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光色測量原理

在討論這個問題之前，我們需要弄明白幾個問題：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”。總之，這種奇奇怪怪的解釋都是古人對光的本質(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。可見光的顏色被我們劃分為紅橙黃綠青藍紫七種顏色，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)光線到達眼睛的視網(wǎng)膜時，視錐細胞和視桿細胞對于理解視覺和光線至關(guān)重要。一旦光線照射到眼睛，眼睛的晶狀體就會把光線聚焦到那些對光敏感的細胞、視桿細胞和視錐細胞上，每個細胞都會接收不同波長的能量。視桿細胞在昏暗的光線下工作得最好，而視錐細胞則專門用于特定的顏色范圍。

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

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

S-視錐細胞占整個視錐細胞的2-7%，也被稱為藍色視錐細胞，它們對藍色光（波長較短）敏感。

視桿細胞在弱光下工作，幫助我們在夜間觀察光線，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，確定出影響人眼感受信息的指標。在這些眾多的指標中，關(guān)鍵的指標是亮度、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點為參考，單位立體角定義為半徑為1的球體所對的單位面積。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標準觀察者函數(shù)加權(quán)的輻射通量，且可以由式（B-1）計算。
Φ=k360830S(λ)V(λ)d       （1）                                     

式中，為絕對光譜輻射通量（W/nm）；V(λ)為明視覺光譜光視效率函數(shù)，它基于CIE 1931標準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)進行光測量并得到光測量值。這是亮度計和照度計的基本原理。也可以使用分光輻射亮度計測量光譜輻射通量，并對光譜輻射通量和V(λ)進行積分，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個術(shù)語分別為亮度、照度和發(fā)光強度。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)光強度，這個定義現(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)光強度，該方向上的輻射強度為（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的球的球心對應(yīng)球面上r²的面積所張開的立體角。因為球的表面積為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物體有多么明亮?xí)r，就需要測量物體的發(fā)光強度。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)在它被認為不合適，nit是一個棄用的單位）。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表面時，如照亮投影屏幕時，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)光強度（或“燭光量”，這是已廢棄術(shù)語）是點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度的量。由于運用了點光源假設(shè)，因此，只有當(dāng)光源尺寸相對于測量距離可忽略時，該發(fā)光強度才可被測量與使用。LED通常被假設(shè)為點光源，且可以使用發(fā)光強度描述。發(fā)光強度的單位是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。

對于基于白色點的歸一化三刺激值（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標準化了一些源于CIE 1931的色彩空間，但在色彩空間中的不同位置，距離相同的兩個點所表達的知覺差異近似相同。這些色彩空間被稱為均勻色彩空間，對評估色域和色度誤差的大小特別有用。

下面是用于評價顯示屏的各種CIE色彩空間的總結(jié)。

CIE 1931（x,y）色坐標值。這些值是從X、Y、Z三刺激值推導(dǎo)出的二維笛卡兒坐標系的值，按照這樣計算，相對光譜相同而強度不同的光具有相同的（x, y）坐標值。因此，色度值表示光的色度特性，與強度無關(guān)。色坐標值被指*為x、y、z，它們是三刺激值X、Y和Z相對于三者總和的比例。
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)光強度、亮度等。因為在色度描述中，z是多余的，為了更好地繪制二維(x, y)坐標，通常取消z。

在CIE1931標準色度系統(tǒng)（見圖5）中，在光譜軌跡內(nèi)繪制的曲線為普朗克軌跡，曲線上的點達數(shù)千開。光譜軌跡以50nm的波長增量進行標記。這是當(dāng)一個（理想的）發(fā)射器的溫度升高到一個無限的溫度時的白色的顏色。這個觀察產(chǎn)生了色溫的概念，其是表示白色“等級”的一種方法。

CIE1960——均勻色彩空間。一個幾乎均勻的色彩空間，它的缺點是只有兩個維度。這個空間由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'有時被用作想要忽略強度變化時的顏色漂移量。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的波長增量進行標記。

圖5　CIE1931標準色度系統(tǒng)                  圖6　CIE1976標準色度系統(tǒng)

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

CIE 1976 LAB——目前標準化的三維均勻色彩空間。該空間中隱含了一個人眼的非線性模型，并且也是對光（特別是D65或顯示白點）的色度適應(yīng)模型，由如下所示的下標為“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色彩空間同時被采用，而后被CIE保留為同等的推薦標準。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：CIE LUV有一個特*的色度空間（坐標為u^*/L^*、v^*/L^*），其中兩束光的任意混合都會顯示在空間中這兩束光之間的線段上。這使得對諸如自發(fā)光類顯示屏中的色彩組成的描繪更加便捷，而CIE LAB并不具有這個特點。誠然，CIE LAB空間最近已經(jīng)被一些顯示技術(shù)專家選擇，因為相比于較小的顏色差異，其更接近均勻。然而，CIE LUV仍然是一個被證明過的CIE空間，且因為它的便利性和歷史先例而具有吸引力。本書并不認為CIE LUV比CIE LAB或其他色差公式更好，但在示例計算中使用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(u, v)偏離普朗克軌跡曲線上的點表示這個距離，也經(jīng)常用另一個單位量化從給定光線的色坐標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，為條件不太嚴格的情況下(u, v)中的最小可察覺的差異。這個數(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(u',v')與普朗克軌跡曲線上點的距離。如果顏色有差異，如在一個房間內(nèi)的不同位置、不同屏幕上顯示顏色，那么兩個點之間的色坐標(u', v')差異不小于0.04，這個差異能夠被察覺，而0.04是閾值距離，指同一屏幕上、相鄰的兩個顏色區(qū)域的色坐標在CIE 1976均勻色彩空間中的距離。

詳細內(nèi)容請參閱《信息顯示測量標準》一書。
參考文獻
[1] 科學(xué)網(wǎng)—什么是光 - 王宏琳的博文
[2] 國際顯示計量委員會著，李偉、李子君、高彬等譯，信息顯示測量標準[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，參與了十多個型號的加固顯示屏的研發(fā)。同時，在機載加固顯示的光電測量方面也有著豐富的經(jīng)驗。翻譯并出版了《OLED顯示概論》和《信息顯示測量》兩本書籍。