光度学与色度学基础-光辐射测量在电光源的生产课件.ppt

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1、,人眼有敏锐的辨别颜色能力,人们长期利用目视比较法来区别颜色。但目视法测量结果带有主观性,受到视觉适应性、人眼光谱响应差异、测量时人的状况等因素的影响。,CIE标准色度系统为客观地测量物体颜色奠定了基础,可通过对物体颜色三刺激值的测量确定颜色。,第十章 色度的测量及其仪器,颜色测量仪器就是通过一定途径求得三刺激值的工具。由于获得三刺激值的方式不同,测色仪器主要可分为两类：分光测色仪器和色度计。,第十章 色度的测量及其仪器,分光测色仪器:作为颜色测量最基本的仪器，不直接测量颜色的三刺激值本身，而是测量物体的光谱反射或光谱透射特性，即测量物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比。再选用CIE的标准照明体和

2、标准观察者，通过积分计算求得颜色的三刺激值。,第十章 色度的测量及其仪器,色度计:其响应类似人眼视觉，通过直接测得与颜色三刺激值成比例的仪器响应，换算颜色三刺激值。三刺激值的获取由仪器内部完成，即用滤色镜来校正仪器光源和探测元件光谱特性，使输出信号正比于颜色的三刺激值。密度计:不是标准颜色测量仪器，密度计在某些情况下能给出颜色测量的近似值.,分光测色仪器,1,第十章 色度的测量及其仪器,分光光度计是颜色测量中最基本的仪器，其不直接测量颜色，而是测量样品的反射特性和透射特性，经过计算求得样品颜色的三刺激值。现代的分光光度计由照明光源、提供单色光的色散系统和对通过仪器的光辐射进行测量的探测器系统组

3、成。通常在仪器内部将由色散系统产生的单色辐射分成样品光束和参考两条光路。当将样品放在样品光路内时，两条光束相等的状态被破坏，探测器检测到差别，得到该波长上样品的透射比或反射比。,10.1 分光测色仪器,测量方法：分光光度计测量光谱透射比或光谱反射比都采用比较法，通过定量地比较某些已知光谱特性的“标准”(参照物)和样品在同一波长上透射或反射的单色辐射功率，测出样品的光谱透射比或光谱辐亮度因数。优点：采用比较测量能够补偿测量中由于光源的不稳定以及控制器灵敏度、光学系统透射比、分光元件效率等随波长而变化的各种因素影响，由于这些因素对样品和参照物有相同的影响而自动地互相抵消。,10.1.1 比较法测量

4、与比较的标准,参照标准：测量透射样品，选用空气作为参照标准，空气是理想透射体，在整个可见光谱范围透射比均近似为1；液体样品则采用同样厚度的溶剂作为标准；测量反射样品，虽然全反射漫射体的反射比在各波长上均为1，是理想的参照标准，但实际材料难以达到这样的特性，只能选择与它性质比较接近的材料作为工作标准。颜色测量中所选用的反射标准常采用的有硫酸钡(BaSO4)、海龙(Halon)、氧化镁(MgO)、碳酸钙(CaCO3)和陶瓷等。硫酸钡稳定性好，但不易清洁，常用于传递标准。海龙是一种多氟树脂,在可见光波段反射率非常接近硫酸钡,在红外波段优于硫酸钡,但在250280nm处有微弱的发光性。氧化镁光谱选择性

5、小，反射比大，但稳定性差，过去曾用作原始标准，1969年CIE已用完全反射漫射体取而代之。陶瓷使用方便，容易清洁，多用作仪器的工作标准。,10.1.1 比较法测量与比较的标准,实现方式：单光束法。仪器只有一条光路，将参照物和样品依次放在光路中进行测量。其优点是能严格保持参照物和样品在完全相同的光路中进行测量，但缺点较多，因此很少采用。双光束法。将单色光分成两束光，一束通过参照物，另一束通过样品。双光束系统最基本的要求是保持两光路对称，光学特性一致。在微机控制的仪器中，可用数值方法校正光学特性的不一致性。,10.1.1 比较法测量与比较的标准,由于颜色视觉的复杂性，颜色测量条件必须标准化，仪器间

