光度色度学基础知识概述

本文从“光的本质”切入，系统梳理六大核心内容：辐射度量与光度量的区别、人眼色彩视觉机制、光度量/色彩测量方法及误差控制，*后对比滤光片式与分光光谱式测量的差异，构建光度色度学知识框架。

01光

在自然界中，电磁波是能量存在和传播的一个重要形式，通常定义光学谱段从 0.1nm 的 X 射线到 0.1cm 的极远红外；而我们人眼能够感知的范围只是其中极小的一部分，通常是380nm~780nm，这个范围内的电磁波能够让人眼产生视觉刺激，从而形成光亮感和色彩感 。

可见光与电磁波谱

02辐射度量与光度量

a) 辐射度量的定义

在自然界中，电磁波是能量存在和传播的一个重要形式，辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量，是一个能量的表征形式；在辐射度学中通常研究辐射能的空间、时间、方向的分布，通常定义为辐射通量、辐射强度、辐射亮度等；

b) 光度量的定义

我们把定量地测定光的明亮程度的学科成为光度学，由光度学得到的规格化的明亮度叫做光度量。光度量都是用对应的电磁波辐射度量乘以光视效能得到的，是由视觉心理来评价物理量时得到的量，称为心理物理量；

人眼视觉曲线图

c) 辐射度量与光度量的对应表格及单位

03人眼的色彩视觉

前面提到的光度量科学是人眼对光的能量的感知，如果只有光度量的话，人眼看到的是一个灰色的世界，只有亮暗的差异；然而我们可以看到这个多姿多彩的世界，是因为我们眼球中视网膜中央有色彩感知的视锥细胞；人眼视锥细胞主要集中在视网膜中央，所以人眼对颜色的感受会受视场角度的影响 。

04光度量测试方法及误差

两个基本定理

1、平方反比定理 : 连续光强光源在光接受表面的照度（illumination）与光源到接受表面距离之间的关系，即，照度值与该光源到接收面之间的距离的平方成反比。因此，理想的照度测量必须要能精确控制距离的大小，如果某光源在某一距离的照度值已知，除非其他条件影响，任何距离的照度都可以经计算获得。

2、余弦定理：一定面积上的光强，因入射角的不同而随之变化，这是因为实际投影面积随入射角的增大成比例的减少。这样，在环境照明测试时，探头需要进行余弦校正来计算实际值。否则，就会产生相当大的误差，尤其当入射角较小时，误差更大。

光通量 luminous flux

光通量的单位是流明（lumen）, 是光度量的基本单位，表示可见光源单位时间内输出的所有光能量。因此，光通量的测量要求能够将所有的光能量收集到光探测器上，对于发散光源，如 LED、灯源等，光通量的测量就比较困难，这时就要用积分球把所有的光收集起来测试。

在实际测试中，特别是灯具测试，因为灯具测试通常需要把灯具放入积分球中做 4π 的测试，而灯具本身会对不同波长的光有选择性吸收，从而带来测试的误差，所以通常需要为积分球配置辅助灯，以消除灯具本身自吸收带来的误差。

光强（luminous intensity）

光强也是表征光源性能的物理量。光源在指定方向上单位立体角内发射的光通量定义为光源在此方向上的光强。光强的基本单位是坎德拉（candela）, 相当于 1 流明 / 球面度（lm/sr）。对于光强度的测量，CIE127-2007 做了相关测试规定，分为 A、B 两种测试条件，在实际 LED 测试中，通常采用 B 条件

A 条件：从点光源到探头的距离为 316mm，探测器面积为 100mm2 ；

B 条件：从点光源到探头的距离为 100mm，探测器面积为 100mm2 ；

在 LED 光强测试中，由于 LED 的光强随角度的变化比较大，如果 LED光轴跟系统光轴不一致将会导致很大的误差，所以需要采用专用的 LED夹具来确保 LED 机械轴与测试系统光轴一致，降低误差；

光亮度（luminance）

光亮度是指光源在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发 射的光通量，是表征人眼感知的光源或者发光表面的亮暗程度。

光照度 illuminance

光照度是指单位面积所接受的入射光的量。在英制单位里，1 平方英尺的面积上接受到 1 个流明的光通量，定义为 1footcandel。 公制单位中，当 1lm 的光通量均匀地照射在 1 平方米的面积上时， 光照度为 1 勒克斯（lux）,10.76lux=1footcandle.

