任务二 色度学

LED的色度学特性是其光学特性的另一个重要方面。由于LED灯具对颜色要求的多样性，有些灯具对颜色的要求比较严格，于是，其色度学特性需要用波长（包括峰值波长、主波长、质心波长等次级概念）、色温、显色指数等来综合描述。

一、颜色视觉

颜色科学的一个重要发展是把主观的颜色感知和客观的物理刺激联系起来，建立起高度准确的定量学科——色度学。色度学是对颜色刺激进行测量、计算和评价的科学。

（一）颜色辨认与RGB颜色空间

人眼可见的光是波长在380～760nm范围内的电磁波，电磁波的波长超出这一范围时人眼将无法感受到，在这一波长范围内，不同波长的光会引起人眼不同的颜色感觉，这就是颜色形成的机理。颜色视觉正常的人在光亮条件下能看到的各种颜色从长波一端向短波一端的顺序是红色、橙色、黄色、绿色、蓝色和紫色。表1-3是各种可见光颜色的波长和光谱的范围。

事实上，除了以上这些颜色之外，人眼还可以感受到在可见光波长范围内由波长连续变化而引起的连续变化彩色感受。除此之外，人眼还可以感受到黑色、白色、灰色等无色彩的颜色感受，以及粉红、暗红、土黄等颜色感受。

各种颜色形成的机理到底是怎么样的？其规律如何？下面就来分析这些问题。

1.混色与三基色原理

综上所述，不同波长的单色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉却可以来源于不同的光谱组合，人眼只能体会彩色感觉而不能分辨光谱成分。不同光谱成分的光经过混合能给人有相同彩色的感觉，单色光可以由几种颜色的混合光来等效，几种颜色的混合光也可以由另外几种颜色的混合光来等效，这一现象称为混色。例如，彩色电视机中的彩色就是通过混色而实现的一种颜色复现过程，而并没有恢复原景物的辐射光谱成分。

在进行混色实验时，只要选取三种不同颜色的单色光，按一定比例混合就可以得到自然界中绝大多数色彩，具有这种特性的三个单色光叫基色光，对应的三种颜色称为三基色，由此得到重要的三基色原理。

三基色的选取并不是任意的，而是要遵循以下原则。

（1）三基色的选取原则

1）三种颜色必须相互独立，也就是说，其中任意一种基色不能由其他两种颜色混合配出，这样可以配出较多的色彩。

2）自然界中绝大多数色彩都必须能按照三种基色分解。

3）混合色的亮度等于各种基色的亮度之和。

根据以上原则，在实际情况中，通常选取红、绿、蓝三种颜色作为三基色，由此形成了所谓的RGB颜色空间。

（2）相加混色法和相减混色法 把三基色按照不同的比例混合获得色彩的方法称为混色法，混色法有相加混色和相减混色之分。彩色电视系统以及各种类型的计算机监视器等显示屏幕中，使用的是相加混色法。而印刷、美术等行业以及计算机的彩色打印机等输出设备使用的是相减混色法。

1）相加混色法。相加混色法一般采用色光混色，色光混色是将三束圆形截面的红、绿、蓝单色光同时投影到屏幕上，呈现一幅品字形三基色圆图，如图1-7所示。

由图1-7可知：

红光+绿光=黄光；

红光+蓝光=紫光（品红光）；

绿光+蓝光=青光；

红光+绿光+蓝光=白光。

以上各光均是按照基色光等量相加的结果。若改变三基色之间的混合比例，则经相加可获得各种颜色的彩色光。

在三基色的相加混色实验中，1853年，H.格拉斯曼（H.Grasman）教授总结出以下的相加混色定律，作为混色的重要指导思想：

① 补色律：自然界任一颜色都有其补色，它与它的补色按一定比例混合，可以得到白色或灰色。

② 中间律：两个非补色相混合，便产生中间色，其色调取决于两个颜色的相对数量，其饱和度取决于两者在颜色顺序上的远近。

③ 代替律：相似色混合仍相似，不管它们的光谱成分是否相同。

④ 亮度相加律：混合色光的亮度等于各分色光的亮度之和。

实现相加混色的方法还有空间混色法、时间混色法等。

2）相减混色法。相减混色法主要用于描述色料的混色，指不能发光，却能将照进来的光吸收一部分，并将剩下的光反射出去的色料的混合。色料不同，吸收色光的波长与亮度的能力也不同。色料混合之后形成的新色料，一般都能增强吸光的能力，削弱反光的能力。在投照光不变的条件下，新色料的反光能力低于混合前色料反光能力的平均数，因此，新色料的明度降低了，纯度也降低了，所以又称为减光混合。

