（光学工程专业论文）基于快速扫描的光谱测量技术研究及其应用.pdf

浙江人学硕士学位论文 摘要 作为高科技时代最受重视、应用日益广泛的光谱分析检测技术和光谱仪器，经 过近百年的发展，现已经成为- - 1 7 成熟的理化分析与检测技术，有效地适应着当代 科技和各产业提出的种种光谱分析、检测要求。为了更广范围向高科技知识密集化 发展，适应当今光、机、电、算一体化发展趋势，对光谱仪器提出了新的要求。 本硕士论文基于电子扫描光谱快速测量技术的对其色度、光通量、薄膜特性测 量技术进行了讨论和研究。通过理论推导、数学模拟、建立实验平台以及实验验证 等一系列步骤，完成了对光度和色度等特性的多功能测量系统的。 论文首先回顾和总结了光谱分析和测量技术的发展概况，概括了现有的光谱测 量技术的基本结构及其分类。然后，从色度学和光度学等科学的角度出发，推导了 用于色度、光度以及光学介质特性测量的理论基础。 接着，论文对本课题中提出的测量系统作总体介绍，包括硬件上的构成和配套 分析软件的各重要功能，并实验验证其准确性和可靠性。 其次，对光谱实时测量系统和配套分析软件的功能进一步延伸，对其在光学介 质特性测量中的应用做了简单介绍。 最后，对全文进行总结，并就光谱实时测量系统仍然存在的一些不足提出改进 方向。 关键词：光谱实时测量色度学光度学颜色测量光通量光学介质光学特性 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h eh i g h l yi m p o r t a n ta n dw i d e l yu s e dt e c h n i q u ei nt h eh i g h t e c ha g e ，s p e c t r u m a n a l y s i s d e t e c t i o na n ds p e c t r o m e t e r , h a st u r n e dt ob eac o m m o nm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ， a f t e rn e a r1 0 0 y e a r sd e v e l o p m e n t i ta d a p t st oa l lk i n d so f r e q u i r e m e n t sf r o ma l lk i n d so f a r e a s e f f e c t i v e l y i n o r d e rt of i tt h et r e n do f i n c o r p o r a t i o n f o r o p t i c s ，m e c h a n i c s ， e l e c t r o n i c sa n d c o m p u t e r , s p e c t r o m e t e r n e e d st om a k en e w p r o g r e s s t h i sp a p e rs t u d i e so nt h er e a l - t i m em e a s u r e m e n to fe h r o m a ，l u m i n o u sf l u xa n d o p t i c a l m e d i u mb a s e do n s p e c t r u m m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e ，t h r o u g h t h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n ，m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n ，b u i l d i n ge x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta n de x p e r i m e n t t e s t i n g ，a ni n t e g r a t e dm u l t i f u n c t i o n a lm e a s u r i n gs y s t e m h a sb e e n d e v e l o p e d t h i s p a p e r ，n r s a y ，g i v e s a r e t r o s p e c t t ot h e d e v e l o p m e n t o f s p e c t m m a n a l y s i s d e t e c t i o nt e c h n i q u e s ，s u m m a r i z i n gi t s m a i ns t r u c t u r e sa n dc l a s s e s s e c o n d l y ， d e r i v e df r o mt h et h e o r yo f c o l o r i m e t r ya n dr a d i o m e t r y , t h eb a s i cm e t h o d sw en e