（光学工程专业论文）电光源光电参数测试技术中的硬件与软件的设计及优化.pdf

摘堂 摘要 近年来，闱绕1 7 能电光源而建立的试验与生产设施迫切需要自动化的电光源光电参数测试设备。 设计电光源的光电参数白动化测试殴备，井对测试设备进行必要的优化与功能的拓展，以适应实际 需求的变化与技术的进步便是本文的目的。 首先，论文研究测试系统故障，发现测量主机控制程序中测量模块的缺陷是系统故障起因，通 过对测量模块添加函数分支返同代码、增加缺失语句、删除死循环代码，分别解决了测试系统执行 混乱、无法停止、死机等故障。其次，论文详细设计了测试系统主机的电源模块、a d 转换模块、 驱动模块以及单板机模块，并基t - c t t 3 4 1 t 型r s 一2 3 2 转接芯片，设计了测量主机u s b 硬件接口，基 于c h 3 4 1 t 型芯片虚拟串口v c p 驱动程序，实现了u s b 软件接口，从而实现了测试系统的u s b 接口功 能。最后，论文通过对测量主机控制程序添加监控模块，并根据监控模块设计上位计算机监控软件， 实现了测试系统对不同波长光电信号的扫描监控功能。 经过对测试系统整体功能的测试，结果表明，对测试系统软件硬件所做的设计及优化是可行的。 此外，本文的研究对今后该课题的进行具有一定的参考价值。 关键词：分光测试；光电参数；测试设备；电光源；光度学；色度学 a b s t r a c i a b s t r a c t r e c e n t l y , m a n yr e s e a r c h e sa n dm a n u f a c t u r ef a c i l i t i e sf o re n e r g y - s a v i n gl a m p sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d i ti su r g e n t l yt op r o v i d et h e mw i t ha u t o m a t i cl u m i n o u s e l e c t r i cp a r a m e t e rm e a s u r e m e n te q u i p m e n to f e l e c t r i cl a m p t h em a i nt o p i co ft h i sp a p e ri st od e s i g nt h ee q u i p m e n t ，a n dt oo p t i m i z ea n de x p a n dt h e i r f u n c t i o n s f i r s t l y , ar e s e a r c hw a sf i n i s h e do ns y s t e mf a u l t s ，r e v e a l i n gt h a ts y s t e mf a i l u r ec a nb ee x p l a i n e db yt h e d e f e c to fm e a s u r em o d u l eo fs b c ( s i n g l eb o a r dc o m p u t e r ) p r o g r a m b ya d d i n gf u n c t i o nr e t u r nc o d e st o m e a s u r em o d u l e ，a d d i n gm i s s i n gc o d e s , d e l e t i n gc i r c u l a t i v ec o d e s ，p r o b l e m ss u c ha sb e l d a me x e c u t i o n ， i n e f f i c a c ys t o po r d e ra n ds y s t e mb r e a k d o w nw e r es o l v e d t h e n ，w eg a v ead e t a i l e dd e s i g np r o g r e s so nt h e e l e c t r i c a ls o u r c em o d u l e ，a dc o n v e r t e rm o d u l e ，d r i v e rm o d u l ea n ds i n g l eb o a r dc o m p u t e r a l s ob a s e do n t h ec h 3 41tr s - 2 3 2t r a n s f e rc h i p ，au s bh a r d w a r eh u bi sd e s i g n e d i no r d e rt or e a l i z eu s bf u n c t i o no f t e s ts y s t e m ，u s bs o f t w a r ei n t e r f a c ew a sc o m p l e t e db a s e do nt h ev c p ( v i r t