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光色測量原理

在討論這個問題之前，小优视频app为爱而生需要弄明白幾個問題：1、什麽是光色？2、為什麽要測量光色？3、如何測量光色？
1.什麽是光色？

什麽是光？人們想盡各種辦法去解釋這個問題。早期有各種淳樸的解釋，有人解釋為“神的眼睛”，有人解釋為“人類眼睛裏的火焰與太陽的火焰交織的產物”，更有人解釋為“眼睛發出視覺光線，就像觸角一樣，接觸到物體，從而在大腦中產生視覺感覺”。總之，這種奇奇怪怪的解釋都是古人對光的本質的探索。

近現代，科學家曾經提出過關於光的性質的不同理論，*具影響力的有：牛頓的微粒理論、惠更斯波動理論、麥克斯韋電磁理論和愛因斯坦的光量子理論。

在小优视频app为爱而生日常生活或者文學中，光還意味著光明，也就是說，光是可以看見的，是明亮的，即在日常生活中小优视频app为爱而生認為的光就是可見光。

光既一種電磁波已經被人們普遍接受，而頻率或波長是描述電磁波的重要參數。小优视频app为爱而生能夠看見的光即可見光的波長範圍在400nm-700nm之間。可見光的顏色被小优视频app为爱而生劃分為紅橙黃綠青藍紫七種顏色，從紅到紫光的波長逐漸減小。

人眼能夠對可見光範圍內不同頻率的光波有不同的顏色感受，這與人眼的構造以及大腦的結構相關。當光線到達眼睛的視網膜時，視錐細胞和視杆細胞對於理解視覺和光線至關重要。一旦光線照射到眼睛，眼睛的晶狀體就會把光線聚焦到那些對光敏感的細胞、視杆細胞和視錐細胞上，每個細胞都會接收不同波長的能量。視杆細胞在昏暗的光線下工作得最好，而視錐細胞則專門用於特定的顏色範圍。

L-視錐細胞占小优视频app为爱而生視錐細胞的64%，也被稱為紅色視錐細胞，它們對紅色光（波長較長）敏感。

M-視錐細胞構成眼睛視錐細胞的32%，也被稱為綠色視錐細胞，它們對綠色光敏感。

S-視錐細胞占整個視錐細胞的2-7%，也被稱為藍色視錐細胞，它們對藍色光（波長較短）敏感。

視杆細胞在弱光下工作，幫助小优视频app为爱而生在夜間觀察光線，這種光線所成的像沒有顏色，它們是外圍視覺。

2.為什麽要測量光色

眼睛是小优视频app为爱而生感知周圍世界的重要器官，而光色是“周圍世界”信息的重要載體。隨著現代科技的發展，人們掌握了信息再現的方法，也發明了各種各樣的信息再現技術和相應的器件，例如：CRT、等離子體顯示屏、LCD、OLED、Mini-LED顯示屏、Micro-LED顯示屏、3D顯示屏、AR、VR……

既然是重現信息，那麽就要考慮所顯示的信息如何與人眼觀察現實世界所感受得信息一致。這就現需要科學家通過大量的試驗，確定出影響人眼感受信息的指標。在這些眾多的指標中，關鍵的指標是亮度、色度。
3.光色測量

光色測量原理涉及使用小优视频官方下载儀或色彩測量儀器來分析光的波長和強度分布，測量原理涉及輻射度學、光度學和色度學三部分內容。
3.1輻射度學

輻射測量是測量全小优视频官方下载電磁輻射的一門科學。它的定義編入國際製（SI）單位。在SI單位中，總的電磁功率定義的單位為瓦特（W），輻射照度（通量密度）定義為從一個半球的各方向入射到包圍該半球的平麵上單位麵積的功率（W/m²）。輻射強度定義為單位立體角內的功率（W/sr）。這裏，立體角以輻射源或探測器上的一個點為參考，單位立體角定義為半徑為1的球體所對的單位麵積。輻射亮度是單位立體角內、單位投影麵積上的功率［W/（sr﹒m²）］。頻譜變量作為密度意味著如果要實現從波長l到頻率n 的變換，相應的密度要乘以|dl/dn|，以便保留完整的積分。光與視覺的研究依賴上述輻射的定義（注意，在UV和IR範圍內用“輻射”一詞而非“光照”。光是可見的，但UV和IR輻射多數情況下是不可見的）。

光度測量是基於平均人眼觀察響應的、測量可見光的科學。在光度測量中，使用的可見光功率（光通量）的主要單位是流明（lm）。1W 555 nm的輻射通量相當於683 lm的光通量。光通量（流明）定義為由CIE 1931標準觀察者函數加權的輻射通量，且可以由式（B-1）計算。

Φ=k360830S(λ)V(λ)d       （1）

式中，為絕對小优视频官方下载輻射通量（W/nm）；V(λ)為明視覺小优视频官方下载光視效率函數，它基於CIE 1931標準觀察者人眼視覺模型，該模型具有測量視場角為2°的小优视频官方下载響應V(λ)；k= 683 lm/W，為在V(λ)峰值位置從光功率到光通量的轉換係數；dλ為波長增量（nm）。