e di n m e a s u r e m e n to fc h r o m a ，r a d i a t i o na n d o p t i c a lm e d i u m c h a r a c t e r i s t i c sh a v e b e e nd e r i v e d t h i r d l y , w ei n t r o d u c e d t h em e a s u r i n gs y s t e mw ed e v e l o p e d ，i n c l u d i n gh a r e w a r ea n d s o f t w a r e a n di no r d e rt op r o v ei t sc o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t y , w eg i v et h ee x p e r i m e n t r e s u l t s ，f i n a l l y , s e v e r a lp o i n t sa n dd i r e c t i o n sa - ep r o p o s e dt h a tt h ea u t h o rb e l i e v e sc o u l d b ef u r t h e ri m p r o v e di nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s p e c t r u m ，r e a l t i m em e a s u r e m e n t ，c o l o r i m e t r y , r a d i o m e t r y , c o l o r m e a s u r e m e n t ，l u m i n o u sf l u x ，o p t i c a lm e d i u m ，o p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c 浙江人学硕士学位论文 第1 章绪论 光谱测量仪器是光学仪器的重要种类之一，它是一种利用光学光谱的色散原理、衍 射原理或光学调制原理而设计，研究、测定光辐射的频率、强度特性及其变化规律，用 于对物质的结构和成分等特性进行测量、分析和处理的基本光学仪器川。 传统的光谱分析检测技术基于光的发射和吸收原理，传统光谱仪器是基于光学、精 密机械和电子学的技术基础，近年来各个科技领域的飞速发展已推动了光谱分析检测技 术和光谱仪器的突破性发展，而使之成为高科技知识密集化的典型忙】。现代光谱测量仪 器具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点。光谱技术的应用几乎覆盖了所有的科 学领域，怎样将光谱仪器更有效的运用到更多的领域中去，成为了新的研究课题。 1 1光谱测量技术的发展及其应用 1 1 1 光谱 电磁波谱范围包括了从宇宙射线、x 射线、紫外线、可见光、红外线、雷达射线， 无线电波、和交流电等，波长从l o _ 1 4 米到1 0 8 米数量级范围的电磁辐射【1 】。而光学光谱仅 占了整个电磁波区的- - d , 部分，是指从远紫外( 即真空紫外光谱区，波长极限为l o 埃) 到远红外光谱区( 波长极限为l 毫米) 的整个波段，如图1 1 所示。 1 1 2 发展历史 1 1 电磁辐射波及光学光谱范围 图 浙江大学硕士学位论文 1 6 6 6 年，英国物理学家牛顿第一次将太阳通过圆孔射到置于暗室中的三棱镜上，太 阳通过玻璃三棱镜分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等7 种彩色圆象，在另一个实验 中，牛顿把分离的彩色圆象再通过同样的三棱镜，将它又重新组合成“白光”。这样，人 类第一次通过实验认识了光的复杂光谱组成。1 8 1 4 年德国物理学家夫朗和费 ( f r a u n h o f e r ) 设计制成了包含有色散棱镜、狭缝和观察镜的分光装置，并用它观察太 阳光。发现了太阳光谱中的吸收暗线( 即后人命名的夫琅和费线) ，首次认识到吸收光谱 的存在。到1 8 5 9 年，克希霍夫( k i r c h h o f f ) 和本生( b u n s e n ) 为研究金属的发射光谱， 制成了世界上第一台结构完整的光谱仪器【4 】。经历近两百年的时间，开创了现代光谱仪 器的发展历史，逐渐地形成了现代光谱仪器的基础。 之后，光谱定性分析逐渐走入实验室，成为各学科研究工作的有力工具。同时，也 从其中的分光原件也逐渐从棱镜发展到尝试性的使用光栅为元件【8 】。二十世纪初，随着 定量光谱分析方法的逐渐完善，在工业部门中广泛应用，光谱仪器也得到了迅速发展： 主要体现在改善光源的稳定性( 从火焰到电弧等) 和提高光谱仪器本身的性能( 光栅刻 划技术的提高) 上，至二十世纪五十年代，光栅光谱仪己基本形成系列。 7 0 年代初，性能完善而价格低廉的微型计算机在市场上出现后，开始了用微型计算 机控制光谱仪器的进程。 近年来，随着计算机技术的发展，计算机的价格越来越便宜，应用越来越普及，功 能越来越强大，计算机已经成为光谱仪器整机中一个不可缺少的组成部分。