相减混色法中的三原色为黄、青和品红（即某种紫色），这三种原色分别对相加混色中的三基色蓝、红和绿具有极高的吸收率。因此，三原色按不同的比例混合也能得到各种不同的颜色。

2.RGB颜色空间

根据以上相加混色法的思想，把R（红）、G（绿）、B（蓝）三种基色的光亮度做一定的归一化之后，作为直角坐标系三维空间的三个坐标轴，可以构成一个颜色空间，颜色空间中不同的坐标点表示不同的颜色。这样表示颜色的方法即为RGB颜色空间，由于RGB颜色空间是计算机等数字图像处理仪器设备所采用的表示图像颜色的基本方法，所以RGB颜色空间通常也称为基础颜色空间。

从理论上说，RGB颜色空间可以表示出任意的颜色。

（二）颜色的分类和特性

颜色可分为彩色和非彩色两大类。非彩色指的是白色、黑色和各种深浅不同的灰色组成的系列，也称为白黑系列。

当物体表面对可见光光谱所有波长反射比都在80%～90%时，该物体为白色；其反射比均在4%以下时，该物体为黑色；介于两者之间的是不同程度的灰色。纯白色的反射比应为100%，纯黑色的反射比应为0。在现实生活中没有纯白、纯黑的物体。对发光物体来说，白黑的变化相当于白光的亮度变化，亮度高时人眼感到的是白色，亮度很低时感到的是灰色，无光时是黑色。非彩色只有明亮度的差异。

彩色是指黑白系列以外的各种颜色。

彩色一般可用明度、色调和饱和度三个特性来描述，也可用其他类似的三种特性表示。

1）明度：人眼对物体的明暗感觉。发光物体的亮度越高，明度越高；非发光体反射比越高，明度越高。

2）色调：彩色彼此相互区分的特性，即红、黄、绿、蓝、紫。不同波长的单色光具有不同的色调。发光物体的色调取决于它的光辐射的光谱构成，非发光物体的色调取决于照明光源的光谱组成和物体本身的光谱反射（透射）特性。

3）饱和度：是指彩色的纯洁性。可见光谱中的各种单色光是最饱和的彩色，物体色的饱和度决定于物体反射（透射）特性。如果物体反射光的光谱带很窄，则它的饱和度就高。

用一个三维空间纺锤体可以将颜色的三个基本特性，即明度、色调和饱和度表示出来，如图1-8所示。立体的垂直轴代表白黑系列明度的变化；圆周上的各点代表光谱上各种不同的色调（红、橙、黄、绿、蓝、紫等）；从圆周向圆心的过渡表示饱和度逐渐降低。

二、CIE标准色度学系统

国际照明委员会（CIE）规定了一套标准色度学系统，称为CIE标准色度学系统，这一系统是近代色度学的基本组成部分，是色度计算的基础，也是彩色复制的理论基础之一。

CIE标准色度学系统是一种混色系统，是以颜色匹配实验为出发点建立起来的，用组成每种颜色的三基色数量来定量表达颜色。

1.颜色匹配

建立CIE的标准色度学系统的一个重要原因是为了解决当时在颜色混合和颜色匹配中出现的一些问题。

把两种颜色调节到视觉上相同或相等的过程称为颜色匹配，图1-9所示为颜色匹配的一种实验装置图。

在以上的颜色匹配实验中，黑挡板下方是被匹配的颜色，即目标颜色，而黑挡板上方则是RGB颜色空间中的三基色红、绿、蓝。在实验中，CIE首先规定了这三种基色光的波长，分别为700nm（R）、546.1nm（G）、435.8nm（B）；然后就用这三种基色光进行不同配比的颜色匹配实验，试图配出在观察者看来和黑挡板下方的目标颜色一致的颜色。