6、的测量结果才有可比性。测量样品的三刺激值时,照明光源选择标准照明体，常用的标准照明体有A，C，D65等。测量样品的三刺激值时,要选用标准观察者，小视场(14)选用CIE1931标准色度观察者，大视场(10)时选取用CIE1964标准补充色度观察者。标准照明观察条件。颜色测量时，光源照明和控制器收集光能的几何条件很重要，几何条件不一致会造成测量结果的差异。为统一测量结果,CIE规定了统一的几何条件。,10.1.2 颜色测量的标准化,在透射样品测量中,一般采用对样品表面垂直方向照明，透射方向探测。照明光束的光轴与样品表面法线的夹角不超过5,照明光束中任一光线与光轴的夹角不应超过5,此几何条件不适合

7、于漫透射物体。在反射样品(不透明物体)测量中，CIE1931年正式推荐四种测色的标准照明和观察条件。,10.1.2 颜色测量的标准化,垂直/45(缩写0/45)。样品被一束光照明，照明光束光轴和样品法线间的夹角不应超过10。在与样品表面法线成452的方向观测。照明光束的任一光线和其轴之间的夹角不超过8。观测光束也应遵守同样的限制。,45/垂直(缩写45/0)。样品可被一束或多束光照明，照明光束轴线与样品表面法线成452。观测方向和样品的法线之间的夹角不应超过10。照明光束的任一光线和共轴之间的夹角不应超过8，观测光束也应遵守同样的限制。,垂直/漫射(缩写0/d)。样品被一束光照明，照明光束光轴

8、和样品法线之间的夹角不超过10。照明光束的任一光线和其轴之间的夹角不超过5。,漫射/垂直(缩写d/0)。样品被积分球漫射照明。样品法线和观测光束轴线间的夹角不应超过10。观测轴线和任意观测光线间的夹角不应超过5。,CIE规定在0/45,45/0,d/0条件下测得的光谱反射因数称为光谱辐亮度因数,记为0/45,45/0,d/0。在0/d条件下测得的光谱反射因数称为光谱反射比0。,分光测色仪器设计时必须按照以上规定的几何条件安排光路，可选择其中一种或多种条件。仪器测试的数据也应说明是在何种条件下测量的结果。,10.1.2 颜色测量的标准化,分光光度计一般由照明光源、单色器、光度计量部分以及输出装置

9、等组成。A光源 光源必须在仪器的整个波长范围内发出连续的光辐射，且在每一波长上都应有足够能量，使探测元件有足够的信噪比。B单色器 能输出不同波长单色光的装置叫单色器。根据单色器中色散元件的不同大致有以下几类：(1)棱镜或光栅分光的单色器(2)滤光片分光的单色器(3)可调谐激光单色器,10.1.3 分光测色仪器的组成,图10-3 窄带干涉滤光片的透射比,C光度计量部分 光度计量部分使从单色器射出的单色光正确地照射到样品上,用光电探测元件接收光能，测定样品的透射比或反射比。分光测色仪器都采用比较法测量及双光束光路。光度计量的具体方法有两种，即平衡法和比率法。(1)光度的平衡法测量光学平衡法：单色光

10、以双光束交替地照射标准样品和待测样品，因此探测器D输出一系列脉冲信号。将这两组脉冲信号的幅度进行比较，并通过伺服电机SM推动减光器改变,10.1.3 分光测色仪器的组成,光束强度，使探测器接收到从待测样品和标准样品上所反射的光度相等，即所谓光学平衡或达到光学零位。,减光器可以是变密度的中性滤光片,光梳或偏振片等。在达到平衡时减光器的机械位置即代表标准样品和待测样品两个信号的比值。,10.1.3 分光测色仪器的组成,图10-4 光学平衡法,(1)光度的平衡法测量电学平衡法：经过放大和解调的标准信号和样品信号分别流过波长补偿电位器及测量电位器,在测量标准信号的期间,继电器R标闭合把标准信号储存在电

