測量中，使用的可見光功率（光通量）的主要單位是流明（lm）。1W 555 nm的輻射通量相當(dāng)于683 lm的光通量。光通量（流明）定義為由CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)觀察者函數(shù)加權(quán)的輻射通量，且可以由式（B-1）計(jì)算。
Φ=k360830S(λ)V(λ)d       （1）                                     

式中，為絕對(duì)光譜輻射通量（W/nm）；V(λ)為明視覺光譜光視效率函數(shù)，它基于CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)觀察者人眼視覺模型，該模型具有測量視場角為2°的光譜響應(yīng)V(λ)；k= 683 lm/W，為在V(λ)峰值位置從光功率到光通量的轉(zhuǎn)換系數(shù)；dλ為波長增量（nm）。

如式所示，可以用匹配明視覺光譜光視效率函數(shù)V(λ)的濾光器/探測器組合在可見光范圍內(nèi)進(jìn)行光測量并得到光測量值。這是亮度計(jì)和照度計(jì)的基本原理。也可以使用分光輻射亮度計(jì)測量光譜輻射通量，并對(duì)光譜輻射通量和V(λ)進(jìn)行積分，得到光測量值。根據(jù)類似公式，可從所給的輻照度E(λ)（W·m^-2·nm^-1）及相應(yīng)的絕對(duì)光譜輻射通量S(λ)得到照度E（lx），也可從所給的光譜輻射亮度L(λ)（W·sr^-1·m^-2·nm^-1）及相應(yīng)的絕對(duì)光譜輻射通量S(λ)得到亮度L（cd/m²）。
3.2光度學(xué)

光度學(xué)中使用的最重要的3個(gè)術(shù)語分別為亮度、照度和發(fā)光強(qiáng)度。雖然選擇流明作為光度學(xué)測量的基本單位合乎邏輯，但由于傳統(tǒng)原因，仍選用坎德拉（cd）作為發(fā)光強(qiáng)度的單位。坎德拉定義為處于鉑凝固溫度（2045K）的黑體的1/60cm²表面在垂直方向上的發(fā)光強(qiáng)度，這個(gè)定義現(xiàn)在不再采用。從1979年起，坎德拉定義為頻率為540×10¹²Hz的單色輻射光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該方向上的輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr。根據(jù)流明定義的坎德拉為
1cd=1lm/sr

1lm是發(fā)光強(qiáng)度為1cd的各向同性光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。大多數(shù)制造的光源都是以輸出總流明數(shù)規(guī)定的。立體角的單位是球面度（sr），1sr等于半徑為r的球的球心對(duì)應(yīng)球面上r²的面積所張開的立體角。因?yàn)榍虻谋砻娣e為4pr²，所以，球的立體角是4p sr。

亮度是最常測量的光學(xué)量，當(dāng)人們需要定量地表征人眼觀察的一個(gè)物體有多么明亮?xí)r，就需要測量物體的發(fā)光強(qiáng)度。亮度定義為光源表面在給定方向上、單位立體角內(nèi)、單位有效面積內(nèi)發(fā)射的光通量，也就是單位有效面積的發(fā)光強(qiáng)度。在SI單位制中，亮度的單位是坎/平方米（cd/m²）（該單位曾經(jīng)被稱為“nit”，但現(xiàn)在它被認(rèn)為不合適，nit是一個(gè)棄用的單位）。在英制單位中，亮度單位是英尺朗伯（footLambert，fL）。
1cd/m²= 1lm/(sr·m²)
1 fL = (1/p)lm/(sr·ft²)
轉(zhuǎn)換系數(shù)：
1cd/m²=0.2919 fL (0.2918635pft²/m²)
1fL=3.4263 cd/m²(3.426259 m²/pft²)

照度是測量物體表面單位面積所入射的光通量的術(shù)語，單位是lm/m²。當(dāng)有必要知道有多少光入射到一個(gè)表面時(shí)，如照亮投影屏幕時(shí)，就需要測量照度。照度的SI單位是勒克斯（lux, lx），英制單位是英尺燭光（footcandle, fc）。
1lux 1 lx1lm/ m²
1footcandle1 fc1lm/ ft²
轉(zhuǎn)換系數(shù)：
1lx = 0.0929 fc (0.09290304 ft²/m²)
1fc = 10.76 lx (10.76391 m²/ft²)