2.CIE 1931-RGB系统

CIE标准色度学系统的第一个版本叫作CIE 1931-RGB系统，是CIE在1931年发布的。这一色度学系统是在类似于图1-8的实验装置上，以标准色度观察者在1°～4°的视场下的基本颜色视觉实验数据为基础而产生的。

在CIE 1931-RGB系统的实验中，为了确切地描述颜色匹配中三种基色的相对比例，首先必须定出基色单位这样一个概念，即定出多大亮度的基色光为该基色光的一个单位。为此，需要提出“等能白光”这样一个概念，即假想的在整个可见光谱范围內光谱辐射能相等的光源的光色，称为等能白色，等能白光的辐射通量谱函数为整个可见光范围内的一条平行于横轴（波长轴）的直线。如果波长分别为700nm（R）、546.1nm（G）、435.8nm（B）的红、绿、蓝光可以作为三基色而混合匹配出任意颜色，则此三基色配出等能白光时，它们的辐射通量是相等的。由于人眼视觉效率函数依波长变化而变化，所以可以得出三基色的光通量之间的关系，见表1-4（这里，取1lm红光的光通量作为一个单位）。

采用以上的三基色单位量作为标准，可通过实验测定出混合配比出任意颜色所需要的三基色的量。

颜色匹配实验中，当与待测色达到匹配时所需要的三基色的量，称为三刺激值，记作R、G、B。一种颜色与一组R、G、B值相对应，R、G、B值相同的颜色，颜色感觉必定相同。三基色各自在R+G+B总量中的相对比例叫作色度坐标，用小写的符号r、g、b来表示，即

基于CIE 1931-RGB系统的实验证明：几乎所有的颜色都可以用三基色按某个特定的比例混合而成。如果用上述规定单位量的三基色，在可见光380～760nm范围内每隔波长间隔（如10nm）对等能白色的各个波长进行一系列的颜色匹配实验，则可得每一种光谱色的三刺激值。实验得出的颜色匹配曲线如图1-10所示，图1-11中的CIE 1931-RGB配光曲线也称为CIE 1931-RGB标准色度观察者。

从图1-11中可以看出，任一波长的光，都可以由三基色的光按图中的比例匹配而成，图1-11中的曲线表明，如要配出500nm附近某一段波长的光，则需要的红色基色的光量为负值，即在实验中，要把这一数量的红光照射于被匹配光的一侧（即图1-9的黑挡板下方）才行。这对配光的物理意义以及数学计算而言，都是不太完善的结果。

根据配光的三刺激值色度坐标的公式，r、g、b三个色度坐标中只有两个是独立的，通常可选取r、g分别作为横坐标和纵坐标，可绘制出如图1-11所示的CIE 1931-RGB系统色度图。从图1-11中也明显可见，配出许多颜色所需要的红色基色分量的刺激值是负的。

3.CIE 1931-XYZ标准色度学系统以及其他CIE色度学系统

由于CIE 1931-RGB系统存在一些缺点，即在某些场合下，例如，被匹配颜色的饱和度很高时，三色系数就不能同时取正。由于三基色都对混合色的亮度有贡献，因此当用颜色反方程计算时就很不方便。

因此，希望有一种系统能满足以下要求：

1）三刺激值均为正。

2）某一基色的刺激值，正好代表混合色的亮度，而另外两种原色对混合色的亮度没有贡献。

3）当三刺激值相等时，混合光仍代表标准（等能）白光。

这样的系统在以实际的光谱色为三原色时，无法从物理上实现，CIE提出了以假想色作为逻辑上的三基色的XYZ表色系统，即CIE 1931-XYZ标准色度学系统。

CIE 1931-XYZ标准色度学系统中的三基色X、Y、Z实质上是CIE 1931-RGB色度学系统中三基色R、G、B的线性组合。两者之间的转换关系如下：

根据上式，可得到以下用于描述色品图的三刺激值：

由此可得到如图1-12所示的CIE 1931-XYZ标准色度学系统颜色匹配光谱三刺激值曲线，又称CIE 1931-XYZ标准色度观察者。

从图1-12中可知，配光所用的三基色色品坐标x、y、z值没有出现负值。由图1-12色品坐标的实验数据可以画出如图1-13所示的CIE 1931-XYZ标准色度系统色品图。

