颜色检测技术综述

摘要

LED作为现在最重要的光源之一，正在以其独特的特性全面渗入到社会的各个层面和角落。LED具有亮度高、寿命长、运行稳定、驱动简单等特点，且经过简单处理后其光束质量也可以有较大改善，研究LED的必要性不言而喻。而LED光源虽然应用方便，但同激光器相比，其发射光谱宽，发射角大，对她的应用有一定的限制。在可见光波段，研究LED的单色性是一个重要课题，因此，如何在近似的波段里面准确区分LED的发光颜色，如何准确检测和判断LED是我们的实际操作。本文介绍了LED光源的一些特性和目前的几种LED颜色检测方法，对其未来的发展趋势作了预测。

关键词：LED光源；颜色检测；颜色评价

一、LED及LED光源

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的半导体。它的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，整个被环氧树脂封装起来。由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。

由于LED的半导体本质和其发光原理，LED很明显的拥有高亮度、高光效、长寿命、无辐射、功耗低等优点。同时，根据其P-N结材料的不同，LED可以发出不同波长的光，所以其发射光谱很宽，在可见光波段，我们可以比较容易得到多种颜色的LED光源。LED亮度高，在照明领域，目前LED已开始了广泛的应用，而且由于LED发光效率高，且在小角度上光能集中，几W的LED已经可以媲美数十W的传统光源，在单位功率内的成本大大降低。根据其发光原理，LED光源的驱动结构比较简单，这大大节省了其在驱动部分的消耗，也减小了光源的体积。

目前，LED光源已广泛应用于照明、汽车、LCD背光、测量、仪器等领域，方便了人们的生活。根据专家作出的预测，未来，LED的最大优势----寿命将在现有基础上大大提高，理论上LED可拥有无限的生命周期，目前，常用的LED光源也已经达到和大于了10万小时。所以，LED的全面应用是毋庸置疑的。目前，LED的限制条件主要是

发射角大、单个LED发射光谱宽。对比激光光源，这个劣势很明显。而发散角我们可以通过外部光路对其进行整理，而对于宽的光谱，我们则需要通过对其内部结构进行调整，在可见光波段，这主要表现在单色LED光源的发射光谱中含有多个波长的单色光，虽然各波长差别不大，特别是外在表现相差无几，但是在较精密的应用领域，这是不能接受的，因此，如何对单色LED光源的发光颜色进行检测，从而评价当前的LED结构，是LED未来发展道路上需要解决的重要问题。二、单色LED光源与标准色度系统

单色LED光源

在常用的LED中，其发射光谱一般呈高斯分布，中心波长决定了光的颜色。同时，根据已有的研究结果，我们知道发射光谱和发射峰还会随着驱动电流的变化而发生变化。以InGaN蓝芯片做成的蓝光LED为例，驱动电流从5mA到90mA变化时，发射光谱如图[1]：

图1 InGaN蓝光LED发射光谱[1]

从图中可以看出，随着驱动电流的增加，发射光谱和发射峰先向

短波长方向移动（蓝移），然后向长波长方向移动（红移）。蓝移和红移的发射峰相差十几个纳米，而且，有明显变化的两条曲线，其驱动电流变化也比较小。由此可以知道，单色LED光源发出的光本身已经是“多色”（虽然看起来是单色），而驱动电流变化也会导致其发生变化。这使得LED在一些精密应用中无法得到像激光一样的表现效果，限制了它的应用；在普通应用中，如显示背光、摄影等领域，这也会加剧单色变化导致的组合背光颜色变化。因此，快速的对LED光源做颜色检测和评价，从而控制机构能够更好的使之稳定工作，形成颜色稳定的光场就显得比较重要了。

单色LED光源的亮度与其发射角度也很有关系，在发射角度小的时候，光源亮度变化较小，随着发射角角度变大，光源亮度也会有明显的降低，这在有单色光源组合成混色效果时，很容易导致亮度不均匀导致的颜色变化。如何使组合光场能够均匀、稳定，如何使组合广场的颜色统一，通过对光场的颜色检测和判别可以使这一问题变得简单。

CIE标准色度系统简介

色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量的理论与技术的科学，也就是说，我们对于光源、物体的颜色感知可以通过色度学来进行科学的计算和判断。

对于颜色，人眼的分辨能力是有限的，只能分辨颜色的三种变化(如明度/色调/饱和度)。而准确判断颜色，单靠人眼的观察是不可靠的，需要进行准确的计算，而计算依据就是标准色度系统。CIE（国

际照明委员会）制定和改进了一系列的标准，让颜色的判断标准更为准确，其他的一些大型企业也相应制定了自己的颜色判断标准。

CIE 在1931年统一了实验结果, 提出了CIE 标准色度观察者和色品坐标系统；并规定了三种标准光源(A, B, C)；对测量的照明观测条件进行了标准化。这被称作CIE 1931标准色度系统，奠定了现代色度学的基础。

CIE 1931标准色度观察者数据代表2︒视场的色觉平均特性。当观察视场增大到4︒以上时，发现波长380nm 至460nm 区间内数值偏低。日常观察物体时视野经常超过4︒范围，为了适应大视场颜色测量的需要，CIE 在1964年规定了一组“CIE 1964补充标准色度观察者光谱三刺激值”简称为“CIE 1964补充标准色度系统”，也叫做10︒视场X 10Y 10Z 10色度系统。

1976年CIE 推荐了两个色空间及有关的色差公式。分别称为CIE 1976L*u*v*色空间和CIE 1976L*a*b*色空间。我国国家标准局在彩色印刷品的质量要求上也使用了CIE L *a *b *色差，并将这一质量标准作为国有企业晋级的一项条件。

CIE 94色差公式是CIE1995年推荐的工业界测试色差公式： CIEDE2000色差公式是最新的由CIE 推荐的国际标准色差公式，不仅包含有明度、彩度和色调加权函数，还加入了功能与BFD 公式相似的交叉项和改善中性灰色色差预测能力的函数项： 2

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