光、色、LED

光学、颜色、LED 袁 奇 yuan@aovt.com 目 录  光的语言-- The basis of photometry  通过颜色感知世界--Colorimetry  LED检测基础--Measurement of LED Part 1 光度学基础 安姆特检测华东技术研发中心 http://www.aovt.com 光是什么？ 黑夜给了我一双黑色的眼睛，我却用他来寻找光明！ 人类要看见物体，就必须要有光。光 提供了一个充满视觉信息的世界，只 有从物体反射出来的光到达我们的眼 睛，刺激视神经，我们才能看到周围 物体的形状和颜色。 光是人类眼睛可以看见的一种电磁波， 也称可见光谱。在科学上的定义，光 是指所有的电磁波谱。光是由光子为 基本粒子组成，具有粒子性与波动性， 称为波粒二象性。 光是什么？  单色光--monochrome：单一波长（或频率）的光，不能产生色散。  复色光--polychromatic light：由几种单色光合成的光叫做复色光。  白光--white light：由各种可见光波长成分构成的复色光。  谱线宽度--spectral line width：一般将强度下降到最大值一半时所对应的 波长范围称为谱线宽度，用dλ示，每条谱线的强度分布具有一定的波 长范围，范围越小，表示光的单色性越好。实际上不存在理想的单色光， 通常所谓的单色光指但谱线宽度dλ很小时的光。 光辐射是什么？ 光辐射（optical radiation）按照电磁波长及人眼的生理视觉分为紫外光辐射 （ultraviolet radiation）、可见光辐射（visible radiation）、红外光辐射 （infrared radiation）。 紫外光辐射（100-400nm） UVA：315-400nm，近紫外 UVB：280-315nm，中紫外 UVC：100-280nm，远紫外 可见光辐射 下限：360-400nm 上限：760-830nm 红外光辐射（780nm-1mm） IRA：780-1400nm，近红外 IRB：1400-3000nm，中红外 IRC：3000nm-1mm，远红外 光度学 光度学（photometry ）是1760年由朗伯建立的，且定义了光通量、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和光度学几个重要定律，如照度的 叠加性定律、距离平方比定律、照度的余弦定律等，这些定律一直没用至今，实践已证明是 正确的。 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。 光度学除了要定义一些物理量并确定相应的测量单位外，还要研究测量仪器的、制造和 测量方法。对各种光源进行光度的特性测量广泛应用于光学工业、照明工业、遥感遥测、色 度学和大气光学等领域。 光的测量是一门基本学科，也需要有广泛的基础知识。要进行光的测量，掌握光学方面的基本 常识和概念、术语是必要的，测量光是一项挑战，尤其是决定测量什么和如何测量。 立体角、球面度 立体角—stereoangle，是以锥的顶点为心，半径为r的球面被锥面所截得的面积来度量的， 度量单位称为“立体弧度”。和平面角的定义类似。在平面上我们定义一段弧微分S与其矢量 半径r的比值为其对应的圆心角记作dθ=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2π；与此类似， 定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角记作 dΩ=ds/r2；由此可得，闭合球面的立体角都是4π。 球面度—steradian，是立体角的 国际单位 。它 可算是三维的 弧度 。其英文字（sr）是希腊语 立体（stereos）和弧度（radian）的混合。 辐射测定 辐射测定（radiometry）是测量电磁辐射的科学，此测量所涵盖的光谱基于物理常数层面。 我们所关心的辐射特性是辐射功率和它在空间及角度的分布，四个基本概念为：  辐射通量--radiant flux  辐射强度--radiation intensity  辐射照度--irradiance  辐射亮度--radiance Φe =∫ Φeλ(λ)dλ 辐射通量（Φe）：单位时间内通过 某一面积元 ds 的各种波长辐射的辐 射能量，也可理解为通过某特定区 域或某立体角辐射能量的速率。