任務(wù)二 色度學

LED的色度學特性是其光學特性的另一個重要方面。由于LED燈具對顏色要求的多樣性，有些燈具對顏色的要求比較嚴格，于是，其色度學特性需要用波長（包括峰值波長、主波長、質(zhì)心波長等次級概念）、色溫、顯色指數(shù)等來綜合描述。

一、顏色視覺

顏色科學的一個重要發(fā)展是把主觀的顏色感知和客觀的物理刺激聯(lián)系起來，建立起高度準確的定量學科——色度學。色度學是對顏色刺激進行測量、計算和評價的科學。

（一）顏色辨認與RGB顏色空間

人眼可見的光是波長在380～760nm范圍內(nèi)的電磁波，電磁波的波長超出這一范圍時人眼將無法感受到，在這一波長范圍內(nèi)，不同波長的光會引起人眼不同的顏色感覺，這就是顏色形成的機理。顏色視覺正常的人在光亮條件下能看到的各種顏色從長波一端向短波一端的順序是紅色、橙色、黃色、綠色、藍色和紫色。表1-3是各種可見光顏色的波長和光譜的范圍。

事實上，除了以上這些顏色之外，人眼還可以感受到在可見光波長范圍內(nèi)由波長連續(xù)變化而引起的連續(xù)變化彩色感受。除此之外，人眼還可以感受到黑色、白色、灰色等無色彩的顏色感受，以及粉紅、暗紅、土黃等顏色感受。

各種顏色形成的機理到底是怎么樣的？其規(guī)律如何？下面就來分析這些問題。

1.混色與三基色原理

綜上所述，不同波長的單色光會引起不同的彩色感覺，但相同的彩色感覺卻可以來源于不同的光譜組合，人眼只能體會彩色感覺而不能分辨光譜成分。不同光譜成分的光經(jīng)過混合能給人有相同彩色的感覺，單色光可以由幾種顏色的混合光來等效，幾種顏色的混合光也可以由另外幾種顏色的混合光來等效，這一現(xiàn)象稱為混色。例如，彩色電視機中的彩色就是通過混色而實現(xiàn)的一種顏色復(fù)現(xiàn)過程，而并沒有恢復(fù)原景物的輻射光譜成分。

在進行混色實驗時，只要選取三種不同顏色的單色光，按一定比例混合就可以得到自然界中絕大多數(shù)色彩，具有這種特性的三個單色光叫基色光，對應(yīng)的三種顏色稱為三基色，由此得到重要的三基色原理。

三基色的選取并不是任意的，而是要遵循以下原則。

（1）三基色的選取原則

1）三種顏色必須相互獨立，也就是說，其中任意一種基色不能由其他兩種顏色混合配出，這樣可以配出較多的色彩。

2）自然界中絕大多數(shù)色彩都必須能按照三種基色分解。

3）混合色的亮度等于各種基色的亮度之和。

根據(jù)以上原則，在實際情況中，通常選取紅、綠、藍三種顏色作為三基色，由此形成了所謂的RGB顏色空間。

（2）相加混色法和相減混色法 把三基色按照不同的比例混合獲得色彩的方法稱為混色法，混色法有相加混色和相減混色之分。彩色電視系統(tǒng)以及各種類型的計算機監(jiān)視器等顯示屏幕中，使用的是相加混色法。而印刷、美術(shù)等行業(yè)以及計算機的彩色打印機等輸出設(shè)備使用的是相減混色法。

