2007年10月6日 星期六

LED基礎知識 一些量測單位的意義

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光源發出光的量稱為光通量,而在某方向上光的分佈密度稱為發光強度,照度為光落在物體表面的密度,而我們所見的並非照度,而是該物體所反射的亮度。光度計量中以坎德拉為SI基本單位,而流明、勒克斯等均為導出單位。這些照明常用術語的定義如下:


光通量
(Luminous flux,Φ)
單位為:流明 (lumen, lm)

光通量(F) = I × W lm

即一光源所放射出光能量的速率或光的流動速率(flow rate)為光源發光能力的基本量,單位為流明 (lumen,lm)。根據定義,1 lm 為發光強度(I) 1 cd 的均勻點光源在 1 球面度立體角(W)內發出的光通量(F)。

此為一般燈鎢絲燈與日光燈的量測單位。例如一個100瓦(W)的燈泡可產生1750 lm ,而一支40 W 冷白色日光燈管則可產生 3150 lm 的光通量。


光強度/光度
(luminous intensity, candlepower, I )
單位:坎德拉(candela, cd)

定義:I , 光強度[cd] = 立體角內之光通量 / 立體角Ω[sr]

1 lm / sr = 1 candela (cd)
1 cd = 12.57 lm

發光強度簡稱光度,係指從點光源一個立體角(單位為 sr)所放射出來的光通量,也就是光源或照明燈具所發出的光通量在空間某選定方向上的分佈密度,單位為燭光(candle or candela,cd)一般而言,光源會向不同方向以不同之強度放射出其光通量,在特定方向所放出之可見光輻射強度稱為光強度。

發光強度為 1 cd 的光源可放射出 12.57 lm 的光通量。

因為LED燈所發出光是具有方向性,故皆使用此為LED燈的量測單位。儘管手電或者LED仍然廣泛採用發光強度作為重要參數,比如某LED是2000mcd。LED用mcd而不用cd(1000mcd=1cd),是因為早期的LED太暗,比如超高亮度的才不到0.1cd,因此才習慣用mcd來表示。


照度
(illuminance, E)
單位:勒克斯 Lux (Lm/m2)

E , 照度[lx] = 落在某面積上之光通量[lm] / 此被照面面積[㎡] = 光強度[cd] / (距離[m] )2

公制單位: lm / ㎡ = lux (lx)
英制單位: lm / ft2 = footcandle (fc)
1 fc = 10.76 lx; 1 lx = 0.093 fc

照度為單位面積內所入射的光量,可用每一單位面積的光通量來測量,用來表示某一場所的明亮度。1 lm 的光通量均勻分佈在 1平方公尺(㎡) 的表面,即產生 1 勒克斯(lux, lx) 的照度;1 lm 的光通量落在 1 平方英呎(ft2 )的表面,其照度值為 1 呎燭光(footcandle, fc)。


輝度/亮度
(luminance, brightness)
單位:cd/m. ^2. (也可稱為「nits」

L , 輝度[cd/㎡]= 光強度[cd] / 所見之被照面面積[㎡],的單位為cd/m. ^2. (也可稱為「nits」

亮度( L ) = 發光強度 / 面積 = I / AP
公制單位:cd / ㎡ (nt)
英制單位:footlambert(fL) = 1/p cd/ft2
1 fL = 3.426 cd/㎡

輝度或亮度:當我們目視某物所看到的,可以兩種方式表達:一用於較高發光值者如光源或燈具,直接以其發光強度來表示;另一則用於本身不發光只 反射光線者如室內表面或一般物體,以亮度表示。

亮度即被照物每單位面積在某一方向上所發出或反射的發光強度,用以顯示被照物的明暗差異,公 制單位為燭光 / 平方公尺(candela/㎡,cd/㎡)或尼特(nit),英制單位為呎朗伯(footlambert,fL)。


發光效率 (Luminous efficacy, η)
單位:流明每瓦 [lm/W]

η發光效率[lm/W]= 所產生之光通量[lm] / 消耗電功率[W]