如式所示，可以用匹配明視覺小优视频官方下载光視效率函數V(λ)的濾光器/探測器組合在可見光範圍內進行光測量並得到光測量值。這是亮度計和照度計的基本原理。也可以使用分光輻射亮度計測量小优视频官方下载輻射通量，並對小优视频官方下载輻射通量和V(λ)進行積分，得到光測量值。根據類似公式，可從所給的輻照度E(λ)（W·m^-2·nm^-1）及相應的絕對小优视频官方下载輻射通量S(λ)得到照度E（lx），也可從所給的小优视频官方下载輻射亮度L(λ)（W·sr^-1·m^-2·nm^-1）及相應的絕對小优视频官方下载輻射通量S(λ)得到亮度L（cd/m²）。

3.2光度學

光度學中使用的最重要的3個術語分別為亮度、照度和發光強度。雖然選擇流明作為光度學測量的基本單位合乎邏輯，但由於傳統原因，仍選用坎德拉（cd）作為發光強度的單位。坎德拉定義為處於鉑凝固溫度（2045K）的黑體的1/60cm²表麵在垂直方向上的發光強度，這個定義現在不再采用。從1979年起，坎德拉定義為頻率為540×10¹²Hz的單色輻射光源在給定方向上的發光強度，該方向上的輻射強度為（1/683）W/sr。根據流明定義的坎德拉為

1cd=1lm/sr

1lm是發光強度為1cd的各向同性光源在單位立體角內發射的光通量。大多數製造的光源都是以輸出總流明數規定的。立體角的單位是球麵度（sr），1sr等於半徑為r的球的球心對應球麵上r²的麵積所張開的立體角。因為球的表麵積為4pr²，所以，球的立體角是4p sr。

亮度是最常測量的光學量，當人們需要定量地表征人眼觀察的一個物體有多麽明亮時，就需要測量物體的發光強度。亮度定義為光源表麵在給定方向上、單位立體角內、單位有效麵積內發射的光通量，也就是單位有效麵積的發光強度。在SI單位製中，亮度的單位是坎/平方米（cd/m²）（該單位曾經被稱為“nit”，但現在它被認為不合適，nit是一個棄用的單位）。在英製單位中，亮度單位是英尺朗伯（footLambert，fL）。
1cd/m²= 1lm/(sr·m²)
1 fL = (1/p)lm/(sr·ft²)
轉換係數：
1cd/m²=0.2919 fL (0.2918635pft²/m²)
1fL=3.4263 cd/m²(3.426259 m²/pft²)

照度是測量物體表麵單位麵積所入射的光通量的術語，單位是lm/m²。當有必要知道有多少光入射到一個表麵時，如照亮投影屏幕時，就需要測量照度。照度的SI單位是勒克斯（lux, lx），英製單位是英尺燭光（footcandle, fc）。
1lux 1 lx1lm/ m²
1footcandle1 fc1lm/ ft²
轉換係數：
1lx = 0.0929 fc (0.09290304 ft²/m²)
1fc = 10.76 lx (10.76391 m²/ft²)

發光強度（或“燭光量”，這是已廢棄術語）是點光源在單位立體角內發射（或反射）的光通量，它是描述光源在特定方向的強度的量。由於運用了點光源假設，因此，隻有當光源尺寸相對於測量距離可忽略時，該發光強度才可被測量與使用。LED通常被假設為點光源，且可以使用發光強度描述。發光強度的單位是lm/sr，即cd。表1列出了重要的輻射度學的物理量和單位，以及光度學中對應的物理量。
表1 光度學與輻射度學中的術語和單位

3.2色度學

三刺激值中的Y是*一可以與光度量相關聯的值，見表2。，式中，k=683lm/W；S(l)是小优视频官方下载功率分布。
表2 光度值Y（隻有Y是光度值）

在沒有歸一化的一般情況下，三刺激值定義如下：

式中，S(l)是小优视频官方下载功率分布，單位為nm^-1；k是任意常數，如k=1。

對於基於白色點的歸一化三刺激值（歸一化到100，也能使用任何其他的歸一化常數），在反射和透射情況下，其定義如下：

式中，b(l)是相對反射或透射的小优视频官方下载功率分布；S(l)是小优视频官方下载功率分布，可以是任意單位；X、Y、Z是沒有單位的，Y的最大值是100；。

對於發射型顯示屏：

式中，S(l)是顯示屏的白色小优视频官方下载功率分布，C(l)是顯示的其他顏色的小优视频官方下载功率分布，S(l)和C(l)可以是任意相同的單位；X、Y、Z是沒有單位的，Y的最大值是100；。

根據CIE 1931，任何兩個有相同X、Y、Z值的光定義為匹配（是相同的顏色）。另外，函數等於1924年為光度測量定義的函數V(l)。

多年來，CIE標準化了一些源於CIE 1931的色彩空間，但在色彩空間中的不同位置，距離相同的兩個點所表達的知覺差異近似相同。這些色彩空間被稱為均勻色彩空間，對評估色域和色度誤差的大小特別有用。