在光学、信 息、电子学等技术的基础上，光谱仪器和计算机的结合，实现了对仪器的控制，有力的 促进了光谱仪器的光电化和自动化，提高了工作速度的和分析精度。 由于新型光电、热电等材料的出现以及集成元、器件及探测技术的发展，发展了适 用于广各波段的高探测极限灵敏度的真空光电子元、器件、半导体光电、热电元、器件， 热释电器件和电荷耦合器件( c c d ) ，为光谱辐射钡9 量提供了探测元、器件f 5 j 。把传统的色 散型光谱仪和固体成象器件结合起来，是器件的光敏面和靶面上的每个象元同时接收到 波长不同的光谱元，在用电子束扫描的方法将这些光谱元信息读取和显示出来，得到要 求的光谱图。这种器件的灵敏度高，“曝光”时间极短，而电子束扫描速度快，可以用来 研究微秒甚至纳秒量级的过程。 同时，激光技术的发展拓展了光学微区光谱分析的道路。 1 1 3 发展趋势 随着光谱测量技术应用的日益广泛，光谱测量仪器亦处于不断的发展中。它方面 1 2 浙江大学硕士学位论文 随着光谱学和光谱技术及其他利用光谱学和光谱技术作为研究分析手段的科学技术领域 的发展而发展。另一方面，由于电予技术、微机技术、激光技术的迅速发展和引进，经 典的或者常规的光谱仪器在工作原理未变的情况下，已大大改变了面貌，成为光、机、 电、微机等高级技术结合的精密、自动化、智能化的仪器。经典的常规的光谱仪器和新 技术的结合，提高了仪器的性能，扩展了仪器的功能，进一步开拓了光谱仪器的应用领 域。今后，为了满足更广泛的需求，光谱仪器的发展必然朝着以下几个方向发展m 7 1 ： 1 ) 小型化、专门化、简用化 这是光谱仪的新时代发展另一方向，它与大型、高、精、尖发展方向逆对的发展方 向。光谱仪器中必需的光源、分析器件、探测器件、微电子器件、微处理器等等，如今 都已有种种小型化、微型化、全固态的产品可供应用，加上近年来在光谱数据处理软件( 如 化学计量学软件) 的发展，光谱仪器小型化、简用化才得以迅速发展，可以预计，今后若 干年不但对小型化、专门化、简用化、家用化光谱仪器的需求会更加增加，而b 开发这 些仪器的硬件软件物质条件会更加齐备，因此光谱仪器发展这一端方向不可忽视，其科 技发展意义和市场扩展前景是十分重大的。 应该强调，新时代光谱仪器小型化发展并不意味着低水平，其技术指标、功能水平 都是符和新时代光谱分析检测技术发展要求的。 2 1 光谱传感器微型化、生物化 现在已有不少仪器采用光纤与化学试剂或生物材料( 如酌) 的种种结合，构成微型光 纤化学、光纤生化光谱传感器( 微光谱探头) ，这方面的研究和实用化今后肯定还会不断 深化和推广。 目前纳米技术和纳米材料科技的快速发展，也肯定会促进光谱传感器微型化进程。 目前，已有采用纳米粒子进行荧光免疫和增强r a m a n 检测的技术和仪器报导，用于病毒 感染、心血疾病和癌症的分析、诊断。 芯片技术已从半导体集成电路技术移植到微型传感器技术，尤其在生物医学分析仪 器和战场生物、化学毒物监侧仪器中，应用前景无量。 3 1 光谱仪器网络化 当今网络铺天盖地、无孔不入，光谱仪器中配置调制解调器连接i n t e m e t 网络的想 法顺理成章、并已在不少国外光谱仪器中实施。今后的问题是光谱仪器网络化的内涵、 功能、实效究竟如何，会对光谱分析检测技术和光谱仪器的发展产生什么影响，有多大 多深的程度，还需静观深思。 浙江人学硬士学位论文 光谱仪器虚拟化 建立在计算机硬件、软件发展基础上的虚拟化仪器设计目前正方兴未艾，这预示了 今后仪器设计观念和应用模式的巨大变革。传统仪器单一、任务固定对象的设计和应用 概念受到冲击甚至会被突破。可以预期，像光谱仪器这样广泛应用的仪器，集虚拟、模 糊新概念的设计思想、设计方法一定会影响下一代光谱仪器的设计、制造和使用，而且 不仅只影响到光谱分析检测数据的处理和应用，是否会搅乱( 或重组) 传统光谱仪器谱系 和型式惯例，现在还难以评说。 1 1 4 光谱仪器的应用 自从1 8 9 5 年k i r c h o f f 和b u n s e n 制成世界上第一台光谱仪器以来，光谱仪器一直以 高速度发展着，并渗透到各个领域的研究与应用中。 由于光谱特性信息是由物体的内在性质决定的，而不是由外形决定的，所以通过对 物体的光谱特性分析，就能获得由其它方法所不能获得的物体的内在属性在检测技术领 域，因此，光谱仪器和光谱分析技术有着非常广阔的应用前景。在现代科学和技术的很 多领域。都离不开光谱仪器和光谱分析。光谱技术的应用几乎覆盖了所有的科学领域口】。 现代生物学已发展到分子生物学层次，在探索和研究细胞内外一系列涉及分裂、变 异、遗传生物机理工作中( 例如r n a 和d n a 的浓度分布及其变化、细胞内外c 2 + 的浓度 变化、受体反应及膜反应，等等) ，显微荧光光谱分析是最灵敏、可靠的分析检测手段。 现代环境和生态保护研究的实践要求对极低含量污染物进行连续、准确监测，而且 常常要求随时可实现现场实时监测，因此快速、可遥测、无污染的光主谱分析技术和种 种专门设计的光谱仪器成为最理想的手段。 现代战争涉及的战地现场化学毒剂或生物毒剂的实时快速判断、定量分析，是光谱 分析手段的最新应用。 现代高速高效高质工业大生产及现代农业的发展，提出了更灵敏，更快速的成份分 析监测要求甚至多成份快速、无损监测要求，这又为光谱分析和仪器提供了最擅长的用 武之地。 