在照度测量时，经常由于光线偏离垂直光轴而造成测试错误。这时，探头就要配一个余弦校正器。由于余弦接受器仍然要投影到探头上，因此，余弦接受器的面积并不是探头的面积，只是代表测试面积。

在实际应用中，什么时候用照度来表征，什么时候用亮度来表征，需要看具体的应用，一般出发点以人类眼睛的观察角度为准，比如对于汽车前车灯，目的是为了照明，所以通常测试照度，而对于汽车尾灯，目的是为了让后面的人看到汽车，所以通常测试的是亮度；在道路照明中，目的是为了让驾驶员能够看清路面，所以目前测试亮度的规范正慢慢取代原来照度的测试规范 ；

05色彩测量方法及误差

色度学是涉及观察者的视觉生理、照明条件、观察条件等因素，是一门由大量统计得到的测量科学；为了得到统一的度量效果，国际照明委员会 ( 简称 CIE) 基于每一种颜色都能用三个选定的原色按照比例混合而成的原理，建立了一套标准色度系统 , 就是我们常用的 CIE 标准色度系统。

其中 S(λ) 为光源的光谱分布；X、Y、Z 为标准观察者的光谱三刺激值；x，y 为 CIE1931 下的色坐标。

格拉斯曼定律：对于颜色相同的光，不管他们光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果，即凡在视觉上相同的颜色在颜色合成中都是等效的，而且混合色的总亮度等于组成混合色的各颜色光的亮度总和；但是该定律只适合于相加混合过程；这个概念在 LCD 背光模组中应用很重要；因为 LCD 是把白色背光模组分解为 RGB 三基色，然后再做混合得到各种颜色的光。

国际照明委员会（CIE）在 1931 年推荐的标准色度观察者光谱三刺激值函数及相应的色品图，至今在许多色度计量方面得到广泛的应用，使人们可以在统一的基准下进行颜色的计量测试和比较分析。但是在 CIE1931 标准色度系统的实际应用中发现了一些不足之处，尤其是色品图的不均匀性即在各色区中颜色感知差异的容限大小不等，于是 CIE 在 1976 年定义并推荐了改良的色品计算公式，得到色品均匀性比较好的色品图，称为 CIE1976 体系。

好的色品图，称为CIE1976体系

显色指数：

CIE 光源显色性评价方法把在待测光源下物体色和在参照照明体下物体色的一致性进行量化，称为显色指数。即对象在某光源照射下显示之颜色与其在参照光源照射下之颜色两者之相对差异。CIE 采用了一套共 14 种试验色，其中 1 ～ 8 号共 8 种试验色用于光源一般显色指数（Ra）和特殊显色指数的计算，这 8 种试验色代表了各种不同的常见颜色，而 9 ～ 14 是一些饱和色和皮肤色，专用于特殊显色指数的计算。

标准色样

主波长：任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源（如 CIE 标准光源 A、B、C 等，等能光源 E，标准照明体 D65 等）相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的主波长。

色温及相关色温：当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体对应的温度就称为该光源的色温，用绝对温度 K 表示。对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时用相关色温来表示。在均匀色品图中，如果光源的色坐标点与某一个温度下的黑体辐射的色坐标点*接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。

Ra 为平均一般显色指数，由 1 ～ 8 号试验色求得的 8 个特殊显色指数取平均值而得到。

CRI 在 LED 行业中通常是 R1~R14 的平均值针对适用场地的不同，国际照明委员会 CIE，一般把显色指数分为五类。

06滤光片式及分光光谱式的差异

在光度、色度学量测中，CIE127 规定了有两种测试方法，一种是采用光电二极管加上滤光片，把光电二极管的响应曲线修正为与人眼的响应曲线 ( 人眼三刺激值响应曲线 ) 接近，也就是用探测器来模拟人眼；另外一种是分光光谱法，先测试光源的绝对能量光谱分布曲线，然后用 CIE127 规定的人眼响应曲线函数把能量转换为光度和色度值；分光光谱法*初通常用于标准计量单位所采用的计量方法；滤光片法的优点在于测试速度很快，但是由于滤光片光谱透过率不可能完全与 CIE 标准曲线一致，因此一定会存误差。这种误差会随着待测样品和环境而变化。

光度测试滤光片光谱失配曲线图

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