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光色測(cè)量原理

在討論這個(gè)問(wèn)題之前，我們需要弄明白幾個(gè)問(wèn)題：1,、什么是光色,？2、為什么要測(cè)量光色,？3,、如何測(cè)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(wèn)題。早期有各種淳樸的解釋?zhuān)腥私忉尀?ldquo;神的眼睛”,，有人解釋為“人類(lèi)眼睛里的火焰與太陽(yáng)的火焰交織的產(chǎn)物”,，更有人解釋為“眼睛發(fā)出視覺(jué)光線，就像觸角一樣,，接觸到物體,，從而在大腦中產(chǎn)生視覺(jué)感覺(jué)”,。總之,，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(guò)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(ài)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(shuō),，光是可以看見(jiàn)的,，是明亮的，即在日常生活中我們認(rèn)為的光就是可見(jiàn)光,。

光既一種電磁波已經(jīng)被人們普遍接受,，而頻率或波長(zhǎng)是描述電磁波的重要參數(shù)。我們能夠看見(jiàn)的光即可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍在400nm-700nm之間,?？梢?jiàn)光的顏色被我們劃分為紅橙黃綠青藍(lán)紫七種顏色，從紅到紫光的波長(zhǎng)逐漸減小,。

人眼能夠?qū)梢?jiàn)光范圍內(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(jué)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(zhǎng)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(zhuān)門(mén)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(chēng)為紅色視錐細(xì)胞,，它們對(duì)紅色光（波長(zhǎng)較長(zhǎng)）敏感,。

M-視錐細(xì)胞構(gòu)成眼睛視錐細(xì)胞的32%，也被稱(chēng)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(chēng)為藍(lán)色視錐細(xì)胞，它們對(duì)藍(lán)色光（波長(zhǎng)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(méi)有顏色,，它們是外圍視覺(jué),。

2.為什么要測(cè)量光色

眼睛是我們感知周?chē)澜绲闹匾鞴伲馍?ldquo;周?chē)澜?rdquo;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(guò)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(cè)量

光色測(cè)量原理涉及使用光譜儀或色彩測(cè)量?jī)x器來(lái)分析光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度分布，測(cè)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(cè)量是測(cè)量全光譜電磁輻射的一門(mén)科學(xué)。它的定義編入國(guó)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(cè)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(zhǎng)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(jué)的研究依賴(lài)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(jiàn)的，但UV和IR輻射多數(shù)情況下是不可見(jiàn)的）,。

光度測(cè)量是基于平均人眼觀察響應(yīng)的,、測(cè)量可見(jiàn)光的科學(xué)。在光度測(cè)量中,，使用的可見(jiàn)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(jué)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(jué)模型，該模型具有測(cè)量視場(chǎng)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(zhǎng)增量（nm）,。

如式所示,，可以用匹配明視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)V(λ)的濾光器/探測(cè)器組合在可見(jiàn)光范圍內(nèi)進(jìn)行光測(cè)量并得到光測(cè)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(cè)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(cè)量值,。根據(jù)類(lèi)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(yǔ)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(cè)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,?？驳吕x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(kāi)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(cè)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(cè)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(chēng)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(cè)量物體表面單位面積所入射的光通量的術(shù)語(yǔ),，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(cè)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(yǔ)）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(cè)量距離可忽略時(shí),，該發(fā)光強(qiáng)度才可被測(cè)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(yǔ)和單位

3.2色度學(xué)

三刺激值中的Y是*一可以與光度量相關(guān)聯(lián)的值，見(jiàn)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(méi)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(méi)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(méi)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(cè)量定義的函數(shù)V(l),。

多年來(lái)，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(jué)差異近似相同,。這些色彩空間被稱(chēng)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(wú)關(guān),。色坐標(biāo)值被*定為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让枋鲋校?em>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(jiàn)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(kāi),。光譜軌跡以50nm的波長(zhǎng)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(wú)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*有的色彩空間,。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(kāi)的普朗克軌跡,。光譜軌跡以50nm的波長(zhǎng)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

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(lèi)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(chéng)然,，CIE LAB空間最近已經(jīng)被一些顯示技術(shù)專(zhuān)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(guò)的CIE空間，且因?yàn)樗谋憷院蜌v史先例而具有吸引力,。本書(shū)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(lái)測(cè)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(guò)0.01就沒(méi)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(jué)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(jué)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(jué),，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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》一書(shū)。
參考文獻(xiàn)
[1] 科學(xué)網(wǎng)—什么是光 - 王宏琳的博文
[2] 國(guó)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(cè)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 ,，在某企業(yè)工作了8年，長(zhǎng)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(cè)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(cè)量》兩本書(shū)籍,。