总之，在当今信息时代的快速发展过程中，光谱分析检测技术和光谱仪器因其高灵 敏、高分辨、高速度、可摇测、无污染、干扰小等一系列区别于其它分析检测方法和仪 器的特征优点，确实已成为各种理、化、生物、环境信息最佳的优选信息源头手段，可 为截然不同的领域提供宏观或微观信息，成为信息时代的科技“尖兵”。 浙江人学硕士学位论文 1 2 光谱测量仪器及其分类 1 2 1 基本结构 光谱测量仪器是应用光的色散原理、衍射原理或光学调制原理，将不同频率的光辐 射按照定的规律分解开、形成光谱，配合一系列光学、精密机械、电子和计算机系统， 实现对光辐射的频率和强度的精密测定、研究的目的。此类仪器的基本结构框图如图1 2 所示。 厂磊订 i 矍望至竺l 图1 2 ：光谱仪器基本结构框图 1 ) 光源和照明系统 光源是用来被研究的对象，或者用来照射或激发被研究的物质的。照明系统用来尽 可能多地会聚光源辐射地光能量，并传递给仪器地准直系统。 2 ) 准直系统 一般由入射狭缝和准直物镜组成。 3 ) 色散系统 色散系统是用来将入射地复合光分解为光谱。 4 ) 聚焦成像系统 把在空间上色散开的各波长的光束会聚或成象在成象物镜的焦平面上，形成一系列 按波长排列的单色狭缝象。 5 ) 探测和显示系统 这一部分的作用是接收各光谱元的信号，并测量其组成啵长、强度等，并记录 和显示。 1 2 2 分类 光谱仪器的分类方法有很多种，如，根据其色散元件的分光原理，可分为：棱镜光 谱仪、衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪；根据应用的光谱区，可分为：真空紫外光谱仪、 近紫外可见近红外光谱仪、红外光谱仪和远红外光谱仪；根据光谱仪的出射狭缝，可分 为：单色仪、多色仪和摄谱仪等多种分类方法【j 。 色散系统是光谱仪器的核心部分，它是建立在一定的色散原理之上的，按波长分离 浙江大学硕士学位论文 波长的方法，主要有一下几种方式： 1 ) 物质色散方式 常见的元件有棱镜，它是根据不同的波长的辐射在同一介质中传播的速度不同，因 而折射率不同，发生色散，如图1 3 所示。 图1 3 ：物质色散方式图解 2 ) 衍射色散方法 常见的元件有衍射光栅，它是利用多缝衍射，不同波长的辐射在同一入射角条件下 射到多缝上，经衍射后其衍射主极大的方向不同。 3 ) 干涉色散方法 常见的元件有多光束干涉滤光片，它是由于干涉作用得到的干涉条纹的位置不仅与 干涉级次有关，而且与光波的波长有关，从而发生色散。 1 。3 本论文主要内容及创新点 光谱技术是近百年来已发展成熟的理化分析、检测技术，二十世纪后期二十年左右 光谱技术和光谱仪器的发展在新的需求和新的条件刺激和支持下，获得了前一百年未曾 见到的突破性发展：在这新世纪的时光里确实在光谱技术和光谱仪器领域出现了令人惊 诧的复兴和大发展浪潮。光谱仪器的数字化，智能化，使其应用范围日益广泛，需求越 来越大。体积轻、重量小、使用方便、可集成、功能全面的光谱测量系统将更受欢迎， 同时要求其测量速度快，实现实时测量或监测。 在这种背景下，本论文研究了一种基于电子扫描快速光谱测量仪器的钡6 量系统的应 用，该系统在一套光谱实时测量系统上完成了实时的色度测量，光通量测量以及薄膜厚 度测量。三种应用均以光谱测量仪器为主体展开，硬件上系统具有性能稳定、测量精度 浙江大学硕士学位论文 高、结构简单紧凑，易于操作等优点；配套软件的功能强大、人性化、速度快，并实现 实时测量。 在本章简要介绍了光谱测量技术原理、发展及其应用之后，本硕士论文将主要围绕 一下几个部分展开深入讨论： 第二章简要介绍了光度学与色度学的基础知识，它是进行色度测量和光通量测量的 理论基础： 第三章着重介绍本测量系统的总体实现，包括整体的系统结构以及测量系统中的各 部分：光源、光谱仪器，光路介绍以及计算机配置等； 第四章主要介绍了我们研制的配套软件的强大功能及其特点所在； 第五章在我们给出的硬件系统和配套软件的基础上，以车灯的光通量测量为例，进 行实验，并给出了初步实验结果； 第六章对该实时测量系统的应用进一步扩展，给出了它在光学薄膜厚度和光学特性 测量上的应用： 第七章对我霄 已经进行了的工作做了总结，并对尚需进一步开展的工作提出展望。 1 4 参考文献 1 陈复生精密分析仪器及其应用四川科学技术出版社，1 9 8 8 2 范世福光谱技术和仪器的新发展光学仪器，2 0 0 0 ，2 2 ( 4 ) ，3 5 4 0 3 吴国安光谱仪器设计科学出版社，1 9 7 8 4 李全臣，蒋月娟光谱仪器原理【m 】，北京：北京理工大学出版社，1 9 9 9 5 曾延安，梁荫中c c d 在光谱分析系统中的应用研究1 9 9 8 ( 4 ) 6 张开逊仪器仪表与现代社会仪器仪表学报，1 9 9 7 ，1 8 ( 5 ) 7 金钦汉从9 9 匹兹堡会仪看分析仪器的跨世发展动向现代科学仪器，1 9 9 5 l , n o 5 ， n o 8 8 李燕青，郝德阜衍射光栅制造技术的发展长春理工大学学报2 0 0 3 ，2 6 ( 1 ) 浙江大学硕士学位论文 第2 章光度学与色度学理论基础 由于本论文主要的研究内容是运用光谱测量技术，实现对物体色度、光源光通量和 薄膜特性的快速实时测量，基于此，本章重点对该测量系统中相关的色度与光度的理论 基础做介绍。 