u a lc o mp o r t ) d r i v e ro f c h 3 41t a tl a s t ，am o n i t o rm o d u l ew a sa d d e dt op r o g r a mo fs i n g l eb o a r dc o m p u t e r , w h i c hm o n i t o r s o f t w a r eo fu p p e rc o m p u t e rw a sa l s od e s i g n e da c c o r d i n gt o ，a n dc o n s e q u e n t l yt h ef u n c t i o no fs y s t e m m o n i t o rw a sc o m p l e t e d t h et e s tr e s u l t so ft h ew h o l ef u n c t i o no fs y s t e ms h o w st h a tt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mi se f f e c t i v e ，a n dt h ew o r kp r o v i d e su s e f u li n f o r m a t i o nf o rt h er e s e a r c h i nt h ef u t i j r e k e yw o r d s ：b e a ms p l i t t i n ga n dc o l o rm e a s u r e m e n t ；l u m i n o u s - e l e c t r i cp a r a m e t e r ；m e a s u r ee q u i p m e n t ； e l e c t r i cl i g h ts o u r c e ：p h o t o m e t r y ：c o l o r i m e t r y l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特另t l d n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 辩日期：越蜉 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 日期：塑蝉 日 期：丝叠：兰：z 第一。节绪论 1 1 引言 第一章绪论 人类的眼睛是最占老的光探测i ：具，人眼对光色的细微变化都有很敏锐的辨别能力，人们常常 利用目视的方法来辨别发光物体的亮度、颜色等。但是目视方法带有主观性，它受剑视觉适应性， 各人眼光谱响应的差异等影响。并且目视方法无法定量化。c i e 标准色度与光度系统的建立为人们 对光的定量测量提供了基础。 半个多世纪以来，光度学色度学的发展，为解决各行各业的光度色度问题提供了有力的工具。 现代色度学光度学已经在科学技术、工业、商业、艺术、军事等领域得到了广泛的应用i2 1 。 光度学与色度学在照明工业中尤其重要。照明光源的研制与生产是照明工业的一个重要组成部 分。而在照明光源的研制与生产过程中经常需要精确地确定光源的各种光度色度参数，有时还需要 知道其电参数。冈而需要有相应的对光电参数进行测量的手段。 本文提供了对电光源光电参数测量的一种手段，它是建立在现代电子技术与现代软件技术基础 之e 的。 1 2 研究背景 光度色度参数是电光源的重要评价指标。普通照明对光源光度色度参数有一定的要求，但并不 苛刻。在一些特殊的照明场合，如照相、制版、彩色印刷等，光度色度参数有较严格的要求。 同时，随着电光源工业的迅速发展，各种气体放电光源的应用日趋普及。在研制及生产这类光 源的过程中，最重要的质量监控手段是光源的光、色参数的测量。传统色参数测量都是采用分光法， 而光通量则采用分光法测量1 3 l 【4 1 。 、 在电光源工业中，绿色照明是发展方向。节能光源在绿色照明中占有重要的位置。传统的白炽 灯由于其光效低己在逐步被各种新型的节能光源所取代。这些节能光源包括管状荧光灯，紧凑型荧 光灯，钠灯及金属卤化物灯等。对光源的各种光、色、电参数进行准确的测量将有助于分析其中的 各种机制及过程，从而为提高质量提供依据。 金卤灯是一种理想的绿色照明光源，自上世纪六十年代问世以来，经过几十年的发展，已经成 为一种成熟的优质光源。这是由它的光效高、显色性好、寿命长、结构紧凑、适应性广等系列特 点所决定的。它在各种照明领域中都己得到广泛的应用。但由于其发光机理不同于普通的放电光源， 发光过程比较复杂，影响其性能质量的因素很多，对光源及与之配套的设备进行性能检测是当前生 产制造过程中急需解决的课题1 5 1 。 如上所述，在许多方面，无论是出于研究改进的目的还是生产的目的，都需要对各类电光源光 电参数进行测量。同时国家标准还规定各种白炽灯、气体放电灯、电子镇流器和电感镇流器均有多 项电参数需要测试，比如电压、电流的峰值和有效值、功率、功率因数、波形失真度、谐波含量， 东南人学硕i j 学位论文 以及各种光源的光通罐、光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数等。