（光学工程专业论文）便携式多用途光色测量仪的研究.pdf

摘要 在日常的生产中，光度和色度的测量是很常见的，如各种灯的光通量测量， 教室、芮照度测量，彩色电视机的颜色测量等等。目前，都有专门的光度和色艘测 量仪分别对这些光度和色度量进行测量，但这些仪器往德功能比较单一，丽许多 场合，要求有多种光度和色度的测量，这裁必须配会多个仪表。能否有一个这样 的便携戏仪表既能适应测量光度又麓适斑测量包度，只需换上不同的探测器帮 可。本论文就是基予这一需求，研究了便携式多用途光色测量仪斗一 本论文研究了以往的光度和色度测薰役的优缺点，设计了利用液晶屏的可 视傀界面，键盘的灵活控制，只要换上不同的光电探头，启动不同的测量软件， 就能对光度和色度( 如亮度、照度、光通量、色坐标等) 进行测量的仪器。全文 共分七章。 第一章阐述了光度学和色度学中的些基本量和基本参数，以及各釉光度 和色度仪器的广泛应用，并在此基础上提出了课题的研究方囱。 第二章阐述了毙度和色度测量豹基本原理，测量的方法及其仪器的工作原 理。其中包括照度、光逯量、亮度、色魔的测量原理。 第三章阐述了光度探测器和色度探测器的瓯配原理。这是制作光电探测器 的理论基础，最盾提潞了系统的整体设计方案。 第四章阐述了系统的硬件设计，这是本论文的重点。主要包括光电转换和 信号前置放大电路、液晶屏和键盘接口电路和基于1 2 c 总线的数撼存储器电路。 在电路的设计中，使系统具备高精度、低功耗、小型化，努力达到系统便携式麴 要求。 第五章阐述了整个系统的软牛设计。整个软件是菜单式的，重煮介绍了色 晶坐栝和亮度测量的软件，包括标准输入、系统定标和测量子程序。 7 第六章聪系统的精度和实验结果做了分析。主要以色品坐标和亮度测量为 j 扛，并阐述了色差的测量。 ，毒后，第七章总结了本论文所做的工作，指出了系统的不足，提出t 系统 的改进和完善的方向。弋 关键词： 诚光度，色度，1 2 c 总线，液晶显示如惫灰f 比 j i i 浙江大学碗 一学位论吏 一一h 一_ 一 a b s t r a c t p h o t o m e t f ca n dc o l o r i m e t r i cm e a s u r e m e n t s u c h a sl u m i n o u sf l u xm e a s u r e m e n to fa l lk i n d s o fl a m p s ，l u m i n o u sd e n s i t y 瓣e 嬲u 犯粼隧i nc l a s s r o o m sa n dc o l o rm e a s u r eo f c o l o rt ve t c a r e c o m m o n l y u s e di n d a i l ym a n u f a c t u r i n g a tp r e s e n t ，s p e c i a lp h o t o m e t r l c 鞠d c o l o r i m e t r i c i n s t r u m e n t sa r ea v a i l a b l e h o w e v e r , t h e i rf u n c t i o n sa r e t o os i m p l e ，a n di ns o m es i t u a t i o n sa n u m b e ro fi n s t r u m e n t sa r en e e da tt h es a t i tt i m et op e r f o r mv a r i o u sp h o t o m e t r i ca n dc o l o r i m e t r i c m e a s u r e m e n t 。i si t p o s s i b l et oi n t e g r a t eb o t hp h o t o m e t r i ca n dc o l o r i m e t r i cm e a s u 滗m e n ti n t o 基 p o r t a b l ei n s t r u m e n tw h e r eo n l yd i f f e r e n td 鲫。c t o 舔a r eu t i l i z e d t om e a s u r ec o r r e s p o n d i n go p t i c a l q u a n t i t i e s ? t os a t i s f yt h es p e c i a ln e e d ，t h ed e v e l o p m e n t o fs u c ha m u l t i - p u r p o s ep h o t o m e t r i ca n d c o l o r i m e t r i ci n s t r u m e n ti sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r i nt h i s p a p e r , a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fa