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        基于顏色玻璃的色溫變換光學(xué)薄膜

        2021-12-16 08:15:08饒東升朱華新晏荊龍胡立發(fā)
        液晶與顯示 2021年12期
        關(guān)鍵詞:濾光片黑體色溫

        饒東升, 朱華新,2*, 晏荊龍, 劉 濤, 胡立發(fā),2

        (1. 江南大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122; 2. 江蘇省輕工光電工程技術(shù)研究中心, 江蘇 無(wú)錫 214122)

        1 引 言

        色溫是表示光線中包含顏色成分的一個(gè)計(jì)量單位。從理論上說(shuō),黑體溫度指絕對(duì)黑體從絕對(duì)零度(-273 ℃)開(kāi)始加溫后所呈現(xiàn)的顏色。黑體在受熱后,逐漸由黑變紅,轉(zhuǎn)黃,發(fā)白,最后發(fā)出藍(lán)色光,所以色溫也是一種溫度衡量的方法,這個(gè)概念基于一個(gè)虛構(gòu)的黑色物體(“黑體”)。色溫通常用開(kāi)爾文溫度(K)來(lái)表示,而不是用攝氏溫度單位,自然界中的太陽(yáng)可以看成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的黑體,其色溫為5 000~5 500 K,開(kāi)爾文認(rèn)為:假定某一純黑物體,能夠?qū)⒙湓谄渖系乃袩崃课?,而沒(méi)有損失,同時(shí)又能夠?qū)崃可傻哪芰咳恳浴肮狻钡男问结尫懦鰜?lái),它產(chǎn)生輻射最大強(qiáng)度的波長(zhǎng)隨溫度變化而變化。因此,任何光線的色溫是相當(dāng)于黑體散發(fā)出同樣顏色時(shí)所受到的“溫度”[1-2]。

        基于上述色溫的概念,生活中常用的光源都有自己特定的色溫,如白熾燈的色溫在2 800 K左右,鹵素?zé)舻纳珳丶s為3 000 K,高壓汞燈的色溫約為6 000 K[3]。標(biāo)準(zhǔn)光源的色溫值是恒定值,沒(méi)有一種光源能得到連續(xù)變化的色溫值,而實(shí)際的光輻射測(cè)量中,如顯示器的顏色校正、探測(cè)器的輻射定標(biāo),都需要改變光源的色溫或者其光譜能量分布,以滿足實(shí)際測(cè)量的要求[4],即通過(guò)一種光源進(jìn)行色溫變換得到另一種色溫的光源。最早是使用液體濾光器,但是液體的濃度以及光線長(zhǎng)波的液體深度都對(duì)色溫變化有較大的影響,逐漸被淘汰。后來(lái)我國(guó)生產(chǎn)了幾種色溫變化的濾光片,分別提高和降低色溫濾光片(SJB和SSB系列),通過(guò)實(shí)際的麥爾德值(MRD)差變換光源的色溫[5]。但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,這些升降色溫濾光片的變換色溫效率一般,一方面可供選擇的濾光片不多,另一方面色溫變換的值有限,很難滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此,本文提出基于顏色玻璃和鍍膜相結(jié)合的方法,制作濾光片進(jìn)行色溫變換。首先通過(guò)光源色溫變換前后的光譜曲線,得到濾光片的透過(guò)率曲線,然后再根據(jù)該曲線,尋找合適的顏色玻璃進(jìn)行組合搭配,最后再通過(guò)膜系設(shè)計(jì),對(duì)顏色玻璃的透過(guò)率進(jìn)行修正,從而達(dá)到色溫變換的目的[6]。

        2 理論分析

        根據(jù)普朗克定律,可以得黑體輻射的輻射率與頻率ν的關(guān)系:

        (1)

        根據(jù)普朗克定律,可以得到幾種典型色溫光源的光譜輻射曲線,如圖1所示。

        圖1 不同色溫光源的輻射譜線Fig.1 Radiation lines of light sources with different color temperatures

        從圖1可看,不同色溫光源的輻射中心波長(zhǎng)不同,輻射中心波長(zhǎng)滿足維恩位移[7]:

        Тλm=b,

        (2)

        按照傳統(tǒng)思路,采用在透明玻璃如K9、融石英等透明基底的表面鍍制光學(xué)薄膜,可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的色溫曲線。要實(shí)現(xiàn)不同色溫光源直接的轉(zhuǎn)換,即通過(guò)濾光片去實(shí)現(xiàn),可以通過(guò)簡(jiǎn)單的一個(gè)模型結(jié)構(gòu)去表示,如圖2所示。

        圖2 通過(guò)濾光片實(shí)現(xiàn)色溫變換示意圖Fig.2 Schematic diagram of color temperature conversion through filters

        根據(jù)上述原理,即可推算出目標(biāo)濾光片的光譜透過(guò)率曲線,如我們將3 000 K標(biāo)準(zhǔn)色溫的鹵素?zé)糇儞Q成4 800 K的色溫光源,可通過(guò)E4 800 K(λ)/E3 000 K(λ)比值得到目標(biāo)色溫濾光片的透射率要求。目標(biāo)透射率即為我們尋找顏色玻璃和膜系設(shè)計(jì)的起點(diǎn),該濾光片可以由一片或多片濾光片組合而成,我們將根據(jù)實(shí)際選擇,圖3為歸一化的目標(biāo)濾光片的透射率要求。

        圖3 理想濾光片透射曲線Fig.3 Transmission curves of ideal filter

        從圖3 Target曲線可以看出,在K9或融石英玻璃等透明基底表面實(shí)現(xiàn)該膜系透過(guò)率顯然難度很大。我們無(wú)法實(shí)現(xiàn)如此寬的過(guò)渡帶,在400~800 nm均為過(guò)渡帶,且需要從750 nm以后開(kāi)始截止,并且色溫在短于800 nm波長(zhǎng)均是有貢獻(xiàn)的,也就是截止區(qū)為750~850 nm。而光學(xué)薄膜中截止深度和過(guò)渡帶是兩個(gè)矛盾的特性,在要求截止深度較大的情況下,膜系過(guò)渡帶肯定較小(過(guò)渡帶較為陡峭),相反要想獲得較大的過(guò)渡帶,無(wú)法獲得較大的截止深度。因此,直接通過(guò)鍍膜的方式實(shí)現(xiàn)如圖3 Target的特性較為困難。

        3 變色溫濾光片模擬與設(shè)計(jì)

        基于上述分析,我們提出了采用顏色玻璃和鍍膜相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先建立顏色玻璃庫(kù),然后根據(jù)圖3的目標(biāo)曲線,通過(guò)編寫(xiě)Python程序?qū)ふ疫m合的顏色玻璃,篩選出曲線相似度大于60%的顏色玻璃,使用Matplotlib將數(shù)據(jù)可視化,如圖4所示。

        圖4 Python篩選出的顏色玻璃透射曲線Fig.4 Transmission curves of color glass screened by Python

        我們將定義光譜偏離度質(zhì)量指數(shù)函數(shù),檢驗(yàn)光譜匹配效果,定義如下:

        (3)

        (4)

        根據(jù)Python尋找匹配的顏色玻璃,篩選出QB5、QB11、QB9、QB13等9種顏色玻璃。經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比,QB11最為理想,圖5是QB11與理想濾光片的歸一化處理后的透過(guò)率曲線對(duì)比。

        圖5 QB11與理想濾光片歸一化后透過(guò)率對(duì)比Fig.5 Comparison of transmittance between QB11 and ideal filter after normalization

        從圖5可以看出,光譜偏離度質(zhì)量指數(shù)為33.98%,兩者的曲線還存在一定差異。若只采用QB11裸片,根據(jù)色溫計(jì)算公式,Tc只與x、y色度坐標(biāo)有關(guān),色溫值不變等同于色度坐標(biāo)不變,由此可知透射光譜中波段波長(zhǎng)間的轉(zhuǎn)換系數(shù)為:

        (5)

        (6)

        (7)

        (8)

        (9)

        (10)

        (11)

        (12)

        則最后的色溫Tc數(shù)值為[ 9-14]:

        Tc=669Ac4-779Ac3+3 660Ac2-7 047Ac+5 652.

