白色LED在物體色度測量中的應(yīng)用研究

錢惠國，吳 瓊，毛和法

(浙江師范大學(xué)信息光學(xué)研究所，浙江金華 321004)

0 引 言

發(fā)光二極管(LED)具有體積小、功耗小、價格便宜、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已在測試、醫(yī)療、照明等領(lǐng)域［1-3］獲得了廣泛的應(yīng)用.超亮白色LED不僅亮度高，且其光譜范圍基本覆蓋了可見光，顏色再現(xiàn)能力強(qiáng)，經(jīng)測試，其顯色指數(shù)可以在80以上［4］，有望在物體色度測量中得到應(yīng)用.本文搭建了透射和反射物體色度測量系統(tǒng)，并用白色LED作為照明光源，分別測量了紅、綠、藍(lán)三色透射樣品和標(biāo)準(zhǔn)反射板的色度坐標(biāo)，給出了測量結(jié)果，并將該結(jié)果與WGS-9型色度儀測量結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者誤差較小，表明了白色LED應(yīng)用于物體色度測量的可能性.

1 物體色度測量原理

在CIE 1931-XYZ色度系統(tǒng)中，物體的顏色可以用三刺激值(X，Y，Z)或色度坐標(biāo)(x，y，z)來表示.如果已知參照光源的光譜功率分布為φ(λ)，且測得物體的透射(或反射)率為ρ(λ)，則物體顏色的三刺激值可以通過下式計(jì)算［5］:

對于實(shí)際計(jì)算，式(1)中的積分用求和代替，其表達(dá)式為

物體顏色的色度坐標(biāo)可以根據(jù)其三刺激值，通過下式計(jì)算:

2 物體色度測量系統(tǒng)

由于標(biāo)準(zhǔn)參照光源的光譜功率分布φ(λ)已知，根據(jù)物體色度測量原理，測量物體的色度關(guān)鍵是測量物體的透射率或反射率.

2.1 透射物體色度測量系統(tǒng)

如果測得實(shí)際照明光源的光譜功率分布為φ0(λ)，測得照明光源透過物體后的光譜功率分布為φ1(λ)，則物體的透射率 ρ(λ)［6］為

物體透射率測量的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，用穩(wěn)壓電源驅(qū)動LED發(fā)光，光纖光譜儀測量光譜功率分布，計(jì)算機(jī)與光纖光譜儀連接對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理.實(shí)驗(yàn)時，點(diǎn)亮LED，先不放透射樣品測出LED光源的光譜功率分布φ0(λ)，再放入透射樣品測出光源透過樣品后的光譜功率分布為φ1(λ)，則透射樣品的透射率可以用式(4)計(jì)算.測得物體的透射率后，根據(jù)式(2)和式(3)可以計(jì)算出物體在一定標(biāo)準(zhǔn)光源照明下的三刺激值和色度坐標(biāo).

圖1 物體透射率測量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 反射物體色度測量系統(tǒng)

物體反射率測量的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，在圖1的基礎(chǔ)上增加了積分球，以保證反射光譜的均勻性.實(shí)驗(yàn)時，點(diǎn)亮LED，先在樣品位置放上標(biāo)準(zhǔn)白反射板測出LED光源的光譜功率分布φ0(λ)，再換上反射樣品測出光源經(jīng)樣品反射后的光譜功率分布φ1(λ)，則樣品的反射率同樣可以用式(4)計(jì)算.測得物體的反射率后，根據(jù)式(2)和式(3)就可以計(jì)算出物體在一定標(biāo)準(zhǔn)光源照明下的三刺激值和色度坐標(biāo).

圖2 物體反射率測量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 LED用于透射物體色度測量

用圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置測量了白色LED的光譜功率分布，結(jié)果如圖3所示.分別用白色LED和溴鎢燈作為照明光源，測量了紅、綠、藍(lán)3種透射樣品的透過率曲線，并與用WGS-9型色度儀測量曲線比較，結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，對于紅、綠、藍(lán)3種透射樣品，3條曲線基本一致.但是，在波長小于430 nm時，用LED照明測得的曲線出現(xiàn)較大波動，這是由于LED在小于430 nm時光譜功率極小(見圖3)，導(dǎo)致光譜測量噪聲較大.

圖3 LED的光譜功率分布曲線

圖4 3種條件下測得的紅、綠、藍(lán)3種透射樣品的透過率曲線

根據(jù)測得的透過率曲線，選擇CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體A作為參照光源，計(jì)算了紅、綠、藍(lán)3種透射樣品在3種測量條件下的色度坐標(biāo)，結(jié)果如表1所示.由表1可看出，3種條件下測量結(jié)果相差不大.用白色LED作為照明光源進(jìn)行測量與用WGS-9型色度儀進(jìn)行測量相比，樣品色度坐標(biāo)差值小于0.005 1.