要建立一套完善的测鼙系统， 传统的办法是测试什么参数买什么仪表。一种产品往往需要测培多项参数，冈此也就需要购买多台 仪表，这既不经济，义容易造成接线错误，引发事故。不仅如此，传统的方法通过入l ：读取数据， 获得待测光源在整个可j ! - 光范同内的光谱分布，计算得剑光参数。但由_ 】：检测持续时间k ，易造成 人为的计数误差，测试过程待测光源强度的变化及单色仪波长位置偏移等原冈，均会造成测试数据 的误差，导致测试精度降低。而且人量复杂的数据处理和计算，使得这- n 试手段无法在一l ：厂的常 规检验中得以应用。 随着计算机技术的发展，利用微型计算机技术与光电转换技术，研制电光源光电参数自动测试 系统1 6 】便具有实际意义。本文所介绍的电光源光电参数测试系统( 即f 文所称测试系统) 即是建立 在微型计算机技术、软件技术、光电转换技术之上的一套精度高、测试快、适用于工厂环境的自动 化测试系统。 1 3 研究目的 1 3 1 测试系统现状 东南人学先进光子学中心很早就开展了电光源光电参数测试方面的研究，取得了一系列的成果， 这些成果已经转化为现实的生产力。该套系统已经广泛地应用于国内外许多照明工厂的生产测试环 节之中。经过长期的各厂实际使用证明，这套系统是成功的。下面列出电光源光电参数测试系统的 软硬件主要组成部分： ( 1 ) 电光源光电参数测试系统硬件设备 电光源光电参数测试硬件设备中包括测试系统的硬件架构，架构中包括：积分球、光纤、单色 仪、稳压电源、光电倍增管、电参数测试电表、测量主机、上位计算机等。其中尤其以测量主机最 为重要，它是整个硬件架构的核心部分。测量主机主要由四块电路模块组成： 电源模块：提供另外三块板的工作电压，如：5 v 、1 2 v 、1 3 v 。 驱动模块：负责接收单板机模块送来的驱动脉冲，将脉冲进行细分之后输出给单色仪中的 步进电机，进而控制步进电机； a d 转换模块：使用基于i c l 7 1 3 5 的双斜积分式a d 转换器，将光电倍增管输出的模拟光 电信号转换为数字信号； 单板机模块：该模块是整个测量主机的核心模块，它基于单片机a t 8 9 c 5 1 ，该模块负责向驱 动模块发送驱动脉冲，并采集a d 转换模块的数据，还负责与上位计算机进行通信联络。 测量主机的主要功能包括： 通过自身的步进电机驱动电路控制单色仪中的步进电机，进而能够控制单色仪，将单色仪 定位到指定光波长，使光电倍增管能够转换指定波长的光信号为模拟电信号； 将光电倍增管输出的模拟电信号通过测量主机的a d 转换电路转换为数字信号； 采集与光电信号对应的数字信号，并通过r s 一2 3 2 串行口传递给上位计算机： 2 第一章绪论 负责与t ：何计算机进行通信，并向上何计算机传递系统状态与数据，接受上f 帝计算机的控 制命令并执i 了。 ( 2 )电光源光电参数测试系统的软什部分 电光源光电参数测试系统可以测鼍光信号、电信号、电源电压特性臀等，所以这套软仆系统土 要包括： o e c m ：电光源光电参数测量系统，负责测鼙待测光源的光电参数； s s m ：快速光谱测鼙系统，负责测量待测光源的光谱分布： e p a r ：电参数再启动特性测量系统，负责测试光源供电电压的特性； c a b ：测试系统定标软件，负责给测试系统进行定标。 1 3 2 测试系统不足 在系统的长期使用过程中，发现系统存在一些故障，这些故障主要有：测试系统死机、测试系 统执行混乱、测试系统无法停止等。 此外，测试系统现有硬件与计算机技术快速发展之间存在不适应性，如缺少u s b 接口功能；硬 软件的升级造成了系统部分功能的缺失，如扫描监控功能。 1 3 3 研究目的 解决测试系统存在的一些故障，使系统能够高效稳定地运行，以便更好地服务于照明丁厂日益 增长的测试需求，便是本文的研究目的之一。 另外，随着计算机软件硬件技术的不断发展，测试系统硬软件不断的升级，需要增加一些软硬 件功能，并实现升级中缺失的软硬件功能，以满足用户的需求，也是本文的研究目的。 1 4 论文主要工作 论文研究现有测试系统工作原理，并对测量主机硬件进行详细设计；论文研究并解决测试系统 故障；论文实现了测试系统u s b 接口功能与信号的扫描监控功能。 本文第二章主要论述了测试系统所需的理论基础，主要包括光度学与色度学原理，标准照明体 和标准光源，照明和观察条件以及光源简介与光源的光学电学特性参数的概念及其计算方法；第三 章研究了光电参数测试系统的总体设计及各部件的工作原理，另外还介绍了测试系统的测试原理； 第四章详细介绍了系统软件硬件的设计与优化；第五章节对测试系统进行了测试并对论文工作进行 了总结。 3 东l 村人学坝f 学f t 论义 第二章测试系统理论基础 本1 ，士要介绍了电光源光电参数测试系统中所需的一些基本概念与理论基础，主要包括光度学 基本原理、色度学基本原理、标准光源和标准照明体、照明和观察条1 ：，| ：以及电光源及其特性参餐等。 2 1 光度学基本原理 可见光是波长在3 8 1 0 7 8 1 0 。