11、容器C标内,样品信号则储存在C样内。比较继电器快速地将C标和C样比较，如果二者电位不等，,则差值被放大并经伺服电机推动测量电位器的触点，以达到C样与C标的电位相等即电学平衡。此时触点位置即代表标准和样品两个信号的比值。此触点与记录笔相连，可绘出曲线。,10.1.3 分光测色仪器的组成,图10-5 电学平衡法,(2)光度的比率法测量光度比率法：将解调后的标准信号输到一个差值放大器与一个基准电压V基相比较,标准信号太大时,减低光电倍增管的负高压或减小单色器的入射缝,标准信号太小时则相反,这样通过闭环的反馈系统保持标准信号始终稳定不变,说明此时光电探测器的灵敏度及系统的放大率已调整至正常水平,因此,

12、可直接测量样品信号。,由于标准信号已被归一化，所以测得的样品信号本身就是样品信号与标准信号的比率，即反射比或透射比。,10.1.3 分光测色仪器的组成,图10-6 光度的比率测量法,D测量数据的处理和输出装置 分光光度计输出的基本数据是光谱透射比和光谱反射比。其它数据都是根据其计算得到。随着计算机技术的发展，许多新型的仪器都备有微处理器，分光光度数据可以保存在存储器内，能以数字的形式显示、打印出来，并能驱动绘图机以图形显示出来。现代的分光测色仪器中，内装的微型计算机已和仪器有机结合，实现了测试计算自动化。,10.1.3 分光测色仪器的组成,与分析用分光光度计相比，测色分光光度计有如下特点：以测

13、反射样品为主，兼顾透射样品。因为大多数色度测试所涉及的是物体的反射色。常规的测色局限在可见光范围内，但是目前市场上高档测色分光光度计可是分析、测色两用的仪器，波长可从紫外到近红外。一般物体的光谱反射曲线比较光滑平缓，所以对仪器的波长精度和分辨率要求较低而对仪器的光度准确度要求较高。,10.1.4 测色分光光度计的特点,测色分光光度计测量光路的安排必须满足测量颜色对样品的照明观察条件的规定。测色分光光度计数据处理复杂，一般测色仪器中都带有由光谱数据计算出各种颜色参数的软件。分光测色仪器可按若干不同的标准进行分类：单光束或双光束仪器单级单色仪和双级单色仪目视分光测色仪器和光电分光测色仪器,10.1

14、.5 分光测色仪器的分类,分光测色仪器,1,色度计,2,第十章 色度的测量及其仪器,色度计包括目视色度计和光电色度计两类。光电色度计可由仪器的响应值直接得到颜色的三刺激值，在光电色度计中的积分由光学模拟方式完成。仪器的照明光源需加滤色器校正，以使其具有所要求的标准光源光谱分布。同时探测器的响应也被滤色器修正，使其与CIE标准观察者相一致。光源光谱分布可选择CIE标准照明体，在灯光下观察物体常选A照明体，在日光下观察物体常选D65照明体。CIE推荐作为标准观察者有2视场的1931标准观察者和10视场的1964补充标准观察者。光电色度计一般由照明光源、校正滤色器、探测器组成。设计中关键问题是校正滤

15、色器的设计。光电色度计量时所采用的照明观察几何条件与分光测色仪器相同。,10.2 色度计,(1)卢瑟条件 通常光电色度计内部的照明光源是普通白炽灯或卤钨灯，探测器为光电池或光电管等。为了要模拟标准观察者在标准照明下观察到的物体颜色，色度仪器的总光谱灵敏度必须符合卢瑟条件,10.2.1 卢瑟(Luther)条件和校正滤色器,SA()为仪器内部光源的光谱分布；SC()为选定的标准照明体光谱分布；X,Y,Z为三种校正滤色器各自的光谱透射比；为选定的标准观察者的光谱三刺激值；KX,KY,KZ为比例常数；()为探测器的光谱灵敏度。,如果校正滤色器的光谱透射比满足卢瑟条件，则色度计实现了光学模拟的目的。仪

16、器各个探测器测到的电信号值比例于物体颜色的三刺激值。仪器符合卢瑟条件的程度越高，测量精度越高。,X()曲线有两个峰值,用滤色片组合比较困难，常用两种方式实现：用2个探测器和滤色器的组合分别模拟X()的两段曲线X1()和X2(),这类色度计有四个探测元件。假设X()的短波次峰曲线X1()的形状与Z()曲线相似,由Z()校正滤色器来近似;X2()由一个探测器和滤色器的组合来实现。此类色度计有三个探测元件X2(),Y(),Z()。,10.2.1 卢瑟(Luther)条件和校正滤色器,(2)光谱透射比,只要选定标准观察者和标准照明体，确定仪器内使用的照明光源光谱分布和光电探测元件的光谱灵敏度曲线，就可