下麵是用於評價顯示屏的各種CIE色彩空間的總結。

CIE 1931（x,y）色坐標值。這些值是從X、Y、Z三刺激值推導出的二維笛卡兒坐標係的值，按照這樣計算，相對小优视频官方下载相同而強度不同的光具有相同的（x, y）坐標值。因此，色度值表示光的色度特性，與強度無關。色坐標值被*定為x、y、z，它們是三刺激值X、Y和Z相對於三者總和的比例。

x=X/X+Y+Z，y=Y/X+Y+Z，z=Z/X+Y+Z （x+y+z=1）

相反地，

這裏，Y可以是任何光度學量，如光通量、發光強度、亮度等。因為在色度描述中，z是多餘的，為了更好地繪製二維(x, y)坐標，通常取消z。

在CIE1931標準色度係統（見圖5）中，在小优视频官方下载軌跡內繪製的曲線為普朗克軌跡，曲線上的點達數千開。小优视频官方下载軌跡以50nm的波長增量進行標記。這是當一個（理想的）發射器的溫度升高到一個無限的溫度時的白色的顏色。這個觀察產生了色溫的概念，其是表示白色“等級”的一種方法。

CIE1960——均勻色彩空間。一個幾乎均勻的色彩空間，它的缺點是隻有兩個維度。這個空間由X、Y、Z的線性組合得出正確的色彩空間，現在僅用於計算相關色溫（CCT）。
u=u'，v=2v'/3（u', v'是1976 UCS值）

CIE1976——均勻色彩空間。它是從X、Y、Z的線性組合得出的*有的色彩空間。Du'v'有時被用作想要忽略強度變化時的顏色漂移量。在圖6中，小优视频官方下载軌跡內的彎曲線表示溫度為幾千開的普朗克軌跡。小优视频官方下载軌跡以50nm的波長增量進行標記。

圖5　CIE1931標準色度係統           圖6　CIE1976標準色度係統

CIE 1976 LUV——目前標準化的三維均勻色彩空間。該空間中隱含了一個人眼的非線性模型，並且是對光（特別是D65或顯示白點）的色度適應模型，如圖7所示。由如下所示的下標為“n”的值表征，亮度定義為

CIE 1976 LAB——目前標準化的三維均勻色彩空間。該空間中隱含了一個人眼的非線性模型，並且也是對光（特別是D65或顯示白點）的色度適應模型，由如下所示的下標為“n”的值表征，亮度定義為

色差定義為

CIE LAB和CIE LUV色彩空間同時被采用，而後被CIE保留為同等的推薦標準。然而，顯示技術人員優選CIE LUV。這種偏好是基於以下事實：CIE LUV有一個特*的色度空間（坐標為u^*/L^*、v^*/L^*），其中兩束光的任意混合都會顯示在空間中這兩束光之間的線段上。這使得對諸如自發光類顯示屏中的色彩組成的描繪更加便捷，而CIE LAB並不具有這個特點。誠然，CIE LAB空間最近已經被一些顯示技術專家選擇，因為相比於較小的顏色差異，其更接近均勻。然而，CIE LUV仍然是一個被證明過的CIE空間，且因為它的便利性和曆史先例而具有吸引力。本書並不認為CIE LUV比CIE LAB或其他色差公式更好，但在示例計算中使用CIE LUV作為足夠的色彩空間來測量。

在CIE 1960均勻色彩空間中，人們一致認為色溫的概念在偏離普朗克軌跡的距離超過0.01就沒有意義了，其中距離為。然而，工業應用將CCT定義為從普朗克軌跡0.0175(u, v)單位以上到該軌跡0.014 (u,v)單位以下。

除了用CIE 1960均勻色彩空間中的色坐標(u, v)偏離普朗克軌跡曲線上的點表示這個距離，也經常用另一個單位量化從給定光線的色坐標到普朗克軌跡的距離，這就是最小可察覺的色差（MPCD），它定義為0.004(u,v) 距離單位。數值0.004是在彩色電視的初期引入的，為條件不太嚴格的情況下(u, v)中的最小可察覺的差異。這個數字經常在照明行業被引述，現在也用於CIE 1976均勻色彩空間中色坐標(u',v')與普朗克軌跡曲線上點的距離。如果顏色有差異，如在一個房間內的不同位置、不同屏幕上顯示顏色，那麽兩個點之間的色坐標(u', v')差異不小於0.04，這個差異能夠被察覺，而0.04是閾值距離，指同一屏幕上、相鄰的兩個顏色區域的色坐標在CIE 1976均勻色彩空間中的距離。

詳細內容請參閱《信息顯示測量標準》一書。
參考文獻
[1] 科學網—什麽是光 - 王宏琳的博文
[2] 國際顯示計量委員會著，李偉、李子君、高彬等譯，信息顯示測量標準[M]，附錄B，北京：電子工業出版社，2024
人物介紹

高彬 ，在某企業工作了8年，長期從事加固顯示方麵的研究，參與了十多個型號的加固顯示屏的研發。同時，在機載加固顯示的光電測量方麵也有著豐富的經驗。翻譯並出版了《OLED顯示概論》和《信息顯示測量》兩本書籍。