辐 射通量的SI单位为瓦特（watt，W）。 辐射测定 光谱分布--spectral distribution：不同波长的单色光辐射通量在总辐射 通量中的能量分布不同，单色光辐射通量与波长的函数关系称为光谱 分布函数--Φeλ（λ）。 单色光辐射通量--monochrome radiant flux （Φeλ） ：从物体表面单位面 元辐射出在波长间隔dλ(λ, λ+dλ)内的辐射功率称为波长λ的单色光辐射 通量。SI单位为W·m-1 。 Φeλ=d Φe/dλ Φe =∫ Φeλ(λ)dλ 辐射测定 辐射强度（Ie）：点辐射源或元量辐射在单 位时间内在给定方向上单位立体角内辐射 出的能量。在特定方向上的辐射强度是整 个源在该方向上所发出的所有辐射线的功 率总和（例如每立体角的功率）。 SI单位 为瓦特/球面度（W/sr）。 Ie =d Φe/dΩ 一个置于各向同性均质介质中的点辐射源向 所有方向发射的总辐射通量是Φe，则该点辐 射源在各个方向的辐射强度是一个常量，与 方向无关。 Ie =Φe/4π 辐射测定 辐射照度（Ee）：投射到单位接收 面积的辐射照量。 辐射照度是一个 从放射源向平面状物体照射时，每 单位面积所得到的放射束数量的物 理量。 SI单位是瓦特/平方米 (W/m2)。 辐射亮度（Le）：表示面辐射源上某 点在一定方向上的辐射强弱的物理量。 可理解为辐射源在单位投影面积内的 辐射强度。 辐射亮度的SI单位为（W/m2·sr）。 Ee =d Φe/dA Le =d Φe/（dΩ·dA·cosθ） 光谱辐射测定 光谱辐射测定：是对在电磁波谱中某段波长的光能测量。 光谱辐射亮度：特定光源的辐射亮度是一个定值，它是整个光谱段范 围内所有能量的总和，对于特定波长的能力值可用光谱辐射亮度来测 量。光谱辐射亮度的SI单位为（W/m2·sr··nm）。 光谱辐射照度：对照在单位面积上的特定波长的辐射通量的测定。 光谱辐射照度的SI单位为（W/m2·nm）。 光度测定 光度测定：电磁能量能以光的形式被人眼看见，所以光度测定是对电 磁能量在心理和物理特性上的测定。“明亮”这个形容光线的词汇， 定义了光度测定应根据人类的感知进行。 光度测定 1942年，国际照明委员会（CIE）定义出人眼的平均敏感度后，光度测 定成为一门新的科学，CIE测定了大量人类样本的亮适用数据，汇编成 CIE标准光度函数。 光度测定的值与辐射测定的值相对应，对应关系为CIE的标准光视效率 函数，可以把光视效率函数理解为接近人眼表现的一块滤镜的转换函数。 光度测定 光度测定包括四个概念：光通量、光强、照度、亮度 光通量-- luminous flux （ Φv）：指人 眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位 时间内某一波段的辐射能量和该波段的 相对视见率的乘积。由于人眼对不同波 长光的相对视见率不同，所以不同波长 光的辐射功率相等时，其光通量并不相 等。SI单位是流明（lm）。 Φv =∫ Φeλ(λ) · K(λ ) · dλ 光度测定 光强-- luminous intensity （Iv）：描述 点光源发光强弱的一个基本度量。以点 光源在指定方向上的立体角元内所发出 的光通量来度量。 SI单位是坎德拉 （cd）。1cd等于1流明每球面度，实际 应用时，1cd大致等于1烛光。 照度– Luminosity（Ev） ：从同一方向看，在给 定方向上的任何表面的每单位投影面积上的光照 强度，指物体被照亮的程度，采用单位面积所接 受的光通量来表示， SI单位为勒克斯(Lux,lx) ， 即 1m/m2 。 1 勒克斯等于 1 流明的光通量均匀分 布于 1m2 面积上的光照度。 Iv =d Φv/dΩ Ev =d Φv/dA 点光源：Ev = Iv ·cosθ/r2 光度测定 亮度– lightness（Lv）：亮度是 指发光体（反光体）表面发光 （反光）强弱的物理量。人眼从 一个方向观察光源，在这个方向 上的光强与人眼所“见到”的光 源面积之比，定义为该光源单位 的亮度，即单位投影面积上的发 光强度。