v a i l a b l e 曲o t o m e 弧ca n dc o l o r i m e t r i c i n s t r u m e n t sa r ed i s c u s s e df i r s t t h e n ，ah o v e li n s t r u m e n ti s d e v e l o p e d ，w h i c hp o s s e s s e s t h e f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：u t i l i z i n gl c dd i s p l a y , f l e x i b l ek e y b o a r dc o n t r o l ，i n t e g r a t i n gc a p a b i l i t y t op e r f o r mb o t h 曲雕。撒棼牺em a de o l o d m e t r i cm e 黜e m e n ts oi o n ga st h ep h o t o e l e c t r i cd e t e c t o ri s c h a n g e dt oa n o t h e ro f l ea n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ei sp e r f o r m e d ，t h ep a p e r c o n s i s t so fs e v e r l c h a p t e r s 确ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp a r a m e t e r si np h o t o m e t r i ca n dc o l o r i m e t r i ca n dt h e a b r o a da p p l i c a t i o n so fp h o t o m e t r i ca n de o l o f i m e t r i ci n s t r u m e n t s 确er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h i s p a p e ri sb r o u g h t f o r w a r do nt h eb a s i so f t h ei n t r o d u c t i o n 。 t h es e c o n dc h a p t e rb r i e f st h ef i a n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fp h o t o m e t r i ca n d c o l o r i m e t r i cm e 赫嘶e m e n t ，i n c l u d i n gt h em e a s = e m e n tp r i n c i p i ao fl u m i n o u sd e n s i t y , l u m i n o u s f l u x ，l u m i n a n c ea n dc h r o m i n a n c e ， n et h i r d c h a p t e rb r i e f s t h em a t c h i n gt h e o r yo fp h o t o m e t r i ca n dc o l o r i m e t r i ed e t e c t o r s 。 w h i c hi st h eb a s i so f f a b r i c a t i n gp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r s t h e nt h es y s t e mi sp r o p o s e d 。 t h ef o r t hc h a p t e rd i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g nj nd e t a i l s w h i c bj st h ee m p h a s i so ft h e p a p e r , i nm a i n l yc o n t a i n sp h o t o e l e c t r i cc o n v e r t i n ga n dp r e a m p l i f y i n gc i r c u i t s ，l c da n dk e y s e t i n t e r f a c ec i r c u i t sa n dd a t as t o r i n gc i r c u i t sb a s e do nt 2 cb u s ，t h ec i r c u i t s s a t i s f yt h es y s t e m r e q u i r e m e n t ：h i g hp r e c i s i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，m i n i a t u r i z a t i o na n dp o r t a b i l i t y 确ef i f t h c h a p t e re x p a t i a t et h es o f td e s i g no ft h es y s t e m t h ei n t e r f a c eo f t h es o f y w a r ei s m e n u 。