代表光源將所消耗之電能轉換成光之效率,其數值越高表示光源效率越高以鎢絲燈為例發光效率約在20~30 lm/W,LED燈目前約70 lm/W為鎢絲燈的2~3倍。


色溫
( Color Temperature )
單位:絕對溫度 ( Kelvin, K )

一個光源之色溫被定義為與其具有相同光色之標準黑體(black body radiator)本身之絕對溫度值,此溫度可以在色度圖上之普朗克軌跡上找到其對應點。

溫度升高到一定程度時顏色開始由深紅-淺紅-橙黃-白-藍,逐漸改變,某光源與黑體的顏色相同時,我們將黑體當時的絕對溫度稱為該光源之色溫。溫度越高,其輻射出之光線光譜中藍色成份越多,紅色成份也就相對的越少。以發出光色為暖白色之普通白熱燈泡為例,其色溫為2700K,而晝光色日光燈之色溫為6000K。

因相關色溫度事實上是以黑體輻射接近光源光色時,對該光源光色表現的評價值,並非一種精確的顏色對比,故具相同色溫值的二光源,可能在光色外觀上仍有些許差異。僅馮色溫無法瞭解光源對物體的顯色能力,或在該光源下物體顏色的再現如何。

不同光源環境的相關色溫度
光源 色溫
北方晴空 8000-8500k
陰天 6500-7500k
夏日正午陽光 5500k
金屬鹵化物燈 4000-4600k
下午日光 4000k
冷色營光燈 4000-5000k
高壓汞燈 3450-3750k
暖色營光燈 2500-3000k
鹵素燈 3000k
鎢絲燈 2700k
高壓鈉燈 1950-2250k
蠟燭光 2000k


光色(Light color)

一個燈的光色可以簡單的以色溫來表示。
光色主要可分成四大類:

  • 暖色(< 3300K )
  • 中間色(3300至 5000K):人在此色調下無特別明顯的視覺心理效果,有爽快的感覺;故稱為"中性"色溫。
  • 晝光色(5000K至6500K):
  • 暖色(>6500 K): 光色偏藍,給人以清冷的感覺
a. 色溫與亮度 高色溫光源照射下,如亮度不高則給人們有一種陰氣的氣氛;低色溫光源照射下,亮度過高會給人們有一種悶熱感覺。
b. 光色的對比 在同一空間使用兩種光色差很大的光源,其對比將會出現層次效果,光色對比大時,在獲得亮度層次的同時,又可獲得光色的層次。

採用低色溫光源照射,能使紅色更鮮豔;
採用中色溫光源照射,使藍色具有清涼感;
採用高色溫光源照射,使物體有冷的感覺。

須注意的是即使光色相同,燈種間也可能因為其發出光線光譜組成不同而有很大的演色性表現差異。





演色性
(Color rendering )

一般認為人造光源應讓人眼正確地感知色彩,就如同在太陽光下看東西一樣。當然這需視應用之場合及目的而有不同之要求程度。此準據即是光源之演色特性,稱之為平均演色性指數(general color rendering index, Ra)。

平均演色性指數 (general color rendering index, Ra)

為物件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。其數值之評定法為分別以參照光源及待測光源照在DIN 6169所規定之八個色樣上逐一作比較並量化其差異性;差異性越小,即代表待測光源之演色性越好,平均演色性指數Ra為100之光源可以讓各種顏色呈現出如同被參照光源所照射之顏色。值越低,所呈現之顏色越失真。

光源的顯色性是由顯色指數來表明,它表示物體在光下顏色比基準光(太陽光)照明時顏色的 偏離,能較全面反映光源的顏色特性。顯色性高的光源對顏色表現較好,我們所見到的顏色也就接近自然色,顯色性低的光源對顏色表現較差,我們所見到的顏色偏 差也較大。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數定為100,各類光源的顯色指數各不相同,如:高壓鈉燈顯色指數Ra=23,螢光燈管顯色指數Ra= 60~90。