1）相加混色法。相加混色法一般采用色光混色，色光混色是將三束圓形截面的紅、綠、藍單色光同時投影到屏幕上，呈現(xiàn)一幅品字形三基色圓圖，如圖1-7所示。

由圖1-7可知：

紅光+綠光=黃光；

紅光+藍光=紫光（品紅光）；

綠光+藍光=青光；

紅光+綠光+藍光=白光。

以上各光均是按照基色光等量相加的結(jié)果。若改變?nèi)g的混合比例，則經(jīng)相加可獲得各種顏色的彩色光。

在三基色的相加混色實驗中，1853年，H.格拉斯曼（H.Grasman）教授總結(jié)出以下的相加混色定律，作為混色的重要指導(dǎo)思想：

① 補色律：自然界任一顏色都有其補色，它與它的補色按一定比例混合，可以得到白色或灰色。

② 中間律：兩個非補色相混合，便產(chǎn)生中間色，其色調(diào)取決于兩個顏色的相對數(shù)量，其飽和度取決于兩者在顏色順序上的遠近。

③ 代替律：相似色混合仍相似，不管它們的光譜成分是否相同。

④ 亮度相加律：混合色光的亮度等于各分色光的亮度之和。

實現(xiàn)相加混色的方法還有空間混色法、時間混色法等。

2）相減混色法。相減混色法主要用于描述色料的混色，指不能發(fā)光，卻能將照進來的光吸收一部分，并將剩下的光反射出去的色料的混合。色料不同，吸收色光的波長與亮度的能力也不同。色料混合之后形成的新色料，一般都能增強吸光的能力，削弱反光的能力。在投照光不變的條件下，新色料的反光能力低于混合前色料反光能力的平均數(shù)，因此，新色料的明度降低了，純度也降低了，所以又稱為減光混合。

相減混色法中的三原色為黃、青和品紅（即某種紫色），這三種原色分別對相加混色中的三基色藍、紅和綠具有極高的吸收率。因此，三原色按不同的比例混合也能得到各種不同的顏色。

2.RGB顏色空間

根據(jù)以上相加混色法的思想，把R（紅）、G（綠）、B（藍）三種基色的光亮度做一定的歸一化之后，作為直角坐標系三維空間的三個坐標軸，可以構(gòu)成一個顏色空間，顏色空間中不同的坐標點表示不同的顏色。這樣表示顏色的方法即為RGB顏色空間，由于RGB顏色空間是計算機等數(shù)字圖像處理儀器設(shè)備所采用的表示圖像顏色的基本方法，所以RGB顏色空間通常也稱為基礎(chǔ)顏色空間。

從理論上說，RGB顏色空間可以表示出任意的顏色。

（二）顏色的分類和特性

顏色可分為彩色和非彩色兩大類。非彩色指的是白色、黑色和各種深淺不同的灰色組成的系列，也稱為白黑系列。

當物體表面對可見光光譜所有波長反射比都在80%～90%時，該物體為白色；其反射比均在4%以下時，該物體為黑色；介于兩者之間的是不同程度的灰色。純白色的反射比應(yīng)為100%，純黑色的反射比應(yīng)為0。在現(xiàn)實生活中沒有純白、純黑的物體。對發(fā)光物體來說，白黑的變化相當于白光的亮度變化，亮度高時人眼感到的是白色，亮度很低時感到的是灰色，無光時是黑色。非彩色只有明亮度的差異。

彩色是指黑白系列以外的各種顏色。

彩色一般可用明度、色調(diào)和飽和度三個特性來描述，也可用其他類似的三種特性表示。

1）明度：人眼對物體的明暗感覺。發(fā)光物體的亮度越高，明度越高；非發(fā)光體反射比越高，明度越高。

2）色調(diào)：彩色彼此相互區(qū)分的特性，即紅、黃、綠、藍、紫。不同波長的單色光具有不同的色調(diào)。發(fā)光物體的色調(diào)取決于它的光輻射的光譜構(gòu)成，非發(fā)光物體的色調(diào)取決于照明光源的光譜組成和物體本身的光譜反射（透射）特性。

3）飽和度：是指彩色的純潔性。可見光譜中的各種單色光是最飽和的彩色，物體色的飽和度決定于物體反射（透射）特性。如果物體反射光的光譜帶很窄，則它的飽和度就高。

用一個三維空間紡錘體可以將顏色的三個基本特性，即明度、色調(diào)和飽和度表示出來，如圖1-8所示。立體的垂直軸代表白黑系列明度的變化；圓周上的各點代表光譜上各種不同的色調(diào)（紅、橙、黃、綠、藍、紫等）；從圓周向圓心的過渡表示飽和度逐漸降低。