s t y l e d 。确ec o m p o n e n t st h a td e a lw i t hc o l o ra n dl u m i n o u sd e n s i t ym e a s u r e m e n t i n c l u d i n g s t a n d a r di n p u t ，s y s t e mc a l i b r a t i o n ，a r ee m p h a s i z e d ， t h es i x t hc h a p t e ra n a l y s e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds y s t e mp r e c i s i o n ，m o s ta t t e n t i o ni s p a i dt oc o l o ra n dl u m i n o u sd e n s i t ym e a s u r e m e n t , w i t hc o l o rd i f i e r e n c ea sap l u s f i n a l l y , t h es e v e n t hc h a p t e rs u m m a r i z e st h ew o r do ft h ep a p e r 诵es h o r t c o m i n gi ss h o w n a n dt h ed i r e c t i o no ff u r t h e rm o d i f i c a t i o na n d i m p r o v e m e n t i sp r o p o s e d 。 k e yw o r d s ：p o r t a b i l i t y , u m i n o u sd e n s i t y ，c h r o m i n a n c e ，i z cb u s ，l c d d i s p l a y 塑坚查兰堡! ：堂些堡兰 致谢碍4 9 3 6 1 1 本论文是在导师姚军副教授的悉心指导下完成的。导师治学严谨、务实求新、 平易近人，他敏锐的科研洞察力、丰富的科研经验和一丝不苟的工作态度给我留 下了深刻的印象。我的课题研究取得的点滴进展都是与导师的指导启发分不开 的，在此文完成之际，谨向他致以最衷心的感谢。 同时，还要在此感谢尊敬的叶关荣教授。叶教授在光度学和色度学方面的卓 越工作奠定了本论文的理论基础。他高屋建瓴的点拨使我在各方面受益匪浅。感 激赵田冬教授在我求学期间给予的关心。 感谢侯民贤副教授、龚兆元高工以及光学工程研究所的徐海松、康文刚、朱 丹梧、项震、潘健等各位老师的大力支持。还要感谢熊凯、许明海、邝江涛、孙 德印、朱雪珍等各位师兄弟，是他们给我一个团结、友好、相互学习的学术环境。 借此机会，我要感谢父母给予我的最无私的关怀和默默的支持，在我的求学 生涯中，他们为我的成长倾注了大量的心血。 感谢所有给予我关心、支持和帮助的老师同学和朋友长辈们! 韩军 2 0 0 2 年3 月于浙江大学 塑堑叁兰塑! ：兰堡堡皇 兰二兰! i 兰 第一章绪论 1 1 光度学中的基本量 在光辐射测量中，与能量有关的量有两类：一是物理的，即客观的，叫做 辐射度学量，简称为辐射量：另一类是生理的，即主观的，叫做光度学量，简 称光度量。前者表示某辐射源客观上发射出的辐射能的大小，后者表示人的视 觉系统主观上感受到的那部分光辐射能的强度。 1 光通量( 1 u m i n o u sf l u x ) o 。 光源在单位时间内发出的光量称为光通量，在光度学中，光通量是从辐射 通量导出的量，它明确地定义为能够被人眼视觉系统所感受到的那部分辐射功 率的大小的量度。单位是流明( 1 u m e n ) ，符号为l m ，表达式为 驴。= d o 。d ( 卜1 ) 2 光亮度( 1 u m i n a n c e ) l 。 一个面光源，除了可以用发光强度来描述它在某一方向上的发光能力之外， 还要知道它每一单位面积在这个方向上的发光能力，以便比较两种不同类型光 源的明亮程度，这就要用到亮度这个概念。它表示每单位面积上的发光强度， 即 小等( 1 - 2 ) 亮度的单位为坎德拉每平方米( c d m ) 。式( 1 - 2 ) 中的面积，应理解为一个 面在观察方向上的正投影面积。因此，若观察方向与该面的法线夹角为口时， t 式将变为 。= 丽d v ( 1 - 3 ) 所以，光源的光亮度可定义为：在表面一点处的面元在给定方向上的发光强度 除以该面元在垂至于给定方向的平面上的正投影面积。 由于 塑坚查堂塑主堂丝丝苎星二垦! i 堡 ，抛。 