2 1光与视觉 图2 1 ：可见光光谱 当外界物理辐射量以能量( 或者功率) 为单位来评价时，定义为辐射量。这是纯物 理量，属于辐射度学研究范围。能被人眼直接接受而引起视觉的光辐射只是电磁波谱中 狭窄的一个波段，即波长在3 8 0 - - 7 8 0 n m 之间，如图2 。1 所示。通常称这一波段为可见光。 因此，人眼的结构对于引起视觉起着决定性的作用。 2 1 1 眼睛结构和特性 人的眼睛是一个前后直径大约为2 3 m m 的近似球状体，由眼球壁和眼球内容物质构 成。其中视网膜在眼球中的最内层，是感光部分，它为一层透明的薄膜，视网膜的最外 层有视觉感光细胞锥体细胞和杆体细胞i j 捌。 对人眼进行的大量研究结果表明，锥体细胞和杆体细胞有着不同的视觉功能【2 ：锥 体细胞的感光灵敏度低，在亮度3 c d m 2 以上的光亮条件下起作用，能分辨颜色和物体的 细节，称为锥体视觉，或明视觉；杆体细胞只能在亮度为0 0 0 1 e d m 2 的黑暗条件下起作 用，称为杆体视觉，或暗视觉。丽在视网膜上锥体细胞和秆体细胞的分布不均匀，这种 状态使得视网膜的中央部分与边缘部分具有不同的视觉功能。 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 眼睛的视觉功能 当照明条件改变时，眼睛可以通过一定的生理过程对光的强度进行适应，以获得清 晰的视觉，这种大范围的亮度变化条件下，主要是通过锥体细胞与杆体细胞作用来适应， 称为眼睛对亮度的适应性。 相 对 夏 敏 度 口口s w r u u 图2 2 ：明视觉和暗视觉的相对灵敏度函数 对眼睛的研究还表明，视网膜对可见光不同波长的感光灵敏度不同，它对黄绿光的 灵敏度最高，而对红光和蓝光、紫光的灵敏度则很低。即，人眼对能量相同但波长不同 的单色辐射感觉为不同的明亮程度。人眼的这一特性，可由实验所获的曲线说明：在各 个波长的单色辐射能量相等的光谱上，测试人眼对各个波长的单色光的灵敏度，在明视 觉和暗视觉条件下，分别得到如图2 2 所示的两条曲线，这两条曲线分别称为明视觉和 暗视觉光谱光视效率曲线，也称明视见函数和暗视见函数”l ，分别用y 0 ) 和矿似) 表示。 然而，不同人的视觉特性是有差别的，1 9 7 4 年国际照明委员会( c i e ) 根据吉普逊 等几个科学家在明视觉条件下对2 0 0 多名观察者测定的结果1 4 】，经统计平均后，推荐了 一个标准的明视见函数矿以) ，它是光度学计算的一个重要评价标准。 另外，锥体细胞还起着区别颜色的作用，如果锥体细胞退化或丧失功能就会导致色 盲。由于锥体细胞并不是由同一类细胞组成，在视网膜中存在着三种不同类型的锥体， 它们对不同的光谱有着不同的吸收，即光谱灵敏度不同，它们受到光刺激时有不同的响 应，这种响应的总和便形成了单一的颜色感觉。三种锥体细胞的光谱响应曲线中锥体细 胞t 对蓝光( 波长4 4 5 4 5 0 n t o ) 最敏感，锥体细胞d 对绿光( 波长5 2 5 5 3 5 n m ) 最敏感， 锥体细胞p 对黄光( 波长5 3 5 5 7 0 n m ) 最敏感p 1 。 浙江大学硕士学位论文 2 2 光度学 我们知道物理辐射作用在观察者的视觉器官上便产生光的感觉，而人眼特殊的视觉 特性，使得辐射源客观上发射出的辐射能的大小，并不等于人的视觉系统主观上感受到 的那部分光辐射能的强度。光辐射能包括紫外辐射、可见光和红外辐射的全部辐射能量， 而人眼不仅把看不见的紫外辐射和红外辐射都排除在外，而且在数量上，人跟感受到的 光辐射能也并不等于看得见的那部分光辐射( 可见光) 的实际能量值。 因此，在光辐射测量中，与能量有关的量分为两类2 1 ：一是物理的，即客观的，叫 做辐射度学量，简称辐射量：另一类是生理的，即主观的，叫做光度学量。后者即是光 度学的研究范围，它把辐射量与人眼的视觉特性( c i e 标准光度观察者) 相联系而被评 价。 本节将简单介绍光度学中的基本量及其常用测量方法。 2 2 1 光度学中的基本量 1 ) 光量 光量，顾名思义，光的数量，它定义为光通量和照射时间的乘积，单位：流明秒， 符号为l m s ，表达式如式( 2 1 ) ： q ，= 阮o ( 2 1 ) 下标v 表示，它是一个光度学量，与辐射学量区别。 2 ) 光通量 光源在单位时间内发出的光量称为光通量，表示光源表面的客观辐射通量对人眼所 起的视觉强度，即，是能被人眼视觉系统所感受到的那部分辐射功率的大小的度量，光 通量单位流明( 1 u m e n ) ，符号为l m ，表达式如下： 丸= 警 ( 2 2 ) 光通量是检验电光源产品的重要指标，光效则是衡量电光源节能性能的关键参数。 光通量通常是将被测灯与已知光通量的标准灯在积分球内做比较测量；或用分布光度计 测空间各方向的光强分布，在计算光通量， 3 ) 光通量密度 某一点的光通量密度定义为包含该点的面元上的光通量除以该面元面积，即： 浙扛人学硕士学位论文 d 以 d s ( 2 3 ) 光通量密度有出射度m 。和光照度e 。之分：前者是描写面光源向外发出的光度特性， 单位为流明每平方米( 1 m m 2 ) ：后者则是描述光接收面的接收光度特性，单位为勒克斯 ( 1 u x ) ，符号为i x 。 