顯色分兩種
忠實顯色:能正確表現物質本來的顏色需使用顯色指數(Ra)高的光源,其數值接近100,顯色性最好。
效果顯色:要鮮明地強調特定色彩,表現美的生活可以利用加色法來加強顯色效果。

LED具有極佳的演色性,尤其是使用在舞台效果,及各大知名博物館,畫館,因現有日光燈不但演色性差且會有微量紫外光外洩,雖然此微量紫外光對人體影響不大,但卻對成列的展覽物,畫作有極大的影響。

用於照明工程的LED,尤其是白光LED,除表現顏色外,更重要的特性往往是周圍的物體在LED光照明下所呈現出來的顏色與該物件在完全輻射(如日光)下的顏色是否一致,即所謂的顯色特性。


平均壽命
單位:小時

指一批燈泡至百分之五十的數量損壞時的小時數


經濟壽命
單位:小時

在同時考慮燈泡的損壞以及光束輸出衰減的狀況下,其綜合光束輸出減至一特定的小時數。此比例用於室外的光源為百分之七十,用於室內的光源如日光燈則為百分之八十。

標準光源
我們知道,照明光源對物體的顏色影響很大。不同的光源,有著各自的光譜能量分佈及顏色,在它們的照射下物體表面呈現的顏色也隨之變化。為了統一對顏色的認識,首先必須要規定標準的照明光源。因為光源的顏色與光源的色溫密切相關,所以CIE規定了四種標準照明體的色溫標準:
標準照明體A:代表完全輻射體在2856K發出的光(X0=109.87,Y0=100.00,Z0=35.59);
標準照明體B:代表相關色溫約為4874K的直射陽光(X0=99.09,Y0=100.00,Z0=85.32);
標準照明體C:代表相關色溫大約為6774K的平均日光,光色近似陰天天空的日光(X0=98.07,Y0=100.00,Z0=118.18);
標準照明體D65:代表相關色溫大約為6504K的日光(X0=95.05,Y0=100.00,Z0=108.91);
標準照明體D:代表標準照明體D65以外的其它日光。

CIE 規定的標準照明體是指特定的光譜能量分佈,是規定的光源顏色標準。它並不是必須由一個光源直接提供,也並不一定用某一光源來實現。為了實現CIE規 定的標準照明體的要求,還必須規定標準光源,以具體實現標準照明體所要求的光譜能量分佈。CIE推薦下列人造光源來實現標準照明體的規定:
標準光源A:色溫為2856K的充氣螺旋鎢絲燈,其光色偏黃。
標準光源B:色溫為4874K,由A光源加罩B型D-G液體濾光器組成。光色相當於中午日光。
標準光源C:色溫為6774K,由A光源加罩C型D-G液體濾光器組成,光色相當於有雲的天空光。

CIE標準照明體A、B、C由標準光源A、B、C實現,但對於模擬典型日光的標準照明體D65,目前CIE還沒有推薦相應的標準光源。因為它的光譜能量分佈在目前還不能由真實的光源準確地實現。當前國際上正在進行著與標準照明體D65相對應的標準光源的研製工作。

現在研製的三種模擬D65人造光源分別為:帶濾光器的高壓氙弧燈、帶濾光器的白熾燈和螢光燈。它們的相對光譜能量分佈與D65有所符合,帶濾光器的高壓氙 弧燈提供了最好的模擬,帶濾光器的白熾燈在紫外區的模擬尚不太理想,螢光燈的模擬較差。為了滿足精細辨色生產活動的需要,還有採用螢光燈和帶濾器的白熾燈 組成的混光光源,稱為D75光源。其色溫可達7500K。主要運用在原棉評級等精細辨色工作中。


色域 (% NTSC)

以色度圖分辨RGB定義
相信多數人提及色彩空間,浮出腦際的想法是紅色(R)、綠色(G)、藍(B)。但RGB只是其中單一的定義,事實上關於色彩有多種的定義存在,比較廣泛為 人所知的有NTSC RGB、sRGB(IEC 61966-2-1)、CIE RGB等,其中色彩科學的學問領域,多數是指CIE RGB。



