色度學與LED顏色及亮度測試的方法—基於iCAT LED測試儀（分析儀）

概要：

本文旨在對色度學作一簡要概述。色度學是一門顏色測量及顏色呈現的科學。本文主要聚焦在已經研究完成的基於物理測量的顏色感知匹配的方法。由於色度學是一個很廣的範圍，不可能由一個文檔能涵蓋，所以本文主要介紹色度學的重要知識。

本文由深圳市開騰科技有限公司發表。深圳市開騰科技有限公司以開發LED顏色及亮度測試儀以及視覺測試系統為主營業務，更多有關色彩學信息請訪問網站 深圳市開騰科技有限公司--LED測試儀

第一節：顏色及亮度

當人們面對什麼是顏色的問題時，總會覺得這是一個很簡單的問題，如果有人問孩子蘋果是什麼顏色，孩子們都會異口同聲說：紅色。但是如果再問，紅色是什麼呢？往往人們在面對這個問題時會陷入迷茫。「一顆樹倒在深林里，如果沒有人聽見它，它會發出聲音嗎?」答案是樹倒下來時發出聲波，但在人的大腦接收到之前它並不是聲音，只有在大腦接收到聲波並解釋它的時候，它才是一種聲音。對於顏色的問題，其答案是同樣的。顏色是人眼睛和大腦對一個非常小範圍的電磁波的相互作用所產生的認知，人們所說的紅色、綠色、藍色都是人的大腦根據經驗對其做的分類。

眼睛可以看到的光的光譜稱為可見區域，如圖1所示。光是能量，主要由一種電磁頻譜的一小部分構成的，如無線電和電視信號。廣播和電視中使用的電磁波一般用頻率。可見光可以表示為頻率，但由於量級的原因。所以人們一般採用

納米作為光的波長單位，這個光的速度、頻率和波長的關係如以下方程所示：

c = f*λ

其中C表示光的速度，光速在真空的環境中速度是30萬 千米每秒,f表示頻率，其單位是Hz, λ表示波長，其單位為米。可見波長的範圍在380nm到780nm之間。

表1 顏色所對應的波長關係

顏色

波長範圍

紫羅蘭（Violet）

380-410

靛藍（Indigo）

410-450

藍色（Blue）Blue

450-510

綠色（Green）Green

510-560

黃色（Yellow）

560-600

橙色（Orange）

600-630

紅色（Red）

630-750

圖1 電磁波與人眼所識別的顏色關係圖

電磁波譜中有許多的波長是人眼所看不到的，比藍光短的是紫外線，紫外線是導致太陽灼傷人的皮膚的成分。比紅色波長稍長的是紅外線，白光是整個可見光譜的所有顏色的混合體。黑色是由於所有的光線都不足所產生的。

第二節 人眼的工作原理

　光線通過鏡頭進入眼睛的前部，聚焦在眼睛後部的視網膜上。人類視網膜上有rods和cones兩種感光細胞。rods和cones感光細胞含有色素。顏色吸收波長依賴的吸收靈敏度的光。每隻眼睛有大約1億2000萬根棒，它們集中在視網膜邊緣。參見圖2

圖2 人眼及視網膜

Rods：可以讓我們感受到昏暗的光線，在昏暗的光線下我們主要能黑白兩種顏色。在亮度等級以下約0.034 cd/m2，視覺分為暗，完全沒有顏色。rods在藍區光510 nm左右具有最好的響應性。

Cones：可以我們感受到日光，在日光下我們可以看到顏色。你有沒有過白天的時候去看電影，剛一進放映廳四周黑暗什麼都看不清楚，模模糊糊的找座位，結果還是不小做到別人大腿上的經歷？我們不能一下子適應黑暗，當我們突然進入光線暗的地方後，Cones處於興奮狀態，且不能適應昏暗的光線。Rods需要大概5-10工作，你就能逐漸看清楚昏暗燈光下的。Cones給人們提供了在亮視覺的環境下分辨顏色的能力。當亮度大於3.4 cd/m2 時，就被認為是亮視覺。每隻人眼大約有600萬個cones, cones主要分布在視網膜的中央，被稱為中央凹。中央凹是一個視網膜上的一個小淺凹，該小淺凹是光線聚焦的地方。Cones含有與可見光發生反應的光色素。根據可見光譜中波長峰值的靈敏度，cones可以分為長、中、短三種類型。這三種類型分別在430nm，530nm和560nm處有最強的吸收率。Cones常與紅色、綠色或藍色聯繫在一起,因為這些是每個波段的原色。然而，它們的光譜帶檢測比任何一種感知的顏色都寬，因此相互重疊。圖5為cones光譜響應，L及M cones疊加在一起，通過一個縮放因子，可以產生一個表示亮度偵測的亮視覺曲線，如圖4所示。短cones對亮度偵測沒有影響，但它對色調及飽和度的感知起了非常重要的作用，尤其是對黃色到藍色的區分。

