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專注光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)
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顏色光譜測(cè)量解決方案
顏色是大腦對(duì)于射入人眼的光的主觀感受。一般人眼可感知的波段為380~780nm。顏色可以簡(jiǎn)略分為反射顏色，透射顏色，光源色和結(jié)構(gòu)色，前三種最為常見。待測(cè)物的反射/透射顏色取決于待測(cè)物的光譜反射率/透射率，參考光源和觀察條件。光源色取決于光源光譜。結(jié)構(gòu)色與物體表面特殊的衍射結(jié)構(gòu)有關(guān)。
傳統(tǒng)的測(cè)色方法直接用人眼觀察，方法簡(jiǎn)單靈活，但是結(jié)果依賴于觀測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)和心理、生理等主觀因素的影響，也依賴于觀察條件，結(jié)果使得測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和公正性經(jīng)常受到質(zhì)疑，目前已經(jīng)被光譜測(cè)色技術(shù)取代。
一、測(cè)量原理
反射-物體色光譜測(cè)量
?然界中的所有顏色分??和彩?兩個(gè)系列，?灰?以外的所有顏色均為彩色系列，如紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等，其波長(zhǎng)范圍在380-780μm。彩色有三個(gè)特性，即明度（也稱亮度純度）、色調(diào)（也稱主波長(zhǎng)或補(bǔ)?主波長(zhǎng)），色純度（也稱飽和度）。物體的顏色可以由CIE1976（L*a*b*）顏色空間來(lái)表述。L*代表顏色的亮度，正a*值代表紅色，負(fù)a*值代表綠色，與此相似，正b*值代表黃色，負(fù)b*值代表藍(lán)色。L*a*b*值可由樣品（物體）的CIE三刺激值X，Y，Z和標(biāo)準(zhǔn)光源的三刺激值Xn，Yn，Zn推導(dǎo)得到，物體顏色的CIE三刺激值X，Y，Z是把標(biāo)準(zhǔn)光源的相對(duì)功率P、物體的反射率R（或透射率T）和CIE標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)函數(shù)X(λ)， Y(λ)， Z(λ)（2度或10度角）相乘得到。把所得到的值在可見光范圍內(nèi)對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行積分就可得到三刺激值。標(biāo)準(zhǔn)光源的三刺激值Xn，Yn，Zn為常量，僅取決于所選擇的標(biāo)準(zhǔn)光源的類型。專業(yè)的顏色測(cè)量軟件，測(cè)量得到的L*a*b*值和參考色，就可以得到色差
光譜測(cè)色是利用光譜儀獲取光源發(fā)射或物體透反射的可見光波段的光譜進(jìn)行分析。根據(jù)色度學(xué)理論，任何顏色可用三個(gè)對(duì)人眼的顏色三刺激值來(lái)表示，因此獲得顏色三刺激值正是測(cè)色儀器的測(cè)量目的。顏色三刺激值可以通過(guò)顏色刺激函數(shù)分別乘以CIE光譜三刺激值，并在整個(gè)可見光譜范圍內(nèi)分別對(duì)這些乘積進(jìn)行積分。計(jì)算公式如下：
其中，φ(λ) 為色刺激函數(shù)，由光源輻射特性或物體的透反射特性決定；X(λ)， Y(λ)， Z(λ)為標(biāo)準(zhǔn)觀察者的光譜三刺激值；k為歸一化系數(shù)。X，Y 和Z則是顏色三刺激值，它們雖然從數(shù)量上對(duì)顏色進(jìn)行了定量的描述。
輻射-光源色光譜測(cè)量
