白色LED在物體色度測量中的應用研究

錢惠國，吳 瓊，毛和法

(浙江師范大學信息光學研究所，浙江金華 321004)

0 引 言

發光二極管(LED)具有體積小、功耗小、價格便宜、使用壽命長等優點，已在測試、醫療、照明等領域［1-3］獲得了廣泛的應用.超亮白色LED不僅亮度高，且其光譜范圍基本覆蓋了可見光，顏色再現能力強，經測試，其顯色指數可以在80以上［4］，有望在物體色度測量中得到應用.本文搭建了透射和反射物體色度測量系統，并用白色LED作為照明光源，分別測量了紅、綠、藍三色透射樣品和標準反射板的色度坐標，給出了測量結果，并將該結果與WGS-9型色度儀測量結果進行了比較，結果發現兩者誤差較小，表明了白色LED應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色度系統中，物體的顏色可以用三刺激值(X，Y，Z)或色度坐標(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算［5］:

對于實際計算，式(1)中的積分用求和代替，其表達式為

物體顏色的色度坐標可以根據其三刺激值，通過下式計算:

2 物體色度測量系統

由于標準參照光源的光譜功率分布φ(λ)已知，根據物體色度測量原理，測量物體的色度關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

如果測得實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驗裝置如圖1所示，用穩壓電源驅動LED發光，光纖光譜儀測量光譜功率分布，計算機與光纖光譜儀連接對光譜數據進行采集和處理.實驗時，點亮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)計算.測得物體的透射率后，根據式(2)和式(3)可以計算出物體在一定標準光源照明下的三刺激值和色度坐標.

圖1 物體透射率測量實驗裝置示意圖

2.2 反射物體色度測量系統

物體反射率測量的實驗裝置如圖2所示，在圖1的基礎上增加了積分球，以保證反射光譜的均勻性.實驗時，點亮LED，先在樣品位置放上標準白反射板測出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)計算.測得物體的反射率后，根據式(2)和式(3)就可以計算出物體在一定標準光源照明下的三刺激值和色度坐標.

圖2 物體反射率測量實驗裝置示意圖

3 實驗結果與分析

3.1 LED用于透射物體色度測量

用圖1所示的實驗裝置測量了白色LED的光譜功率分布，結果如圖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，結果如圖4所示.由圖4可知，對于紅、綠、藍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3種透射樣品的透過率曲線

根據測得的透過率曲線，選擇CIE標準照明體A作為參照光源，計算了紅、綠、藍3種透射樣品在3種測量條件下的色度坐標，結果如表1所示.由表1可看出，3種條件下測量結果相差不大.用白色LED作為照明光源進行測量與用WGS-9型色度儀進行測量相比，樣品色度坐標差值小于0.005 1.

表1 紅、綠、藍透射樣品在不同條件下測量的色度坐標

3.2 LED用于反射物體色度測量

根據圖2所示的實驗裝置，用白色LED作為照明光源，對紅、綠、藍3種標準色板進行了測量，并將結果與WGS-9型色度儀測量結果進行比較.結果發現，2種方法測得的反射率基本一致，如圖5所示.但是，實驗中發現由于LED在430 nm以下光譜功率極小，且標準色板的反射率較低，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，在數據處理時舍去了這一部分數據.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3種反射樣品的反射率曲線

根據測得的反射率曲線，選擇CIE標準照明體A作為參照光源，計算了紅、綠、藍3種標準色板的色度坐標，結果如表2所示.由表2可知，用白色LED作為照明光源進行測量與用WGSK-9型色度儀進行測量相比，色度坐標差值最大為0.021 7(綠色標準色板的y值).同時，表2也給出了WGS-9型色度儀在400～700 nm波長標準色板色度坐標的測量值，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3種標準色度坐標測量值

4 討 論

實驗用單個白色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行測量相比，結果差值不太大，說明在測量要求不高的場合可以用白色LED作為照明光源進行物體色度測量.同時，實驗發現用白色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以上光譜功率強度極小，從而導致在該光譜范圍內物體的透射(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，還需要進一步改善其光譜結構.改善的方法大致可以分為2種.其一，對單個LED的光譜進行改造，比如研發新的發光材料進一步拓寬LED發光的光譜范圍，使其在380～780 nm波長內都具有比較好的光譜分布，再進一步提高LED的發光強度，以提高物體透(反)射率測量的準確性;其二，用多個LED進行光譜合成以獲得光譜分布范圍寬且強度高的照明光.由于LED的驅動電流小，所以單個LED的輸出光強不是很大，而且要使單個LED實現寬光譜照明也十分困難.因此，相對而言，第2種方法更容易實現.朱繼亦等［7］用不同峰值波長的LED模擬實現了CIE標準照明體D65、太陽光、溴鎢燈等光源的光譜功率分布，其相關指數均在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 論

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

［1］李素文，謝品華，劉文清，等.發光二極管在差分吸收光譜系統中的應用研究［J］.物理學報，2008，57(3):1963-1967.

［2］陳風，袁銀麟，鄭小兵.發光二極管在光學輻射測量中的應用及進展［J］.激光與光電子學進展，2008，45(4):56-61.

［3］崔鴻忠，李正佳，范曉紅.發光二極管光源療法在生物醫學中的應用［J］.激光技術，2006，30(6):638-642;656.

［4］曾華陽，劉寶林，黃文達，等.發光二極管的色度分析［J］.光電技術應用，2009，24(2):40-43.

［5］湯順清.色度學［M］.北京:北京理工大學出版社，1990.

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

［7］朱繼亦，任建偉，李葆勇，等.基于LED的光譜可調光源的光譜分布合成［J］.發光學報，2010，31(6):883-887.