在低亮度和高亮度之間有一個區域被稱為中間視覺。在中間視覺區，rodes和cones都對視覺能產生影響。太陽在開始下山的時間段是一個典型的中間視覺期。在這段時間裡，紅的顏色褪成灰色的陰影，接著是變為綠色，最後轉成藍色。中間視覺的研究並不充分，仍然是一個很大的需要進一步研究的課題。圖3是三個層次的視覺和相應的亮度水平的共同來源。

圖3 視覺的類型

圖4 亮視覺及暗視覺

圖5 人眼rod和cones響應

大腦是決定人們如何區分顏色的最終因素，但顏色信息的來源及處理是來自於能夠到達視網膜的可見光譜。光譜決定於光源以及光源的傳輸，一個「白色」的物體反射全部或絕大部分射到其上面的光，而一個「黑色」的物體則吸收全部或絕大部分射到其上面的光。綠色植物出現因為它們有吸收可見光紅色和藍色部分的波長的色素，只允許綠色的波長被反射回眼睛。這一過程吸收光譜的部分不僅發生在光反射表面，而且還發生在在它通過物質傳播的時候。例如，藍色的玻璃會吸收更多的長波的紅光和綠光進入玻璃，而通過更多的短波藍光。要理解的一個重要概念是光源和物體可能會出現。具有相同的顏色，但其可能具有不同的光譜功率密度，吸收和傳輸性能屬性。人們看到的大多數顏色都可以通過混合紅、綠、藍或通過混合青、馬真塔和黃（CMY）來複制。

顏色可以通過以下兩種方式之一創建。產生顏色的一種方法叫做減色法。這是通過吸收從可見光的全光譜中減去的某些波長來實現的。反射出表面的波長構成了顏色。人們在日常生活中所看到的色彩往往是減色法的結果。減色法也用於印刷和電影攝影業務。另一種產生顏色的方法是加色過程。在這種方法中，可見光的窄波段被加在一起產生一種不同顏色的光的組合。這是許多光源用來產生彩色光的方法。電視機就是用加色法來產生彩色。

為了重現自然界所看到的顏色，人們採用加減法的方法來產生顏色。當產生一種顏色時，從經濟及效率的角度考慮，要儘可能的採用更少的顏色來產生新的顏色。在加色的方法中，紅、綠、藍是最好的選擇，其組合可以產生更最大的顏色組合。在減色的方法中，紅、綠、藍就不是一個理想的原色，它們需要減去太多的顏色，在採用減法複製顏色的時候，用紅、綠、藍作為基色時無法複製到人們看到的各種顏。在採用減法複製顏色時，最好的選擇是採用青色、洋紅及黃色，這種選擇不是隨意的，這些顏色與紅色、綠色和藍色有一種特殊的「互補」關係。 圖6是顯示顏色加減法的過程。

圖6：顏色加法過程（左邊）及顏色減法過程（右邊）

第三節 光源

照亮物體的光源可以改變人眼中顏色的表現，這裡我們只討論一些常見的光源。第一種是白熾燈，白熾燈是最古老和最普通的照明方式，它是一種加熱固體或液體來發光的方式，太陽、篝火和鎢絲燈泡都是這種發光方式。第二種光源是氣體放電燈，通過在氣體中流過電流來產生光，比如水銀或氖光就是這種方式。第三種光是傳輸能量的光致發光熒光粉再發射，熒光燈泡就是由氣體放電水銀燈和由熒光粉塗層在燈泡上形成的熒光燈組合而成的。

第四節、色溫

　　色溫是照明光學中用於定義光源顏色的一個物理量。即把某個黑體加熱到一個溫度，其發射的光的顏色與某個光源所發射的光的顏色相同時，這個黑體加熱的溫度稱之為該光源的顏色溫度，簡稱色溫。其單位用「K」（開爾文溫度單位）表示。單位）表示。Kelvin溫標在0K在絕對零度是攝氏零下273度開始。普朗克認為，從一個熱物體輻射出來的光譜功率密度（簡稱黑體）是黑體輻射的函數，它是物體加熱的溫度的函數。光源的光譜功率密度（SPD）是測量所有光譜波長的輻射能的指標。

黑體輻射體，也稱為普朗克輻射體，是一種具有零理論對象，它的光譜輻射分布由普朗克方程中的輻射定律決定：

其中：

c1 = 3.74183 × 10-16 Wm2

c2 = 1.4388 × 10 -2 m K

在上面的公式中，λ表示波長，單位是米，T表示黑體溫度，單位是開爾文。

白熾燈光源可以等效為黑體，可以採用一個色調相同的黑體的開爾文溫度來表示。低色溫看起來是紅色的(~2400K)，高色溫呈現出帶點藍色(~9300K). 色溫對大多數人來說是違反直覺的，違反了人們對溫度和顏色的感知。例如，冷色的溫度有微紅色，讓人們與熱聯繫在一起，而暖色溫卻呈現出藍色的影子。下表列舉了各種光源的色溫。

