Saturday, December 22, 2012

tw 光電工程概論 平衡狀態下,黑體所吸收之能量恰等於其發射之能量,而其發射形式為電磁波

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Ch6 色度學
光電工程概論
簡介
色度學就是用數值的方式來標示色彩的科學,
即利用色彩三刺激值-如RGB等三個數值
來標示一個色光對我們眼睛所造成的整體色感
效果。
光度學只涉及一個光譜加權函數(比視感
度),而色度學則涉及三個加權函數(色相、
彩度、亮度)。
物色=光源+物體+眼睛
色彩量測的基本原理
基本定理-三原色通則(trichromatic
generalization)
在通常的情況下,任何一種色彩刺激(S)皆可由三
個經過適當比例調整的固定原色刺激(primary
stimuli)依加色混合而得到完全的匹配。
負分量的存在:有些色彩刺激無法用三原色來匹配,
必須和其中的一個原色刺激混合後再與其他兩個原色
刺激的混合色取得匹配。
(
)
B
G
R
BG,R,S
B
G
R
+
+
=
B
G
R-S
or
B
G
R
S
B
G
R
B
G
R
+
+
=
+
=
+
三刺激色彩空間
總部設於維也納的國際照明學會(Commission
Inertnationale de l'Eclairage, CIE)為統一全
球色彩標示,於1931年特別設計了一套虛擬的三次
元色彩座標(X , Y , Z),原點為零,只取第一象
限之正值,將所有可見光之色彩範疇完全包含在該
象限之中。
色 度
可見光光譜之三刺激值
Y值代表光源或螢光幕之亮度
(Light Output,Luminance)
色彩三刺激值之定義
可見光(380nm~780nm)之色度
(Chromaticity)值定義
(1)參考上圖在XYZ立體空間座標上,取 X=1.0,Y=1.0,Z=1.0
構成三角形斜面。
(2)將所有自原點O(0,0,0)發射出之各種彩色光線與該三角
形斜面相截之各點連成一舌形圖。
(3)再將此原始舌形圖投影到
O(X=0,Y=0) A(X=1,Y=0) B(X=0,Y=1)
之三角形OAB平面上。新形成之舌形圖即為CIE1931(x,y)
色度圖。
(4)因此,在x,y色度圖上,x=0~ +1.000;y=0~+1.000都是
正值。
CIE 1931色度圖之建構過程
例題
已知彩色電影映像管紅、藍、綠三色螢光粉之發
光色度與亮度實測值分別為:
求三單色光混合後之螢幕色度與亮度為
何?
公式應用:
Y/y=X/x=Z/z=X+Y+Z=D;x+y+z=1
因z=(1-x-y),
求原色光之三刺激值(X,Y,Z)無單位
白色畫面之三刺激值分別為
最後螢幕之色度(x,y)與亮度即可求得如下:
答案是:色度x=0.303,y=0.316;亮度103nit。
圖中央部分之E點(0.333,0.333)是為"等能量"參考點。又
C點(0.310,0.316)是為純百點,該處色彩飽和度(Color
Saturation)為零。
色彩之飽和度與範疇
圖中為
,該三角形內之各種色彩理論上,都能在
該螢幕上呈現出來。
稱為該映像管之彩色範疇
(Domain),所以
之面積愈大,其所能顯示之色彩也
愈豐富。
(一)1931CIE色度圖
色度圖之非線性缺點與其改進
肉眼對光顏色的敏感度
(Δx, Δy)為0.005
同一螢幕之色差≦±0.050
各螢幕在特定亮度下
色差≦±0.150
(二)1960CIE-UCS色度圖
將舊座標的綠色固定,而將紅色往右上角拖拉而
成。
新舊座標值之換算公式如下:
註:UCS代表Uniform Chromaticity Scale均一
色度圖。
(三)1976CIE-UCS色度圖
不同版本之色度圖間之轉換公式歸納如下:
1.由(x,y)轉(u,v)
2.由(x,y)轉
3.由(u,v)轉
光電製造業生產線常用的儀器屬簡便型之光度計
(Photo-Meter)
研發中心或學術單位則應選用較精密的分光輻射
度或光譜輻射度(Spectra-radiometer),附有
標準光源作為定期校正之用。
色度量測
(一)光度計
由光電管、三色濾光片、透鏡等組合而成。由於無
法完全模擬視覺敏感度曲線,故準確度較差。
色度讀值可在(x,y),(u,v)或
中任選一組。
常見的光度計(Photometer)有:(1)Minolta CA