亮度的单位是坎德拉/平 方米（cd/m2）或叫做尼特 （nit）。 亮度是人对光的强度的 感受，也可理解为单位面积上的 光强。 Lv =d Φv/（dΩ·dA·cosθ） 辐射度量和光度量 辐射度量 光度量 名称 符号 单位 名称 符号 单位 辐射通量 Φe W 光通量 Φv lm 辐射强度 Ie W/sr 光强 Iv lm/sr，cd 辐射照度 Ee W/m2 光照度 Ev 1m/m2，lx 辐射亮度 Le W/m2·sr 光亮度 Lv cd/m2，nit 光谱光视效率 某一光源的视亮度不仅取决于由它发出辐射的量，也与该光源的光谱组成 以及观测者的视觉相应函数有关。由于人的视觉在不同的光的等级和不同 观测者之间都存在差异，因此精确的光度测量需要有代表性的标准观测者 的定义。CIE物理光度系统规定了用于光线辐射定量评定的程序，此定量的 评定是根据两个标准观测者的光谱光视效率函数进行的，一个代表明亮环 境下的明视觉，一个代表黑暗环境下的暗视觉。这两个函数与国际单位制光 度测量基本单位坎德拉联合使用，构成了一个能精确确定所有类型发光光源 的光度量数值的系统，而该系统与发射辐射的光谱组成无关。 光谱光视效率 光谱光视效率-- luminous efficiency ：人眼的视觉神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样 的。对绿光最敏感，对红、蓝光灵敏度较低。另外，由于受生理和心里作用，不同的人对各种波 长光的感光灵敏度也有差异。CIE规定，不同波长的单色辐射通量之比为光谱光视效率，或称为 “视见函数”，用V(λ)表示明视觉视见函数（明亮环境），用V ′(λ)表示暗视觉视见函数（黑暗 环境）。 V(λ) = Φeλm/ Φeλ CIE标准光度观测者试验，确定： λ =λ m=555nm时， V(λ)=1； λ =λ m=506-508nm时， V ′(λ) =1； 光谱光视效率 光谱光视效能 光谱光视效能-- luminous efficacy ：描述某一波长的单色光辐射通量产生的光通量，即波长为λ的 单色光，其单色光通量Φvλ与单色光辐射通量Φeλ之比定义为光谱光视效能，用K(λ)表示明视觉光谱 光视效能，用K′(λ)表示暗视觉光谱光视效能。 SI单位为lm/W。 K(λ) = Φvλ/ Φeλ= Km · V(λ) 设Km 为最大光谱光视效能，即Km = K(555)， K ′m = K ′(507)， Km = K(555)/V(555) =683 lm/W； K ′m = K ′(507)/ V ′(507) = 1700 lm/W； Part 2 色度学基础 安姆特检测华东技术研发中心 http://www.aovt.com 认识颜色 颜色-- color：在日常生活中，人们习惯把颜色归属 于某一物体的本身，把它作为某一物体所具有的属 于自身的基本性质。比如人们所常讲的那是一块红 布，那是 一张白纸等等。但在实际上，人们在眼 中所看到的颜色，除了物体本身的光 谱反射特性 之外，主要和照明条件所造成的现象有关。如果一 个物体对于不同波长的可视光波具有相同的反射特 性，我们则称这个物体是白色的。而这 物体是白 色的结论是在全部可见光同时照射下得出的。同样 是这个物体，如 果只用单色光照射，那这个物体 的颜色就不再是白色的了。同样的道理，一 块红 布如果是我们在白天日光下得出的结论，那同样是 这块布在红光的照射 下，在人们眼中反映出的颜 色就不再是红色的而是白色的。 三原色 自然界中各种物体所表现出的不同色彩，都是由蓝色、绿色和红色光线按适当比例混合起 来即作用不同的吸收或反射而呈现在人们眼中的。所以，蓝色、绿色和红色就是组成各种 色彩的基本成分。因此我们把这三个感色单元称为三原色。 435.8Nm 波长约400～500 纳米的范围属蓝光范围； 546.1Nm 波长约500～600 纳米的范围属绿光范围； 700Nm 波长约600～700 纳米的范围属红光范围。 颜色三要素 任何色彩的显示，实际上都是色光 刺激人们的视觉神经而产生感觉，我 们把这种感觉称之为色觉。 色调、亮度和饱合度是色彩的三个特 征，也是色觉的三个属性，通常将 色调、色彩亮度和色饱合度称为“颜 色三要素”。 