o 2 面 ( i 一4 ) 故有 扣蛊 ( 1 - s ) 式( 1 - 5 ) 是光亮度的较通用的定义式。由该式可知，亮度不仅可用来描述一个 发光面，而且还可以用来描述光路中的任意一个截面，如一个透镜的有效面积、 一个光阑所截的面积或一个象的面积等。此外，还可以用亮度来描述一束光， 光束的亮度等于这个光束所包含的光通量除以这束光的横截面和这束光的立体 角。 3 光j 最度( i l l u m i n a n e e ) 占， 在光接收面上一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光 通量椰。除以该面元的面积d s 。即 e = 等 ( 1 6 ) 单位为勒克斯( 1 u x ) ，符号为i x ，当l i r a 的光通量均匀地照射在1m l 的面 积上时，这个面上的光照度就等于l l x 。即l l x = l l m m 2 1 2光、颜色与视觉埘 光是能量的一种存在方式，它具有波粒二象性。从宏观上说，光是一种电 磁波。根据光的电磁理论，光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射。其中， 能被人眼直接接收并引起视觉的光辐射只是电磁波谱中狭窄的一个波段一波长 在3 8 0 7 8 0 n t o 之问的光辐射，通常称这_ 波段为可见光。 视觉是光射入眼睛后产生的一种知觉，即视觉依赖于光。在可见光谱范围 内，不同波长的辐射引起人的不同颜色感觉：7 0 0 h m 为红色，5 8 0 n t o 为黄色， 5 l o n m 为绿色，4 7 0 n t o 为蓝色。光的颜色取决于进入人眼的可见光谱不同波长 辐射的相对功率分布，简称相对光谱功率分布。当进入到眼睛的光谱辐射波长 发生变化或其相对功率分布发生变化时，人眼对光的颜色感受也随着发生变化。 塑堑叁兰塑! 兰垡丝塞! ! 二皇! ! 鱼 人们现在广泛接收的是1 9 1 2 年j v o nk r i e s 根据病理学材料提出的视觉的 二重功能学说。这种学说认为视觉有两重功能：视网膜中央的“锥体细胞视觉” 和视网膜边缘的“杆体细胞视觉”，也叫做“明视觉”和“暗视觉”。人眼视网 膜上有两种视觉细胞一一杆体细胞和锥体细胞。杆体细胞的感光灵敏度高，亮 度低于0 0 0 1 e d m2 ( 称为暗视觉) 时它起作用，它只能分辨亮度，不能分辨颜 色。锥体细胞灵敏度较差，亮度商于3 c d m2 ( 称为明视觉) 时，它才能感受 到光刺激。若亮度介于明视觉与暗视觉对应的亮度水平之间，两种细胞同时起 作用，称为介视觉。颜色的区分主要靠锥体细胞的作用。实验表明，明视觉和 暗视觉的最大感受处在光谱的不同部分。此外，光谱感受在各个体之间存在一 定的差异。光谱感受还受年龄的影响。国际照明委员会( c i e ，法语：c o m m i s s i o n i n t e m a t i o n a l ed e l e c l a i r a g e 的缩写) 制定的明视觉曲线v ( ) 和暗视觉曲线 v ( ) 是根据各个国家的数百名观察者的中央窝视觉的平均光谱感受性得出 的。 n 可柚 一 价l l 多 f 巡_ 、 秆体细胞 惟体细胞 | 璺i 卜1 三种锥体细胞光谱响应图卜2 颜色的生理视觉过程 历史上存在着两种色觉理论：t y o u n g 和h l fy o nh e l m h o l t z 的三色学说， 以及e h e r i n g 的四色学说( 对抗色学说) 。现代色觉理论的发展有将三色学说 与四色学说这两种似乎完全对立的古老颜色学说统一的趋势。科学家通过对视 网膜的研究和分析，发现锥体细胞并不是由同一类的细胞所组成，在视网膜中 存在着三种不同类型的锥体细胞。它们对不同的光谱具有不同的吸收，也就是 说它们的光谱灵敏度不同，它们受到光刺激时有不同的反应，这种反应的总和 抑厂甲占 浙江人学颁f j 学位论塞 一一 。 一 。笙= 望。堡垒 _ _ _ * _ _ _ _ _ _ - _ _ 一一一 形成了肇一的颜色感觉。图1 1 表示了这三种锥体缨腿的光谱响应其中鹩锥 体缁胞t ( 九) 对蓝光( 4 4 5 - - 4 5 0 n m ) 最敏感，羯一种锥体细胞p ( x ) 对黄光 ( 5 3 5 - - 5 7 0 n m ) 最敏感。三色学说的生理依据是颜色匹配实验，而图色学说的 生理依撼是：颜色总是以红一绿、黄一蓝、黑一白成对地发生。三种锥体细胞 接收的外部信息经过处理加正，形成三对对立的红一绿、黄一蓝、黑白反应， 壤后经过视神经中枢的综合判断，使人最终受到颜色的三个重要特性：明度、 色调和饱和度。再加上杼体细胞所决定的暗视觉，构成了人对颜色的认识 参 见图卜2 ) 。珂以认茭视网膜上的锥体细胞感受符合三色枫理，光刺激豹视觉信 息尚大脑皮层援区的传输通路德舍蹬色枫理。 羔3 色度学中几个联参数l 明度、色度、饱和度和格 拉斯曼颜色混合嘲 因发光体发蹬的光丽弓f 起人们色觉的颜色称为光源色。光源色的颜色完全 取决于光的波长成份。当发光体发出的是单色光，那么其光源色称为光谱色， 它将完全取决于单色光的波长。当发光体发出的是复色光，那么其光源色将取 决于它的光谱能量的分布。 