100;(2)Tektronix J17;(3)Minolta CL100;
(4)Photo Rescarch PR 880;(5)Lite Mate等。
(二)分光輻射度計
分光輻射度計(Spectra-Radiometer)屬高級精密儀器,
通常配有標準A光源供定期校驗,涵蓋波長範圍有
380nm~780nm或380nm~1,068nm(IR)兩種。
優點是準確度(Accuracy)高,更換色區量測亦可確保精
確度。
黑體是一理想化之輻射發射體,其發射係數(Emissivity, )
為 1.0 ,而其反射率與穿透率均為零。
換言之在平衡狀態下,黑體所吸收之能量恰等於其發射之能
量,而其發射形式為電磁波。
黑體輻射(Radiation of Black Body)公式如下:
黑體輻射
Wien位移律
aT
m
=
λ
a=(2897.8±0.4)μm K
對波長λ微商,
並使其等於零,
即可求得輻射出
射度譜分佈極大
值處的波長 λ
m
黑體溫度愈高,其發射之電磁波的波長就愈短,能量愈
高。
黑體溫度只要在0°K以上就會有電磁波發射,黑體溫
度到達1,000°K以上時,就呈現暗紅色其色度為
x=0.6,y=0.4。
當黑體溫度升至2,850 °K時則呈現橘黃色,其正確色
度為x=0.447,y=0.407
也是公認的A光源之色度座標。又6,500°K時黑體成
白色x=0.312,y=0.329與
光源相近。
任何發光體其色度落在黑體輻射色度之軌跡上或附
近,就可讀出對應之黑體溫度,是謂該發光體之色
溫(Color Temperature, )
黑體輻射之色度與色溫軌跡
色溫並不代表光源的實際溫度,但與心理感受有關。
電視螢幕規格方面,白色畫面之色溫有兩種:
1.美洲NTSC系統:9,300 +27MPCD(註)。
2.歐洲PAL系統:6,550 +7MPCD。
註:MPCD指Minimum Perceptional Color Difference.
色溫與寒、暖色之相關性
照明方面也有類似的寒、暖色選擇:
純白日光燈
6,500K
愛眼日光燈
4,000K
鎢絲燈泡
3,400K
鈉氣燈
2,200K
水銀燈
6,000K
蠟燭光
1,925K
陰天午間
6,500K
晴光
18,000K
白色LED
6,500~9,500 北半球中午陽光
5,400K
1960年,國際照明協會終於決定,在新通部的UCS色度
圖上,標示色溫等溫線(Iso-Temp Lines),並確定其適
用範圍為 50 MPCD,凡落在色溫線上方者為正值;落
在其下方者為負值。
MPCD是最小可察覺之色差單位
,在u,v座標上,
1 MPCD=0.00035座標刻畫,
故50MPCD=0.0175。
色溫曲線與等溫線之標示法
從事光電研究工作的技術人員所熟識的各
種光源甚多,最大的光源自然是日光。
在學術方面有各種標準光源(Standard
Light Sources),光電業方面則有映像管
螢光幕、液晶顯示器的背光管、電漿電視
的發光面板、三色及白色LED、以及各種
照明燈光等。
各種光源之光譜分佈
光源
圖中顯示,在海平面量測到之日光,其波長自0.3 (UV)
延伸至3.2 之紅外線。
紫外線(波長小於380nm)是不可見的,但曝曬過度可能引起
皮膚癌。
紅外線(波長大於780nm)也是不可見的,卻是日光熱能的主
要成分。
各種光源之光譜分佈
日光
由圖可見,愈近中午,太陽光之能量愈往短波長
移動(波峰約450nm),色度由紅轉白,在轉偏
藍,隨之色溫值升高。
色度學的基礎標準
CIE標準照明與標準光源
標準照明A:標準照明A所指的是由完全黑體在2856 K
所發出的光。
標準照明B和C:標準照明B代表由太陽直射,具有
4870 K同色溫的光;標準照明C代表平均日光,即具
有6770 K同色溫的光。
標準照明D65:標準照明D65代表一個時段的日光,
其色溫為6500 K。
標準光源A:標準光源A可用充氣的捲絲鎢絲燈加熱到
2856 K來實現。
標準光源B和C:標準光源B和C可經由標準光源A經過
兩個液體濾色鏡加以實現。
標準光源D65:標準光源D65截至目前止,CIE並沒推
荐任何光源可達到標準的D65照明。
標準光源
標準反射率
CIE所制定的標準反射率是一個完全的反射
漫射體,其反射率在可見的光譜(380 nm至
780 nm)均為1。實用上,理想的均勻漫射
