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      光的知識

      基本概念

      發布日期:2014-07-08 點擊:6247

      2.1 輻射測定
      輻射測定是測量電磁輻射的科學, 此測量所涵蓋的光譜是基于物理常數層面上的。

      我們所關心的輻射特性是輻射功率和它在空間及角度的分布。
      四個基本概念為:

      輻射通量
      輻射強度
      輻射亮度
      輻射照度
      2.1.1 輻射通量

      這是源發射或者表面接收的發射功率。 也可被定義為通過某特定區域或某立體角輻射能量的速率。

      輻射通量的國際單位是瓦特(Watt)。


      2.1.2 輻射強度

      它被定義為從源發出的某角度內的輻射密度。在特定方向上的輻射強度是整個源在那個方向上(呈錐體狀)所發出的所有輻射線的功率總和(例如每立體角的功率)。

      輻射強度的國際單位是瓦特/球面度(Watt/sr)。


      2.1.3 輻射照度

      這是對照在某物體表面的輻射通量的測量(例如單位面積上的輻射通量)。

      輻射照度的國際單位是瓦特/平方米(Watt/m2)。


      2.1.4 輻射亮度

      這是指輻射源的單位投影面積內的輻射強度。

      輻射亮度的國際單位是瓦特/平方米·球面度(Watt/m2·sr)


      光譜輻射測定是對在電磁波譜中某段波長的光能測量。 它能測量整個光譜段或是特定帶寬的波長。

      2.2.1 光譜輻射亮度
      特定光源的輻射亮度是一個定值,它是整個光譜段范圍內的所有能量總和。 對于特定波長的能量值可用光譜發射亮度來測量


      光譜輻射亮度的國際單位是瓦特/平方米·球面度·納米(Watt/m2·sr ·nm)。

      2.2.2 光譜輻射照度
      這是對照在單位面積上的特定波長的輻射通量的測定。

      光譜輻射照度的國際單位是瓦特/平方米·納米(Watt/m2·nm)。
      2.3 光度測定

      電磁能量能以光的形式被人眼看見,所以光度測定是對電磁能量在心理與物理特性上的測定。 “亮度”這個形容光線的詞匯

      的使用,定義了光度測定應根據人類的感知而進行。

      當1942年,國際照明委員會(CIE)定義了人眼的平均敏感度后,光度測量就成了一門新興學科。 CIE測定了大量人類樣本的

      亮適應數據,然后匯編進CIE標準光度函數。

      光度測定的值與輻射測定的值相對應,對應關系為CIE的標準光視效率函數。 我們可以把光視效率函數想像成接近人眼表現的

      一塊濾鏡的轉換函數(見圖2.3b)。

      光度測定包括四個概念,稱為光通量、光強、照度、亮度。

      2.3.1 光通量

      光源以電磁波的形式輻射能量。 我們用通量來形容光能,光通量是對光源發射或是表面接收光能流量的測定。 通過估算與標準眼睛相對應的光度效率的輻射,從輻射通量得到光通量的數值(CIE標準光視效率函數,Vλ)。

      單位是流明(lm).
      lm = 683 x W (Watt) x V λ

      2.3.2 光強

      這個描述了光源在某方向上的強度, 定義為發射到單位立體角內的光通量值。

      單位是坎德拉(cd)。
      1 cd=1流明每球面度 (實際應用時,一坎德拉大致等于一燭光。)

      2.3.3 照度

      這是對照在表面上的光通量的測定, 表述為流明每單位面積。

      單位是勒克斯(Ix)
      1 Ix=1流明每平方米(Im/m2)
      英制單位是尺燭光。
      1 尺燭光=1流明每平方英尺(Im/ft2)

      2.3.4 亮度

      也稱為光亮度。亮度是對發射自或反射自某一投影平面的通量的設定。 也可被想象為單位面積上的光強。

      單位是坎德拉每平方米(cd/m2),或者叫做尼特(nit)。
      英制單位是尺朗伯(fl)。
      1 fl=3.426坎德拉每平方米

      2.4.1 色彩
      色彩是光的一種特性,決定光的光譜成份和人眼的交互作用。 因此,色彩是一種與心理緊密聯系的物理現象,對于色彩的感知是主觀的。

      2.4.2 色彩感知
      眼睛工作的時候象一架照相機,晶狀體在視網膜上形成景物的圖象。
      在視網膜上有兩種感光細胞,分別為視桿和視錐細胞。 視錐細胞可分為三類,每類細胞感知特定的光譜段,其中最敏感的是紅、綠、藍波段。 這三類細胞的相互作用形成的刺激,被大腦解釋為色彩。 這種被普遍接受的視覺色彩理論稱作三原色理論。