色彩空間的原本定義為色彩是人類眼睛所檢測出來的訊號,並用大腦解釋的知覺,人類的網膜在明亮的場所有三個種類的視覺細胞,能表達三個訊號組合,也就是說,能表現三度空間的色彩,這就是色彩空間。

因此,NTSC RGB即傳統電視的色彩空間,配合CRT陰極射線管的發光特性決定。在陰極射線管的螢光體上讓RGB發光,經由加法混色表現色彩。這也是不少資訊會說明光之三原色加法混合,能表現所有的顏色,但這種說法似乎有一點漏洞。

借用R與G的比例混合,產生黃色或橙色,是可行的。然使用「原色」要做出比R、G,更為濃厚的紅色及更鮮豔的綠色,就有困難。理論上,RGB三原色參數的 組合,是可表現出所有色彩的數值,然而,前提是必須能夠進行光的減算,但一般顯示器是採用加法混色,探求實際的色彩空間時,會進行「等色實驗」或稱作「配 色實驗(Color Matching Experiment)」(圖3)



此實驗中有一個圓圈,分成兩個部分,下半部是眼睛看到實物的顏色,上側的半圓是RGB三原色的混色比例,適度調整可見到與下半圓相同的顏色,這就是RGB 值。由於人類知覺感受的所有顏色,隱含的RGB值有負數,也就是減法運算,因此,若採用加法混色的方式,上半圓的顏色無法與下半圓的顏色相同。傳統的電視 的色彩空間,係依據陰極射線管的發光特性,不能顯示RGB負值,電腦產品系的sRGB也相同。

現在一般最常用的顏色的數值化是「CIE1931XYZ」表色系。從名稱也可了解,此乃CIE於1931年制訂的標準,利用λR=700.00nm(深 紅)、λG=546.1nm(黃綠色)、λB=435.8nm(帶紫藍色)之單色光,明度分別為1、4.59、0.06流明,當作三原色之色刺激 (Primary Stimulus)。當時,對於眼睛的視覺細胞之特性並未研究透徹,僅能使用「等色實驗」的方式來觀察特性,所以,才會有對於波長分光感度特性的「等色函 數」出現,其表示對於某個波長的單色光,相同三原色的混合比例,這個混合比例就稱之為「三刺激值」,而CIE RGB等色函數(圖4),基準三原色波長分別為紅色七百奈米、綠色546.1奈米、藍色435.8奈米。




符合人眼所視色彩表現較困難

人類眼睛的感度特性在於有三種視覺細胞,分別稱為L(Long)、M(Middle)、S(Short)等三種「錐狀體」,各自對應於長波長、中程度波 長、短波長的分光特性。幾乎所有的波長都有重疊的現象,這也說明為何RGB表色系的等色函數為何會出現負值的原因。其中,三個「錐狀體」的重疊部分,集中 於藍綠色附近即四百八十至五百二十奈米波長。這就是人類眼睛最為敏感的地方,從CIE-xy色度圖上,RGB三角形的內部,連結直線的外側特別寬廣,即可 得到印證,為表現出這些三角形外之範圍的色空間,解決之道就是要將R能以負值的方式描述。

CIE-RGB乃透過3×3元素的矩陣,執行座標轉換為XYZ等色函數。若是新的等色函數與顯示銀幕的RGB相互一致時,就能再現正確的顏色,則NTSC -RGB也可透過XYZ等色函數,進行座標轉換來得到理想的攝影特性,可是,若從CIE-xy色度圖上觀察,NTSC-RGB比CIE-RGB還要靠近內 側,因此,等色函數曲線的負值部分就顯得更為突出。這個理想分光特性與高畫質電視(HDTV)等級攝影的相機分光感度顯然不同,補償的方式,就是將G的負 值部分,從B的正值部分來補償的訊號變換,影像訊號的處理,即是利用矩陣將相機的輸出訊號轉換為顯示螢幕的RGB,然而,一般顯示器無法顯示負值部分,所 以多數的場合也就忽略了。須留意NTSC-RGB及sRGB標準,對RGB與XYZ之間的相互來往變換,有其規定之矩陣函數。