體,即“工作標準"或俗稱的“標準白",可用
氧化鎂(MgO)或硫酸鋇(BaSO
4
)壓製而
成。
常見之標準光源(Standard Light Sources)有A、B、
C、
,其色度約落在黑體輻射軌跡上。
標準光源是從事各種光電研究和照明特性量測不可或缺之
標準儀器,作為光度計、色度計、以及分光輻射儀等之校
對基準。
各種光源之光譜分佈
標準光源
A光源,可由鎢絲燈泡製作而成,常被用來校驗分
光輻射儀之準確度。
A光源之色度為
x=0.4476,y=0.4074
色源約為2,856 。
C光源之色度為
x=0.3101,y=0.3162
色溫約6,774 。
CIE 也規定了標準日光D55、D65 與D75
三者的色度座標(1931 chromaticity coordinates)滿
足下列關係式:
標準日光
光源之演色特性,稱之為"演色性指數(color
rendering index, CRI)"。演色性指數為物件在某光
源照射下顯示之顏色與其在參照光源照射下之顏色兩
者之相對差異。其數值之評定法為分別以參照光源及
待測光源照在DIN 6169所規定之八個色樣上逐一作比
較並量化其差異性;差異性越小,即代表待測光源之
演色性越好,CRI為100之光源可以讓各種顏色呈現出
如同被參照光源所照射之顏色。CRI值越低,所呈現之
顏色越失真。太陽光之CRI為100,螢光燈為60-85,
螢光粉白光LED為60-90,雙色白光LED在10-60間。
一般CRI值大於85可適用於大部分之應用。
傳統鎢絲燈泡之光譜分佈
鎢絲燈泡溫度升高時之光譜變化
已有一百多年歷史的映像管,都是靠螢光粉(Phosphor)來發光的。
早期黑白映像管的螢幕,是由P4螢光粉塗佈而成。
P4其實含有:藍色螢光粉ZnS:Ag,Cl。
黃色螢光粉(Zn,Cd) S:Cu, Al兩種成分。
只要調整黃、藍兩成份之比例,就可得到沿B-Ye連線上,不同色度不同
色溫之白色螢光幕。
各種光源之光譜分佈
黑白與彩色映像管螢幕
螢光粉之發光效率以lumen/Watt來表示,
三色中以綠色最有效,可達65lm/W。
其實紅色、藍色之能量轉換效率
Watt(光)/Watt(電)並不差,只是肉眼對
紅、藍光的反應特別遲鈍。
彩色映像管電子槍發射的電子束只有20%能通過所謂的
蔭罩(Shadow Mask),所以用總號能量作基礎,其螢幕
之發光效率恐怕不及螢光粉發光效率的五分之一。
比較紅色螢光粉之發射光譜與藍、綠二色的發射光譜,可
發現最大的不同是:前者成密集之脈衝狀,能量非常集中
而後兩者呈現帶狀分佈。
LCD兩片玻璃平板間,所充填之液晶體並不具發光功能,所以背光式
LCD需要有背光燈(Back Light)作為光源,又藉由紅、綠、藍三原
濾光片(Color Filters)將背光燈之白光轉換成所需之三原色光。
穿透式液晶顯示器光源模組位於液晶顯示器後方,稱為背光模組,所
需光源分為冷陰極螢光燈 (Cold Cathode Florescent Lamp,
CCFL)、LEDs 與電激發光(Electroluminescence,EL)。
CCFL 的發光原理,依靠燈內氣體原子(汞蒸氣)的能態轉換成輻射發
光。燈管內還會填充惰性氣體如 Ar、Kr、Ne 等輔助啟動,燈管內
的游離電子被電場加速而激發 Ar 原子,受激的 Ar 再讓汞原子游離
而放出輻射能,主要產生235.7nm 與185nm 兩種紫外光
紫外光,其中235.7 nm 之輻射效率最大,經激發管壁之螢光體後
發光
各種光源之光譜分佈
日光燈與LCD背光燈
只要調整螢光粉的組成,即可得不同色溫之日光燈
管。按日本JIS規格可分為D、N、W、以及WW四
個不同等級和色溫範圍:
參考值:L(鎢絲燈泡)2600~3150K,低色溫為暖
色;高色溫為寒色。
D (Day light)
5700~7100K
N (Day White)
4600~5400K
W (White)
3900~4500K
WW (Warm White)
3200~3700K
日光燈之研發歷史悠久,早期用的白光單一成份的
螢光粉,其種類甚多的,最常見的是:
標準照明和觀測條件
色彩量測儀器
三刺激值色彩測量儀
樣板式色彩測量儀
濾色鏡式色彩測量儀
頻譜色彩測量儀

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