本文從“光的本質”切入，系統梳理六大核心內容：輻射度量與光度量的區別、人眼色彩視覺機制、光度量/色彩測量方法及誤差控制，最后對比濾光片式與分光光譜式測量的差異，構建光度色度學知識框架。

01光

在自然界中，電磁波是能量存在和傳播的一個重要形式，通常定義光學譜段從 0.1nm 的 X 射線到 0.1cm 的極遠紅外；而我們人眼能夠感知的范圍只是其中極小的一部分，通常是380nm~780nm，這個范圍內的電磁波能夠讓人眼產生視覺刺激，從而形成光亮感和色彩感 。

可見光與電磁波譜

02輻射度量與光度量

a) 輻射度量的定義

在自然界中，電磁波是能量存在和傳播的一個重要形式，輻射度量是用能量單位描述輻射能的客觀物理量，是一個能量的表征形式；在輻射度學中通常研究輻射能的空間、時間、方向的分布，通常定義為輻射通量、輻射強度、輻射亮度等；

b) 光度量的定義

我們把定量地測定光的明亮程度的學科成為光度學，由光度學得到的規格化的明亮度叫做光度量。光度量都是用對應的電磁波輻射度量乘以光視效能得到的，是由視覺心理來評價物理量時得到的量，稱為心理物理量；

人眼視覺曲線圖

c) 輻射度量與光度量的對應表格及單位

03人眼的色彩視覺

前面提到的光度量科學是人眼對光的能量的感知，如果只有光度量的話，人眼看到的是一個灰色的世界，只有亮暗的差異；然而我們可以看到這個多姿多彩的世界，是因為我們眼球中視網膜中央有色彩感知的視錐細胞；人眼視錐細胞主要集中在視網膜中央，所以人眼對顏色的感受會受視場角度的影響 。

04光度量測試方法及誤差

兩個基本定理

1、平方反比定理 : 連續光強光源在光接受表面的照度（illumination）與光源到接受表面距離之間的關系，即，照度值與該光源到接收面之間的距離的平方成反比。因此，理想的照度測量必須要能精確控制距離的大小，如果某光源在某一距離的照度值已知，除非其他條件影響，任何距離的照度都可以經計算獲得。

2、余弦定理：一定面積上的光強，因入射角的不同而隨之變化，這是因為實際投影面積隨入射角的增大成比例的減少。這樣，在環境照明測試時，探頭需要進行余弦校正來計算實際值。否則，就會產生相當大的誤差，尤其當入射角較小時，誤差更大。

光通量 luminous flux

光通量的單位是流明（lumen）, 是光度量的基本單位，表示可見光源單位時間內輸出的所有光能量。因此，光通量的測量要求能夠將所有的光能量收集到光探測器上，對于發散光源，如 LED、燈源等，光通量的測量就比較困難，這時就要用積分球把所有的光收集起來測試。

在實際測試中，特別是燈具測試，因為燈具測試通常需要把燈具放入積分球中做 4π 的測試，而燈具本身會對不同波長的光有選擇性吸收，從而帶來測試的誤差，所以通常需要為積分球配置輔助燈，以消除燈具本身自吸收帶來的誤差。

光強（luminous intensity）

光強也是表征光源性能的物理量。光源在指定方向上單位立體角內發射的光通量定義為光源在此方向上的光強。光強的基本單位是坎德拉（candela）, 相當于 1 流明 / 球面度（lm/sr）。對于光強度的測量，CIE127-2007 做了相關測試規定，分為 A、B 兩種測試條件，在實際 LED 測試中，通常采用 B 條件

A 條件：從點光源到探頭的距離為 316mm，探測器面積為 100mm2 ；

B 條件：從點光源到探頭的距離為 100mm，探測器面積為 100mm2 ；

在 LED 光強測試中，由于 LED 的光強隨角度的變化比較大，如果 LED光軸跟系統光軸不一致將會導致很大的誤差，所以需要采用專用的 LED夾具來確保 LED 機械軸與測試系統光軸一致，降低誤差；

光亮度（luminance）

光亮度是指光源在給定方向上單位立體角、單位投影面積內發 射的光通量，是表征人眼感知的光源或者發光表面的亮暗程度。

光照度 illuminance

光照度是指單位面積所接受的入射光的量。在英制單位里，1 平方英尺的面積上接受到 1 個流明的光通量，定義為 1footcandel。 公制單位中，當 1lm 的光通量均勻地照射在 1 平方米的面積上時， 光照度為 1 勒克斯（lux）,10.76lux=1footcandle.