17、确定校正滤色器的光谱透射比。,由光谱透射比曲线设计校正滤色器的方法是：由几块不同光谱透射比的滤色片组合起来,使其透射比等于要求的校正滤色器的光谱透射比。,ai为各滤色片的相对面积值。,10.2.1 卢瑟(Luther)条件和校正滤色器,(3)校正滤色器的设计方法,图10-10 滤光片的组合方式,方式(I)为串联形式，由几块不同材料，不同厚度的滤色片沿着光线照射的方向叠加在一起。,方式(III)采用上述两种混合的方式组成。,方式(II)并联形式。由几块不同材料，不同面积和厚度的滤色片沿垂直于光线照射方向并排组成。,为使校正滤色器的总透射比达到应有的数值，可根据选用的组合方式，按照公式适当地更换材

18、料、厚度、相对面积值，用试算的方式进行计算。现在通常用各种优化方法，编程计算程序。但是，由于滤色片材料种类的限制，厚度和相对面积相对更改时尺寸的限制，要使校正滤色器完全符合卢瑟条件是不可能的。因此光电色度计在原理上存在误差，其精确度不如分光测色仪器，但其成本低，测量速度快，故为各行业广泛采用。,10.2.1 卢瑟(Luther)条件和校正滤色器,光电色度计由仪器探测器的响应值直接读出样品的三刺激值，故必须满足下列关系,式中，R1，R2，G，B分别为四个光电探测元件的响应值。K1，K2，Kg，Kb为在测样品前必须首先确定的常数。,得到Ki后就可测量任意样品，测得样品的响应值R1，R2，G，B，即

19、可求得样品的三刺激值为X，Y，Z。,确定方法是用光电色度计去测量已知三刺激值为X10，X20，Y0，Z0的标准样品，得到的响应值为R10，R20，G0，B0，则可求得Ki值，这个过程称为仪器定标。,10.2.2 仪器的定标,由于校正滤色器光谱透射特性不可能完全符合卢瑟条件,经常配备多种已知三刺激值的标准样品,可以选用与待测样品有近似颜色的标准样品进行定标,以减小误差,提高仪器测量精度。一般光电色度计带有410块不同颜色标准色板/标准滤色片。,A目视色度计 在目视色度计中，人眼就是探测元件，故不存在符合卢瑟条件的问题。操作者观察两个并置的视场，一个视场由已知的三原色光混合组成，另一视场为待测色，

20、调节三原色光的光度来达到与待测色相匹配，由三原色的光度量求得待测色的三刺激值。B光电色度计 光电色度计通过光电探测系统自动地给出样品的三刺激值，使用方便、测量速度快，对大多数应用具有足够的准确度，因而被用于各种生产和质量控制的操作中。光电色度计的种类繁多，但基本原理相同。,10.2.3 色度计构造原理,彩色亮度计可用来测量自发光物体和非发光物体的颜色。人眼通过目镜和反射镜把仪器对准待测色源，探测器通过物镜接收色源的辐射。使用彩色亮度计时，色源的被测部位应有均匀亮度。仪器内部没有照明光源，因此测量物体色时，必须以标准光源照明物体，仪器可直接测得物体色的三刺激值和色品坐标以及两个样品的色差。,10

21、.2.3 色度计构造原理,图10-11 彩色亮度计BM-2的工作原理图,光电色度计利用仪器内部光源照明被测物体,可直接测得物体色的三刺激值和色品坐标,还可通过与计算机连接,计算出两个物体的色差值。,仪器照明和观测条件为0/d。光源光束经过聚光镜和45角反射镜投射到反射样品上，由积分球收集被样品反射的辐射通量。积分球内壁涂有MgO或BaSO4的中性漫反射涂料。X,Y,Z三个带有校正滤色器的探测器分别在球壁的三个测试孔同时接收。当测量透射样品时,在反射样品处放置与积分球内壁同样材料的中性白板,测得结果是透射样品三刺激值。,10.2.3 色度计构造原理,图10-12 某种光电光度计的系统框图,分光测