颜色三要素 色彩所具有的最显著特征就是色调，也称色相。它是指各种颜 色之间的 差别。从表面现象来讲，例如一束平行的白光透过 一个三棱镜时，这束白光 因折射而被分散成一条彩色的光带， 形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、 蓝、紫等颜色，就是不 同的色调。从物理光学的角度上来讲，各种色别是由 射入人眼 中光线的光谱成分所决定的，色调即色相的形成取决于该光谱 成分 的波长。 我们所讲的光是电磁波谱中的一小部分，波长范 围大约为400～700纳米，在这个范围内各种波长的光呈现出各 种不同的色彩。在自然界中所呈现 出的各种色彩大都是由不同 波长和强度的光波混合在一起而显示出来的，有 的则是某个单 一波长的固有特性色彩。 总之，色调就是指不同颜色之间质的 差别，是可见光谱中不同波长 的电磁波在视觉上的特有标志。 颜色三要素 亮度是指色彩的明暗程度。每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别，我 们知道，物体的各种颜色，必须在光线的照射下，才能显示出来。这是因为物体所呈现 的颜色，取决于物体表面对光线中各种色光的吸收和反射性能。前面提到的红布之所以 呈现红色，是由于它只反射红光，吸收了红光之外的其余色光。白色的纸之所以呈现白 光，是由于它将照射在它表面上的光的全部成分完全反射出来。如果物体表面将光线中 各色光等量的吸收或全部吸收，物体的表现将呈现出灰色或黑色。同一物体由于照射在 它表面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因此就产生了同一颜色的物体在不 同能量光线的照射下呈现出明暗的差别。 颜色三要素 饱和度是指构成颜色的纯度，它表示颜色中所含彩色成分的比例。彩色比例越大，该色 彩的饱和度越高，反之则饱和度越低。从实质上讲，饱和度的程度就是颜色与相同明度 有消色的相差程度，所包含消色成分越多，颜色越不饱和。色彩饱和度与被摄物体的表 面结构和光线照射情况有着直接的关系。 同一颜色的物体，表面光滑的物体比表面粗糙的物体饱和度大；强光下比阴暗的光线下 饱和度高。不同的色别在视觉上也有不同的饱和度，红色的饱和度最高，绿色的饱和度 最低，其余的颜色饱和度适中。 在照片中，高饱和度的色彩能使人产生强烈、艳丽亲切的感觉；饱和度低的色彩则易使 人感到淡雅中包含着丰富。 颜色三要素 色调、亮度和饱合度为颜色的三要素， 将此三个要素放在一起，可以组成一个 三维立体，色调形成该立体的外缘，亮 度作为中央主轴，而饱和度作为水平副 轴。一切颜色均分布于主体周围，形成 色立体。 RGB 色刺激 色刺激—color stimulus：能够引起颜色知觉 的可见光辐射通量称作色刺激，颜色刺激按 照波长的分布成为颜色刺激函数。 我们用C代表待配混合色光，用（R）、G）、 （B）代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的 基本量，称为参考色刺激；用R、G、B代表 需要的红、绿、蓝的数量，称为三刺激值， 可得出如下颜色方程。 C≡R（R）+ G（G）+ B（B） CIE-XYZ三刺激值 三刺激值--tristimulus values：三刺激值是引起人体视网膜对某种颜色感觉的三种原 色的刺激程度之量的表示。根据杨-亥姆霍兹的三原色理论，色的感觉是由于三种 原色光刺激的综合结果。在红、绿，蓝三原色系统中，红。绿、蓝的刺激量分别R、 G、B表示之。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，所以，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。 形成了XYZ测色系统。X原色相当于饱和度比光谱红还要高的红紫，Y原色相当于 饱和度比520毫微米的光谱绿还要高的绿，Z原色相当于饱和度比477毫微米的光谱 蓝还要高的蓝。这三种理论原色的刺激量以X，Y，Z表示之，即所谓的三刺激值。 CIE-XYZ三刺激值 在CIE-XYZ系统中，定义了假象标准观测者的颜色匹配函数 (λ)， (λ)， (λ)，并用 x (λ)、y (λ)、z (λ)表示色度坐标。 