二、CIE標準色度學系統(tǒng)

國際照明委員會（CIE）規(guī)定了一套標準色度學系統(tǒng)，稱為CIE標準色度學系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是近代色度學的基本組成部分，是色度計算的基礎(chǔ)，也是彩色復(fù)制的理論基礎(chǔ)之一。

CIE標準色度學系統(tǒng)是一種混色系統(tǒng)，是以顏色匹配實驗為出發(fā)點建立起來的，用組成每種顏色的三基色數(shù)量來定量表達顏色。

1.顏色匹配

建立CIE的標準色度學系統(tǒng)的一個重要原因是為了解決當時在顏色混合和顏色匹配中出現(xiàn)的一些問題。

把兩種顏色調(diào)節(jié)到視覺上相同或相等的過程稱為顏色匹配，圖1-9所示為顏色匹配的一種實驗裝置圖。

在以上的顏色匹配實驗中，黑擋板下方是被匹配的顏色，即目標顏色，而黑擋板上方則是RGB顏色空間中的三基色紅、綠、藍。在實驗中，CIE首先規(guī)定了這三種基色光的波長，分別為700nm（R）、546.1nm（G）、435.8nm（B）；然后就用這三種基色光進行不同配比的顏色匹配實驗，試圖配出在觀察者看來和黑擋板下方的目標顏色一致的顏色。

2.CIE 1931-RGB系統(tǒng)

CIE標準色度學系統(tǒng)的第一個版本叫作CIE 1931-RGB系統(tǒng)，是CIE在1931年發(fā)布的。這一色度學系統(tǒng)是在類似于圖1-8的實驗裝置上，以標準色度觀察者在1°～4°的視場下的基本顏色視覺實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)而產(chǎn)生的。

在CIE 1931-RGB系統(tǒng)的實驗中，為了確切地描述顏色匹配中三種基色的相對比例，首先必須定出基色單位這樣一個概念，即定出多大亮度的基色光為該基色光的一個單位。為此，需要提出“等能白光”這樣一個概念，即假想的在整個可見光譜范圍內(nèi)光譜輻射能相等的光源的光色，稱為等能白色，等能白光的輻射通量譜函數(shù)為整個可見光范圍內(nèi)的一條平行于橫軸（波長軸）的直線。如果波長分別為700nm（R）、546.1nm（G）、435.8nm（B）的紅、綠、藍光可以作為三基色而混合匹配出任意顏色，則此三基色配出等能白光時，它們的輻射通量是相等的。由于人眼視覺效率函數(shù)依波長變化而變化，所以可以得出三基色的光通量之間的關(guān)系，見表1-4（這里，取1lm紅光的光通量作為一個單位）。

采用以上的三基色單位量作為標準，可通過實驗測定出混合配比出任意顏色所需要的三基色的量。

顏色匹配實驗中，當與待測色達到匹配時所需要的三基色的量，稱為三刺激值，記作R、G、B。一種顏色與一組R、G、B值相對應(yīng)，R、G、B值相同的顏色，顏色感覺必定相同。三基色各自在R+G+B總量中的相對比例叫作色度坐標，用小寫的符號r、g、b來表示，即

基于CIE 1931-RGB系統(tǒng)的實驗證明：幾乎所有的顏色都可以用三基色按某個特定的比例混合而成。如果用上述規(guī)定單位量的三基色，在可見光380～760nm范圍內(nèi)每隔波長間隔（如10nm）對等能白色的各個波長進行一系列的顏色匹配實驗，則可得每一種光譜色的三刺激值。實驗得出的顏色匹配曲線如圖1-10所示，圖1-11中的CIE 1931-RGB配光曲線也稱為CIE 1931-RGB標準色度觀察者。

從圖1-11中可以看出，任一波長的光，都可以由三基色的光按圖中的比例匹配而成，圖1-11中的曲線表明，如要配出500nm附近某一段波長的光，則需要的紅色基色的光量為負值，即在實驗中，要把這一數(shù)量的紅光照射于被匹配光的一側(cè)（即圖1-9的黑擋板下方）才行。這對配光的物理意義以及數(shù)學計算而言，都是不太完善的結(jié)果。