另一個重要的原因在於人類的L錐體曲線與M錐體曲線重疊的很厲害。若是僅針對L、M錐體特性作放大,影像所含的雜訊也跟著放大。這個部分的視覺系由大腦處理而補償,但是人造的影像系統卻會降低畫質,敢在市場上拍胸脯稱其產品顯示能力與人類眼睛一樣的實在很少。

顏色因照明光不同而有差異

欲了解色空間另一個不可不知的技術常識,就是白平衡(White Balance)。當拍攝物體時,進入相機的光乃是照明光對於物體的反射特性,而照明光卻有日光燈、電燈泡、太陽光等種類,因此,即使拍攝同樣的物體,在不同照明光的條件下,色訊號就有不同的數值。

也可嘗試當從一個有日光燈的房間,走進一個電燈照明的房間時,自然順應是人類眼睛的特性,因此會有橙色的感覺,且。舉例來說,若是紅色強照明下,抑制L錐 體的輸出,加強S錐體的輸出,調整到看見白色物體的一定輸出,白色的東西,有白色的感覺,即稱「色恆常性」,其實相機的白平衡也是採用同樣的處理方式。有 了白平衡,白色物體的RGB往往是同樣的數值,若在XYZ色空間的照明有所變化,就會有不同的數值。這時當RGB轉換成XYZ時,有了白平衡,XYZ色空 間會不失真,為了讓XYZ色空間失真,就得存在某個基準的照明光,在這個基準的照明光下,白色物體所呈現的就稱為「基準白色」,所謂基準,是說白色物體在 不同照明之下,透過白平衡,從RGB轉換到XYZ,這個白色與基準白色相同值。

「基準白色」會因色空間的規格而有差異。CIE的標準光源包括D65(圖8)即同等於典型的太陽光、D50即帶一點黃色味的太陽光標準光源、標準光源A即 對應於電燈泡等;AdobeRGB、sRGB等多數的色空間規格,多是採用標準光源D65為基準白色;印刷物的檢查是用D50標準,因此印刷業、拍照攝影 多是採用D50為基準白色;而NTSC-RGB規格則是採用標準光源C為基準白色,該種光源接近於D65的顏色。



照明光源種類的表達,可導入色溫度的概念。太陽的溫度為6,500K的程度,所以,D65標準光源的色溫即是6,500K,這也是D65的名稱由來。標準 光源D50為5,000K,標準光源A稍低為2,856K,日光燈則達9,300K,隸屬於冷色系。電視及對顏色的再現性很重視,而色系的喜好往往因人而 異,也可能與民族性的喜好有關,就日本來說,通常設定在9,000K以上的場合。

另外一方面,XYZ色空間純粹是用來表示顏色的計測值,並無基準白色或白平衡的概念,當發光色數值化之際,物體反射的場合會因為照明光差別而改變XYZ,因此,CIE為量測物體的顏色,規定照明光的標準光源為D65或是標準光源A。

體驗自然色 廣色域技術紛紛出籠

1931 年,國際照明委員會CIE制定了CIE1931 RGB系統,規定將700nm的紅、546.1nm的綠和435.8nm的藍作為三原色,後來CIE1931-xy色度圖成為描述色彩範圍最為常用的圖 表。色域就是在這張圖上所覆蓋的範圍,而這個範圍就是由RGB三種純色的坐標所圍成的三角形或者多邊形(增加補色)的面積。



