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光的知识

基本概念

发布日期:2014-07-08 点击:6247

2.1 辐射测定
辐射测定是测量电磁辐射的科学, 此测量所涵盖的光谱是基于物理常数层面上的。

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
辐射强度
辐射亮度
辐射照度
2.1.1 辐射通量

这是源发射或者表面接收的发射功率。 也可被定义为通过某特定区域或某立体角辐射能量的速率。

辐射通量的国际单位是瓦特(Watt)。


2.1.2 辐射强度

它被定义为从源发出的某角度内的辐射密度。在特定方向上的辐射强度是整个源在那个方向上(呈锥体状)所发出的所有辐射线的功率总和(例如每立体角的功率)。

辐射强度的国际单位是瓦特/球面度(Watt/sr)。


2.1.3 辐射照度

这是对照在某物体表面的辐射通量的测量(例如单位面积上的辐射通量)。

辐射照度的国际单位是瓦特/平方米(Watt/m2)。


2.1.4 辐射亮度

这是指辐射源的单位投影面积内的辐射强度。

辐射亮度的国际单位是瓦特/平方米·球面度(Watt/m2·sr)


光谱辐射测定是对在电磁波谱中某段波长的光能测量。 它能测量整个光谱段或是特定带宽的波长。

2.2.1 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的所有能量总和。 对于特定波长的能量值可用光谱发射亮度来测量


光谱辐射亮度的国际单位是瓦特/平方米·球面度·纳米(Watt/m2·sr ·nm)。

2.2.2 光谱辐射照度
这是对照在单位面积上的特定波长的辐射通量的测定。

光谱辐射照度的国际单位是瓦特/平方米·纳米(Watt/m2·nm)。
2.3 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与物理特性上的测定。 “亮度”这个形容光线的词汇

的使用,定义了光度测定应根据人类的感知而进行。

当1942年,国际照明委员会(CIE)定义了人眼的平均敏感度后,光度测量就成了一门新兴学科。 CIE测定了大量人类样本的

亮适应数据,然后汇编进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。 我们可以把光视效率函数想像成接近人眼表现的

一块滤镜的转换函数(见图2.3b)。

光度测定包括四个概念,称为光通量、光强、照度、亮度。

2.3.1 光通量

光源以电磁波的形式辐射能量。 我们用通量来形容光能,光通量是对光源发射或是表面接收光能流量的测定。 通过估算与标准眼睛相对应的光度效率的辐射,从辐射通量得到光通量的数值(CIE标准光视效率函数,Vλ)。

单位是流明(lm).
lm = 683 x W (Watt) x V λ

2.3.2 光强

这个描述了光源在某方向上的强度, 定义为发射到单位立体角内的光通量值。

单位是坎德拉(cd)。
1 cd=1流明每球面度 (实际应用时,一坎德拉大致等于一烛光。)

2.3.3 照度

这是对照在表面上的光通量的测定, 表述为流明每单位面积。

单位是勒克斯(Ix)
1 Ix=1流明每平方米(Im/m2)
英制单位是尺烛光。
1 尺烛光=1流明每平方英尺(Im/ft2)

2.3.4 亮度

也称为光亮度。亮度是对发射自或反射自某一投影平面的通量的设定。 也可被想象为单位面积上的光强。

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

2.4.1 色彩
色彩是光的一种特性,决定光的光谱成份和人眼的交互作用。 因此,色彩是一种与心理紧密联系的物理现象,对于色彩的感知是主观的。

2.4.2 色彩感知
眼睛工作的时候象一架照相机,晶状体在视网膜上形成景物的图象。
在视网膜上有两种感光细胞,分别为视杆和视锥细胞。 视锥细胞可分为三类,每类细胞感知特定的光谱段,其中最敏感的是红、绿、蓝波段。 这三类细胞的相互作用形成的刺激,被大脑解释为色彩。 这种被普遍接受的视觉色彩理论称作三原色理论。