m 范闱内的电磁辐射，描述电磁辐射的物理量即辐射鼙， 也可j j 来描述可见光。可见光是能对人的视觉形成刺激并能被人感受的电磁辐射，因而人们很自然 地用视觉受到刺激的程度，即视觉感受来量度可见光。按这种视觉响应原则建立的表征可见光的量 称作光学量。 由此可见，可见光是可以用辐射量和光学量这两种量值系统来度量的，把可见光作为纯物理现 象来研究时，应采用辐射量量值系统：而研究与人的视觉有关问题时，采用光学量量值系统更方便。 + 卜面简要介绍各种辐射量和光学量的一些概念，以及两种量值系统间的关系1 7 1 1 8 1 1 9 l 。 2 1 1 辐射量 ( 1 ) 辐射能q ：同其它电磁辐射一样，可见光辐射也是一种能量传播形式。以电磁辐射形式 发射、传输或接收的能量称作辐射能，通常用字符q 表示。度量辐射能的单位为焦【耳】( j ) 。 ( 2 ) 辐通量。：单位时间内发射、传输或接收的辐射能称之为辐通量，通常用字符。表示。 若在斫时间内发射、传输或接收的辐射能为媲，相应的辐通量。为 卟警 旺- ， 口l 辐通量与功率有相同的单位，为瓦特( w ) 。 ( 3 ) 辐出度m 。：辐射源单位面积发出的辐通量，定义为辐射源的辐出度，州 f f m 。表示。 假定辐射源的微面积在幽发出的辐通量为揶。，则辐照度m 。为 e = 孚t a ( 2 2 ) 辐出度的单位名称为瓦特每平方米( w m 2 ) 。 ( 4 ) 辐照度e 。：辐射照射面单位受照面积上接受的辐通量，定义为受照面的辐射度，以字符e 表示。假定受照面的微面积幽上接受的辐通量为抛，则辐照度e 为 4 第一：帝测试系统删论皋础 耻鲁 ( 2 3 ) 辐照度与辐山度有相同的荤 奇= 。 ( 5 ) 辐强度，：点辐射源向各个方向发出辐射，在某一方向，在元立体角艘内发出的辐通 量为加。则辐强度i 。为 仁等 眩4 ， 辐射强度的单位为瓦特每球面度( w s r ) 。 ( 6 ) 辐亮度l 。：为了表征具有有限尺寸辐射源辐通量的空间分布t 采用辐亮度这样一个辐射 量。元面积为d a 的辐射面，在和表面法线n 成9 角方向，在元立体角搬内发出的辐射量为揶。， 则辐亮度l 。为 z e 志 他5 ， c o s6 匕乙q d s 三 根据定义可以认为，元面积幽在9 方向的辐亮度l 。就是该辐射面在圣直于护方向的平面上的 单位投影面积在单位立体角内发出的辐通量。辐亮度的单位名称是瓦特每球面度平方米 w s r m 2 。 上述六种辐射量，对于所有的光辐射都是适用的，它们是纯物理量。对于可见光。人们常用光 学量量值系统进行度量。 2 1 2 光学量 ( 1 ) 光通量矿：标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量称为光通量，通常以字符矿表示。 光通量的单位为流明( 1 m ) 。 ( 2 ) 光出射度m 矿：光源单位发光面积发出的光通量，定义为光源的光出射度，以字符m y 表 示。假定光源的微发光面积别发出的光通量为抛，则光出射度m 矿可表示为 m p = 等 眩6 ， 光出射度的单位为流明每平方米( 1 m m 2 ) 。 5 东南人学帧i 学化论文 ( 3 ) 光j 度e 。：单何受照面积接受的光通量，定义为光照面的光照度，通常川字符e ；表示。 假定光 ；i 面微面积幽上接受的光通鹫为d o i ，则该微面j 二的光 ! ：l 度e 。，可朋式( 2 7 ) 表示 驴鲁 他7 ， 口月 光照度的单位名称是勒克斯( i x ) 。 ( 4 ) 发光强度，矿：点光源向各个方向发出可见光，在某一方向，在元立体角硷内发出的光通 量为d o 矿，则点光源在该方向上的发光强度，矿为 扣等 8 ， 式( 2 8 ) 表明，点光源的发光强度等于点光源在单位立体角内发出的光通量。 发光强度的单位为坎德拉( c d ) 。1 9 7 9 年第十六届国际计量大会对发光强度的单位坎德拉作了 明确的规定：一个光源发出频率为5 4 0 x1 0 1 2 h z 的单色光，在一定方向的辐射强度为1 6 8 3 s r ，则此 光源在该方向上的发光强度为l 坎德拉。 发光强度是光学基本量，是国际单位制中七个基本量之一。从发光强度的单位坎德拉可以导出 光通量的单位流明：发光强度为l e d 的均强光源，在单位立体角内发出的光通量为l i r a 。 ( 5 ) 光亮度o ：为了描述具有有限尺寸的发光体发出的可见光在空间分布的情况，采用了光 亮度这样一个光学量。发光面的元面积砌，在和发光表面法线成9 角的方向，在元立体角姬内 发出的光通量揶矿，则光亮度l 为 l ：塑竺 ( 2 9 ) l | ，= 一 厶y ， c o s 栩艘 在式( 2 9 ) 中，1 = 抛矿硷，它相当于发光面在秒方向的发光强度，故而式( 2 9 ) 可写成 扣彘 眨。， l ，= 一 l z i uj 7 c o s 侥谢 式( 2 1 0 ) 表明，元发光面幽在秒方向的光亮度l 等于元面积d a 在p 方向的发光强度，矿与 该元面积在垂直该方向平面上的投影c o s之比。光亮度的单位是坎德拉每平方米( c d m 2 ) 。 