發(fā)光強(qiáng)度（或“燭光量”，這是已廢棄術(shù)語）是點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射（或反射）的光通量，它是描述光源在特定方向的強(qiáng)度的量。由于運(yùn)用了點(diǎn)光源假設(shè)，因此，只有當(dāng)光源尺寸相對(duì)于測量距離可忽略時(shí)，該發(fā)光強(qiáng)度才可被測量與使用。LED通常被假設(shè)為點(diǎn)光源，且可以使用發(fā)光強(qiáng)度描述。發(fā)光強(qiáng)度的單位是lm/sr，即cd。表1列出了重要的輻射度學(xué)的物理量和單位，以及光度學(xué)中對(duì)應(yīng)的物理量。
表1 光度學(xué)與輻射度學(xué)中的術(shù)語和單位

3.2色度學(xué)

三刺激值中的Y是唯*可以與光度量相關(guān)聯(lián)的值，見表2。，式中，k=683lm/W；S(l)是光譜功率分布。
表2 光度值Y（只有Y是光度值）

在沒有歸一化的一般情況下，三刺激值定義如下：

式中，S(l)是光譜功率分布，單位為nm^-1；k是任意常數(shù)，如k=1。

對(duì)于基于白色點(diǎn)的歸一化三刺激值（歸一化到100，也能使用任何其他的歸一化常數(shù)），在反射和透射情況下，其定義如下：

式中，b(l)是相對(duì)反射或透射的光譜功率分布；S(l)是光譜功率分布，可以是任意單位；X、Y、Z是沒有單位的，Y的最大值是100；。

對(duì)于發(fā)射型顯示屏：

式中，S(l)是顯示屏的白色光譜功率分布，C(l)是顯示的其他顏色的光譜功率分布，S(l)和C(l)可以是任意相同的單位；X、Y、Z是沒有單位的，Y的最大值是100；

。

根據(jù)CIE 1931，任何兩個(gè)有相同X、Y、Z值的光定義為匹配（是相同的顏色）。另外，函數(shù)等于1924年為光度測量定義的函數(shù)V(l)。

多年來，CIE標(biāo)準(zhǔn)化了一些源于CIE 1931的色彩空間，但在色彩空間中的不同位置，距離相同的兩個(gè)點(diǎn)所表達(dá)的知覺差異近似相同。這些色彩空間被稱為均勻色彩空間，對(duì)評(píng)估色域和色度誤差的大小特別有用。

下面是用于評(píng)價(jià)顯示屏的各種CIE色彩空間的總結(jié)。

CIE 1931（x,y）色坐標(biāo)值。這些值是從X、Y、Z三刺激值推導(dǎo)出的二維笛卡兒坐標(biāo)系的值，按照這樣計(jì)算，相對(duì)光譜相同而強(qiáng)度不同的光具有相同的（x, y）坐標(biāo)值。因此，色度值表示光的色度特性，與強(qiáng)度無關(guān)。色坐標(biāo)值被指*為x、y、z，它們是三刺激值X、Y和Z相對(duì)于三者總和的比例。
x=X/X+Y+Z，y=Y/X+Y+Z，z=Z/X+Y+Z （x+y+z=1）

相反地，

這里，Y可以是任何光度學(xué)量，如光通量、發(fā)光強(qiáng)度、亮度等。因?yàn)樵谏让枋鲋?，z是多余的，為了更好地繪制二維(x, y)坐標(biāo)，通常取消z。

在CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)（見圖5）中，在光譜軌跡內(nèi)繪制的曲線為普朗克軌跡，曲線上的點(diǎn)達(dá)數(shù)千開。光譜軌跡以50nm的波長增量進(jìn)行標(biāo)記。這是當(dāng)一個(gè)（理想的）發(fā)射器的溫度升高到一個(gè)無限的溫度時(shí)的白色的顏色。這個(gè)觀察產(chǎn)生了色溫的概念，其是表示白色“等級(jí)”的一種方法。

CIE1960——均勻色彩空間。一個(gè)幾乎均勻的色彩空間，它的缺點(diǎn)是只有兩個(gè)維度。這個(gè)空間由X、Y、Z的線性組合得出正確的色彩空間，現(xiàn)在僅用于計(jì)算相關(guān)色溫（CCT）。

u=u'，v=2v'/3（u', v'是1976 UCS值）

CIE1976——均勻色彩空間。它是從X、Y、Z的線性組合得出的特*的色彩空間。Du'v'有時(shí)被用作想要忽略強(qiáng)度變化時(shí)的顏色漂移量。在圖6中，光譜軌跡內(nèi)的彎曲線表示溫度為幾千開的普朗克軌跡。光譜軌跡以50nm的波長增量進(jìn)行標(biāo)記。