2.4.3 色彩的混合
伊萨克·牛顿通过棱镜将白光折射为光谱色彩带,首次证实并解释了白光的组成。 如果彩色光线增加了,意味着不同的光谱成分也增加了。 这种增加的色彩在大脑中的影响可以是可视光谱中的任何色彩,例如,黄色;也可以是非光谱色(光谱色的混合物),例如,紫色。 彩色光线的增加引起色彩的增加,这称为加色法。 人们发现,眼睛对色彩的感觉,是三种视锥细胞共同作用的产物。

一般物体的色彩取决颜料。 颜料通过减去入射光的部分光谱来呈现出另一种色彩, 剩余的光线反射后进入眼睛,人就感觉到了物体的色彩。

混合颜料来制造色从的方法可以概括为减色法(见图2.4.3b),每种颜料都在入射光谱内吸收特定的光谱成份,反射剩余的光谱。 下面是一些例子(入射光线为白光):

2.4.4 光源色彩的描述
过去,人们发明了很多方法来度量色彩,以使得色彩的交流变得简单和准确。 这些方法尝试着将色彩数字化,就如同表述长度和重量一样。

光源色彩的描述和测量可以分为三种主要的色度测定方法。
三种方法:

三刺激值色度测定
色温
光谱辐射测定
2.4.4.1 三刺激值色度测定

三刺激值色度测定是基于人眼对色彩感应的三原色理论。这种理论认为人的眼睛只对三原色(红、绿、蓝)敏感,而其他所见到的色彩均为三原色混合而成。 这方面,重要的标准1931 CIE系统,它定义了符合配色函数x(λ), y(λ), 和 z(λ) 的标准观察者(见图2.4.4.1)。 XYZ三刺激值是利用这三个标准观察者配色函数计算得来的。 XYZ三刺激值和相关联的Yxy色空间构成了当前的CIE色空间的基础。
2.4.4.1 三刺激值色度测定
2.4.4.1.1 CIE 1931 Yxy色度图

XYZ三刺激值对定义一种颜色是非常有用的,但结果却不是很容易理解。 因此,1931年,CIE在两维方向上定义了一个独立于亮度的色空间,这就是Yxy色空间。Yxy色空间中,Y表示亮度,x和y是从三刺激值XYZ中计算出的色度值。计算公式如下:

 1931系统的缺点是图表上相等的距离,不表示相同的色彩感知差别,因为人眼的感知是非线性的。
2.4.4.1 三刺激值色度测定
2.4.4.1.2 CIE 1976 UCS色度图

均匀色度等级(Uniform Chromaticity Scale)的出现弥补了1931系统的缺点。 它尝试提供一种在大致相同的亮度下,人的感知更统一、更均匀的色空间。 1976 CIE UCS色度图使用u’和v’, 这两个符号的使用,是为了与相类似但存在时间短暂的1960 CIE-USC系统的u、v符号相区别。 u’和v’的值也是从XYZ三刺激值计算得到的,计算公式如下:

2.4.4.1 三刺激值色度测定
2.4.4.1.3 亥姆霍兹坐标

在CIE系统中,另一种可选的坐标系统是特征波长和纯度(也称为亥姆霍兹坐标),它们与色调和饱和度密切相关。 色彩的特征波长(DW)也是光谱的波长,它的色度值落在样品点(S)和白点(N)的连线上(测量光源时,白点是x=0.333,y=0.333)。 纯度,也称为激发初度,计算公式为白点(N)和样品点(S)距离除以白点(N)和光谱点(DW)之间的距离。

纯度=(N-S)/(N-DW)

上述方法只适用于出现在光谱中的色彩, 对于非光谱色彩,即由光谱色混合而成的色彩,且落在N、R和B组成的三角形内的色彩,要适用到补充主波长(CDW), 这是因为被设想为特征波长的截点P没有相对应的波长, 为了确定补充主波长(CDW),要反向延长N到P的连线
。 非光谱色彩的纯度计算公式为:

纯度=(N-S’)/(N-P)

特征波长和纯度通常用于LED的色彩规格中。

2.4.4.1 三刺激值色度测定
2.4.4.1.3 亥姆霍兹坐标

在CIE系统中,另一种可选的坐标系统是特征波长和纯度(也称为亥姆霍兹坐标),它们与色调和饱和度密切相关。 色彩的特征波长(DW)也是光谱的波长,它的色度值落在样品点(S)和白点(N)的连线上(测量光源时,白点是x=0.333,y=0.333)。 纯度,也称为激发初度,计算公式为白点(N)和样品点(S)距离除以白点(N)和光谱点(DW)之间的距离。