      2.4.3 色彩的混合
      伊薩克·牛頓通過棱鏡將白光折射為光譜色彩帶,首次證實并解釋了白光的組成。 如果彩色光線增加了,意味著不同的光譜成分也增加了。 這種增加的色彩在大腦中的影響可以是可視光譜中的任何色彩,例如,黃色;也可以是非光譜色(光譜色的混合物),例如,紫色。 彩色光線的增加引起色彩的增加,這稱為加色法。 人們發現,眼睛對色彩的感覺,是三種視錐細胞共同作用的產物。

      一般物體的色彩取決顏料。 顏料通過減去入射光的部分光譜來呈現出另一種色彩, 剩余的光線反射后進入眼睛,人就感覺到了物體的色彩。

      混合顏料來制造色從的方法可以概括為減色法(見圖2.4.3b),每種顏料都在入射光譜內吸收特定的光譜成份,反射剩余的光譜。 下面是一些例子(入射光線為白光):

      2.4.4 光源色彩的描述
      過去,人們發明了很多方法來度量色彩,以使得色彩的交流變得簡單和準確。 這些方法嘗試著將色彩數字化,就如同表述長度和重量一樣。

      光源色彩的描述和測量可以分為三種主要的色度測定方法。
      三種方法:

      三刺激值色度測定
      色溫
      光譜輻射測定
      2.4.4.1 三刺激值色度測定

      三刺激值色度測定是基于人眼對色彩感應的三原色理論。這種理論認為人的眼睛只對三原色(紅、綠、藍)敏感,而其他所見到的色彩均為三原色混合而成。 這方面,重要的標準1931 CIE系統,它定義了符合配色函數x(λ), y(λ), 和 z(λ) 的標準觀察者(見圖2.4.4.1)。 XYZ三刺激值是利用這三個標準觀察者配色函數計算得來的。 XYZ三刺激值和相關聯的Yxy色空間構成了當前的CIE色空間的基礎。
      2.4.4.1 三刺激值色度測定
      2.4.4.1.1 CIE 1931 Yxy色度圖

      XYZ三刺激值對定義一種顏色是非常有用的,但結果卻不是很容易理解。 因此,1931年,CIE在兩維方向上定義了一個獨立于亮度的色空間,這就是Yxy色空間。Yxy色空間中,Y表示亮度,x和y是從三刺激值XYZ中計算出的色度值。計算公式如下:

       1931系統的缺點是圖表上相等的距離,不表示相同的色彩感知差別,因為人眼的感知是非線性的。
      2.4.4.1 三刺激值色度測定
      2.4.4.1.2 CIE 1976 UCS色度圖

      均勻色度等級(Uniform Chromaticity Scale)的出現彌補了1931系統的缺點。 它嘗試提供一種在大致相同的亮度下,人的感知更統一、更均勻的色空間。 1976 CIE UCS色度圖使用u’和v’, 這兩個符號的使用,是為了與相類似但存在時間短暫的1960 CIE-USC系統的u、v符號相區別。 u’和v’的值也是從XYZ三刺激值計算得到的,計算公式如下:

      2.4.4.1 三刺激值色度測定
      2.4.4.1.3 亥姆霍茲坐標

      在CIE系統中,另一種可選的坐標系統是特征波長和純度(也稱為亥姆霍茲坐標),它們與色調和飽和度密切相關。 色彩的特征波長(DW)也是光譜的波長,它的色度值落在樣品點(S)和白點(N)的連線上(測量光源時,白點是x=0.333,y=0.333)。 純度,也稱為激發初度,計算公式為白點(N)和樣品點(S)距離除以白點(N)和光譜點(DW)之間的距離。

      純度=(N-S)/(N-DW)

      上述方法只適用于出現在光譜中的色彩, 對于非光譜色彩,即由光譜色混合而成的色彩,且落在N、R和B組成的三角形內的色彩,要適用到補充主波長(CDW), 這是因為被設想為特征波長的截點P沒有相對應的波長, 為了確定補充主波長(CDW),要反向延長N到P的連線
      。 非光譜色彩的純度計算公式為:

      純度=(N-S’)/(N-P)