表1 紅、綠、藍(lán)透射樣品在不同條件下測量的色度坐標(biāo)

3.2 LED用于反射物體色度測量

根據(jù)圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，用白色LED作為照明光源，對紅、綠、藍(lán)3種標(biāo)準(zhǔn)色板進(jìn)行了測量，并將結(jié)果與WGS-9型色度儀測量結(jié)果進(jìn)行比較.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種方法測得的反射率基本一致，如圖5所示.但是，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由于LED在430 nm以下光譜功率極小，且標(biāo)準(zhǔn)色板的反射率較低，以致用LED照明測得的曲線在波長小于430 nm時波動甚大，因此，在數(shù)據(jù)處理時舍去了這一部分?jǐn)?shù)據(jù).圖5給出了波長為430～700 nm的反射率曲線.

圖5 2種方法測得的紅、綠、藍(lán)3種反射樣品的反射率曲線

根據(jù)測得的反射率曲線，選擇CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體A作為參照光源，計(jì)算了紅、綠、藍(lán)3種標(biāo)準(zhǔn)色板的色度坐標(biāo)，結(jié)果如表2所示.由表2可知，用白色LED作為照明光源進(jìn)行測量與用WGSK-9型色度儀進(jìn)行測量相比，色度坐標(biāo)差值最大為0.021 7(綠色標(biāo)準(zhǔn)色板的y值).同時，表2也給出了WGS-9型色度儀在400～700 nm波長標(biāo)準(zhǔn)色板色度坐標(biāo)的測量值，該值與430～700 nm波長的測量值相比，差值小于0.005 5.

表2 紅、綠、藍(lán)3種標(biāo)準(zhǔn)色度坐標(biāo)測量值

4 討 論

實(shí)驗(yàn)用單個白色LED作照明光源測量了透射和反射物體的色度值，與用溴鎢燈作為照明光源進(jìn)行測量相比，結(jié)果差值不太大，說明在測量要求不高的場合可以用白色LED作為照明光源進(jìn)行物體色度測量.同時，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用白色LED作為照明光源引起物體色度測量誤差的原因主要有2個:1)白色LED在波長430 nm以下和700 nm以上光譜功率強(qiáng)度極小，從而導(dǎo)致在該光譜范圍內(nèi)物體的透射(或反射)率測量誤差大;2)LED本身輸出光功率比較小(直徑為5 mm的普通LED正常工作時輸出光功率小于2 mW)，因此，在測量透射(或反射)率比較低的物體時會造成透射(或反射)率測量誤差大，從而影響色度的測量精度.

為了提高用LED測量物體色度的精度，還需要進(jìn)一步改善其光譜結(jié)構(gòu).改善的方法大致可以分為2種.其一，對單個LED的光譜進(jìn)行改造，比如研發(fā)新的發(fā)光材料進(jìn)一步拓寬LED發(fā)光的光譜范圍，使其在380～780 nm波長內(nèi)都具有比較好的光譜分布，再進(jìn)一步提高LED的發(fā)光強(qiáng)度，以提高物體透(反)射率測量的準(zhǔn)確性;其二，用多個LED進(jìn)行光譜合成以獲得光譜分布范圍寬且強(qiáng)度高的照明光.由于LED的驅(qū)動電流小，所以單個LED的輸出光強(qiáng)不是很大，而且要使單個LED實(shí)現(xiàn)寬光譜照明也十分困難.因此，相對而言，第2種方法更容易實(shí)現(xiàn).朱繼亦等［7］用不同峰值波長的LED模擬實(shí)現(xiàn)了CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D65、太陽光、溴鎢燈等光源的光譜功率分布，其相關(guān)指數(shù)均在0.94以上.這些光源用于物體色度測量可以獲得較高的測量精度.

5 結(jié) 論

對白色LED在物體色度測量中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明，在物體進(jìn)行色度測量時，用白色LED作為照明光源與用溴鎢燈作為照明光源相比，測量結(jié)果差值不大，且與用WGS-9型色度儀測量的結(jié)果也相接近.因此，在測量要求不是很高的場合下，可以用白色LED作為照明光源進(jìn)行物體色度測量.LED的應(yīng)用有利于色度測量系統(tǒng)的小型化及降低成本.

［1］李素文，謝品華，劉文清，等.發(fā)光二極管在差分吸收光譜系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2008，57(3):1963-1967.

［2］陳風(fēng)，袁銀麟，鄭小兵.發(fā)光二極管在光學(xué)輻射測量中的應(yīng)用及進(jìn)展［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008，45(4):56-61.

［3］崔鴻忠，李正佳，范曉紅.發(fā)光二極管光源療法在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用［J］.激光技術(shù)，2006，30(6):638-642;656.

［4］曾華陽，劉寶林，黃文達(dá)，等.發(fā)光二極管的色度分析［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2009，24(2):40-43.

［5］湯順清.色度學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1990.

［6］錢惠國.再議濾光片透過率的測量［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007，20(4):25-27;22.

［7］朱繼亦，任建偉，李葆勇，等.基于LED的光譜可調(diào)光源的光譜分布合成［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2010，31(6):883-887.