輻射光能量可以量化為輻射通量，即一種表征從光源發(fā)出的每秒輻射能量（W）的度量標(biāo)準(zhǔn)。輻射測(cè)量一般要通過(guò)已知光譜能量分布的標(biāo)準(zhǔn)光源，對(duì)光譜儀系統(tǒng)進(jìn)行絕對(duì)輻射標(biāo)定，才能通過(guò)量化參數(shù)進(jìn)行輻射測(cè)量。輻射能量與人眼視覺相關(guān)聯(lián)（光度學(xué)），就可以得到按照CIE中所定義的表征觀測(cè)者平均視覺的光譜發(fā)光效率函數(shù)。因此輻射測(cè)量定義輻射度學(xué)參數(shù)、光度學(xué)參數(shù)、色度學(xué)參數(shù)。輻射度學(xué)參數(shù)主要以輻照度μW/cm2、輻亮度μWatt/sr、輻射通量μWatt以及光子數(shù)μMol/s/m2，μMol/m2，μMol/s和μMol，光度學(xué)參數(shù)流明Lumens、光照度Lux、光強(qiáng)度Candela，色度學(xué)參數(shù)X，Y，Z，x，y，z，u，v，色溫、CRI顯色指數(shù)等。
輻射顏色測(cè)量是光譜儀的一個(gè)重要應(yīng)用，利用輻射顏色測(cè)量可對(duì)LED進(jìn)行分選（分選的標(biāo)準(zhǔn)：功能好差、顏色亮度標(biāo)準(zhǔn)等等），來(lái)保證產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性。還可以使用輻射對(duì)屏幕的顯色進(jìn)行校準(zhǔn)，判定其是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍。輻射顏色測(cè)量在園藝方面也具有很大用處，因?yàn)長(zhǎng)ED是植物研究和溫室光源的主要部分；另外在生物醫(yī)藥應(yīng)用方面，比如與NASA合作的項(xiàng)目，使用LED激發(fā)細(xì)胞生長(zhǎng)。
二、照明和觀察條件
n 漫反射、鏡面反射和逆反射
漫反射：指當(dāng)入射光投射到物體表面后，光線向各個(gè)方向以等能量反射。
鏡面反射：又叫規(guī)則反射、定向反射。指如果反射光線在某一方向強(qiáng)烈，常常出現(xiàn)刺眼現(xiàn)象。
逆反射：又叫回射。指與入射光線入射線路正好相反的反射光線。
表面結(jié)構(gòu)對(duì)色度測(cè)量的影響：理想毛面、光澤表面、金屬表面等。
n 定向投射和漫透射
定向透射：指當(dāng)入射光投射到透明物體表面后，光線穿過(guò)物體繼續(xù)沿原來(lái)方向出射。
漫透射：指從透射物體出射的透射光線在各個(gè)方向強(qiáng)度相等。
不同透射性質(zhì)的材料：濾色片、照相透明片基、玻璃、毛面薄膜、磨砂玻璃
定向透射 漫透射
n CIE標(biāo)準(zhǔn)顏色測(cè)量幾何
1、測(cè)量幾何（雙向幾何避開了鏡面反射，使測(cè)量與視覺觀察一致）
45°/0°：即以45°照射物體表面，在0°（垂直）方向觀測(cè)和采集光線。
0°/45°：即以0°（垂直）照射物體表面，在45°方向觀測(cè)和采集光線。
0°/0°：垂直照明，透射方向測(cè)量，包含了漫透射和規(guī)則透射。
d/0°：即以漫射光照射物體表面，在0°（垂直）方向觀測(cè)和采集光線。
0°/d：即以0°（垂直）照射物體表面，在漫射光觀測(cè)和采集光線。
垂直照明 漫反射白板規(guī)則透射 黑色陷阱漫透射 漫反射白板總透射
2、積分球
漫射照明與測(cè)量中用到的積分球是一個(gè)直徑為十幾厘米的空心金屬球，內(nèi)表面涂有高度漫反射物質(zhì)，如硫酸鋇、聚四氟乙烯。開孔的總面積小于球內(nèi)表面的10%。可以測(cè)得樣品的全部反射，包括漫反射和鏡面反射（部分）。
三、顏色測(cè)量方法
顏色測(cè)量包括光源色測(cè)量與物體色測(cè)量?jī)纱箢?。物體色測(cè)量又分為熒光物體測(cè)量和非熒光物體測(cè)量。在實(shí)際生產(chǎn)和日常生活中，涉及到大量的非熒光物體測(cè)色顏色測(cè)量的方法分為目視測(cè)色和儀器測(cè)色兩大類。其中，儀器測(cè)色又包括密度法、光電積分法和分光光度法。光源色測(cè)量同樣的可以劃分為目視測(cè)色和儀器測(cè)色兩大類，其中的儀器測(cè)色主要有分光測(cè)色法和光電積分測(cè)色法兩類。
CIE1976（L*a*b*）顏色空間
CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的建立，為客觀地測(cè)量物體以及光源的顏色奠定了基礎(chǔ)。無(wú)論物體色還是光源色，都可以通過(guò)測(cè)量它們?cè)贑IE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)下的三刺激值來(lái)確定顏色顏色。