圖5　CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)                  圖6　CIE1976標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)

CIE 1976 LUV——目前標(biāo)準(zhǔn)化的三維均勻色彩空間。該空間中隱含了一個(gè)人眼的非線性模型，并且是對(duì)光（特別是D65或顯示白點(diǎn)）的色度適應(yīng)模型，如圖7所示。由如下所示的下標(biāo)為“n”的值表征，亮度定義為

CIE 1976 LAB——目前標(biāo)準(zhǔn)化的三維均勻色彩空間。該空間中隱含了一個(gè)人眼的非線性模型，并且也是對(duì)光（特別是D65或顯示白點(diǎn)）的色度適應(yīng)模型，由如下所示的下標(biāo)為“n”的值表征，亮度定義為

其中，函數(shù)f()作用于任何變量q，定義為

  色差定義為

CIE LAB和CIE LUV色彩空間同時(shí)被采用，而后被CIE保留為同等的推薦標(biāo)準(zhǔn)。然而，顯示技術(shù)人員優(yōu)選CIE LUV。這種偏好是基于以下事實(shí)：CIE LUV有一個(gè)特*的色度空間（坐標(biāo)為u^*/L^*、v^*/L^*），其中兩束光的任意混合都會(huì)顯示在空間中這兩束光之間的線段上。這使得對(duì)諸如自發(fā)光類顯示屏中的色彩組成的描繪更加便捷，而CIE LAB并不具有這個(gè)特點(diǎn)。誠然，CIE LAB空間最近已經(jīng)被一些顯示技術(shù)專家選擇，因?yàn)橄啾扔谳^小的顏色差異，其更接近均勻。然而，CIE LUV仍然是一個(gè)被證明過的CIE空間，且因?yàn)樗谋憷院蜌v史先例而具有吸引力。本書并不認(rèn)為CIE LUV比CIE LAB或其他色差公式更好，但在示例計(jì)算中使用CIE LUV作為足夠的色彩空間來測量。

在CIE 1960均勻色彩空間中，人們一致認(rèn)為色溫的概念在偏離普朗克軌跡的距離超過0.01就沒有意義了，其中距離為。然而，工業(yè)應(yīng)用將CCT定義為從普朗克軌跡0.0175(u, v)單位以上到該軌跡0.014 (u,v)單位以下。

  除了用CIE 1960均勻色彩空間中的色坐標(biāo)(u, v)偏離普朗克軌跡曲線上的點(diǎn)表示這個(gè)距離，也經(jīng)常用另一個(gè)單位量化從給定光線的色坐標(biāo)到普朗克軌跡的距離，這就是最小可察覺的色差（MPCD），它定義為0.004(u,v) 距離單位。數(shù)值0.004是在彩色電視的初期引入的，為條件不太嚴(yán)格的情況下(u, v)中的最小可察覺的差異。這個(gè)數(shù)字經(jīng)常在照明行業(yè)被引述，現(xiàn)在也用于CIE 1976均勻色彩空間中色坐標(biāo)(u',v')與普朗克軌跡曲線上點(diǎn)的距離。如果顏色有差異，如在一個(gè)房間內(nèi)的不同位置、不同屏幕上顯示顏色，那么兩個(gè)點(diǎn)之間的色坐標(biāo)(u', v')差異不小于0.04，這個(gè)差異能夠被察覺，而0.04是閾值距離，指同一屏幕上、相鄰的兩個(gè)顏色區(qū)域的色坐標(biāo)在CIE 1976均勻色彩空間中的距離。

詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱《信息顯示測量標(biāo)準(zhǔn)》一書。
參考文獻(xiàn)
[1] 科學(xué)網(wǎng)—什么是光 - 王宏琳的博文
[2] 國際顯示計(jì)量委員會(huì)著，李偉、李子君、高彬等譯，信息顯示測量標(biāo)準(zhǔn)[M]，附錄B，北京：電子工業(yè)出版社，2024
人物介紹

高彬 ，在某軍工企業(yè)工作了8年，長期從事加固顯示方面的研究，參與了十多個(gè)型號(hào)的加固顯示屏的研發(fā)。同時(shí)，在機(jī)載加固顯示的光電測量方面也有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。翻譯并出版了《OLED顯示概論》和《信息顯示測量》兩本書籍。