根據(jù)配光的三刺激值色度坐標的公式，r、g、b三個色度坐標中只有兩個是獨立的，通常可選取r、g分別作為橫坐標和縱坐標，可繪制出如圖1-11所示的CIE 1931-RGB系統(tǒng)色度圖。從圖1-11中也明顯可見，配出許多顏色所需要的紅色基色分量的刺激值是負的。

3.CIE 1931-XYZ標準色度學系統(tǒng)以及其他CIE色度學系統(tǒng)

由于CIE 1931-RGB系統(tǒng)存在一些缺點，即在某些場合下，例如，被匹配顏色的飽和度很高時，三色系數(shù)就不能同時取正。由于三基色都對混合色的亮度有貢獻，因此當用顏色反方程計算時就很不方便。

因此，希望有一種系統(tǒng)能滿足以下要求：

1）三刺激值均為正。

2）某一基色的刺激值，正好代表混合色的亮度，而另外兩種原色對混合色的亮度沒有貢獻。

3）當三刺激值相等時，混合光仍代表標準（等能）白光。

這樣的系統(tǒng)在以實際的光譜色為三原色時，無法從物理上實現(xiàn)，CIE提出了以假想色作為邏輯上的三基色的XYZ表色系統(tǒng)，即CIE 1931-XYZ標準色度學系統(tǒng)。

CIE 1931-XYZ標準色度學系統(tǒng)中的三基色X、Y、Z實質(zhì)上是CIE 1931-RGB色度學系統(tǒng)中三基色R、G、B的線性組合。兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

根據(jù)上式，可得到以下用于描述色品圖的三刺激值：

由此可得到如圖1-12所示的CIE 1931-XYZ標準色度學系統(tǒng)顏色匹配光譜三刺激值曲線，又稱CIE 1931-XYZ標準色度觀察者。

從圖1-12中可知，配光所用的三基色色品坐標x、y、z值沒有出現(xiàn)負值。由圖1-12色品坐標的實驗數(shù)據(jù)可以畫出如圖1-13所示的CIE 1931-XYZ標準色度系統(tǒng)色品圖。

從圖1-13中可知，顏色刺激的值全為正值。

CIE 1931-XYZ標準色度系統(tǒng)是國際上色度計算、顏色測量和顏色表征的統(tǒng)一標準，是所有測色儀器的設(shè)計與制造依據(jù)。

三、描述LED色度學特性的幾個重要概念及其關(guān)系

在了解了顏色描述的基本概念之后，下面對描述LED色度學特性的幾個重要概念及其關(guān)系進行介紹和分析。

1.光源的波長與顏色

發(fā)光的顏色是色光LED的一個重要參數(shù)。對單色光而言，顏色的差異是由波長的不同而引起的。可見光的波長不同，引起人眼的顏色感覺就不同。

但實際上，任何光源，包括LED，發(fā)出的光都不可能是絕對嚴格的單一波長的單色光，而是發(fā)出以某一波長為中心的一定波長范圍的光，某一光源發(fā)光的相對強弱和波長的函數(shù)關(guān)系稱為該光源的光譜特性，色光光源的光譜特性曲線通常類似于高斯分布（正態(tài)分布）的曲線。光源光譜特性曲線如圖1-14所示。

圖1-14 是黃綠色光的光譜特性曲線，在圖中，可以引出幾個常用的光學特性參數(shù)。

（1）峰值波長 圖1-14中曲線的最高點對應(yīng)的波長稱為峰值波長，即無論由什么材料制成的LED，都有一個相對光強最強處（光輸出最大），與之對應(yīng)有一個波長，稱之為峰值波長，用λp表示。通常峰值波長主要用來描述單色光的顏色特性。

（2）譜線半寬度 圖中的Δλ通常稱為譜線的半寬度，是指相對光強為峰值波長一半時對應(yīng)的曲線上兩個點的波長間隔。半寬度反映譜線寬窄，是衡量光源單色性好壞的參數(shù)，各種單色光LED發(fā)光的譜線半寬度小于40nm，單色性較好。

