本文從“光的本質(zhì)"切入，系統(tǒng)梳理六大核心內(nèi)容：輻射度量與光度量的區(qū)別、人眼色彩視覺機(jī)制、光度量/色彩測(cè)量方法及誤差控制，最后對(duì)比濾光片式與分光光譜式測(cè)量的差異，構(gòu)建光度色度學(xué)知識(shí)框架。

01光

在自然界中，電磁波是能量存在和傳播的一個(gè)重要形式，通常定義光學(xué)譜段從 0.1nm 的 X 射線到 0.1cm 的極遠(yuǎn)紅外；而我們?nèi)搜勰軌蚋兄姆秶皇瞧渲袠O小的一部分，通常是380nm~780nm，這個(gè)范圍內(nèi)的電磁波能夠讓人眼產(chǎn)生視覺刺激，從而形成光亮感和色彩感 。

可見光與電磁波譜

02輻射度量與光度量

a) 輻射度量的定義

在自然界中，電磁波是能量存在和傳播的一個(gè)重要形式，輻射度量是用能量單位描述輻射能的客觀物理量，是一個(gè)能量的表征形式；在輻射度學(xué)中通常研究輻射能的空間、時(shí)間、方向的分布，通常定義為輻射通量、輻射強(qiáng)度、輻射亮度等；

b) 光度量的定義

我們把定量地測(cè)定光的明亮程度的學(xué)科成為光度學(xué)，由光度學(xué)得到的規(guī)格化的明亮度叫做光度量。光度量都是用對(duì)應(yīng)的電磁波輻射度量乘以光視效能得到的，是由視覺心理來評(píng)價(jià)物理量時(shí)得到的量，稱為心理物理量；

人眼視覺曲線圖

c) 輻射度量與光度量的對(duì)應(yīng)表格及單位

03人眼的色彩視覺

前面提到的光度量科學(xué)是人眼對(duì)光的能量的感知，如果只有光度量的話，人眼看到的是一個(gè)灰色的世界，只有亮暗的差異；然而我們可以看到這個(gè)多姿多彩的世界，是因?yàn)槲覀冄矍蛑幸暰W(wǎng)膜中央有色彩感知的視錐細(xì)胞；人眼視錐細(xì)胞主要集中在視網(wǎng)膜中央，所以人眼對(duì)顏色的感受會(huì)受視場(chǎng)角度的影響 。

04光度量測(cè)試方法及誤差

兩個(gè)基本定理

1、平方反比定理 : 連續(xù)光強(qiáng)光源在光接受表面的照度（illumination）與光源到接受表面距離之間的關(guān)系，即，照度值與該光源到接收面之間的距離的平方成反比。因此，理想的照度測(cè)量必須要能精確控制距離的大小，如果某光源在某一距離的照度值已知，除非其他條件影響，任何距離的照度都可以經(jīng)計(jì)算獲得。

2、余弦定理：一定面積上的光強(qiáng)，因入射角的不同而隨之變化，這是因?yàn)閷?shí)際投影面積隨入射角的增大成比例的減少。這樣，在環(huán)境照明測(cè)試時(shí)，探頭需要進(jìn)行余弦校正來計(jì)算實(shí)際值。否則，就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差，尤其當(dāng)入射角較小時(shí)，誤差更大。

光通量 luminous flux

光通量的單位是流明（lumen）, 是光度量的基本單位，表示可見光源單位時(shí)間內(nèi)輸出的所有光能量。因此，光通量的測(cè)量要求能夠?qū)⑺械墓饽芰渴占焦馓綔y(cè)器上，對(duì)于發(fā)散光源，如 LED、燈源等，光通量的測(cè)量就比較困難，這時(shí)就要用積分球把所有的光收集起來測(cè)試。