2 1 3 光学量与辐射量关系 就其实质而言，人眼就是一种可见光探测器，其输入为用辐射量度量的可见光辐射，而输出为 用光学量表示的光感受。所以，光学量和辐射量间的关系决定于人的视觉特性。实验表明，具有相 第二币测试系统胖论垠础 同辐射通堵而波 乏不同的可见光分别作川人眼，人所感受的明亮样度将有所不同，这表明人的视 觉对不同波k 光有不同的灵敏度。人对不同波k 光响席的灵敏度是波k 的函数，称之为光谱光效率 函数。 实验表明，观察场明暗不同时，光谱光效率函数变稍宵不同。国际照明委员会( c i e ) 根据多组 测试实验结果，分别于1 9 2 4 年和1 9 5 1 年确定并止式推荐两种光谱光效率函数：明视觉光谱光效率 函数( 五) 和暗视觉光谱光效率函数y q ) 。 1 u 0 8 0 2 0 4 0 05 0 06 0 07 0 0 名n 图2 - 1y 以) 和y 。以) 的函数曲线 图2 1 给出了矿q ) 和y q ) 的函数曲线，图中的函数值已归一化。可以看到y 似) 和y 以) 两者 峰值所对应波长有所不同，y q ) 的峰值在五= 5 5 5 x1 0 m 处，而y q ) 的峰值是在 力= 5 0 7 1 0 _ 7i l l 处。下面给出光学量和辐射量间的关系。 在波长五附近的小波长间隔幽内，光通量揶以) 和辐通量。以) 之间的关系可表示为 明视觉条件下 暗视觉条件下 毋( a ) = k 。y ( 五) 。( 五x 现 抛( 兄) = k m v 以加。q ) 掀 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 其中，k 。= 6 8 3 1 m w 为明视觉条件下波长旯= 5 5 5 1 0 、y q ) = 1 单色光的绝对光谱光 效率值；k 。：1 7 5 5 l m w 为暗视觉条件下波长力= 5 0 7x1 0 、五= 5 0 7x1 0 、y 以) = 1 单 色光的绝对光谱光效率值。 7 6 4 m 仉 专i 东南人学顺i j 学位论文 对丁整个可见辐射范匍内的总光通量中一可由在整个可见光谱范围内移 分求得： 明视觉 暗视觉 2 2 色度学基本原理 m l ，e k ，矿以知，以胁 m l ，j 。k ，矿协如r 以胁 严簟k 。v ( 五p ，以m严j 。km ( 五扣，肌 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 人眼分辨光的颜色的灵敏度是很高的，正常的人眼只要波长变化2 0 3 0 a ，人眼就能感觉其颜 色的变化，色度掣7 】1 8 1 1 9 1 就是研究颜色的度量与评价方法的一门学问。 2 2 1色度学中的几个概念 ( 1 )颜色刺激 能够引起颜色知觉的可见辐射的辐通量称作颜色刺激。颜色刺激随波长的分布，称作颜色刺激 函数，一般用伊以) 表示。 ( 2 ) 三原色 能够匹配所有颜色的三种颜色，称作三原色。 匹配实验表明，能够匹配所有颜色的三种颜色不是唯一的。人们通常选用红( r ) 、绿( g ) ，蓝( b ) 作 为三原色，其原因可能是：用不同量的红、绿、蓝三种颜色直接混合，几乎可得到经常使用的所有 颜色：红、绿、蓝三种颜色恰与人的视网膜上红视锥、绿视锥和蓝视锥细胞所敏感的颜色相一致。 ( 3 ) 三刺激值 在颜色匹配中，以一定数量的三原色完成某种颜色的匹配。匹配某种颜色所需的三原色的量称 作该颜色的- - 束f 激值。颜色方程中的r ，g b 就是- - - * u 激值。三刺激值不是用物理单位，而是用色度 学单位来度量的。在标准色度学系统中，三刺激值有统一的定标方法，以后将具体加以介绍。 ( 4 )光谱三刺激值或颜色匹配函数 用红、绿、蓝三种颜色可以匹配所有颜色，对于各种波长的光谱色也不例外。 匹配等能光谱色所需的三原色的量称作光谱三刺激值。对于不同波长的光谱色，其三刺激值显 然为波长五的函数，故也称之为颜色匹配函数，一般用尹n ) 、雷以) 、云以) 表示。光谱色的颜色方程 为 c ( 五) 暑尹( 五) ( r ) + 季( a ) ( g ) + 石( 五) ( b ) ( 2 1 5 ) 光谱色是很饱和的颜色，光谱三刺激值f 以) 、岳q ) 、云以) 有可能为负值。 等能光谱是指各波长辐射能量相等，只有在此条件下，所得到的光谱色三刺激值才是可比较和 有意义的。 8 第一二审测试系统埋论捧础 颜色匹配函数足重要的色度量，它是在颜色现象研究中把物理刺激与= 【l 理响应结合起来的纽带。 ( 5 )色坐标及色品图 在颜色研究和鼍度中，有时不是圳二原色的数量，即二刺激值r ，g , b 来表示颜色，而是j 二刺 激值各自在二刺激值总鼙r + g + b 中所i j i 的比例米表示颜色。二刺激值各臼在二刺激值总鼙中所一j 。的 比例，叫做颜色的色品。选用红( r ) 、绿( g ) 和监( b ) 为二原色时，用，g ，b 表示色品坐标。根据定 义，有 rg 卜瓦而g2 瓦而；r + g + br + g + b 6 ： 垒 ( 2 1 6 ) r + g + b 且，+ g + b = 1 。 