表2：各種光源的色溫

光源

色溫(K)

蠟燭的火焰

1900

日落時分的陽光

2000

鎢燈泡60瓦

2800

鎢燈泡200瓦

2900

鎢/鹵素燈

3300

碳弧燈

3780

陽光加天窗

5500

氙氣閃光燈

6000

陰天

6500

北極晝光

10000

對於一些不能用加熱物體的方法來複制的寬頻光源，我們用相關色溫（Correlated Color Temperature: CCT）來表示它們的色溫，單位依舊用開爾文表示。大多數熒光燈和金屬鹵化物燈設計的建築應用中表現出的色度是接近的，但不一定完全一致。普蘭克軌跡，如圖9所示，把所有的色溫都表現出來了。CCT用來表示無法用黑色輻射體來模擬的寬頻光源色溫。CCT是一種簡要的描述來說明光源是清白色、中白色還是泛紅的白色。

雖然CIE並沒有批准或定義測定CCT的方法，但是各個測光的實驗室還是採用了各種的方法對CCT進行測量。光學輻射測量委員會(CORM)建立了CCT測量的標準，標準確定在低CCT時誤差在±2開爾文，在高CCT時誤差在±10開爾文。誤差小於1米雷克（mirek:微開爾文的倒數）。

第五節 光度的影響

一個人對顏色的感知與光源的光強和色溫有關。人對已經確定的混合光的顏色所建立的經驗也可能隨著絕對光強度的改變而發生變化，這是因為當光線變暗，從明視覺進入中間視覺時，rods 和cones 將會同時被激活，當光源亮度逐漸進入暗視覺時，rods會逐漸取代cones的作用. 1941年，A.A. Kruithof公布的數據顯示了光源的色溫和強度之間的關係。他確定當隨著光強度的增加，色溫的範圍也同時增加，從而產生人們感覺更好的光質量。列如，一個物體在一個6000K色溫的光源下，當強度為1000Lux 時，物體顯現出白色，當光強度為200 Lux時，物體顯示出灰色。Kruithof曲線如圖7所示：

圖7 Kruithof 曲線

第六節 　色溫外的標準

　　雖然光源可以通過色溫來描述, 但更為完整的規範是由光源的SPD的色度坐標表述的。同時光源也可以用光的質量來表述。兩個光源可能有相同的色溫，但其波長組成上卻可能差別巨大。一個光源可能是波長分布相當均勻，而另一個光源可能是波長分布非常不連續的。即使把這兩種具有同種綜合顏色的光源投射到同一個場景中，波長分布不連續的那一個光源，其結果是可能會以奇怪和不可預知的方式撞擊特定的「有色」物體，有一些顏色會被捨棄，有一些顏色則會被過分突出。光源的質量可以用顯色指數(Color Rendering Index:CRI)來表示，顯色指數的範圍從0-100. CRI的值越接近100，意味著光的分布越均勻、越接近自然光。光源對物體的顯色能力稱為顯色性，是通過與同色溫的參考或基準光源（白熾燈或畫光）下物體外觀顏色的比較。光所發射的光譜內容決定光源的光色，但同樣光色可由許多，少數甚至僅僅兩個單色的光波縱使而成，對各個顏色的顯色性亦大不相同。相同光色的光源會有相異的光譜組成，光譜組成較廣的光源較有可能提供較佳的顯色品質。 當光源光譜中很少或缺乏物體在基準光源下所反射的主波時，會使顏色產生明顯的色差(color shift)。色差程度愈大，光源對該色的顯色性愈差。顯色指數係數(Kaufman)仍為目前定義光源顯色性評價的普遍方法。太陽光的顯色指數定義為100，白熾燈的顯色指數非常接近日光，因此被視為理想的基準光源。此系統以8種彩度中等的標準色樣來檢驗，比較在測試光源下與在同色溫的基準下此8色的偏離（Deviation）程度，以測量該光源的顯色指數，取平均偏差值CRI20-100，以100為最高，平均色差越大，CRI值越低。低於20的光源通常不適於一般用途。

白熾燈的理論顯色指數為100，但實際生活中的白熾燈種類繁多，應用也不同，所以其CRI值不是完全一致的。只能說是接近100，是顯色性最好的燈具。具體燈具的CRI值可見下表所舉。