从图1-13中可知，颜色刺激的值全为正值。

CIE 1931-XYZ标准色度系统是国际上色度计算、颜色测量和颜色表征的统一标准，是所有测色仪器的设计与制造依据。

三、描述LED色度学特性的几个重要概念及其关系

在了解了颜色描述的基本概念之后，下面对描述LED色度学特性的几个重要概念及其关系进行介绍和分析。

1.光源的波长与颜色

发光的颜色是色光LED的一个重要参数。对单色光而言，颜色的差异是由波长的不同而引起的。可见光的波长不同，引起人眼的颜色感觉就不同。

但实际上，任何光源，包括LED，发出的光都不可能是绝对严格的单一波长的单色光，而是发出以某一波长为中心的一定波长范围的光，某一光源发光的相对强弱和波长的函数关系称为该光源的光谱特性，色光光源的光谱特性曲线通常类似于高斯分布（正态分布）的曲线。光源光谱特性曲线如图1-14所示。

图1-14 是黄绿色光的光谱特性曲线，在图中，可以引出几个常用的光学特性参数。

（1）峰值波长 图1-14中曲线的最高点对应的波长称为峰值波长，即无论由什么材料制成的LED，都有一个相对光强最强处（光输出最大），与之对应有一个波长，称之为峰值波长，用λp表示。通常峰值波长主要用来描述单色光的颜色特性。

（2）谱线半宽度 图中的Δλ通常称为谱线的半宽度，是指相对光强为峰值波长一半时对应的曲线上两个点的波长间隔。半宽度反映谱线宽窄，是衡量光源单色性好坏的参数，各种单色光LED发光的谱线半宽度小于40nm，单色性较好。

（3）主波长 有的光源发出的光不仅只有一个峰值波长，甚至有多个高低不同的峰值。为了描述此光源的色度特性，需要引入主波长的概念。主波长描述的是人眼所能观察到的由此光源发出的光的颜色倾向所对应的单色光的波长。

主波长的概念通常不是用来描述单色光，而是描述多个峰值的色光混合起来所呈现的颜色。例如，GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，LED的主波长会随着长期工作，结温升高而偏向长波方向。

主波长的数值可用如下方法来确定：用某一光谱色，按一定比例与一个确定的标准照明体（如CIE标准照明体A、B、C或D65）相互混合而匹配出样品色，该光谱色的波长就是样品色的主波长。颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色的色调（心理量）。

如果光源的单色性很好，则峰值波长λp的数值基本上等于主波长。对于蓝光LED芯片，峰值波长要比主波长短一点（5nm左右）。

（4）色品坐标 如前面分析CIE 1931-XYZ系统所述，某种颜色在CIE 1931-XYZ色度图中的色品坐标（或称色度坐标）是描述该颜色的色度特性的重要参量，颜色色品坐标的不同对应着颜色的差异。在实际LED封装中的分光等应用场合需要用到色品坐标的概念，此时通常用色度图中X和Y的坐标值来表示。对于白光LED的分光，色品坐标的X、Y值均为接近于0.33的一个数值，表明白光中X、Y、Z三个颜色分量的比例接近，根据X、Y具体数值的不同，体现出一定的颜色偏向性。

色品坐标还可以用于说明主波长的概念：CIE 1931-XYZ色度图边沿的舌形曲线代表饱和度为1的纯光谱色，假若已知某光的色品坐标为A，则从色品坐标图中等能白色（0.33，0.33）处引一线段指向A，再将该线段延长，则延长线和色度图边沿的交点对应的波长为该色光的主波长。

2.光源的色温

色光光源的色度特性用波长来表示，但在LED或其他光源的制造和应用中，白光光源也是非常重要的一种类型，特别是在照明领域。理想的白光是各种波长色光的均匀或等能的组合，因而无法用波长表示白光的颜色。

实际的白光总带有一点微弱的颜色偏向性，如偏红或偏蓝。由于白光的这种颜色偏向性和单色光的颜色明确性是比较微弱的，所以实际的白光其颜色偏向性也不用感觉上偏向的那种颜色的波长来表示，而是借助于黑体辐射峰值波长随温度变化的特性，即色温这个参数来表示。黑体辐射随温度变化的特性可用图1-15表示。

光源的色温定义：如果光源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的光颜色相同，则此时黑体的温度称为该光源的色温。

