白色LED在物体色度测量中的应用研究

钱惠国，吴 琼，毛和法

(浙江师范大学信息光学研究所，浙江金华 321004)

0 引 言

发光二极管(LED)具有体积小、功耗小、价格便宜、使用寿命长等优点，已在测试、医疗、照明等领域［1-3］获得了广泛的应用.超亮白色LED不仅亮度高，且其光谱范围基本覆盖了可见光，颜色再现能力强，经测试，其显色指数可以在80以上［4］，有望在物体色度测量中得到应用.本文搭建了透射和反射物体色度测量系统，并用白色LED作为照明光源，分别测量了红、绿、蓝三色透射样品和标准反射板的色度坐标，给出了测量结果，并将该结果与WGS-9型色度仪测量结果进行了比较，结果发现两者误差较小，表明了白色LED应用于物体色度测量的可能性.

1 物体色度测量原理

在CIE 1931-XYZ色度系统中，物体的颜色可以用三刺激值(X，Y，Z)或色度坐标(x，y，z)来表示.如果已知参照光源的光谱功率分布为φ(λ)，且测得物体的透射(或反射)率为ρ(λ)，则物体颜色的三刺激值可以通过下式计算［5］:

对于实际计算，式(1)中的积分用求和代替，其表达式为

物体颜色的色度坐标可以根据其三刺激值，通过下式计算:

2 物体色度测量系统

由于标准参照光源的光谱功率分布φ(λ)已知，根据物体色度测量原理，测量物体的色度关键是测量物体的透射率或反射率.

2.1 透射物体色度测量系统

如果测得实际照明光源的光谱功率分布为φ0(λ)，测得照明光源透过物体后的光谱功率分布为φ1(λ)，则物体的透射率 ρ(λ)［6］为

物体透射率测量的实验装置如图1所示，用稳压电源驱动LED发光，光纤光谱仪测量光谱功率分布，计算机与光纤光谱仪连接对光谱数据进行采集和处理.实验时，点亮LED，先不放透射样品测出LED光源的光谱功率分布φ0(λ)，再放入透射样品测出光源透过样品后的光谱功率分布为φ1(λ)，则透射样品的透射率可以用式(4)计算.测得物体的透射率后，根据式(2)和式(3)可以计算出物体在一定标准光源照明下的三刺激值和色度坐标.

图1 物体透射率测量实验装置示意图

2.2 反射物体色度测量系统

物体反射率测量的实验装置如图2所示，在图1的基础上增加了积分球，以保证反射光谱的均匀性.实验时，点亮LED，先在样品位置放上标准白反射板测出LED光源的光谱功率分布φ0(λ)，再换上反射样品测出光源经样品反射后的光谱功率分布φ1(λ)，则样品的反射率同样可以用式(4)计算.测得物体的反射率后，根据式(2)和式(3)就可以计算出物体在一定标准光源照明下的三刺激值和色度坐标.

图2 物体反射率测量实验装置示意图

3 实验结果与分析

3.1 LED用于透射物体色度测量

用图1所示的实验装置测量了白色LED的光谱功率分布，结果如图3所示.分别用白色LED和溴钨灯作为照明光源，测量了红、绿、蓝3种透射样品的透过率曲线，并与用WGS-9型色度仪测量曲线比较，结果如图4所示.由图4可知，对于红、绿、蓝3种透射样品，3条曲线基本一致.但是，在波长小于430 nm时，用LED照明测得的曲线出现较大波动，这是由于LED在小于430 nm时光谱功率极小(见图3)，导致光谱测量噪声较大.

图3 LED的光谱功率分布曲线

图4 3种条件下测得的红、绿、蓝3种透射样品的透过率曲线

根据测得的透过率曲线，选择CIE标准照明体A作为参照光源，计算了红、绿、蓝3种透射样品在3种测量条件下的色度坐标，结果如表1所示.由表1可看出，3种条件下测量结果相差不大.用白色LED作为照明光源进行测量与用WGS-9型色度仪进行测量相比，样品色度坐标差值小于0.005 1.

