光源及灯具和光环境的光色测量.doc

光源及灯具和光环境的光色测量倪孟麟 杨 惠琴 郭姝蓉（天津光电星球显示设备有限公司天津市照明学会计量测试专业委员会）摘 要： 本文对光源颜色质量评价有关的人眼视觉特性做出必要的论述，在此基础上，提出了准确测量光源及灯具及光环境色度的技术关键和对相关测色仪器的选型。关键词：同色异谱 空间混色 彩色亮度计 视场角1.与光源颜色有关的人眼视觉特性颜色分为光源色、反射色和透射色。反射色和透射色又合称为物体色。LED及节能灯与CRT阴极射线管、PDP等离子电视等显示屏同属于光源色，因而有相同的特性。1.1 同色异谱按照三原色原理，用红、绿、蓝三基色可以混合出各种色相的颜色。格拉斯曼定律指出：两种光谱刺激的光谱分布可以不同，但是颜色外貌可以完全相匹配，这样的两种光刺激为同色异谱色，该现象为同色异谱现象。同色异谱是色度学中重要的定律，运用同色异谱规律，不需要取得相同的光谱分布，只要三基色度值相同，完全可以获得相同的色知觉。根据人眼具有同色异谱的视觉特性，对于千变万化的彩色景象，无须按其光的波长强度分布（即光谱分布）加以传送，而只要传送组成该色的三种基色分量，就可以完全等效地呈现原有的彩色景象。同色异谱原理是彩色电视和其他彩色复制行业诞生的理论和技术基础。色度彩色还原（Colorimetric Color Reproduction）是评价LED及节能灯等照明光源及灯具和光环境颜色质量的依据，准确测量LED等光源的三基色度值，以及在此基础上对颜色质量做出科学的评定是制定相应规范和标准的前提与关键。色度彩色还原也是实现优美彩色还原（Preferred Color Reproduction）的重要技术基础。1.2 空间混色由于人眼可以将彼此相近的不同颜色小单元看成是某一种综合而成的颜色。相距很近的红、绿、蓝三个小基色光点，人眼在距他们较近的地方是能够分辨这三个有色光点各自的色调；但如果与这一组光点距离一定远以后人眼就觉得似乎是具有某种色调的单一光点，其色调决定于这三个基色小光点的相对强度，而不再能被看出三种基色的光点了。利用人眼的这一生理特性实现相加混色的方法称为空间混色法，彩色电视显像管上的彩色显示，就是利用空间混色法来实现混色。在彩色显象管的荧光屏上规则地排列着红、绿、蓝荧光粉小点。点子间距约为0.3mm，此间距对于2米以外的观察者所张的视角不到0.6分，因而小于人眼的最小分辨角（1分），小于视网膜上一个锥体细胞的面积，超越了视觉的空间分辨能力，因此三个荧光点的颜色虽然在客观上占不同的空间位置，但在视觉效果上仍属于同一空间面积，同时刺激视网膜，它们便混合成一个颜色。1.3 对光源颜色的测量与评定对光源颜色的评定的方法应包括用仪器的客观色度测量与相应的评定。应科学准确表达光源的颜色，应该指出色温是很狭窄、很局限的概念，它仅能表达热辐射光源如白炽灯的色表。不应当用色温来描述非热辐射光源如荧光灯、高压钠灯和LED的色表，因为它们的发光特性与黑体辐射相差很大，色度坐标并不落在黑体轨迹上，相关色温只能极为粗糙地表达气体放电光源的颜色。实验结果证明等色温线上各点并不等色，甚至相差极远，等温线在有些情况下已无实际意义，用色温一维数据无法在色域图平面上确切表明其相应位置，在色品图上，人眼对颜色的分辨宽容范围是椭圆，而不是直线。应该用色度坐标两维数据确切表达其在色域图中的位置。在必须使用色温一词时，应同时注明与普朗克轨迹的距离。2.