色温是用来描述白光的颜色偏向性的，单色光的颜色不用色温来描述。

色温计算采用绝对温标，以K（开尔文）为单位，黑体辐射的0K=-273℃作为计算的起点。将黑体加热，随着能量的提高，便会进入可见光的领域。例如，在2800K时，发出的色光和灯泡相同，便说灯泡的色温是2800K。

光源色温不同，光色也不同。

色温低于3300K时，光色表现为温暖（带红的白色）、稳重的气氛效果。

色温在3300～5000K时，光色表现为中间（白）、爽快的气氛效果。

色温高于5000K时，光色表现为清凉型（带蓝的白色）、冷的气氛效果。

不同色温对应的颜色可用图1-16表示。从图可知，不同的色温对应于不同的颜色，必须强调的是，色温是用来描述白光颜色偏向是暖色还是冷色的一个概念，对应于正白的色温表示该颜色恰好位于暖色和冷色的平衡点，即该颜色不偏暖也不偏冷，这个平衡点的色温在5000K左右。与该色温对应的温度下，黑体辐射的峰值波长会取555nm左右的一个数值，该波长对应的单色光颜色为黄绿色。但绝对不能说此时和5000K左右色温对应的颜色为黄绿色，因为色温不是描述单色光色度的参量，色温是描述白光色度特性的参量，它体现了白光中暖色和冷色的平衡程度。

3.光源的显色性

显色性是用于描述白光光源综合色度特性的一个参数。原则上，人造光源应与自然光源相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色。

显色性通常用显示指数（Ra）来描述，它表示物体在某一光源照明下的颜色与基准光（太阳光）照明时颜色的偏离。显色性较全面地反映光源的颜色特性，它描述了事物的真实颜色（其自身的色泽）与某一标准光源下所显示的颜色关系。Ra值是将DIN 6169标准中定义的8种测试颜色加上其他7种试样，在标准光源和被测试光源下进行比较，色差越小，表明被测光源颜色的显色性越好。Ra值为100的光源表示事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下的一致。

代表性试样的选择为1～8 号是中彩度色，如深红、深黄、深绿、深蓝等（明度为6）；9～12号是高彩度的红色、黄色、绿色、蓝色；13号是白种人女性肤色；14号是叶绿色；15号是中国女性肤色（日本女性肤色）。

光源的显色性是通过与同色温的参考光源或基准光源（白炽灯或日光）下物体外观颜色的比较而确定的。光源所发射的光谱决定光源的光色，但同样颜色的光可由许多、少数甚至仅仅两个单色光波等不同方式组合而成，对各种颜色的显色性亦大不相同。光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或没有物体在基准光源下所反射的某种波长成分时，会使物体的颜色产生明显的色差。色差程度越大，光源对该种波长的光的显色性也越差。

实际应用中对光源显色指数的要求见表1-5。

各种光源的显色指数见表1-6。

4.光源光谱图

利用灯具光色电综合测试仪测试了白炽灯、荧光灯、高压钠灯和不同显示指数LED等各种不同光源的光色电参数和相应的光谱图，比较如图1-17所示。

从图1-17中的不同光源测试参数及光谱图对比可知，光源的光谱分布决定了光源的显色性，光源的色温和显色性之间没有必然的联系，具有不同光谱分布的光源可能有相同的色温，但显色性可能差别很大。从光谱图外形特点也可反推这是何种光源，例如图1-17a，光谱图与太阳光谱非常接近，所以它的显色指数为100；图1-17b中荧光灯光谱图有多条不同颜色的波峰，但它的特点是对应有蓝光、绿光和红光比较高的波峰；图1-17c中高压钠灯光谱图也是有多条不同颜色波峰，但它的特点是橙黄光波峰相对比较高，所以路灯如果安装了高压钠灯则通常看到发出橙黄光；图1-17d～f中是LED的光谱图，都有一个明显的蓝光波峰和一个比较宽的包含绿、黄、红的宽光谱，可见这款LED发光原理为LED蓝光芯片激发黄色荧光粉所得，这是常用的典型的LED封装形式，即蓝光芯片+黄色荧光粉。从光谱图也可看出，显示指数的高低与红色光谱占比有很大关系，这可以在LED光源封装过程中荧光粉配比实验中提供重要的指导性方向。