非发光体( 即一般物体) 的颜色称为物体表藤色，可篱称为物体色或表面 色。它是物体在光源照射下号| 起的色觉。物体色既与入色光的光谱能量分布有 关，又取决予物体自身韵光谱特性。 颜色可分为菲彩色和彩色两犬类。菲彩色是指白色、黑色和各种深浅不同 的灰色。对于光来说，非彩色的自黑变化相对于自光的亮度变化。白色、黑色 和灰色物体对光谱各波长的反射没有选择性，它们是中性色。非彩色只有明度 的区别，而没有色调和饱和度这辫种特性。 彩色是自黑系列以外的各种颜色。彩色有三萋孛基本特性：明度、色调、饱 和度。明度是入眼感受到的物体的明路程度，它与人鼹酶视觉特性有关，也与 物体本身熬特性如反射比、透射比有关。光源色的翳度反应的是光的强弱。色 调是彩色彼此楣互区分的特性，链往以“主波长”来表示色调。色调是颜色最 重要韵属性。饱和度是彩色的纯洁性，可觅光谱的各种单色光是最饱和的彩色， 光谱色掺入白光成分越多越不饱和，物体色的饱和程度取决于物体表面反射光 濒辽夫学鞭l ，学整论文 ! 壁! ! 垒 _ _ _ _ _ _ m _ _ m _ _ m _ _ _ _ _ _ * m _ 一一一一一 谱辐射的选择性程度。 用一个三维空间的枣形立体可以把颜色的三种基本特性一一唆度、色调与 饱和度全部表示如来，稔兔颜包立体，如图1 - 3 所示。美国光学学会采用的孟 塞尔( 鞭。a m u n s e l l ) 颜色立体( o s a u c s ) 就是一种在撬觉上等闻距的八面 立体结构。 心 ，一 p 、 鼍” 鼍 一 f 一兹 、 ， 圈l 。3 鹾度、色谲、键耦度的表示法 颜色的混合和颜色复现既可利用颜色褶加混和的原理，如颜色匹配实验和 彩色电视机，也可利用颜色的减法混合来控帝8 ，如染料涂料、彩色印刷、彩色 摄影等。在颜色相加的混合中，通过对红、绿、蓝三种颜色相加可以获得更多 的混合色，在色度图上也占有较大的色域，因此选用红、绿、蓝作为加混色的 三原色。而在减法混色的过程中，应用红、绿、蓝的扑色基罂青、品红和黄色臻 为三原色。 1 8 5 4 年，樯拉靳曼( 醚。g r a s s m a n n ) 将颜色混合现象总结戚颜色混合定律： l ，入的视觉只能分辨颜色的三种变纯：绢度、色调、饱和度。 2 。由凡个成分组成的混合色中，如栗一个成分连续地变化，混合色的 外貌也连续地变化。由此可导出补色律和中间色律。 3 颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否样，在颜色混合中 具有相同的效果。换言之，凡是在视觉上相同的颜色都是等效的， 5 塑翌查兰堡圭兰丝堡皇 一 芝二! ! ! 堡 可以用颜色混合方法来产生或替代各种所需要的颜色。它是现代色 度学的基石。 4 由几种颜色光组成的混合色的亮度等于组成混合色的各颜色亮度 的总和。 格拉斯曼颜色混合定律除第一条外，只适用于加混色而不适用于减混色。 1 41 9 3 1 c i e ( 色度) 标准观察者 c i e 色度系统是以使用三原色( 实际上不可能实现这种三原色) 为基础的， 将它们以要求的比例相混合，即可匹配出任何给定的颜色。但只有在所观察的 测试区域对应的角度约为2 0 时，才能获得上述结果。假定标准观察者的颜色晌 应是线性的，并在各种观察条件下都是可加的。标准观察者匹配每一波长的单 位能量所需要的c i e 三原龟的量示于图l - 4 中。 图1 - 4c i e l 9 3 1 年对标准色度观察者所采用的等能光谱三激励值，也被称为c i e l 9 3 1 颜色匹配函数 对三原色的要求是，它们之中任何一种部不能由其他两种匹配出来，即每 一种原色与其他二种无关。为1 9 3 1 标准观察者所选取的特定三原色将1 9 2 4 标 准观察者的明视觉响应用作y ( 绿) 色匹配函数。由于色度学所需要的计算还 会得到y 值，即被测试颜色的亮度，因此这是很方便的。此外，所选取的三原 色还使任何一个颜色匹配函数都没有负值( 负值就意味着另外一种原色会与测 6 塑坚查兰塑! ：兰竺丝塞 一 一翌二! ! ! 堕 试波长相加) 。标准观察者对c i e 三原色r ，g ，和b 的视觉响应用c i e 颜色 匹配函数表示，这些函数现在记为符号x ，y 和z 。实际上，被测光源的光谱 能量分布是用这三个颜色匹配函数分别进行估价的，正如亮度辐射能量是用 ( 1 9 2 4 标准观察者) 辐射能的相对光谱发光效率进行估价的一样。事实上y 值 的计算是相同的。颜色的三个激励值的对应公式是： x = k l 妒( 旯) x ( a ) 以 y = k i 妒( a ) y ( 旯) d a ( 1 - 7 ) z = k 1 9 ( 兄) z ( z m 三个激励值分别表示标准观察者的相应理想传感器的总响应。为了使颜色 信息减少到两维，这些响应可分别除以三者之和。 x x 十y + z y = 素岛 m s ， z 弘i 丽 这些量被称为色度坐标。由于任意两个量都可传递颜色坐标信息，因此只 有j 和y 被使用，只要知道x ，y 的值，就能在色品图中找到它的位置。任何颜 色在色品图中都有它的对应坐标，如，当x = 0 3 3 3 ，y = 0 3 3 3 时，就表示是均 匀等能量分布光谱的白色。