測(cè)量的根本任務(wù)是測(cè)定色刺激函數(shù)φ(λ)，對(duì)于光源的測(cè)量，實(shí)際上是要測(cè)定光源的相對(duì)光譜功率分布P(λ)；對(duì)于物體色的測(cè)量，則是測(cè)定物體的光譜光度特性，如反射物體的光譜輻亮度因數(shù)β(λ)和光譜反射比P(λ)、透射物體的光譜透射比τ(λ)等。在測(cè)得了色刺激函數(shù)φ(λ)之后，就可以根據(jù)色度學(xué)的三個(gè)基本方程求出被測(cè)顏色的CIE三刺激值X、Y、Z，將所選擇的標(biāo)準(zhǔn)照明體的Y值調(diào)整到100。
1、目視法
目視法是一種傳統(tǒng)的顏色測(cè)量方法。它是一種完全主觀評(píng)價(jià)方法，同時(shí)也是最簡(jiǎn)單的一種方法。它將印刷品與標(biāo)準(zhǔn)樣張直接進(jìn)行人為比對(duì)，評(píng)價(jià)印刷品與標(biāo)準(zhǔn)樣張呈色差異，同時(shí)還借助放大鏡來(lái)細(xì)微地觀察各色網(wǎng)點(diǎn)的形狀和疊印狀況，對(duì)網(wǎng)點(diǎn)的調(diào)值作定性評(píng)估。其實(shí)質(zhì)是一種目視光度測(cè)定法，原理是利用加色混合定律，將各個(gè)分量的未知色加在一起，以描述所得的未知色。雖然對(duì)于色彩評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)最可靠的方式是借助人眼，而且簡(jiǎn)單靈活，但是由于觀測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)和心理、生理因素的影響，使得該方法可變因素太多，并且無(wú)法進(jìn)行定量描述，從而影響到評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。
2、密度檢測(cè)法
密度測(cè)量實(shí)際上并不直接測(cè)量密度值，只是測(cè)量反射光量和入射光量的大小，其中假設(shè)了反射光和密度計(jì)提供的光之間的差別是光的吸收量，即印刷表面油墨層的吸收光量大小。密度測(cè)量考慮的是整個(gè)反射光譜的總體光量特性，實(shí)質(zhì)上是評(píng)價(jià)印刷表面各色的亮度因數(shù)，而與色調(diào)無(wú)關(guān)。在彩色印刷中，印刷油墨呈色實(shí)際上就是，油墨印在反射率較高的白紙上，從照射其上的光線中選擇性地吸收了一部分波長(zhǎng)的光，而反射剩余的光，此時(shí)密度反映了油墨對(duì)光波的吸收特性。
彩色密度儀的基本構(gòu)成
習(xí)慣上所指的“彩色密度”是指測(cè)量時(shí)，通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種濾色片分別來(lái)測(cè)量黃、品、青油墨的密度。密度只是物理吸收特性的度量，只表示黑或灰的程度。從這個(gè)意義上說(shuō)彩色密度測(cè)量也只是黑度的測(cè)量，是同一種油墨飽和度的相對(duì)值的反映。密度測(cè)量法中使用的密度計(jì)有透射和反射兩種，透射密度計(jì)測(cè)量透過(guò)膠片的光量或透過(guò)率，反射密度計(jì)測(cè)量從測(cè)試表面反射的光量或反射率。由于印刷品上油墨膜層由濕到干過(guò)程中反射光的強(qiáng)弱是不一樣的，故測(cè)定密度有一定誤差，而加有偏振濾光鏡的密度計(jì)可以克服墨膜的干濕造成的密度變化。彩色反射密度計(jì)已經(jīng)成為印刷車間不可或缺的工具，它直觀地反映了C、M、Y、K四色印刷的密度、網(wǎng)點(diǎn)百分比、油墨疊印率等，被廣泛用于顏色和墨層厚度控制當(dāng)中。
黑度與透射率的關(guān)系
理想油墨光譜分布
實(shí)際油墨光譜分布
3、光電積分法