应选择适用于光源及灯具发光特性的彩色亮度计测量色度值 2.1 彩色亮度计的光谱响应彩色亮度计是光源及灯具和光环境色度测量中最重要的测色仪器,彩色亮度计滤色片与光电倍增管组合后的探测器应尽量精确地符合光谱三刺激值曲线X()、Y()、和Z()。X()在短波段和长波段有两个波峰X1()、X2()。见图1。图1国家电视质量检验中心安永成等编著的“彩色电视机性能测量原理与方法”一书中指出：“三个滤光片的仪器，与上图的光谱三刺激值相比，它没有办法模拟X1()的作用，给测量带来了一定的误差；而美国生产的1980A、1980B等彩色亮度计由四组滤光片分别模拟上图中的X1()、X2()，Y()、和Z()的响应曲线。”目前上述行业使用的仪器如CS-100和BM-7等，在光谱响应上只有三部分，无法良好模拟X1()的作用，也不具备校准功能，给测量带来无法克服的误差。具有校准功能的彩色亮度计，如BM5等，为了提高测量的准确度，需要使用与被测色样相同的标准色样预先进行校准。测量仪器的任务是准确测量和计算出X1、X2、Y、Z四个分量即可。我们均可通过简单的数学变换来计算出x、y,u、v,u、v等。反之，如果一台仪器不能准确测量和计算出X1、X2、Y、Z四个分量，相反却有计算u、v等功能，照样会带来可观的误差。有的仪器甚至以色温误差作为衡量，造成只在色度坐标x误差上给予限制；色度坐标y出现了相当大的误差。（如浙江远方的BM-7）选用适宜的彩色亮度计，准确测量LED等照明光源（含灯具）的三基色度值X、Y、Z及色度坐标x、y，并能通过标准传递与中国计量科学研究院基准保持一致，这是取得正确结果的关键。 按下列公式可求得1980A适宜色修正系数其中：是中国计量科学研究院测量该光源的色度坐标；是1980A测量光源的四组输出数据。可给出白、红、绿、蓝场相应的色修正系数。经上述校正后，其仪器示值色度坐标误差可达到国家对标准彩色亮度计的技术要求（彩色亮度计分标准、一级、二级、三级） 其测量准确度、精确度可与国家级同步，当中国计量科学研究院提供相应标准色源的色度坐标，即可以实现国家对红、绿、蓝场的修正系数C1 、C2的量值传递。而不必每次使用前均需进行校准。2.2 应使用光电倍增管型做探测器的彩色亮度计根据中国计量科学研究院光学处殷玉喆、马煜、周庆国、桂康年和北京理工大学光电工程系郑阳、侯素芳、芦汉生等人撰写的“光源色度国家基标准装置体系的建设”一文中证实：“平板显示光源的光谱分布都属于谱线型的，各个谱线之间的强度差别往往达到三个数量级以上，常用的CCD光谱型测光测色仪器，例如Photo Research的PR650/705等，不能提供足够的动态范围来满足色度测量的定标需要。因此，必须要用高动态范围的测色仪器，至少要采用光电二极管阵列（PDA），甚至是光电倍增管（PMT）作探测器的测光测色仪器才能满足需求。”如使用CCD器件的PR650、SR-3A会出现中国计量科学研究院发表的文章中所指出的问题。2.3 测量光谱分布的技术条件十分严格，慎用中国计量科学研究院光学处刘慧、肖文宾撰写的“关于颜色温度测量的几个问题”一文中证实：“相对光谱功率测量过程中所采用的波长间隔将直接影响计算结果的精度，越小，测量精度越高，但测量时间增加，应根据种类的不同选用不同的采样间隔。对于一个实际色温为6520K的18W荧光灯测量过程中选用5nm的采样间隔，则测得色温为7539K，如果选用=2nm的采样间隔，则测得色温为6520K。而对于连续光谱的白炽灯，选用=5nm的采样间隔，便可保证测量结果的正确性。