22、色仪器,1,色度计,2,光源颜色特性的测量,3,第十章 色度的测量及其仪器,光源的颜色特性:人眼直接观察光源时所看到的颜色，这与一般物体色类似，可用三刺激值和色品坐标来表示。评价物体在光源照明下所呈现的颜色效果,用显色指数来表示。光源的颜色特性和一般物体色类似，只决定于光源辐射的光谱分布。一旦得到光源的光谱分布，就可计算出它的三刺激值、色品坐标、相关色温和显色指数。,10.3 光源颜色特性的测量,10.3 光源颜色特性的测量,测量仪器：测量光源光谱分布的仪器称为光谱辐射计。光谱辐射计也是一种分光测量仪器，基本原理和结构与分光光度计相似，但由于测量对象是光源，而不是一般物体，所以与测色分光光度计

23、相比有一些特点：,对波长准确度和波长分辨率要求高。光源光谱分布可能存在线状光谱，要准确测量线谱必须有高的波长准确度和高的分辨率。比较测量的标准不是标准白板和空气，而是经过精确定标的已知光谱分布的标准光源。常用的标准光源有黑体、钨带灯、钨丝灯等。,测量原理：光谱辐射计一般由入射部分、单色仪、光度计量部分、输出装置等组成。入射部分将标准光源和待测光源发出的光交替送进单色仪。测光谱辐亮度时，要将选定的光源发光部位成像在单色仪的入射缝上。测光谱辐照度时，光源先照射在标准白板或散光器上，而后送进单色仪。因此光谱辐射计为适应测辐亮度和辐照度两种用途而有不同的入射部分。光度计量部分用来测量光能大小，标准灯与

24、待测灯由同一单光路进行，比分光测色计简单，仪器的双光路部分则放在入射部分。单色仪和输出装置在原理上与分光测色计相同。,10.3 光源颜色特性的测量,分光测色仪器,1,色度计,2,光源颜色特性的测量,3,荧光材料的颜色测量,4,第十章 色度的测量及其仪器,荧光材料广泛应用于各种行业，其颜色也用三刺激值和色品坐标表示，可用分光光度计和色度计测量。荧光材料和自发光体不同处在于：它只在其它光源照射下才有光发射。与一般物体的区别是：不仅能反射一部分照射光的光谱成分，而且在照明光的激发下能发射一定成分光谱的辐射，而这些光谱成分在照明光束中可能不存在，所以荧光材料的颜色决定于它反射和发射光谱的总和，其中发射

25、光谱往往起主要作用。荧光材料测量一般有两种测量方法。单色光激发测量法复合光照射测量法,10.4 荧光材料的颜色测量,10.4.1 单色光激发测量法,测量原理：通过激发单色仪给样品以波长为的单色光照射，用分析单色仪测量可见波段各波长辐亮度因数(,)。对于不同的入射波长都可测得相应的辐亮度因数(,)，排列出数据矩阵。,表10-1 荧光测量的辐亮度因数(,),10.4.1 单色光激发测量法,根据Stokes定律，发射波长一定长于激发波长，这可说明表中对角线右上角为0的现象。利用矩阵可计算在已知光谱分布的光源照射下，荧光材料的颜色特性。为此需要计算当入射辐射光谱分布为S()时，荧光材料在波长的反射和发

26、射的相对光谱分布R(),荧光材料的三刺激值为,该方法原则上是一完善方法，但确定矩阵相当麻烦，实际应用受限。,测量原理：复合光照射测量法的激发光源由复合光源直接照明,可直接测出荧光材料在测试所用光源照射下的特性，测得物体的光谱辐亮度因数()，从而计算出三刺激值。但计算结果只局限于这种特定光源照射下的客观效果，无法推算另一光源下此荧光材料的颜色特性。,10.4.2 复合光照射测量法,图10-15 复合光照射测量法原理图,图10-16 D65和A光源照射下的荧光光谱,分光测色仪器,1,色度计,2,光源颜色特性的测量,3,荧光材料的颜色测量,4,白度的测量,5,第十章 色度的测量及其仪器,白色是人们生