4 ) 发光强度 光源在指定方向上的一个_ f t t d , 的立体角元d n 内所包含的光通量彩值，除以这个立 体角元，所得的商定义为光源在此方向上的发光强度： 扣等 ( 2 4 ) 单位是坎德拉( c a n d e l a ) ，符号为c d 。发光强度用于描述光源在某一方向上的发光能力。 5 ) 光亮度 光亮度用于描述光源每一单位面积在某方向上的发光能力，即单位面积上的发光 强度： l v = 西d l v ( 2 5 ) 单位为坎德拉每平方米( e d m 2 ) 。且，表达式( 2 - - 5 ) 中的发光强度，。和面元s 都具有 方向性，因而，s 应理解为一个在观察方向上的投影，即与立体角诞) 给定的方向垂直。 以上就是光度学研究和测量中最基本的5 个量。 2 2 2 光度基本量测量 物体的光度特性是在入射光辐射作用下必然显现出来的特征，它决定了物体的亮度 和色度。总的来说，对光度量的测量分为目视光度法和物理光度法两种。这里仅以光通 量的测量为例，做简单说明，在以后的章节中我们还将就我们开发的光谱实时测量系统 在光通量测量上的应用，到时再做测量原理以及方法的详细说明。 光通量的测量通常有两种方法【7 一i ：一是在积分球内利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9 1 ；另一种方法是用分布式光度计2 0 1 测定被测 光源在空间各个方向上的发光强度，计算后得到光通量。前一种方法比后者简单，但测 量精度不如后者。 浙江大学硕士学位论文 积分球法 积分球是一个球形空腔，由两个内壁涂以白色漫反射层( 硫酸钡或氧化镁) 的半球 壳组成，如图2 3 ，积分球涂层的好坏直接影响测光准确性。 图2 3 ：积分球示意图 球内放置光源，光源发射的光经过球比多次漫反射后，整个球壁内侧上的照度均匀 分布，因此，在球壁上任意一个面元探测到的光通量应正比于光源所发射的总的光通量， 经推导可得如下表达式： e ：上生 4 m - 1 一p ( 2 6 ) 其中r 为积分球半径，p 为积分球内壁涂层得漫反射比，均为常数。为球壁上任意一 点的光照度，为待测光源的光通量。 测量时，采用比较的方法，除了待测灯外，还需要一个光通量确定的光通量标准灯， 其光通量为九，先后将其放入积分球，在窗口处探测光照度，比较得待测灯光通量。 分布式光度计法 分布式光度计除了用来测量光通量，还可用于测定光源光强度得空间分布。对于大 功率的光源更适合于用分布式光度计测量其光通量。但是通常情况下，分布式光度计法 测量复杂，限于篇幅，这里不再熬述，有兴趣的读者可以参阅相关文献。在满足要求的 条件，一般采取积分球法。 2 3 色度学 色度学系统就是以人眼的视觉特性为基础，把心理现象( 颜色) 和引起色感知的物 理现象( 光的强度，波长等) 联系起来，定量描述颜色的。色度学研究的就是当辐射量 与人眼的颜色视觉特性( c i e 标准色度观察者) 相联系而被评价时。现代色度学采用c i e ( 国际照明委员会) 所规定的一套颜色测量原理，数据和计算方法，称为c i e 标准色度 2 1 2 浙江大学硕士学位论文 学系统。 为了定量的描述颜色，国际照明委员会先后制定了一系列定量描述颜色的色度空间， 如：c i e r g b 、c i e x y z 、c i e l a b 、c i e l u v 等色空间，并确定了c i e1 9 3 1x y z 颜色 空间与其它颜色空间的转换关系。由于c i e1 9 3 1x y z 色度系统中的c i e1 9 3 1 色品图和 c i e1 9 3 i 标准观察者光谱三刺激值是色度学的实际应用中的常用工具，几乎一切色度学 的计算和延伸都是由此出发的，也是实现颜色管理的基础j ，这里对c i e1 9 3 1x y z 系统 做一个简要说明。 2 3 1c i e1 9 3 1x y z 色度系统 c i e1 9 31x y z 颜色空间是由r g b 颜色空间推导来的。x y z 色度系统采用比光谱色 更饱和的三个设想的原色x y z ，代替原来的r g b 三原色，以避免r g b 系统中会出现负 值颜色坐标的缺点，同时可以简化一系列的色度计算。该系统是与设备无关的色度系统， 常用于色度系统转换。 标准观察者光谱三刺激值 我们已经知道，人眼的颜色视觉是由于辐射对人眼中视网膜上接收细胞的刺激，同 时三种锥体细胞对3 8 0 - - 7 8 0 t u n 范围的辐射可选择性吸收而产生的。这种可选择性的颜 色刺激可用光谱功率分布( s p e c t r a lp o w e rd i s t r i b u t i o n ，s p d ) 函数来表示。 图2 4 标准光谱三刺激值曲线 由于不同的人，三种锥体细胞的光谱功率分布有所不同，为了统一色度学中的评价 标准，1 9 3 1 年，c i e 国际照明委员会对许多观察者进行颜色视觉实验，按照统计平均的 浙江大学硕士学位论文 原则，规定了“c i e1 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值”，如图2 4 所示。以此代表人眼 的平均颜色视觉特性，用于色度计算，从而标定颜色。它适用于2 。视场的中央视觉观察 条件( 视场范围1 4 。) 