如前所述的色温6520K的荧光灯，若单色仪的起始波长向长波方向偏0.2nm则测得色温为7539K；向长波方向偏1.2nm则测得色温为8683K，向短波方向偏1.2nm则测得色温为5666K。”PR-650光谱带宽8nm，取样间隔4nm，光谱准确度为2nm；PR-670光谱精度为1nm，光谱带宽8nm（或5nm），因而只能给出测量A光源（连续光谱）的颜色精度。如用上述光谱型仪器测量含线性光谱的光源如高压钠灯、汞灯、荧光灯等节能灯、LED灯及灯具和光色环境，则会出现上述几篇文章中指出的测量误差过大的问题。例如：光谱精度出现0.2nm的误差，色温测量结果就会出现1000K的误差；光谱带宽和取样间隔5nm也会出现1000K的误差。而PR-670给出的技术指标比上述误差还要大。因此不适合测量上述多种光源。深圳照明学会薛才之在中国照明学会成立二十周年文集“照明用LED光学性能检测原理和方法”一文中也指出：“由于LED的光谱包含线状光谱，为提高检测精度，单色仪步长间隔应1nm”。2.4应选择小的狭缝光谱带宽根据我们的实践，除取样间隔及光电器件是影响测试结果的关键因素外，光谱辐射仪的狭缝光谱带宽也是十分重要的，对谱线型光源如汞灯，取不同的光谱带宽都将明显影响测试结果，即便是选取1nm的取样间隔，如光谱带宽为5nm测量结果也有误差，高压钠灯、汞灯、荧光灯、LED均为含谱线型的光源，因此当要求测试准确度高时或作为传递基准应选择1nm的光谱带宽与取样间隔。综上所述，在测量含线谱的光源如高压钠灯、汞灯和荧光灯等对光谱仪器的技术性能及测量条件有严格的要求，光谱测色法很容易引入极为可观的误差，反而带来不必要的干扰。所以除国家级计量部门外，应慎建或不建光谱分布测色法；在相当多数的情况下，解决工作中一系列的实际技术关键，既不是测量色温和测量光谱分布；而是准确测量光源的色度坐标，用四组滤光片彩色亮度计做好标准传递即可准确测量光源的色度坐标。3. 正确选择和积极使用仪器用于夜景照明中国科学院院士著名数学家王梓坤在科学发现纵横谈一书中指出：“科学研究需要多种才能，制造仪器之才，观察实验之才，抽象思维之才等”王梓坤是一位数学家，数学是推理性的科学，但他也把制造仪器之才列为首位，可见科学仪器在人类全部科学实践中的重要作用。使用科学仪器是人类走向现代文明的先锋与基石。从事夜景照明和LED应用与研究的科学工作者虽不一定要有制造仪器的才能，但一定要有在自己的领域里根据不同场合正确选择和积极使用仪器的能力。根据上述技术要求 SPECTRA PR1TCHARD PHOTOMETER 1980适用于测量光源色及灯具和光环境的色度。3.1 1980的接收器件是光电倍增管，（PR650、PR704、BM-7、SR-3A接收器件均为CCD）。3.2 1980含五个视场角，可适应各种场合的需要，亮度测试范围宽广，由10-4到108 (Candelas/Meter2)，SR-3A 20视场最高测量亮度为3，000尼特。3.3 1980为四组滤光片彩色亮度计，符合国家权威机构国家电视质量检验中心安永成等同志发表文章所指出的技术要求。3.4 通过推算出C1、C2可以使1980与中国计量院的测色结果保持完全一致，圆满地进行国家级的计量传递，取得正确的测量结果。参 考 文 献1 倪孟麟，科研专著：彩色电视的彩色还原（一）（二）.电视技术通迅 专刊. 2 荆其诚等.色度学.科学出版社.3 倪孟麟等.彩色电视彩色复