用，为横坐标、g 为纵坐标，由，和g 所决定的平面上的点均和某种颜色相对应，这样一个能表 示颜色的平面，称作色品图。色品图上表示颜色的各个点称作色品点。 色品图上有三个特殊的色品点，其坐标分别为r = l 、g = b ：o ；g ：1 、f b = 0 ；b = i 、r = g = 0 。它们是 三原色红( r ) 、绿( g ) 和蓝( b ) 的色品点。此三点连线，构成一个三角形，三角形里面部分是三原色以 不同比例混合能产生的所有颜色色品点的集合。这个三角形叫做麦克斯韦颜色三角形。 在色品图上，各光谱色色品点形成一条马蹄形曲线，称之为光谱色品轨迹。图2 2 是莱特 ( w d w r i g h t ) 画出的色品图。 置j ! o ( g ) 严 2 2 2 c i e 标准色度学系统 图2 - 2 莱特画出的色品图 国际照明委员会( c i e ) 规定的颜色测量原理、基本数据和计算方法，称作c i e 标准色度学系统。 c i e 标准色度学的核心内容是用- - 牵l j 激值及其派生参数来表示颜色。 任何一种颜色都可以用三原色的量，即三刺激值来表示。选用不同的三原色，对同一颜色将有 不同的三刺激值。为了统一颜色表示方法。c i e 对三原色做了规定。 9 东南人学坝j j 学位论文 光谱二刺激值或颜色匹配函数是刚二刺激值表示颜色的极为重要的数据。对丁同一组原色， 止常颜色视觉不同人测得的光谱三刺激值数据很接近，但不完全相同。为了统颜色表示方法，c i e 取多人测得的光谱二刺激值的平均数据作为标准数据，剪称之为标准色度观察者。 c 1 e 对二刺激值和色品坐标的计算方法作了规定。对r 物体色，光源、照明和观察条什对颜色 有定影响。为了统一测鼙条件，c i e 对光源、照明条什和观察条件也做了规定。 c i e l 9 3 1 标准色度学系统，是1 9 3 1 年在c i e 第八次会议上提出和推荐的。它包括1 9 3 1c i e r g b 和1 9 3 1c i e x y z 两个系统。1 9 6 4 年公布了在c i e l 9 3 1 基础上改进的c i e l 9 6 4 补充色度学系统。分 别介绍如下： ( 1 )1 9 3 1c i e r g b 系统 该系统用波长分别为7 1 0 - 7 聊( 红) 、5 4 6 1 1 0 - 7 掰( 绿) 、4 3 5 8 x 1 0 7 俄( 蓝) 的光谱色为三原 色，并且分别用( r ) ，( g ) ，( b ) 表示。系统规定，用上述三原色匹配等能白光( e 光源) - - * u 激值相等。 r ，g ，b 的单位三刺激值的光亮度比为1 0 0 0 ：4 5 9 0 7 ：0 0 6 0 1 ；辐亮度比为7 2 0 9 6 2 ：! 3 7 9 1 ：1 0 0 0 。 系统的光谱三刺激值，由莱特实验和吉尔德( j 。g u i l d ) 的实验数据换算为既定三原色系统数据后 的平均值来确定，并定名为“1 9 3 1 c i e r g b 系统标准色度观察者光谱三刺激值”。简称“1 9 3 1c i e r g b 系统标准观察者”，光谱二刺激值分别j ；jf 似) 、季以) 、6 以) 表示，图2 3 是三者随波长入的变化曲 线。图2 - 4 是1 9 3 1c i e - r g b 系统色品图。图中的偏马蹄形曲线为光谱色色挞点轨迹。 ! b 5 8 甜屯1 伽 、 ，j t 、5 l o ! 爪。二 i 焱一 筝 诗# x 哪 图2 - 31 9 3 1 c i e r g b 系统光谱三刺激值图2 41 9 3 1 c i e r g b 系统色品图 ( 2 ) 1 9 3 1c i e x y z 系统 1 9 3 1c i e r g b 系统可以用来标定颜色和进行色度计算。但是该系统的光谱三刺激值存在负值， 这既不便于计算，也难以理解。因此c i e 同时推荐了另一色度学系统，即1 9 3 1c i e x y z 系统。 1 9 3 1c l e - x y z 系统选用) 、p ) 、( z ) 为三原色。用此三原色匹配等能光谱色，三刺激值均为正 值。该系统的光谱三刺激值已经标准化，并定名为“c i e l 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值”，简称 “c i e l 9 3 1 标准色度观察者”。 1 9 3 1c i e x y z 系统，是在1 9 3 1c i e r g b 系统基础上，经重新选定三原色和数据变换而确定的。 1 0， 3 2 l o o 饥 乱 饥 tvrvvk 第一章测试系统理论皋础 确定1 9 3 1 c i e x y z 系统的二原色( 爿) 、( y ) 、( z ) 遵循以- 卜原则： 州此二原色匹配等能光谱色，二刺激值不应出现负值。 实际不存在的颜色在色品幽上所- i 的面积廊尽餐小。 用y 刺激值表示颜色的亮度，同时亦表示色度：而x 和z 刺激值只表示色度，不代表亮 度。这种规定给颜色标定带来了很人的方便。 在1 9 3 1 c i e r g b 系统色晶图上，新三原色( x ) 、( y ) 、( z ) 的色品点在偏马蹄形光谱色色品轨迹之 外，只有这样才能保证光谱三刺激值不出现负值。