圖說:CIE色域定義圖,圖中代表了sRGB與NTSC的色域範圍。(國際照明委員會 圖片來源:wikipedia
一 般在PC監視器應用方面,多以sRGB為標準的色域定義,sRGB是微軟作業系統所提供的標準定義,而在AV應用方面,採用的多是NTSC定義,在顏色涵 蓋度方面要比sRGB來得廣。但是色域並不是越廣就越好,即使監視器本身能夠達到超高色域,但是這些多出來的顏色不一定能為人眼所辨識,NTSC算是普偏 公認的色域定義標準,而在部分特殊應用上(如印刷或印前作業),也有使用廠商自訂的色域規範。而顯示裝置所能提供的顏色範圍能夠涵蓋多大比例的特定色域定 義,我們就可以將之稱為符合70%的NTSC色域飽和度,或者是符合90%的sRGB色域飽和度等。

色域的呈現主要在背光 的選擇上,眾所周知,液晶面板本身並不發光,而是必須透過背光的光線才能夠顯示畫面,,傳統CCFL燈管在螢光材質上的限制,紅光呈現能力偏弱,加上所搭 配的彩色濾光片的混色效果較差,最終呈現的色域飽和度不佳,導致目前主流的LCD監視器或電視在色域呈現能力上不足,多僅能達到72%NTSC左右。新型 的W-CCFL(廣色域背光燈管)能夠相當程度的改善色域呈現問題,有效加強顏色飽和度,如果搭配新型的多色濾光片(在RGB三原色以外多加如黃色、青色 或白色等顏色的濾光片,藉以增加顏色呈現能力),在顯示能力上還能夠進一步提升。濾光片對色域表現有所幫助,但是幅度不大,影響色域呈現能力主要還是在背 光模組技術方面。W-CCFL只是在螢光材質進行改良,僅僅更換W-CCFL背光模組,就能將色域飽和度從原本的72%NTSC提升到92%NTSC的程 度,且幾乎不會增加成本,因此各大液晶監視器或液晶電視製造公司也開始大幅採用此種背光技術,只要是色域範圍在NTSC90%左右者,幾乎都是此類燈管。

隨著LED光源技術的進步,採用LED作為LCD背光光源的產品也越來越多,採用此類背光,可將色域提升到破表的程度(也就是超越NTSC色域範圍),目前 的推廣困難度主要是在技術與專利部分,其實成本並不會提高太多(除了多色混光LED背光技術以外),台灣雖然也開始鑽研這部分的領域,但是腳步太慢,明顯 落後於日韓大廠。

6 則留言:

trifire 提到...

Google 了一下,原來繁體文的 LED 基礎知識系列,本文排名還在 LEDinside 的文前面,難怪道訪者那麼多。

匿名 提到...

1 cd = 12.57 lm
那市面上號稱 25000 mcd 光強度的 LED = 25 cd = 314.25 lm 了嗎?
這樣算來 HID 燈具號稱有 3200 lm , 那只要有 10 pcs 的 25000 mcd LED 燈就可以與 HID 燈具的光強度一樣了?
不知道是不是這樣算法?

trifire 提到...

應該是。但是在實際的作品可能會有問題,因為cd 的算法還有立體角的問題。

另外一個問題,根據某LED業者的說法,目前量測lm,cd的儀器是按照整個光譜的能量來計算的,但是LED並不是全光譜的光,所以以眼睛可以感受到的亮度,可能會更亮!!

Charlotte 提到...

請問一下喔,可否針對LED亮度等級的定義及分法做介紹, thanks.

Life, make it good 提到...

cd 和lumen 是不同的單位,可以直接換算嗎?

trifire 提到...

cd 和lumen 是不同的單位,不可以直接換算的。
Lumen算是從 cd導出的單位,牽涉到測量的立體角的問題。
可以參考以下這幾篇,說不定會有更多的收穫。
http://blog.sina.com.cn/s/blog_6a0b0a6d0100y8j2.html
http://kenkitami.tonosama.jp/leds/led_parts_03.html
http://ovtai.com/cn/techshow.asp?tech_id=9

在 歐威泰光電的第5點 提到cd與lumen的換算,有一個LED發光角度轉成立體角度的假設與換算。
請參考