在實(shí)際測(cè)試中，特別是燈具測(cè)試，因?yàn)闊艟邷y(cè)試通常需要把燈具放入積分球中做 4π 的測(cè)試，而燈具本身會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光有選擇性吸收，從而帶來測(cè)試的誤差，所以通常需要為積分球配置輔助燈，以消除燈具本身自吸收帶來的誤差。

光強(qiáng)（luminous intensity）

光強(qiáng)也是表征光源性能的物理量。光源在指定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量定義為光源在此方向上的光強(qiáng)。光強(qiáng)的基本單位是坎德拉（candela）, 相當(dāng)于 1 流明 / 球面度（lm/sr）。對(duì)于光強(qiáng)度的測(cè)量，CIE127-2007 做了相關(guān)測(cè)試規(guī)定，分為 A、B 兩種測(cè)試條件，在實(shí)際 LED 測(cè)試中，通常采用 B 條件

A 條件：從點(diǎn)光源到探頭的距離為 316mm，探測(cè)器面積為 100mm2 ；

B 條件：從點(diǎn)光源到探頭的距離為 100mm，探測(cè)器面積為 100mm2 ；

在 LED 光強(qiáng)測(cè)試中，由于 LED 的光強(qiáng)隨角度的變化比較大，如果 LED光軸跟系統(tǒng)光軸不一致將會(huì)導(dǎo)致很大的誤差，所以需要采用專用的 LED夾具來確保 LED 機(jī)械軸與測(cè)試系統(tǒng)光軸一致，降低誤差；

光亮度（luminance）

光亮度是指光源在給定方向上單位立體角、單位投影面積內(nèi)發(fā) 射的光通量，是表征人眼感知的光源或者發(fā)光表面的亮暗程度。

光照度 illuminance

光照度是指單位面積所接受的入射光的量。在英制單位里，1 平方英尺的面積上接受到 1 個(gè)流明的光通量，定義為 1footcandel。 公制單位中，當(dāng) 1lm 的光通量均勻地照射在 1 平方米的面積上時(shí)， 光照度為 1 勒克斯（lux）,10.76lux=1footcandle.

在照度測(cè)量時(shí)，經(jīng)常由于光線偏離垂直光軸而造成測(cè)試錯(cuò)誤。這時(shí)，探頭就要配一個(gè)余弦校正器。由于余弦接受器仍然要投影到探頭上，因此，余弦接受器的面積并不是探頭的面積，只是代表測(cè)試面積。

在實(shí)際應(yīng)用中，什么時(shí)候用照度來表征，什么時(shí)候用亮度來表征，需要看具體的應(yīng)用，一般出發(fā)點(diǎn)以人類眼睛的觀察角度為準(zhǔn)，比如對(duì)于汽車前車燈，目的是為了照明，所以通常測(cè)試照度，而對(duì)于汽車尾燈，目的是為了讓后面的人看到汽車，所以通常測(cè)試的是亮度；在道路照明中，目的是為了讓駕駛員能夠看清路面，所以目前測(cè)試亮度的規(guī)范正慢慢取代原來照度的測(cè)試規(guī)范 ；

05色彩測(cè)量方法及誤差

色度學(xué)是涉及觀察者的視覺生理、照明條件、觀察條件等因素，是一門由大量統(tǒng)計(jì)得到的測(cè)量科學(xué)；為了得到統(tǒng)一的度量效果，國(guó)際照明委員會(huì) ( 簡(jiǎn)稱 CIE) 基于每一種顏色都能用三個(gè)選定的原色按照比例混合而成的原理，建立了一套標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng) , 就是我們常用的 CIE 標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)。

其中 S(λ) 為光源的光譜分布；X、Y、Z 為標(biāo)準(zhǔn)觀察者的光譜三刺激值；x，y 為 CIE1931 下的色坐標(biāo)。

格拉斯曼定律：對(duì)于顏色相同的光，不管他們光譜組成是否一樣，在顏色混合中具有相同的效果，即凡在視覺上相同的顏色在顏色合成中都是等效的，而且混合色的總亮度等于組成混合色的各顏色光的亮度總和；但是該定律只適合于相加混合過程；這個(gè)概念在 LCD 背光模組中應(yīng)用很重要；因?yàn)?LCD 是把白色背光模組分解為 RGB 三基色，然后再做混合得到各種顏色的光。