但是在光谱色色品轨迹外的颜色，实际是不存在 的。所以似) 、( y ) 、( z ) 二原色能够闱来表示颜色，却不能用来进行实际的混合匹配。因而1 9 3 1 c i e x y z 系统的光谱三刺激值不能通过直接匹配实验来获得，该系统的光谱三刺激值是由1 9 3 l c i e r g b 系统的有关数据经坐标转换和定标而确定的。图2 5 给出了c i e l 9 3 l 标准色度观察者光谱 三刺激值曲线。 3 h 3 i - 8 i k 被长t a m 图2 5c i e19 3l 标准色度观察者光谱三刺激值曲线 根据定义，1 9 3 1c i e x y z 系统的色品坐标为 x i 万西) ，2土，z - 上 ( 2 1 7 ) 一z = 一 ( 2 1 7 ) x + y + z x + y + z 1 9 3 lc i e x y z 系统的色品图称作c l e l 9 3 1 色品图，图2 - 6 为c l e l 9 3 1 色品图。从图上可以看出， 波长为7 1 0 7 7 x 1 0 - 7 m 的光谱色，色品点重合在一起，表明它们有相同的色品坐标，在亮度 相同时，表观颜色相同；波长为5 4 1 0 7 1 0 - 7 m 光谱色色品轨迹部分为一段直线，这一段上 代表的任何光谱色，均可用波长为5 4 1 0 一7 和7 x 1 0 7 m 两种光谱色以一定的比例混合产生出来： 光谱色色品轨迹波长3 8 1 0 7 5 4 x 1 0 。m 对应的是一段曲线。 l l 东南人学坝i j 学位论文 图2 - 6 c l e1 9 3 1 色品图 光谱色的饱和度最高，白光的饱和度最低。在色品图上，色品点靠近光谱色色品轨迹的颜色， 饱和度高，愈靠近白光色品点，颜色的饱和度愈低。 ( 3 )c i e1 9 6 4 补充标准色度学系统 前述的1 9 3 1c i e r g b 标准色度学系统和1 9 3 1c i e x y z 标准色度学系统只适用于小视场条件下 的颜色标定。为了适应大视场情况下颜色的测量和标定，c i e 在1 9 6 4 年公布了补充色度学系统。它 规定了适合于大视场使用的补充色度观察者光谱三刺激值和色品图，色品图见图2 7 所示。 0 ，8 o 6 y 04 j ：0 ，2 0 ，l 、 j 1 4 0 l3 0 0 i s 7 e 、枷 ：9 0 f 詈e絮 3 0 k6 二0 ) 4 s o ， 7 0 0 r , m 。 ， k 口o 4燧、 ， 3 0 ) 眦 0 0 2 0 40 6 08 嚣_ 图2 7c i e l 9 6 4 补充标准色度学系统色品图 1 2 第一：帝测试系统删论埔础 2 3 标准照明体和标准光源 光是色的物理基础，光源照明是早色不可缺少的条 ，l ：。同一色样，住不同光源照明卜，可能节 现出不同的颜色。为了统一颜色测量，除了建立标准色度学系统之外，还应对色度川照明光源作统 一规定。 人们观察颜色，人部分是在白天日光卜进行，测色也虑在这样的照明条件卜进行才符合实际。 但是，日光有早、中、晚时相的变化和晴、阴、雨大气的影响，还有地域的差别， j 起来很不方便。 因此，应寻求照明效果和日光相同或接近的人工照明来代替。 c i e 经过对日光人量测量和充分研究之后，推荐了五种色度用标准照明体及相应的实现这些照 明体的标准光源。 照明体是一种具有确定光谱功率分布的照明光，光源则是实在的物理辐射体。c i e 所以规定标 准照明体，是因为测色照明的关键是照明光的光谱功率分布，并且很少改变。而光源会随着技术进 步不断更新。 c i e 推荐的五种标准照明体【1 0 1 i 川为a ，b ，c ，d 和d 6 5 0 标准照明体a ，具有热力学温度为2 8 5 6 k 黑体的光谱功率分布。实现a 照明体的光源是色温为 2 8 5 6 k 的嗅钨灯，称作标准光源a ，或称之为a 光源。 标准照明体b ，具有相关色温为4 8 7 4 k 的中午直射日光的光谱功率分布。 标准照明体c ，具有相关色温为6 7 7 4 k 平均日光的光谱功率分布，有接近阴天天空光的颜色。 标准照明体c 由标准光源c 来实现。标准光源c 由a 光源和另一种杰布森戴维斯液体滤光器构成。 标准照明体d 6 5 具有相关色温为6 5 0 4 k 典型日光的光谱功率分布，有更接近日光的紫外光谱 成分，能更好的代表日光。d 6 5 是c i e 推荐优先使用的标准照明体。实现d 6 5 的光源还没有标准化， 尚处于研究阶段。可能的方案有三种，即高压氮灯加滤光器、白炽灯加滤光器、荧光灯。其中，第 一种方案效果较好。 照明体d ，代表除d 6 5 而外的所有典型日光，其中较重要的有d 5 5 和功5 等，均用在特殊场合。 在本实验室所研制的电光源光电参数测试系统中使用的是标准照明体a ，我们称之为标准灯。 但是在该测试系统中，标准灯的作用不是负责照射样品，而是负责提供一个测试参数的参考标准， 便于确定其它非标准灯的各参数值。 