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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
http://el.mdu.edu.tw/datacos//09910621007A/%E5%85%89%E9%9B%BB%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E6%A6%82%E8%AB%96ch5.pdf
這是
http://el.mdu.edu.tw/datacos//09910621007A/%E5%85%89%E9%9B%BB%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E6%A6%82%E8%AB%96ch5.pdf
的 HTML 檔。
G
o
o
g
l
e
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Page 1
Ch6 色度學
光電工程概論
Page 2
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
R
,
G
,
B
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
Page 3
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
+
+
=
+
=
+
Page 4
三刺激色彩空間
Page 5
□
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
Page 6
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
Page 7
可見光(380nm~780nm)之色度
(Chromaticity)值定義
Page 8
(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
Page 9
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?
Page 10
□
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
Page 11
□
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。
Page 12
□
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
Page 13
□
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。
Page 14
Page 15
(一)1931CIE色度圖
色度圖之非線性缺點與其改進
Page 16
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
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(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。
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(三)1976CIE-UCS色度圖
Page 19
□
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
Page 20
□
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
Page 21
(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。
Page 22
(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。
Page 23
□
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
Page 24
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。
Page 25
□
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
Page 26
Page 27
□
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
Page 28
□
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
Page 29
□
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
Page 30
□
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
Page 31
□
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
Page 32
□
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。
Page 33
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。
Page 34
標準光源
Page 35
□
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。
Page 36
□
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
Page 37
□
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 。
Page 38
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
Page 39
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。
Page 40
傳統鎢絲燈泡之光譜分佈
Page 41
鎢絲燈泡溫度升高時之光譜變化
Page 42
□
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
Page 43
□
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。
Page 44
□
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。
Page 45
□
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
色
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
Page 46
□
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
Page 47
□
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:
Page 48
標準照明和觀測條件
Page 49
色彩量測儀器
□
三刺激值色彩測量儀
樣板式色彩測量儀
Page 50
濾色鏡式色彩測量儀
Page 51
頻譜色彩測量儀
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