（3）主波長 有的光源發(fā)出的光不僅只有一個峰值波長，甚至有多個高低不同的峰值。為了描述此光源的色度特性，需要引入主波長的概念。主波長描述的是人眼所能觀察到的由此光源發(fā)出的光的顏色傾向所對應(yīng)的單色光的波長。

主波長的概念通常不是用來描述單色光，而是描述多個峰值的色光混合起來所呈現(xiàn)的顏色。例如，GaP材料可發(fā)出多個峰值波長，而主波長只有一個，LED的主波長會隨著長期工作，結(jié)溫升高而偏向長波方向。

主波長的數(shù)值可用如下方法來確定：用某一光譜色，按一定比例與一個確定的標準照明體（如CIE標準照明體A、B、C或D65）相互混合而匹配出樣品色，該光譜色的波長就是樣品色的主波長。顏色的主波長相當于人眼觀測到的顏色的色調(diào)（心理量）。

如果光源的單色性很好，則峰值波長λp的數(shù)值基本上等于主波長。對于藍光LED芯片，峰值波長要比主波長短一點（5nm左右）。

（4）色品坐標 如前面分析CIE 1931-XYZ系統(tǒng)所述，某種顏色在CIE 1931-XYZ色度圖中的色品坐標（或稱色度坐標）是描述該顏色的色度特性的重要參量，顏色色品坐標的不同對應(yīng)著顏色的差異。在實際LED封裝中的分光等應(yīng)用場合需要用到色品坐標的概念，此時通常用色度圖中X和Y的坐標值來表示。對于白光LED的分光，色品坐標的X、Y值均為接近于0.33的一個數(shù)值，表明白光中X、Y、Z三個顏色分量的比例接近，根據(jù)X、Y具體數(shù)值的不同，體現(xiàn)出一定的顏色偏向性。

色品坐標還可以用于說明主波長的概念：CIE 1931-XYZ色度圖邊沿的舌形曲線代表飽和度為1的純光譜色，假若已知某光的色品坐標為A，則從色品坐標圖中等能白色（0.33，0.33）處引一線段指向A，再將該線段延長，則延長線和色度圖邊沿的交點對應(yīng)的波長為該色光的主波長。

2.光源的色溫

色光光源的色度特性用波長來表示，但在LED或其他光源的制造和應(yīng)用中，白光光源也是非常重要的一種類型，特別是在照明領(lǐng)域。理想的白光是各種波長色光的均勻或等能的組合，因而無法用波長表示白光的顏色。

實際的白光總帶有一點微弱的顏色偏向性，如偏紅或偏藍。由于白光的這種顏色偏向性和單色光的顏色明確性是比較微弱的，所以實際的白光其顏色偏向性也不用感覺上偏向的那種顏色的波長來表示，而是借助于黑體輻射峰值波長隨溫度變化的特性，即色溫這個參數(shù)來表示。黑體輻射隨溫度變化的特性可用圖1-15表示。

光源的色溫定義：如果光源發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的光顏色相同，則此時黑體的溫度稱為該光源的色溫。

色溫是用來描述白光的顏色偏向性的，單色光的顏色不用色溫來描述。

色溫計算采用絕對溫標，以K（開爾文）為單位，黑體輻射的0K=-273℃作為計算的起點。將黑體加熱，隨著能量的提高，便會進入可見光的領(lǐng)域。例如，在2800K時，發(fā)出的色光和燈泡相同，便說燈泡的色溫是2800K。