2 4 照明和观察条件 虽然c i e 照明和观察条件是对被测样品而言的，但是本实验室所研制的电光源光电参数测试系 统中使用的前端探测系统是在c i e 照明和观察条件基础上修改而成的，它适应于对照明光源本身光 电参数的测试要求。下面简要介绍一下c i e 对照明和观察条件的规定1 7 i l 剐。 因为照明和观察条件的不同，也会使同一色样呈现的颜色有所不同，为正确的评价颜色，照明 和观察条件亦应统一。为此，c i e 对照明和观察条件做了规定。c i e 规定不透明样品的色度测量应 1 3 东南人学坝卜学化论文 符合卜述四种_ l 明和观察条什之一，示意图如图2 8 所示。 4 5 o a ) 0 4 5 b ) “0 o d c ) d ) 图2 8 四种照明和观察条件 ( 1 ) 4 5 。垂直( 缩写为4 5 o ) 样品被一束或多柬光照明，照明光束的轴线与样品表面的法线成4 5 。2 。的角度。观察方向和 样品法线问的夹角不应超过1 0 。照明光束中任一条照明光线与光轴的夹角不得超过8 。观察光束 应遵守相同的限制。如图2 - 8 ( a ) 所示。 ( 2 )垂直4 5 。( 缩写为0 4 5 ) 样品被一束光照明，该光束的轴线与样品表面法线之间的夹角不应超过l o 。在与法线成 4 5 。2 。的方向观测样品。照明光束的任一照明光线与光轴的夹角不应超过8 。观察光束亦应遵守 相同的限制。如图2 - 8 ( b ) 所示。 ( 3 ) 漫射垂直( 缩写为d o ) 样品用积分球漫射照明，样品的法线和观察条件光束的轴线间的夹角不应超过1 0 。积分球可 以是任何直径的，只要开孔部分的总面积不超过球内反射面积的1 0 即可。观测光束中任一观测光 线与观测光轴间的夹角不应超过5 。如图2 - 8 ( c ) 所示。 ( 4 ) 垂直漫射( 缩写为o d ) 1 4 * 0 “m 乐境缱址m 样晶被求光照1 日，陵兆粜的轴线。样品表面法线俐的夹角币脚超过1 0 - 川积分球收集样m 反射光通蛙，照明光束中仟意光线一。其光轴的夹m 小麻超过5 。积分球- 以址任何释的。只婪开 扎部分的面积不超过球内反射面积的1 0 即可。如刚2 - 8 ( d ) 所不a 本实验室研制的l 乜光游光电参数测试系统与斤两种方式一样都使” r 秘分球。1 ：| _ ! 是，该测试系 统的甘的不在丁测域样品而在r 测试光源，所虬，f _ 没有使川样晶，或青可以认为是透明样品。l 乜 光源发出的辐射直接经税分球漫反射后通过光纤接山至单色仪分光+ 2 厉接至探4 器p m t ( 光屯倍 增管) 以实现光信号向电信号的转换。 2 5 光源及其特性参量 2 5i 光源及其辐射特性 现在常用的光源【“址要包括自炽灯、低强度气体放电灿以及高强度气体放电灯当然近年米随 着白光l e d 技术的突破出现了一些基于l e d 的照明光源。 白炽灿有1 0 0 年以上的历史，是种类最多的光源，苴光具有与太日l 光相同的连续性光谱a 自炽 州中的州体钨在大约3 0 0 0 k 时的炽热可能是现_ 争虽为人熟悉的人造光源。对于白娥体，辐射的色表 随着辐射体的温度的升高而从暗红，经过桔黄、发白、而后是炽蓝。理想的白炽辐射体也就是黑体 业者完全辐射体。我们可以通过黑体辐射的基本理论来计算白炽辐射的基本性质。电光源光电参数 测试系统中使用的标准灯即为白炽灯。 白炽灯主要包括普通白炽灯及其改进型的卤钨灯。将通向炽灯是由玻璃外壳、灯丝、支架、引 线和灯头等部分组成。其中灯丝用钨丝制成灯玻璃泡内一般先抽成真空，然后再充蛆一定比例的 氩、氨混合气体。普通向炽灯主要靠钨丝上电后热致发光。卤钨灯的i 作原理与普通向炽灯一样 但结构上有比较大的差别，最突出的一点是卤钨灯管内在充入气体的同时也加入了微量的卤素物质。 加八的卤素物质可以形成钨卣再生循环，防j h 普通向炽灯长时间使用后灯泡变黑蛔丝变细。普能白 炽灿和荧光灯如图2 - 9 所示。 图2 - 9 普通白炽灯和卤钨灯 低强度气体放电灯主要包括常见的荧光订咀及低压钠灯。荧光们是室内照明应用最r 的光源， 被称为第二代光源，与白炽灯相比，具有光效高、寿命长、光色和显色性都比较好等特点，因此在 太部分场合取代了白炽灯。荧光灯灯管由玻璃制成，内壁滁有荧光粉，两端装有钨丝电极，并日l 至 管外。管内抽成真空，再封装气压很低的汞蒸汽和惰性气体( 如氩、氪、氖等) 。荧光灯主要靠汞蒸 1 5 宣0 汽放电时广巾的紫外线馓敏削竹山罐的姨光物质l _ _ i 发i l _ u r 虻兜。低tj i 钠蒸汽放l u 和f 。lj r 永蒸汽 放l u ( 荧光蜘) l 一分相似，部芷稀有气体和金属蒸汽的混台+ t 体的破l b 。f 【e j l 钠上耍由放电管、引 瞥刊灿头卅r 垃。陋l 为钠晌熔点比来高，所以要求钠电弧放l u 管的温度比荧光符高。为了健灯管能保 存能量，将剀壳抽奠空，使得灿管与环境绝热。低压钠蜘产生的j # 振辐射的波k 剌视见曲数( 光谱 光敛率) 曲线的峰值相近这就使得低压钠蜘成为目前发光教率蛀高的光源。低压钠赳产生的辐射 是单色黄光被泛川f 道路照明中。荧光ej 利低压钠如削2 - 1 0 所示。 图2 - 1 0 荧光灯结构与低压钠灯 高强度气体放电灯蛙从2 0 世纪3 0 年代初开始在