1 9 3 1 c i e 标准色度系统是在广泛的实验基础上得到 的平均人眼颜色响应，是国际颜色测量的统一标准。作为色度学的实际应用工 具，几乎一切色度计算和色度测量仪器的设计、制造都是以它作为基本依据。 1 4课题的提出“1 人类和一切生物都生活在光的世界里，没有光，生命活动就会终止。人类 在利用自然光源和发明人造光源的实践中，无时无刻不在进行着光的相对比较。 在日常的生产和生活中，光度学和色度学有着非常广泛的应用，因此，许多厂 冢开发出了各种各样的光度和色度测量仪。 光度测量仪有着广泛的应用。近二十年来，随着对材料和产品质量愈来愈 浙江大学坝l 学位论文 第一章绪论 严格的要求和控制，对材料的辐射度和光度特性的测量也日趋重要，它已成为 光度测量的一个重要部分，如逆反光材料、发光材料等的光度测量，一些物体 的反光特性，可以用亮度计进行非接触测量。随着我国经济的发展，人民生活 水平的提高，各种照明设备质量的提高，都需要高精度的光度测量仪器进行测 量。各种汽车、摩托车等前照灯，各种照明灯具的光通量的测量，热辐射体的 红色比，荧光粉的相对亮度的测量都离不开光度测量仪器。还有，教室照明关 系到孩子的视力，隧道和道路照明关系到行车安全，体育场的照明情况测量等 等，可以说，光度测量与人们的生活密切联系着。 随着科学技术的发展和人们物质文化生活水平的提高，色度学的应用范 围越来越广泛，在军事和民用中都需要色度学的基本理论和检测技术。例如，在 军事伪装方面，色度学可提供科学的实践和测量手段；在照明工程、光源的研 制、彩色电视、彩色摄影、纺织、印染以及交通等民用部门都会遇到颜色的测 量、颜色的计算等问题。 色彩的测量与分析是彩电生产厂家的一项十分重要的工作。能够进行这种 测量的仪器必须是光学测量系统、电子线路和计算机控制相结合的仪器。随着 彩电工业的迅速发展，彩色分析仪的需求量也愈来愈大。 液晶显示器( l c d ) 有着许多传统c r t 显示器所无法实现的优点，如完 全没有辐射危害，不闪烁、颜色失真近乎于零，工作电压低、功耗小、重量轻、 体积小等等，随着液晶显示器制造中关键技术的成熟，液晶显示器的价格也一 路下降，近一年来，液晶显示器越来越受到用户的青睐。因此能够快速测量液 晶显示器颜色性能及其亮度、对比度等的仪器很有前景。 目前，在我国的彩电生产和检测机构中，应用了大量的国外迸口彩色测量 仪器，这类仪器价格往往很高。如今电子技术的高速发展，特别是集成电路， 使得些电子元件体积小且性能可靠，又低功耗，这样，开发性能牢靠，体积小， 重量轻的便携式仪器成为了可能。 在市场上，有专门的彩色分析仪，如美能达的c a 1 0 0 ，也有专门的亮度 汁，如日本的b m - 5 亮度计，还有各种照度计，如日本t o p c o ni m 3 、美国的 e g & g 5 5 0 和国内的一些产品，还有各种测量光通量，光电流的仪器。这些仪 器测量功能单，而且价格往往偏高。如何把这些测量仪器的功能集于一个仪 浙江人学坝 学位论文 笫一章绪论 器上，而且这台仪器又是便携式的，这就是本课题所研究的方向。 观察各种光度和色度仪器后，不难发现它们有个特点，就是它们的光学探 头不一样，也就是测量什么，就用相应的探头，对于光电转换后的信号采样、 数据处理、显示等等部分往往有很大的相同之处。这样，用不同的探头和相同 的处理部分就可以实现本课题的目标。其中硬件部分相同，启动不同的处理软 件，就可以把光度和色度测量集于一个仪器上。 便携式多用途光色测量仪由六部分组成：电源、光度和色度探头、信号采 集及处理、键盘、数据存储和液晶显示。整个系统由单片机控制所有硬件电路 和测量调整过程。 探头分为光度和色度探头，具体的是测量光通量、照度、亮度、色品坐标、 色差的探头。整个系统通过按键进行操作，使用点阵式液晶屏显示数据和菜单， 用户可以根据液晶屏显示的内容灵活操作。当按下某一功能按键，系统将会执 行相应的程序，完成相应的任务。只要匹配不同的探头，启动不同的软件，就 能实现一仪多用的功能。具体内容将在后续章节详细论述。 9 塑坚查兰受兰兰丝堡兰 一箜兰妻苎塑童墅坠墅堕曼塑苎_ 奎堡里二_ 查垄墨! 塑 第二章光度和色度测量的基本原理、方法 及其仪器 2 1 光度测量的原理 光度测量的基本方法，根据测量光度量所用的接收器的不同，可分为二种： 1 ) 直接以人眼作为接收器进行光度测量，称为目视光度法。 2 ) 以物理探测器作为接收器进行光度测量，称为物理光度法和客观光度 法。有用各种光电探测器、热电探测器和照相底片等方法。现在用的 最多的是光电探测器加上矿( ) 滤光片的方法。 2 1 1 目视光度测量法 所有目视光度测量方法都是基于用人眼对二个发光体的亮度进行比较( 一个 为标准光源，另一个为被测光源) 。虽然人眼不能独立地测量光的绝对值，但却 能相当准确地判断二个并列的观察面是否具有同样的亮度，这是目视法定量测光 的基础。目视光度法可分为：直接比较法、滤光片法和闪烁法。 2 1 2 客观测量法 客观测量法又称物理光度测量方法，是用光电探测器代替人眼对光进行测量 的方法。探测器的测量结果应与目视光度法的测量结果一致，因而就要求所用的 探测器与人眼有同样的特性，即它的光谱响应特性应与人眼的光谱光视效率矿 ( ) 一致。 