長(zhǎng)期以來(lái)，密度法在顏色測(cè)量中占有很高的地位，但是隨著CIE1976L*，a*，b*的應(yīng)用逐漸普遍，并已遍及從印前到印刷的整個(gè)工作流程，以及密度測(cè)量已不足以滿足印刷或其它行業(yè)的需要，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到色度的重要性，并且現(xiàn)代色度學(xué)的迅速發(fā)展也為光電積分儀器客觀地評(píng)價(jià)顏色奠定了基礎(chǔ)。
光電積分法是20世紀(jì)60年代儀器測(cè)色中采用的常見方法。它不是測(cè)量某一波長(zhǎng)的色刺激值，而是在整個(gè)測(cè)量波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)，通過(guò)積分測(cè)量測(cè)得樣品的三刺激值X、Y、Z，再由此計(jì)算出樣品的色品坐標(biāo)等參數(shù)。通常用濾光片覆蓋在探測(cè)器上，把探測(cè)器的相對(duì)光譜靈敏度S(λ)修正成CIE推薦的光譜三刺激值x(λ)、y(λ)、z(λ)。用這樣的三個(gè)光探測(cè)器接收光刺激時(shí)，就能用一次積分測(cè)量出樣品的三刺激值X、Y、Z。濾光片需滿足盧瑟條件，以精確匹配光探測(cè)器。盧瑟條件如下：
此類型儀器的測(cè)色準(zhǔn)確度是與儀器符合盧瑟條件的程度有直接關(guān)系的，要做到完全符合上述條件是很困難的。在實(shí)際的濾色修正中，由于色玻璃的品種有限，儀器不可能完全符合盧瑟條件，只能近似符合應(yīng)用部分濾光片法可使x(λ)和z(λ)曲線的匹配積分誤差小于2%，y(λ)曲線的匹配積分誤差小于0.5%。
光電積分式儀器不能精確測(cè)量出色源的三刺激值和色品坐標(biāo)，但能準(zhǔn)確測(cè)出兩個(gè)色源的色差，因而又被稱為色差計(jì)。國(guó)外色差計(jì)從上世紀(jì)60年代開始大量生產(chǎn)。我國(guó)從上世紀(jì)80年代初開始研制這類儀器，但和國(guó)外相比，我國(guó)研制的不同色差計(jì)的一致性不夠。彩色亮度計(jì)也是一種光電積分式儀器，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行顏色參數(shù)測(cè)量。
4、分光光度法（光譜儀）
分光光度法又叫測(cè)色光譜光度計(jì)，它是通過(guò)樣品反射(透射)的光能量與同樣條件下標(biāo)準(zhǔn)反射(透射)的光能量進(jìn)行比較得到樣品在每個(gè)波長(zhǎng)下的光譜反射率，然后利用CIE提供的標(biāo)準(zhǔn)觀察者和標(biāo)準(zhǔn)光源按如下公式計(jì)算，從而得到三刺激值X、Y、Z，再由X、Y、Z按CIEYxy，CIELab等公式計(jì)算色品坐標(biāo)x．y，CIELAB色度參數(shù)等。
它通過(guò)探測(cè)樣品的光譜成分確定其顏色參數(shù)，不僅可以給出X、Y、Z的絕對(duì)值和色差值△E，還可以給出物體的分光反射率值，并可以畫出物體色的分光反射率曲線。因此被廣泛用于顏色的配色及色彩分析中去，采用此類儀器可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的色測(cè)量，可對(duì)光電積分測(cè)色儀器進(jìn)行定標(biāo)，建立色度標(biāo)準(zhǔn)等，故分光式儀器是顏色測(cè)量中的權(quán)威儀器。
分光光度計(jì)工作過(guò)程圖
測(cè)量透射樣品時(shí)，一般選用空氣作為比較的標(biāo)準(zhǔn)樣品。由于在較短的距離內(nèi)可以不考慮大氣對(duì)光譜的吸收效應(yīng)，因此空氣是理想的透射體，其在整個(gè)可見光譜范圍內(nèi)的光譜透射因數(shù)或光譜透射比均近似為 1。
測(cè)量液體樣品時(shí)，一般采用同樣厚度的溶劑作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，該溶劑的光譜透射因數(shù)或光譜透射比是已知的。