。1 9 6 4 年，为了适合1 0 大视场的色度测量，又规定了一组“c i e 1 9 6 4 补充标准色度观察者光谱三刺激值”如图2 5 所示。它们的峰值波长分别为：4 9 5 n m 5 5 5 n m 和5 9 5 n m 。 图2 5 补充标准光谱三刺激值曲线 光谱三束h 激值代表了匹配各波长等能光谱刺激所需要的红( x ) 、绿( y ) 、蓝( z ) 三原色的量。从理论上来讲，如果要得到与某光谱相同的颜色，只要从三刺激值曲线 中对应光谱找到响应的i ( 丑) ，歹( ) ，三( ) ，它们的混色便是这一光谱的颜色。在实际的工 程应用中，可以使用三刺激值滤光片代替分光光度计来测量物体的三色坐标。 值得指出的是，这里给出的光谱三刺激值曲线并不是锥体细胞实际的响应特性，而 是它们的线性变换。在三刺激值i 0 ) 、歹以) 、j q ) 中，) ，q ) 与明视觉视见函数y 似) 一致， 因此，用y 以) 曲线可以计算一个颜色的亮度特性。 c i e l 9 3 1 色品图 c i e1 9 3 1 色品图是根据c i e1 9 3 1x y z 系统绘制出来的。根据颜色混合原理，它用 匹配某一颜色的三原色比例来规定这一颜色，图中x 色度坐标相当于匹配该颜色所需的 红原色的比例，y 坐标相当于匹配该颜色所需的绿原色的比例，而匹配该颜色所需的蓝 原色的比例z = 1 一x y ，所以图中没有z 坐标。三个色度座标中有一个是不独立的，因 浙江大学硕士学位论文 而可以用g ，y ) 直角座标系来表示各种色度，这样的平面图形就是c i e 色度图，如图2 6 所示。c 1 e1 9 3 1x y z 的颜色空间如图2 7 所示。 f 、 划。 i蜘i ， f厢 ；3 8 5 幅 豫s o ；。 00 20q o8 a8 z 图2 6 ：c i e l 9 3 1 色品图 在色品图中弧形曲线是光谱颜色轨迹，凡是落在光谱轨迹和由红端到紫端直线范围 外的颜色是不能由真实光线产生的颜色。由图可见，所有的色谱( 可见光谱中包含的一系 列单色) 都位于马蹄形曲线上，曲线上加注了毫微米标记，以便能根据它们的波长而辨别 其单色。在马蹄形内部包含了用物理方法能实现的所有彩色。马蹄形的底部没有给予标 记，因为那里是非谱色( 各种紫红色，这些彩色不能作为单色出现在光谱上) ，对于这些 非谱色，波长当然是没有意义的。马蹄形内部的帆线上各点表h ；桐应也颜包光源的相关 色温。 需要指出的是，c i e1 9 3 i 色品图不能正确反映颜色差别的视觉效果。麦克亚当 ( d l m a c a d a m ) 在c i e 色品图上不同位置选择了2 5 个点，确定起眼色辨别的恰可察 觉差，实验结果如图2 8 。也就是说该图中距离相等的两对颜色，给人眼引起的视觉色差 并不一样，那么如果用x y 色品图上两个颜色色度点之间的距离作为色彩感觉差别量的度 量，就会给人们造成错误的印象，影响到颜色的匹配和色彩复制的准确性，给色彩设计 与复制技术增加困难。因此c i e l 9 3 1 x y 色品图不是一个最理想的色度图。就此，c i e 国 际照明委员会做了一系列改进，得到了几种不同的匀色空间，这里就不再熬述。 0 0 0 0 浙江大学硕士学位论文 y 黔 图2 7 ：在c i e1 9 3 1x y z 颜色空间中表示可见的颜色 图2 8 ：麦克亚当的颜色椭圆形宽容量范围 2 3 2 颜色三刺激值计算 物体的颜色不仅和光源，还和物体本身的光谱反射特性有关。为了计算物体或光源 颜色的色度坐标，首先须对光源的光谱功率分布或物体的光谱反射率因数进行测定长上 的光谱反射率因数。因此为了用数值表示物体的色度值，首先需对物体的光谱反射率因 数进行测定，然后根据照明光源的光谱功率分布计算颜色的三刺激值，再由三刺激值转 换为色度坐标。所以颜色的三刺激值和色度坐标是表示一个物体颜色的基本属性。 颜色三刺激值，y ，z ) 的计算方法如下： = 世f s 以如以污o m y = k l s d p 0 涉o m z = x l s 以扣轵) 私) 烈 ( 2 7 ) 其中k 为调整因子，s 以) 为光源的相对光谱能量分布，根据光源情况的不同，可选 浙江人学硕士学位论文 择不同的光谱能量分布，如标准照明体d 6 5 ，d 5 0 等，i 以l 歹以l 三0 ) 为象征人眼视觉特 性的标准观察者的光谱三刺激值，是国际照明委员会确定的标准。p 以) 为所测颜色的光 谱反射率因数。式中调整因了k 规定为，将所选照明体的y 值调整到1 0 0 ，即满足： k 2 丽顽1 0 0 面 c z _ 8 ) 计算时，通常用求和代替积分。 将颜色在色品图中表示，其色品坐标g ，y ，z ) 有： x x + y + z y v = x + y + z z x + y + z ( 2 9 ) 常用的用来测量颜色的仪器有色度计和分光光度计，它们都可以用来测量颜色的三 刺激值，不同的是从色度计中我们可以直接读出，y ，z ) 的值，而分光光度计中我们只 能得到一系列的“兄) 值，然后通过求和代替积分的方法计算得伍，y ，z ) m 。 2 3 3 光源的色度学 由于光源的特性对于物体的颜色，以及颜色的测量有很大影响，因此有必要对光源 的色度特性研究和规范。