      特征波長和純度通常用于LED的色彩規格中。

      2.4.4.1 三刺激值色度測定
      2.4.4.1.3 亥姆霍茲坐標

      在CIE系統中,另一種可選的坐標系統是特征波長和純度(也稱為亥姆霍茲坐標),它們與色調和飽和度密切相關。 色彩的特征波長(DW)也是光譜的波長,它的色度值落在樣品點(S)和白點(N)的連線上(測量光源時,白點是x=0.333,y=0.333)。 純度,也稱為激發初度,計算公式為白點(N)和樣品點(S)距離除以白點(N)和光譜點(DW)之間的距離。

      純度=(N-S)/(N-DW)

      上述方法只適用于出現在光譜中的色彩, 對于非光譜色彩,即由光譜色混合而成的色彩,且落在N、R和B組成的三角形內的色彩,要適用到補充主波長(CDW), 這是因為被設想為特征波長的截點P沒有相對應的波長, 為了確定補充主波長(CDW),要反向延長N到P的連線
      。 非光譜色彩的純度計算公式為:

      純度=(N-S’)/(N-P)

      特征波長和純度通常用于LED的色彩規格中。

      2.4.4.2 色溫

      色溫的概念是起源于物體被加熱至不同溫度時,它會表現出相對應的不同顏色,這樣,顏色和溫度之間就有了一種聯系。 當溫度升高時,物體的輻射會改變,導致了顏色的變化。 某類特殊的遇熱發光物體,當被加熱時,它會以100%的效率輻射的效率輻射,

      科學家將這類理想的完全輻射稱作黑體輻射,這種輻射體稱為黑體。 理想黑體輻射的顏色根據特定的溫度而已,色相的范圍可在CIE色度圖上顯示為一條曲線,這條線稱作黑體輻射軌跡(或叫普朗克軌跡)。 當溫度上升時,顏色會從深紅色轉為橙色、黃色、白色直至的略帶藍色的白色。 大多數的自然光源,例如太陽光、星光、和火的色彩溫度特性,都非常接近普朗克軌跡。

      當一個完全輻射體處在特定溫度下時,某些光源的色彩與它的色彩相對應, 對于某些特定的應用,引入色溫的概念來對這樣一類光源進行區分是非常方便的(測量單位為開爾文), 色溫曲線經過1,500K至10,000K。 如果被測量的光源和一個黑體相類似,測量結果就會非常精確。 因此,這條軌跡在對白色分類時非常有用, 在燈及顯示設備制造領域的應用也很廣泛。

      2.4.4.2 色溫
      2.4.4.2.1 相關色溫

      當光源的特性與完全輻射體的特性完全吻合時,色溫的概念是非常適用的。
      當光源發出的光接近但不吻合于黑體輻射時,色溫的概念就需要被延伸出去,這時如果要來描述這樣一類光源發射的光, 就要用相關色溫(CCT)的概念。 黑體輻射的色溫與這樣一類光源發射光的色溫是相接近的, 相關色溫是由光源色彩所在點的等溫線計算所得的。 等溫線是一些直線,同一線上各點的顏色看起來是相似的,而△uv表示該顏色與黑體軌跡上同色溫點的色差, 比較大的色差大小△uv為±0.02。

      CCT對于具有窄帶光譜輻射軌跡特性的光源是不適用的,因為它們與黑體輻射軌跡不接近(例如LED)。

      2.4 色度測定
      2.4.4.3 光譜輻射測定
      許多光譜能量分布曲線不同的光源,能夠產生出相同的視覺效果,相同的色彩; 也就是說,光源的色彩并不能告訴人們,它的光譜能量分布是怎么樣的。 通常情況下,兩種不同的光源,即使有相同的xy值,或者是相同的色溫,它們的光譜能量分布也可能是不一樣的。 因此,了解光譜能量分布, 能使我們更精確、更容易地了解顏色、描述顏色。 (參見圖2.4.4.3 幾種常見CIE光源的光譜能量分布曲線)

      因此,光譜輻射測定方法是目前精確,也是最完整的描述色彩的方法。 光譜能量分布曲線可以用來作簡單的目測分析,也可以和另一種光源的曲線數據作比較。 然而,更好的應用是將光譜數據和CIE的配色函數曲線一起作積分,得到CIE三刺激值。 然后將三刺激值通過公式轉換,計算得出各種CIE色度坐標和亮度值,也就是我們通常所接觸到的色空間。
      標準光源D65: 正常日光(包含紫外線波長區)相關色溫為6504K
      標準光源C: 正常日光(不包含紫外線波長區)相關色溫為6774K標準光源A: 相關色溫為2856K的白熾燈光

       

       


       

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