在所有的物理光度测量中，测量值均决定于探测器所接收的光通量。而这一 光通量是入射在探测器一定大小的表面上，从而测量值又取决于照度，可由照度 值再推算出其它各光度量。 事实上，现有的光电探测器的光谱响应特性均不可能完全与人眼的光谱光视 1 0 塑! 坚叁竺堡! 兰堡垒兰 苎三兰垄堕塑鱼堡型曼苎苎查堕里二垄里鲨塑! 盟 效率矿( ) 一致因此需要根据探测器的光谱响应特性，对其进行修正，使之 符合人眼的光谱光视效率矿( ) ，这个将在下一章中详细论述。 2 2 光度基本量的测量 2 2 1 光通量的测量 1 2 。7 0 1 0 1 1 1 2 ) 光源的发光强度是光度学中的基本量，而且由发光强度可以导出其他光度 量。但要表征光源的特性，单以光源的发光强度来表示是不完全的，这是因为一 般光源在各个方向上的的发光强度并不一致，故只有用总光通量来说明更为合 适。 对各向同性的点光源，其光通量o = 4 硝，所以只要测得发光强度，乘以4 厅， 即为光通量m 。但是实际光源都有一定的尺寸，而且在各个方向上又不均匀，故 不能用o = 4 村计算得到。 光通量的测量方法：在积分球内用已知光通量的标准灯与被测灯作比较测 量，从而定出被测灯的光通量。 1 积分球原理 积分球又称光度球，它是一个球形空腔，一般由二个内壁以白色漫反射层 ( 硫酸钡或氧化镁) 的半球壳组装而成。球内放置被测光源。光源所发射的光经 球壁多次漫反射后，使整个球壁上的照度均匀分布，故通过球壁上的窗口射到光 电探测器上的光通量应正比于光源所反射的总光通量。 图2 1 表示一个积分球，假设球内壁各点的漫反射性能是均匀的，其漫反射 比为p ，球面半径为r ，球心为0 ，c 为待测光源，可以放在球壁内任意位置， 其发出的光通量为巾。 光源c 在球壁上任意一点b 上产生的光照度是由以下许多部分叠加而成的， 即：从c 直接照到b 点所产生的光照度e ，从c 射到球壁其它部分再漫反射到 b 点而产生的二次光照度e ：，从球壁一次漫反射的光再经球壁的第二次漫反射 到b 点而产生的三次光照度e ，等等。 塑婆查兰壁主兰些堡苎 墨三兰垄堡塑鱼壁型苎塑苎查璺里二互堡墨苎j 墨篓 若光源c 在球内任一点a 产生的光照度为e 。，可认为a 点是一个次级发 光体，则a 点附近的光出度( 面发光度) 为m = p e o ，由于球壁内是理想漫射 层，因此a 点附近的光亮度l 为 工：丝：旦e 。 ( 2 1 ) z 石 图2 1 积分球原理 在a 点周围的极小面积d a 上发出的一次漫反射光在b 点产生的二次光照 度搬：= 等，其中，d s 为b 点周围的元面积。 因 d 2 中= 姒c o s 觚= l d a c o s o d s c o s e 屹 ( 2 2 ) 故 d e 2 = d 2 中舔= l d _ h c o s 28 屹 ( 2 3 ) 由图可见，有 r a b = 2 r c o s 8 ( 2 - 4 ) 所以 d e 2 = l d a 4 r 2 ( 2 5 ) 塑堡叁兰竺! ：兰丝丝兰坠三苎垄壅塑堂垄曼塑些塑堑丝塑墨、_ 塑兰丝业 将式( 2 - i ) 代入，司得 施2 ：磐e ( 2 6 ) 4 。 整个球面的一次漫反射在b 点产生的二次光照度为 易= j 扭z = 寺j e 幽 2 - 7 而f e o d a 即为光源c 发出的全部光通量o ，所以 妒嚣 ( 2 8 ) 同理，可求出在球壁上的任意圆面积d a 上的二次漫反射光在b 点产生的 三次光照度为 掘= 譬e 2 ( 2 - 9 ) 则整个球壁的二次漫反射光在b 点产生的三次光照度为 弘肛，= 告归= 声： ( 2 _ l o ) 依此类推，可得四次光照度为 e = 店= p 2 e 2 ( 2 i i ) 同理，可求得以后任意次的光照度，因此在球面上任意点b 的光照度为 e ：巨+ e ：+ 毛+ 巨+ = 巨+ 易( 1 + p + 户2 + ) = 局+ 惫 ( 2 - 1 2 ) 将式( 2 6 ) 代入，可得 e ：e + 三上 ( 2 1 3 ) 1 4 21 一p 式中，e 。为光源c 直接照射在b 点上产生的光照度。e ，的大小不仅与b 点 的位置有关，而且与光源在球内的位置有关。通常在c 与b 之间放一挡屏，挡 去直接射向b 点的光，则e = o ，因而在b 点的光照度变为 e ：三上( 2 1 4 ) 4 n r l p 式中，和p 都是常数，因此在球壁上任意位置的光照度( 挡去直接光照后) 塑坚叁兰竺! ! ! 兰堡堡墨 笙三! 垄壁羔堕生里楚些型苎苎：堕丝二- 垄望望型型燮生 与光源的光通量成正比，由此即可通过测量球壁上的光照度来计算光源的光通 量。 若球的内表面积为a ，球内所有开口面积为a 2 ，令彳2 a i = f ，则除去开 口面积后的实际球内表面积4 = a ，一a ：= ( 1 一f ) a 。所以考虑开口面积后，球内 任一点的光照度还应乘以系数( 1 - f ) ，即 e ：三卫( 1 一，) ( 2 1 5 ) 4 m - 。1 一d 、 。 2 积分球结构 上述积分球原理中，曾假设球内壁是均匀的理想漫反射，实际上这是很难做 到的，而且球内还有支撑杆、接线架、灯头、挡屏及窗口等物，因此上述原理是 近似的。