当代评价光源颜色特性的技术参数丰要有光源颜色的三刺激值、 色温( 相关色温) 、显色性等1 1 。限于篇幅，这里仅对一些相关的概念简单阐述。 色温与相关色温 一个光源发出的光是由许多不同波长的辐射组成，各个波长的辐射功率也不相同， 光源的光谱功率分布按波长的分布称为光谱功率分布。一定的光谱功率分布表现为一定 的光色。我们把光源的光与黑体的光相比较来描述它的光色。 黑体是指在辐射作用下既不反射也不透射，而能把落在它上面的辐射完全吸收的物 体。黑体被加热，其表面按单位面积辐射的光谱功率的大小及分布完全取决于它的温度。 因此，用黑体加热到不同温度所发出的不同的光色来表达一个光源的颜色，称为光源的 色温。由于有的光源的光色并不能恰好等同于某个温度下的黑体的辐射只能用与黑体 轨迹最接近的颜色来确定该光源的色温，称为相关色温。图2 5 中给出了黑体不同温度 浙江大学硕士学位论文 的色度轨迹。 光源显色性 由物体颜色三刺激值的计算方法可以知道，物体的颜色不仅与物体本身的特性，如 反射比、透射比、光谱辐亮度系数等有关，还与照明光源的颜色特性有很大关系。显色 性反映了光源对物体的显色能力的好坏，目前定义光源显色性的普遍方法是计算显色指 数，也是衡量光源颜色特性的重要参数。 按c i e ( 国际照明委员会) 的规定”】，光源的显色指数是待测光源下物体的颜色与 参考标准下物体的颜色的符合程度的度量，并且把普朗克辐射体作为低色温光源( 小于 5 0 0 0 k ) 的参考标准，把标准照明体d 作为高色温光源( 大于5 0 0 0 k ) 的参考标准。 光源的光谱功率分布决定了光源的显色性。光源的色温和显色性之间没有必然联系， 具有不同光谱功率分布的光源可能有相同的色温，但显色性可能相差很多。 2 4 参考文献 1 荆其诚，焦书兰色度学科学出版社，1 9 7 9 年 2 ，吴继宗，叶关荣光辐射测量北京：机械工业出版社，1 9 9 2 3 束越新颜色光学基础理论山东科学技术出版社，1 9 8 1 4 c i ep u b i c a t i o n ，n o 13 2 ( 2 d e d i s t i o n ) ，1 9 7 4 5 ，j 6 nm o r o v i t o d e v e l o pa u n i v e r s a lg a m u tm a p p i n ga l g o r i t h m 【p h dt h e s i s ， u n i v e r s i t yo f d e r b y , u k ，1 9 9 8 6l l k k av a l l i n k o s k i t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f ac o l o rm a n a g e m e n ts y s t e m 【m s t h e s i s ，l a b o r a t o r yo f m e d i at e c h n o l o g y , h e l s i n k iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , f i n l a n d ， 1 9 9 8 颜台永，光通量测试技术讨论中国照明电器2 1 ( 7 ) g r a mf b a r t l e s o nc j o p t i c a lr a d i a t i o nm e a s u r e m e n t sv o l ，c o l o rm e a s u r e m e n t n e w y o r k ：a c a d e m i cp r e s s 1 9 8 0 赵田冬，球形光度计及其测量误差分析浙江大学学报：自科版1 9 9 8 ，3 2 ( 4 ) 罗宗南，陈松生光源光通量分光法测试标准与检测 丘行中光源显色指数计算的沃尔特方法改进照明，2 0 0 0 年第2 期；2 8 - 3 2 m e t h o do f m e a s u r i n ga n ds p e c i f y i n gc o l o rr e n d e r i n gp r o p e r t i e so fl i g h ts o u r c e s ，c i e p u b l i c a t i o n n o 1 3 - 2 1 9 6 5 z & 殳m 坦 浙江大学硕士学位论文 2 5 附录a ：c i e19 3 1 标准色度观察者光谱- , i i 激值 波长 i 以)歹n )j ( 五) 波长 i ( 旯)歹以)i 以) n mn m 3 8 0o 0 0 1 40 0 0 0 00 0 0 6 55 8 50 9 7 8 6 0 8 1 6 30 0 0 1 4 3 8 500 0 2 20 0 0 0 10 0 1 0 55 9 00 0 2 6 30 7 5 7 00 0 0 1l 3 9 00 0 0 4 20 0 0 0 l0 0 2 0 l5 9 51 0 5 6 70 6 9 4 9 0 0 0 1 0 3 9 50 0 0 7 60 0 0 0 20 0 3 6 26 0 01 0 6 2 20 6 3 1 000 0 0 8 4 0 0o 0 1 4 30 0 0 0 40