x y z CIE 1931 Yxy色度图 三刺激值XYZ对定义颜色十分有用，但 却不易目视其结果，为此CIE于1931年 规定了一种色度空间，用来在二维 图上描绘颜色，与亮度无关，即Yxy色 度空间；其中Y为亮度，xy为从三刺激 值XYZ计算得来的色坐标。 CIE xy色度空间非均匀性 颜色容量差：人眼感觉不出来的色彩差 别量（变化范围）称为颜色容量差。 D.L.Macadam在CIE-xy色度图上不同位 置选择25个中心色度点，通过每个中 心点划几条不同方向直线，通过配色试 验，计算出色差和颜色宽容量，描绘出 Macadam椭圆。 1、不同位置不同方向上，颜色容量差 不同，但人眼感觉不到色差； 2、椭圆大小不一样，x、y不均匀。 CIE 1976 UCS色度图 均匀色度等级的出现弥补了CIE 1931 Yxy系统的缺陷。它提供了一种在大致 相同亮度下，人的感知更统一、更均匀 的色空间。其坐标值u ′ ，v ′也是由 XYZ三刺激值计算得来。 L*a*b色度空间 L*a*b色度空间是1976年由国际照明学会 （CIE）推荐的均匀色空间。该空间是三 维直角坐标系统。是目前最受广用的测 色系统。以亮度L*和色度坐标a*、b*来 表示颜色在色空间中的位置。L*表示颜 色的亮度，a*正值表示偏红，负值表示 偏绿；b*正值表示偏黄，负值表示偏蓝。 色 差 色差：色立体上两个不同坐标的颜色间的距离 普朗克辐射轨迹 普朗克辐射体—Planckian raditaor：任何物体 都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。 辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就 是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身 的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。 为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律， 物理学家们定义了一种理想物体，即普朗克辐 射体，也称黑体。 普朗克辐轨迹—Planckian locus：在色度图中， 代表不同温度的普朗克辐射体辐射的色度的点形 成的轨迹。 色 温 色温--colour temperature：色温 的概念起源于物体被加热至不同 温度时，表现出相对应的不同颜 色。普朗克辐射体辐射的色度与 给定色刺激的色度相同时普朗克 辐射体的温度，即为该色刺激的 颜色温度，单位为开尔文（K）。 相关色温—correlated colour temperature：在相同的视亮度 和规定的观测条件下，普朗克辐 射体辐射的直觉色与给定色刺激 的直觉最接近相似时时普朗克 辐射体的温度，即为该色刺激的 颜色温度，单位为开尔文（K）。 Part 3 LED 测量简介 安姆特检测华东技术研发中心 http://www.aovt.com LED LED-- Light Emitting Diode，发光二极管：是一种固态的半导体器件，它可以直接 把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一 端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。利用固体半 导体芯片作为发光，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光 子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。 SSL- Solid State Lighting ，固态照明：是一种全新的照明技术，利用半导体芯片作 为发光材料，直接将电能转换为光能，它与白炽灯的钨丝发光和节能灯的三基色粉 发光不同，半导体发光二极管（LED）采用电场发光，光电转换效率比较高。其它 如OLED，AMOLED。 LED测量相关标准 LED测量相关标准 LED测量相关标准 Thank you ！ 安姆特检测机构 http://www.aovt.com