光源色溫不同，光色也不同。

色溫低于3300K時，光色表現(xiàn)為溫暖（帶紅的白色）、穩(wěn)重的氣氛效果。

色溫在3300～5000K時，光色表現(xiàn)為中間（白）、爽快的氣氛效果。

色溫高于5000K時，光色表現(xiàn)為清涼型（帶藍的白色）、冷的氣氛效果。

不同色溫對應(yīng)的顏色可用圖1-16表示。從圖可知，不同的色溫對應(yīng)于不同的顏色，必須強調(diào)的是，色溫是用來描述白光顏色偏向是暖色還是冷色的一個概念，對應(yīng)于正白的色溫表示該顏色恰好位于暖色和冷色的平衡點，即該顏色不偏暖也不偏冷，這個平衡點的色溫在5000K左右。與該色溫對應(yīng)的溫度下，黑體輻射的峰值波長會取555nm左右的一個數(shù)值，該波長對應(yīng)的單色光顏色為黃綠色。但絕對不能說此時和5000K左右色溫對應(yīng)的顏色為黃綠色，因為色溫不是描述單色光色度的參量，色溫是描述白光色度特性的參量，它體現(xiàn)了白光中暖色和冷色的平衡程度。

3.光源的顯色性

顯色性是用于描述白光光源綜合色度特性的一個參數(shù)。原則上，人造光源應(yīng)與自然光源相同，使人的肉眼能正確辨別事物的顏色。

顯色性通常用顯示指數(shù)（Ra）來描述，它表示物體在某一光源照明下的顏色與基準光（太陽光）照明時顏色的偏離。顯色性較全面地反映光源的顏色特性，它描述了事物的真實顏色（其自身的色澤）與某一標準光源下所顯示的顏色關(guān)系。Ra值是將DIN 6169標準中定義的8種測試顏色加上其他7種試樣，在標準光源和被測試光源下進行比較，色差越小，表明被測光源顏色的顯色性越好。Ra值為100的光源表示事物在其燈光下顯示出來的顏色與在標準光源下的一致。

代表性試樣的選擇為1～8 號是中彩度色，如深紅、深黃、深綠、深藍等（明度為6）；9～12號是高彩度的紅色、黃色、綠色、藍色；13號是白種人女性膚色；14號是葉綠色；15號是中國女性膚色（日本女性膚色）。

光源的顯色性是通過與同色溫的參考光源或基準光源（白熾燈或日光）下物體外觀顏色的比較而確定的。光源所發(fā)射的光譜決定光源的光色，但同樣顏色的光可由許多、少數(shù)甚至僅僅兩個單色光波等不同方式組合而成，對各種顏色的顯色性亦大不相同。光譜組成較廣的光源較有可能提供較佳的顯色品質(zhì)。當光源光譜中很少或沒有物體在基準光源下所反射的某種波長成分時，會使物體的顏色產(chǎn)生明顯的色差。色差程度越大，光源對該種波長的光的顯色性也越差。

實際應(yīng)用中對光源顯色指數(shù)的要求見表1-5。

各種光源的顯色指數(shù)見表1-6。

4.光源光譜圖

利用燈具光色電綜合測試儀測試了白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈和不同顯示指數(shù)LED等各種不同光源的光色電參數(shù)和相應(yīng)的光譜圖，比較如圖1-17所示。

從圖1-17中的不同光源測試參數(shù)及光譜圖對比可知，光源的光譜分布決定了光源的顯色性，光源的色溫和顯色性之間沒有必然的聯(lián)系，具有不同光譜分布的光源可能有相同的色溫，但顯色性可能差別很大。從光譜圖外形特點也可反推這是何種光源，例如圖1-17a，光譜圖與太陽光譜非常接近，所以它的顯色指數(shù)為100；圖1-17b中熒光燈光譜圖有多條不同顏色的波峰，但它的特點是對應(yīng)有藍光、綠光和紅光比較高的波峰；圖1-17c中高壓鈉燈光譜圖也是有多條不同顏色波峰，但它的特點是橙黃光波峰相對比較高，所以路燈如果安裝了高壓鈉燈則通常看到發(fā)出橙黃光；圖1-17d～f中是LED的光譜圖，都有一個明顯的藍光波峰和一個比較寬的包含綠、黃、紅的寬光譜，可見這款LED發(fā)光原理為LED藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉所得，這是常用的典型的LED封裝形式，即藍光芯片+黃色熒光粉。從光譜圖也可看出，顯示指數(shù)的高低與紅色光譜占比有很大關(guān)系，這可以在LED光源封裝過程中熒光粉配比實驗中提供重要的指導(dǎo)性方向。