國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）在 1931 年推薦的標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值函數(shù)及相應(yīng)的色品圖，至今在許多色度計(jì)量方面得到廣泛的應(yīng)用，使人們可以在統(tǒng)一的基準(zhǔn)下進(jìn)行顏色的計(jì)量測(cè)試和比較分析。但是在 CIE1931 標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，尤其是色品圖的不均勻性即在各色區(qū)中顏色感知差異的容限大小不等，于是 CIE 在 1976 年定義并推薦了改良的色品計(jì)算公式，得到色品均勻性比較好的色品圖，稱為 CIE1976 體系。

好的色品圖，稱為CIE1976體系

顯色指數(shù)：

CIE 光源顯色性評(píng)價(jià)方法把在待測(cè)光源下物體色和在參照照明體下物體色的一致性進(jìn)行量化，稱為顯色指數(shù)。即對(duì)象在某光源照射下顯示之顏色與其在參照光源照射下之顏色兩者之相對(duì)差異。CIE 采用了一套共 14 種試驗(yàn)色，其中 1 ～ 8 號(hào)共 8 種試驗(yàn)色用于光源一般顯色指數(shù)（Ra）和特殊顯色指數(shù)的計(jì)算，這 8 種試驗(yàn)色代表了各種不同的常見顏色，而 9 ～ 14 是一些飽和色和皮膚色，專用于特殊顯色指數(shù)的計(jì)算。

標(biāo)準(zhǔn)色樣

主波長(zhǎng)：任何一個(gè)顏色都可以看作為用某一個(gè)光譜色按一定比例與一個(gè)參照光源（如 CIE 標(biāo)準(zhǔn)光源 A、B、C 等，等能光源 E，標(biāo)準(zhǔn)照明體 D65 等）相混合而匹配出來的顏色，這個(gè)光譜色就是顏色的主波長(zhǎng)。

色溫及相關(guān)色溫：當(dāng)光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時(shí)，黑體對(duì)應(yīng)的溫度就稱為該光源的色溫，用絕對(duì)溫度 K 表示。對(duì)于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時(shí)用相關(guān)色溫來表示。在均勻色品圖中，如果光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一個(gè)溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)*接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。

Ra 為平均一般顯色指數(shù)，由 1 ～ 8 號(hào)試驗(yàn)色求得的 8 個(gè)特殊顯色指數(shù)取平均值而得到。

CRI 在 LED 行業(yè)中通常是 R1~R14 的平均值針對(duì)適用場(chǎng)地的不同，國(guó)際照明委員會(huì) CIE，一般把顯色指數(shù)分為五類。

06濾光片式及分光光譜式的差異

在光度、色度學(xué)量測(cè)中，CIE127 規(guī)定了有兩種測(cè)試方法，一種是采用光電二極管加上濾光片，把光電二極管的響應(yīng)曲線修正為與人眼的響應(yīng)曲線 ( 人眼三刺激值響應(yīng)曲線 ) 接近，也就是用探測(cè)器來模擬人眼；另外一種是分光光譜法，先測(cè)試光源的絕對(duì)能量光譜分布曲線，然后用 CIE127 規(guī)定的人眼響應(yīng)曲線函數(shù)把能量轉(zhuǎn)換為光度和色度值；分光光譜法最初通常用于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位所采用的計(jì)量方法；濾光片法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)試速度很快，但是由于濾光片光譜透過率不可能完*與 CIE 標(biāo)準(zhǔn)曲線一致，因此一定會(huì)存誤差。這種誤差會(huì)隨著待測(cè)樣品和環(huán)境而變化。

光度測(cè)試濾光片光譜失配曲線圖

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