在照度測量時，經常由于光線偏離垂直光軸而造成測試錯誤。這時，探頭就要配一個余弦校正器。由于余弦接受器仍然要投影到探頭上，因此，余弦接受器的面積并不是探頭的面積，只是代表測試面積。

在實際應用中，什么時候用照度來表征，什么時候用亮度來表征，需要看具體的應用，一般出發點以人類眼睛的觀察角度為準，比如對于汽車前車燈，目的是為了照明，所以通常測試照度，而對于汽車尾燈，目的是為了讓后面的人看到汽車，所以通常測試的是亮度；在道路照明中，目的是為了讓駕駛員能夠看清路面，所以目前測試亮度的規范正慢慢取代原來照度的測試規范 ；

05色彩測量方法及誤差

色度學是涉及觀察者的視覺生理、照明條件、觀察條件等因素，是一門由大量統計得到的測量科學；為了得到統一的度量效果，國際照明委員會 ( 簡稱 CIE) 基于每一種顏色都能用三個選定的原色按照比例混合而成的原理，建立了一套標準色度系統 , 就是我們常用的 CIE 標準色度系統。

其中 S(λ) 為光源的光譜分布；X、Y、Z 為標準觀察者的光譜三刺激值；x，y 為 CIE1931 下的色坐標。

格拉斯曼定律：對于顏色相同的光，不管他們光譜組成是否一樣，在顏色混合中具有相同的效果，即凡在視覺上相同的顏色在顏色合成中都是等效的，而且混合色的總亮度等于組成混合色的各顏色光的亮度總和；但是該定律只適合于相加混合過程；這個概念在 LCD 背光模組中應用很重要；因為 LCD 是把白色背光模組分解為 RGB 三基色，然后再做混合得到各種顏色的光。

國際照明委員會（CIE）在 1931 年推薦的標準色度觀察者光譜三刺激值函數及相應的色品圖，至今在許多色度計量方面得到廣泛的應用，使人們可以在統一的基準下進行顏色的計量測試和比較分析。但是在 CIE1931 標準色度系統的實際應用中發現了一些不足之處，尤其是色品圖的不均勻性即在各色區中顏色感知差異的容限大小不等，于是 CIE 在 1976 年定義并推薦了改良的色品計算公式，得到色品均勻性比較好的色品圖，稱為 CIE1976 體系。

好的色品圖，稱為CIE1976體系

顯色指數：

CIE 光源顯色性評價方法把在待測光源下物體色和在參照照明體下物體色的一致性進行量化，稱為顯色指數。即對象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。CIE 采用了一套共 14 種試驗色，其中 1 ～ 8 號共 8 種試驗色用于光源一般顯色指數（Ra）和特殊顯色指數的計算，這 8 種試驗色代表了各種不同的常見顏色，而 9 ～ 14 是一些飽和色和皮膚色，專用于特殊顯色指數的計算。

標準色樣

主波長：任何一個顏色都可以看作為用某一個光譜色按一定比例與一個參照光源（如 CIE 標準光源 A、B、C 等，等能光源 E，標準照明體 D65 等）相混合而匹配出來的顏色，這個光譜色就是顏色的主波長。

色溫及相關色溫：當光源所發出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時，黑體對應的溫度就稱為該光源的色溫，用絕對溫度 K 表示。對于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時用相關色溫來表示。在均勻色品圖中，如果光源的色坐標點與某一個溫度下的黑體輻射的色坐標點*接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關色溫。

Ra 為平均一般顯色指數，由 1 ～ 8 號試驗色求得的 8 個特殊顯色指數取平均值而得到。

CRI 在 LED 行業中通常是 R1~R14 的平均值針對適用場地的不同，國際照明委員會 CIE，一般把顯色指數分為五類。

06濾光片式及分光光譜式的差異

在光度、色度學量測中，CIE127 規定了有兩種測試方法，一種是采用光電二極管加上濾光片，把光電二極管的響應曲線修正為與人眼的響應曲線 ( 人眼三刺激值響應曲線 ) 接近，也就是用探測器來模擬人眼；另外一種是分光光譜法，先測試光源的絕對能量光譜分布曲線，然后用 CIE127 規定的人眼響應曲線函數把能量轉換為光度和色度值；分光光譜法最初通常用于標準計量單位所采用的計量方法；濾光片法的優點在于測試速度很快，但是由于濾光片光譜透過率不可能完*與 CIE 標準曲線一致，因此一定會存誤差。這種誤差會隨著待測樣品和環境而變化。

光度測試濾光片光譜失配曲線圖

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