表1 红、绿、蓝透射样品在不同条件下测量的色度坐标

3.2 LED用于反射物体色度测量

根据图2所示的实验装置，用白色LED作为照明光源，对红、绿、蓝3种标准色板进行了测量，并将结果与WGS-9型色度仪测量结果进行比较.结果发现，2种方法测得的反射率基本一致，如图5所示.但是，实验中发现由于LED在430 nm以下光谱功率极小，且标准色板的反射率较低，以致用LED照明测得的曲线在波长小于430 nm时波动甚大，因此，在数据处理时舍去了这一部分数据.图5给出了波长为430～700 nm的反射率曲线.

图5 2种方法测得的红、绿、蓝3种反射样品的反射率曲线

根据测得的反射率曲线，选择CIE标准照明体A作为参照光源，计算了红、绿、蓝3种标准色板的色度坐标，结果如表2所示.由表2可知，用白色LED作为照明光源进行测量与用WGSK-9型色度仪进行测量相比，色度坐标差值最大为0.021 7(绿色标准色板的y值).同时，表2也给出了WGS-9型色度仪在400～700 nm波长标准色板色度坐标的测量值，该值与430～700 nm波长的测量值相比，差值小于0.005 5.

表2 红、绿、蓝3种标准色度坐标测量值

4 讨 论

实验用单个白色LED作照明光源测量了透射和反射物体的色度值，与用溴钨灯作为照明光源进行测量相比，结果差值不太大，说明在测量要求不高的场合可以用白色LED作为照明光源进行物体色度测量.同时，实验发现用白色LED作为照明光源引起物体色度测量误差的原因主要有2个:1)白色LED在波长430 nm以下和700 nm以上光谱功率强度极小，从而导致在该光谱范围内物体的透射(或反射)率测量误差大;2)LED本身输出光功率比较小(直径为5 mm的普通LED正常工作时输出光功率小于2 mW)，因此，在测量透射(或反射)率比较低的物体时会造成透射(或反射)率测量误差大，从而影响色度的测量精度.

为了提高用LED测量物体色度的精度，还需要进一步改善其光谱结构.改善的方法大致可以分为2种.其一，对单个LED的光谱进行改造，比如研发新的发光材料进一步拓宽LED发光的光谱范围，使其在380～780 nm波长内都具有比较好的光谱分布，再进一步提高LED的发光强度，以提高物体透(反)射率测量的准确性;其二，用多个LED进行光谱合成以获得光谱分布范围宽且强度高的照明光.由于LED的驱动电流小，所以单个LED的输出光强不是很大，而且要使单个LED实现宽光谱照明也十分困难.因此，相对而言，第2种方法更容易实现.朱继亦等［7］用不同峰值波长的LED模拟实现了CIE标准照明体D65、太阳光、溴钨灯等光源的光谱功率分布，其相关指数均在0.94以上.这些光源用于物体色度测量可以获得较高的测量精度.

5 结 论

对白色LED在物体色度测量中的应用进行了实验研究.结果表明，在物体进行色度测量时，用白色LED作为照明光源与用溴钨灯作为照明光源相比，测量结果差值不大，且与用WGS-9型色度仪测量的结果也相接近.因此，在测量要求不是很高的场合下，可以用白色LED作为照明光源进行物体色度测量.LED的应用有利于色度测量系统的小型化及降低成本.

［1］李素文，谢品华，刘文清，等.发光二极管在差分吸收光谱系统中的应用研究［J］.物理学报，2008，57(3):1963-1967.

［2］陈风，袁银麟，郑小兵.发光二极管在光学辐射测量中的应用及进展［J］.激光与光电子学进展，2008，45(4):56-61.

［3］崔鸿忠，李正佳，范晓红.发光二极管光源疗法在生物医学中的应用［J］.激光技术，2006，30(6):638-642;656.

［4］曾华阳，刘宝林，黄文达，等.发光二极管的色度分析［J］.光电技术应用，2009，24(2):40-43.

［5］汤顺清.色度学［M］.北京:北京理工大学出版社，1990.

［6］钱惠国.再议滤光片透过率的测量［J］.大学物理实验，2007，20(4):25-27;22.

［7］朱继亦，任建伟，李葆勇，等.基于LED的光谱可调光源的光谱分布合成［J］.发光学报，2010，31(6):883-887.