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
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
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
□ 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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