        (13)

        圖6 標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)艄庠唇?jīng)過(guò)QB11后的輻射譜線(a)和對(duì)應(yīng)色溫(b)Fig.6 Radiation spectra (a)and color temperature (b)of standard halogen light source after QB11

        經(jīng)過(guò)計(jì)算,3 000 K的標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)艚?jīng)過(guò)QB11顏色玻璃后,其色溫變?yōu)? 677 K,顯然與要求的4 800 K的目標(biāo)還存在一定的差距,其輻射譜線和色溫如圖6所示。

        為了達(dá)到4 800 K的輻射譜線,需要以QB11顏色玻璃為基底鍍制光學(xué)薄膜進(jìn)行修正,通過(guò)光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)來(lái)修正輻射譜線。根據(jù)圖6的QB11經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鹵素?zé)舻妮椛淝€與標(biāo)準(zhǔn)的4 800 K的標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射曲線對(duì)比,得到我們需要設(shè)計(jì)的光學(xué)薄膜透過(guò)率曲線,如圖7所示。

        圖7 光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)透過(guò)率目標(biāo)Fig.7 Optical film design transmittance target

        根據(jù)目標(biāo)透過(guò)率曲線,通過(guò)Essential Macleod薄膜設(shè)計(jì)軟件采用SiO2和TiO2的組合以Substrate| H L H L H |Air 5層結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu),中心波長(zhǎng)為590 nm。將目標(biāo)值輸入薄膜設(shè)計(jì)軟件中的target中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),最終的膜系結(jié)構(gòu)及各層厚度定為:Substrate| 0.33H 0.18 L 0.2H 0.23L 0.2H |Air,膜層總厚度為353 nm,優(yōu)化過(guò)程沒(méi)有增加膜層數(shù)量[15-16],并將該膜系與QB11結(jié)合,歸一化后透過(guò)率曲線如圖8所示。

        從圖8可知,通過(guò)膜系設(shè)計(jì)后的QB11,其透過(guò)率曲線與理想目標(biāo)值吻合較好,光譜偏離度質(zhì)量指數(shù)達(dá)4.59%,并將其通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)3 000 K的鹵素?zé)?,得到其整體輻射曲線及色溫,如圖9所示。

        通過(guò)圖9得到歸一化后的輻射譜線和標(biāo)準(zhǔn)4 800 K黑體輻射曲線的相似度極高,最終的光譜偏離度質(zhì)量指數(shù)達(dá)到3.67%,這點(diǎn)從色品圖中也明顯的體現(xiàn)出來(lái),其色坐標(biāo)x=0.350 6、y=0.348 2,通過(guò)色溫計(jì)算得到Tc=4 782 K,在色品圖中與標(biāo)準(zhǔn)的4 800 K的標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射幾乎重合。

        圖8 歸一化后設(shè)計(jì)的光學(xué)薄膜在透明K9基底(a)和QB11基底(b)的透過(guò)比曲線

        4 結(jié) 論

        本文從色溫的理論分析,以目標(biāo)濾光片的光譜曲線為出發(fā)點(diǎn)。通過(guò)建立顏色玻璃庫(kù)后使用計(jì)算機(jī)程序篩選出與目標(biāo)濾光片的光譜相近的顏色玻璃,再在顏色玻璃上鍍制光學(xué)薄膜。顏色玻璃QB11可將3 000 K光源色溫轉(zhuǎn)為5 677 K,增加膜系后二者結(jié)合可將3 000 K光源色溫變?yōu)? 782 K,兩者有效補(bǔ)償,滿足從3 000 K色溫變換成4 800 K標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射色溫的目標(biāo)。最終得到了目標(biāo)光譜輻射曲線與標(biāo)準(zhǔn)4 800 K黑體輻射光譜曲線的偏離度極小,達(dá)到3.67%。通過(guò)此方法使色溫變化過(guò)程更為簡(jiǎn)單,也可形成共用方法,其他相關(guān)色溫變換也同樣適用,可以解決一些市場(chǎng)中的色溫濾光片的色溫變換值固定的問(wèn)題,在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的前景。

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