表3 光源與CRI的對應關係

光源

顯色指數CRI

白熾燈

97

日光色熒光燈

80-94

白色熒光燈

75-85

暖白色熒光燈

80-90

鹵鎢燈

95-99

高壓汞燈

22-51

高壓鈉燈

20-30

金屬鹵化物燈

60-65

鈉鉈銦燈

60-65

鏑燈

85以上

第七節 CIE色彩標準

CIE（Commission Internationale de LEclairage）：國際照明委員會，根據其法語名稱簡寫為CIE。其前身是1900年成立的國際光度委員會（International Photometric Commission；IPC），1913年改為現名。總部設在奧地利維也納。CIE制訂了一系列色度學標準，一直沿用到數字視頻時代，其中包括白游標准（D65）和陰極射線管（CRT）內表面紅、綠、藍三種磷光理論上的理想顏色。

在1931年，CIE制定了新的顏色系統。由於人眼有三種類型的顏色光感受器，所以顏色系統也採用三個要素來表達，CIE稱之為XYZ基元。 CIE標準基於這三個虛擬基元，這三個虛擬基元可以混合成任何顏色。CIE定義了三個新的顏色匹配函數x(λ) , y(λ) , 和z(λ)，通過這三個顏色匹配函數，可以計算出X,Y,Z的值。三個顏色匹配函數的圖形顯示如圖8所示。通過顏色匹配函數來確定X,Y,Z的值的方程如下所示：

其中，Φ(λ)是被測物體的光譜功率分布， x(λ) , y(λ) , 和 z(λ)是1931 CIE顏色匹配函數，k是歸一化因子。這個等式計算XYZ的值，XYZ三刺激值等於一個光源的顏色匹配函數乘以每個波長在可見區的光譜功率的總和方程。

圖8： 顏色匹配函數x(λ) , y(λ) , 和 z(λ)

X,Y,Z的值被確定以後，CIE1931的色度圖坐標x,y可以通過以下的方程進行計算。

顏色可以用色度和亮度來確定，在 xyY的組成形式中，從色度及亮度中可以計算X和Z的值，其計算公式如下所示：

Y是絕對測光值，在波長555納米時，其有最大的響應度。

色度坐標通常只給出x,y, 因為z是冗餘的。 如果一個光源是單色的（單一波長），那麼X等於 x(λ) 的倍數，同樣的，Y和y(λ), Z和z(λ)也成倍數關係。表四列出了從380nm到780nm，間隔為10nm的波長所對應的顏色匹配函數x(λ) , y(λ) , 和 z(λ)的值和其對應的色度坐標x,y的值。在CIE色度圖上，純光譜（單色）顏色位於「馬蹄」形狀的色度圖的曲線邊界上，在380至700 nm之間的色度圖下部紫色的顏色範圍不能用單一波長再現，為了產生紫色，需要長（淡紅色）和短（藍色）波長進行混合。

所有的三色值都可以用二維的色度圖的x,y坐標來表示，圖9為CIE1931色度圖。但這並不意味著其可以代表三維數據，兩個點可以有相同的色度坐標，其在圖上表現為同一個點，但其可以有不同的亮度值（Y值）。比如，在x=0.33並且y=0.33的時候，這個點可以表示從黑色到白色，當Y=0的時候，這個點為黑色，當Y的值增加時，這個點從黑色變為灰色，當Y=1的時候，這個點表示白色。色調（Hue）是指多種顏色混合在一起，沿順時針擴散的圖。飽和度（Saturation）是中性色到純色之間的一種顏色變化，是從色度圖的邊界到x＝0.33和y＝0.33的白點的運動（見圖10）。在色度圖中，Y是作為第三維存在的，如圖11所示，隨著亮度的增加，可能的顏色逐步都變成白色。

表四 波長、x,y以及顏色匹配函數對應關係

圖9 CIE1931色度圖

圖10 色調、飽和度及亮度

圖11： 三維的CIE 圖

色溫與色度之間的關係是高度非線性的。這使得通過色度來計算色溫是不可行的。

第8節： LED顏色及亮度的自動測試方法

LED顏色及亮度的測試是電子產品自動測試的重要一環，完成LED顏色及亮度的自動測試，採用LED自動測試模組是最優的方法，以下介紹如何用 iCAT LED測試儀來完成LED顏色及亮度的測試。採用iCAT LED測試儀進行LED自動測試如下圖所示：

圖12： 採用LED測試儀自動測試LED示意圖

採用iCAT LED測試儀的優點：

1、可以對LED顏色及亮度的測試進行量化，可以獲得高的測試品質。

2、LED測試可以達到自動化，提高測試效率。

3、系統集成簡單。

4、測試穩定性高。

針對LED的測試，在顏色測試上建議採用Hue和飽和度兩個參數，同時再加上亮度測試，則可以達成LED的測試品質。有關iCAT LED測試儀，可以訪問iCAT LED測試儀的網站深圳市開騰科技有限公司--LED測試儀.