纯度=(N-S)/(N-DW)

上述方法只适用于出现在光谱中的色彩, 对于非光谱色彩,即由光谱色混合而成的色彩,且落在N、R和B组成的三角形内的色彩,要适用到补充主波长(CDW), 这是因为被设想为特征波长的截点P没有相对应的波长, 为了确定补充主波长(CDW),要反向延长N到P的连线
。 非光谱色彩的纯度计算公式为:

纯度=(N-S’)/(N-P)

特征波长和纯度通常用于LED的色彩规格中。

2.4.4.2 色温

色温的概念是起源于物体被加热至不同温度时,它会表现出相对应的不同颜色,这样,颜色和温度之间就有了一种联系。 当温度升高时,物体的辐射会改变,导致了颜色的变化。 某类特殊的遇热发光物体,当被加热时,它会以100%的效率辐射的效率辐射,

科学家将这类理想的完全辐射称作黑体辐射,这种辐射体称为黑体。 理想黑体辐射的颜色根据特定的温度而已,色相的范围可在CIE色度图上显示为一条曲线,这条线称作黑体辐射轨迹(或叫普朗克轨迹)。 当温度上升时,颜色会从深红色转为橙色、黄色、白色直至的略带蓝色的白色。 大多数的自然光源,例如太阳光、星光、和火的色彩温度特性,都非常接近普朗克轨迹。

当一个完全辐射体处在特定温度下时,某些光源的色彩与它的色彩相对应, 对于某些特定的应用,引入色温的概念来对这样一类光源进行区分是非常方便的(测量单位为开尔文), 色温曲线经过1,500K至10,000K。 如果被测量的光源和一个黑体相类似,测量结果就会非常精确。 因此,这条轨迹在对白色分类时非常有用, 在灯及显示设备制造领域的应用也很广泛。

2.4.4.2 色温
2.4.4.2.1 相关色温

当光源的特性与完全辐射体的特性完全吻合时,色温的概念是非常适用的。
当光源发出的光接近但不吻合于黑体辐射时,色温的概念就需要被延伸出去,这时如果要来描述这样一类光源发射的光, 就要用相关色温(CCT)的概念。 黑体辐射的色温与这样一类光源发射光的色温是相接近的, 相关色温是由光源色彩所在点的等温线计算所得的。 等温线是一些直线,同一线上各点的颜色看起来是相似的,而△uv表示该颜色与黑体轨迹上同色温点的色差, 比较大的色差大小△uv为±0.02。

CCT对于具有窄带光谱辐射轨迹特性的光源是不适用的,因为它们与黑体辐射轨迹不接近(例如LED)。

2.4 色度测定
2.4.4.3 光谱辐射测定
许多光谱能量分布曲线不同的光源,能够产生出相同的视觉效果,相同的色彩; 也就是说,光源的色彩并不能告诉人们,它的光谱能量分布是怎么样的。 通常情况下,两种不同的光源,即使有相同的xy值,或者是相同的色温,它们的光谱能量分布也可能是不一样的。 因此,了解光谱能量分布, 能使我们更精确、更容易地了解颜色、描述颜色。 (参见图2.4.4.3 几种常见CIE光源的光谱能量分布曲线)

因此,光谱辐射测定方法是目前精确,也是最完整的描述色彩的方法。 光谱能量分布曲线可以用来作简单的目测分析,也可以和另一种光源的曲线数据作比较。 然而,更好的应用是将光谱数据和CIE的配色函数曲线一起作积分,得到CIE三刺激值。 然后将三刺激值通过公式转换,计算得出各种CIE色度坐标和亮度值,也就是我们通常所接触到的色空间。
标准光源D65: 正常日光(包含紫外线波长区)相关色温为6504K
标准光源C: 正常日光(不包含紫外线波长区)相关色温为6774K标准光源A: 相关色温为2856K的白炽灯光

 

 


 

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