27、活中最喜爱和最常见的一种颜色,白色又常是衡量工农业产品质量好坏的一种标志。在建材、轻工、纺织、造纸等工业部门，白色程度的评价是广泛遇到的问题。一般来说，当物体表面对可见光谱内所有波长的反射比都在80%以上，可认为物体表面为白色。有些专家用三刺激值Y(即光反射比)和色度纯度(Pc)来表征白色。伯杰和麦克亚当认为：当样品表面Y70，Pc10%时可当作白色；格鲁姆(Grum)等认为物质表面的Pc在012%且具有高反射比时可看作为白色。这些颜色位于色空间中相当狭窄的范围内。虽然白色与其它颜色一样可用光反射比Y、纯度Pc和主波长三维量来表示。但是人们常用白度(W)这个一维量来表示白的程度，将光反射比Y、

28、纯度Pc和主波长不同的白色样品根据白度排成一维等级来定量地评价物体的白色程度。,10.5 白度的测量,A单波段白度公式 用一个光谱区的反射比来表示白度公式，主要有WG（1）WB（2）式中,W表示白度；G表示绿光反射比；B表示蓝光反射比。(1)式表示用绿光的反射比表示样品的白度，(2)式表示用蓝光的反射比表示样品的白度，也称为TAPPL公式。国际标准化组织（ISO）在造纸工业中采用主波长为4570.5nm，半峰宽度为44nm的蓝光测定样品的反射比，即WR457，造纸工业用它来评价纸张的白度，称为ISO白度。,10.5.1 白度的表达式,B多波段白度公式 以特定波长区域的反射比及其系数来反映样品的

29、白色程度。常用的公式有：Taube公式：W4B3G 黄度指数：W=(A-B)/G A，G，B对应于红、绿、蓝区的反射比，与三刺激的关系为,当已知样品的三刺激值，可确定出A，G 和 B,常见的黄度指数YI：,10.5.1 白度的表达式,式中，fXA，fXB，fXZ 随选用的标准观察者和标准照明体不同而不同。,C以明度L(或光反射比Y)和纯度表示的白度公式 麦克亚当公式Y为白色表面的光反射比；Pc为色度纯度；K为常数。D与色差概念有关的白度公式 将理想漫反射体的白度定为100，用样品的白度与理想漫反射体的白度进行比较，以色差概念来评价样品的白度。亨特白度 式中，L，a，b按亨特色空间的公式计算。另

30、一常见公式 式中，W*，U*，V*按CIE 1964 W*U*V*色空间的公式计算。,10.5.1 白度的表达式,ECIE(1982)白度公式 前述各类白度公式基本上未考虑偏色，不论偏红或偏绿都称为白。60年代中期甘茨(E.Ganz)提出了加权因子不同的中性白、偏绿白和偏红白三种计算白度的公式。1983年经CIE修改建立白度评价公式CIE(1982)白度公式，将白度分为白度W和白色泽TW两部分。,10.5.1 白度的表达式,式中，x,y,xn,yn/x10,y10,xn,10,yn,10分别为样品和理想漫反射体的色品坐标(2/10视场)。,CIE白度公式将白度评价统一起来，供在CIE标准照明体

31、D65下评价和对比白度样品。公式提供相对而不是绝对白度的评价。W值越高白度越高。TW为正时表示带绿色，数值越大带绿的程度越大；TW为负时表示带红色，数值越大带红的程度越大。对理想漫反射体，W和W10等于100，TW和TW10等于0。,利用仪器客观评价白度，以取代可能有争论的目视评价方法十分重要。用仪器测量白度可分为两步：测量样品的三刺激值：用分光测量方法或光电色度计测量。一般白度测量采用光电色度计的测量方法。通过一定的白度公式计算出白度值：知道三刺激值即可求出白度值。,10.5.2 白度的测量,作业1、写出卢瑟条件的表达式及其含义？2、光谱辐射计与测色分光光度计相比有什么特点？3、如何测量荧光材料的颜色？4、什么叫白度？如何测量？小论文1.白度测量方法研究；2.用积分球光谱仪测量水对激光光谱的吸收；3.辐射测量仪器的辐射定标方法研究,第十章 色度的测量及其仪器,