积分球的结构如图2 - 2 所示。为了能经常方便地拆装各种灯，可以在球 壁七开一扇门，或将积分球做成可以打开的两个半球。 嗣 片 图2 - 2 积分球结构示意图 灯c 通常放在球的中心，挡屏位于灯与窗口之间，由图2 - 2 可见，加了挡 屏后，灯发出的光不能直接到达球壁的a b 处，同时在球壁e d 处的漫射光也不 能直接经过窗口射向探测器，因此挡屏在球内的位置应该使a b 和e d 的面积为 最小。实验和理论证明，当挡屏离球心的距离等于r ，3 时，a b 和e d 的面积为最 小。 塑坚叁兰堡! 兰竺堡塞 苎三兰垄堕塑鱼堡苎兰堕苎查堕里二_ 互堕垡! 型墨璺 挡屏的尺寸应该由光源的最大尺寸决定。只要能挡去光源直射到窗口的光 线即可。若光源的最大尺寸为2 b ，窗口的直径为2 a ，挡屏半径为d ，则由图2 - 3 可见 2 一， l ：l( 2 1 6 ) b 一口 7 即 c = 委( 6 一口) ( 2 1 7 ) 故挡屏半径d 可由下式计算 d = 口+ 昙( 6 一口) ( 2 一1 8 ) 由式( 2 一1 8 ) 可见，光源的尺寸不能过大，否则挡屏尺寸相应增加，使图中 a b 和e d 的面积增大，同时光源本身对光的吸收也增加，这些都会影响测量结 果。通常要求光源的最大尺寸不超过球体直径的一去。对尺寸较大的光源，应 0l u 选择直径较大的积分球。 在积分球的窗口上应放置一块无色双面磨光的毛玻璃或毛面乳白玻璃，它 的位置正好在球面上，在毛玻璃后面是可变光阑和中性减光片组，用以调节进入 探测器的光通量。探测器前放置y ( a ) 滤光片后，可以测量各种色温的光源的光 通量。 图2 - 3 挡屏的大小 积分球内壁的白色漫射层喷涂得好坏，对测量精度影响很大。白色涂料的 漫反射比p 最好与波长无关( 中性) ，并接近理想漫射面，同时涂上球壁后不易 塑望叁兰竺! ：兰竺堡塞 笙= 童垄蹩塑鱼鏖型曼竺苎查堕型二垄羔兰婪丝 剥落，化学稳定性好，日久不易变黄。一般用硫酸钡或氧化镁作漫发射涂料，前 者比较接近中性，牢固耐久，不易变黄，但价格较贵，喷涂前须经研磨。后者的 漫反射比高，接近中性，价格便宜，但较易污染和变质。国家标准定为用硫酸钡。 3 测量方法 用积分球测量光通量，通常采用比较法( 代替法) ，为此需要光通量标准灯。 先将标准灯( 其光通量为m ，) 放入积分球内，点燃后，在窗口测得的照度e ，应 符合式f 2 1 4 ) 为 耻啬乇 沼1 9 ) 放入待测灯点燃后，可测得的照度e 为 匪= 啬尚 沼z o ， 比较以上二式可得待测灯的光通量为 中。= 誓m 。 ( 2 2 1 ) d j 采用比较法测量光通量可以大为减少由球壁漫反射层的不均匀性、球壁涂 料和窗口材料的非中性( 即涂料的漫反射比和窗口的透射比与波长有关) 等因素 造成的影响，但是不能消除由于标准灯的尺寸和结构与待测灯的不相同而造成的 对球内壁漫射光的吸收情况不同的影响，也不能消除标准灯与待测灯的相对光谱 功率分布及空间分布不同产生的影响等等，在测量时应考虑采取修正的办法。 4 修正测量误差的方法 ( 1 ) 吸收不同的修正用辅助灯法可以消除光源尺寸不同、挡屏和支撑 杆等吸收引起的测量误差。 如图2 - 4 所示，先装上辅助灯和标准灯，只点燃标准灯，可测得窗口的照度 e ，应符合式( 2 1 4 ) ，有 e = 去南呻。“a ( 2 - 2 2 ) 式中，七为积分球常数。 塑笙茎兰堡! 兰垡堡皇 蔓三兰垄堡塑鱼! 丝堕苎查堕里二_ 互堡垒墨! 兰兰 取出标准灯，放上待测灯，并点燃待测灯，可测得窗口的照度e c ，也应符 合式( 2 - 1 4 ) ，有 e 。= 女，。 ( 2 2 3 ) 由于标准灯与待测灯的尺寸不同，它们的吸收也不相同，故两次测量时的 积分球常数也不相同，即k c k ，。 再将待测灯熄灭，点燃辅助灯，可测得窗口的照度为 e j 。= 。中 ( 2 2 4 ) 取出待测灯，放上标准灯，并点燃辅助灯，测得照度为 e ，= k s o ( 2 - 2 5 ) 由式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 可得 中。：墨善。， ( 2 2 6 ) e ：丸3 由式( 2 2 4 ) 和( 2 2 5 ) 可得 生：生 ( 2 2 7 ) e 。k 。 将式( 2 2 7 ) 代入( 2 2 6 ) ，可得 卟每爱；( 2 - 2 8 ) 以该式计算待测灯的光通量，就可以修正光源尺寸不同和异物吸收引起的 测量误差。 图2 - 4 辅助灯法测光通量 塑坚叁兰堡! ：堂焦丝兰 苎三皇垄! 堕垒堡翌苎堕苎至堕里二杰鲨垦苎竺鱼 ( 2 ) 光谱功率分布不同的修正 当标准灯的相对光谱功率分布只( 五) - q 待测灯的光谱功率分布只( a ) 不同时，将产生测量误差。该误差取决于测光系统 的相对光谱灵敏度( 由积分球内表面的光谱反射比p ( 五) ，窗口的相对光谱透射 比f ( 五) 以及探测器和其修正滤光片的相对光谱灵敏度s ( 五) 组合而成) 与人眼光 谱光视效率矿( 旯) 符合的程度。根据前以导出的修正系数，这里待测灯光通量的 正确值为 式中 卟畦甓篇糟鬻z 9 ， 哪) = 器 ( 2 。3 0 ) ( 3 )