測(cè)量反射樣品時(shí)，無(wú)論分光光度計(jì)還是色度計(jì)，都應(yīng)采用光譜輻亮度因數(shù)或光譜反射比在各波長(zhǎng)上都近似為1的物體作為比較的標(biāo)準(zhǔn)樣品。雖然完全反射漫射體的反射比在各波長(zhǎng)上均為 1，是理想的參照標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際材料難以達(dá)到這樣的特性，只能選擇與它性質(zhì)比較接近的材料作為工作標(biāo)準(zhǔn)。顏色測(cè)量中所選用的反射標(biāo)準(zhǔn)常采用的是碗酸鋇 (BaSo4,)、海龍（Halon）氧化鎖（MgO）碳酸鈣（CaCo3）和陶瓷等。
分光光度計(jì)光路組成圖
5、光電積分測(cè)色法（光源色）
光源的顏色特性有兩方面的意義：一是人眼直接觀察光源時(shí)所看到的顏色，這與一般物體色類似，可用三刺激值和色品坐標(biāo)來(lái)表示；二是評(píng)價(jià)物體在光源照明下所呈現(xiàn)顏色效果，用顯色指數(shù)來(lái)標(biāo)識(shí)。光源的顏色特性和一般物體色類似，只取決于光源輻射的光譜分布。
光譜輻射計(jì)其光路結(jié)構(gòu)與上述分光光度計(jì)相似，僅比分光光度計(jì)減少了照明結(jié)構(gòu)。但由于測(cè)量對(duì)象是光源而不是一般物體，所以光譜輻射計(jì)與測(cè)色分光光度計(jì)相比有以下特點(diǎn)：
（1）對(duì)波長(zhǎng)準(zhǔn)確度和波長(zhǎng)分辨率要求高。因?yàn)楣庠吹墓庾V分布可能存在線狀光譜，要將線譜準(zhǔn)確測(cè)量到，就必須有高的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度和分辨率。
（2）比較測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不是標(biāo)準(zhǔn)白板和空氣，而是經(jīng)過(guò)精確定標(biāo)的已知光譜分布的標(biāo)準(zhǔn)光源。常用的標(biāo)準(zhǔn)光源有黑體、鎢帶燈和鎢絲燈等。
四、應(yīng)用領(lǐng)域
顏色在生產(chǎn)和生活中扮演著重要的角色，顏色的控制已經(jīng)成為評(píng)價(jià)許多產(chǎn)品外在和內(nèi)在質(zhì)量中最受重視的要素之一，目前的主要應(yīng)用在：
1. 農(nóng)產(chǎn)品加工：肉類，果蔬等品質(zhì)分類
2. 照明行業(yè)：LED顏色分析
3. 紡織行業(yè)：紡織物色差鑒定
4. 造紙行業(yè)：紙品顏色控制
5. 化工行業(yè)：油漆，涂料等品質(zhì)控制
6. 醫(yī)學(xué)檢測(cè)：血跡檢測(cè)
LED顏色測(cè)量
化學(xué)變色反應(yīng)測(cè)量
人體血液、油漆、醬油的反射率光譜測(cè)量
五、典型配置
反射-顏色測(cè)量
反射測(cè)量（積分球）
輻射-光源顏色測(cè)量
輻照度測(cè)量
LED顏色測(cè)量
顏色測(cè)量包含三個(gè)基本要素：參考光源，參考標(biāo)準(zhǔn)源，光譜采集裝置。常用參考光源為鹵鎢燈或氙燈。參考標(biāo)準(zhǔn)源一般多用漫反射標(biāo)準(zhǔn)板。光譜采集裝置則有光纖光譜儀和配套附件組成。光譜儀必須涵蓋可見光波段，并且要具有足夠的靈敏度和穩(wěn)定性，配套附件包括光纖探頭和積分球等。
萊森光學(xué)的光譜儀具有體積小，穩(wěn)定性高，支持軟件二次開發(fā)，配件豐富等特點(diǎn)，已經(jīng)成功的廣泛應(yīng)用于玻璃、高分子材料等行業(yè)的測(cè)試。而光纖光譜儀采用光纖光路，解決了光路在儀器集成中的限制。并且萊森光學(xué)為用戶提供了以光譜儀為核心的光譜測(cè)量設(shè)備，利用這些配置豐富的設(shè)備，即可搭建各種常見的光譜測(cè)量系統(tǒng)。
當(dāng)我們對(duì)物體進(jìn)行透射測(cè)量時(shí)，光譜儀的選擇很重要，但其實(shí)配件的選擇也同樣不可小覷。整套解決方案的每個(gè)部分都和測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性密切相關(guān)。接下來(lái)我們就透射測(cè)量解決方案（光譜配件、探頭等等）進(jìn)行詳細(xì)分析。
? 光源：
iLight-HAL、iLight-HAL-HP、LS-UV-HAL鹵鎢燈、紫外增強(qiáng)鹵鎢燈
iLight-DH-ADJ 氚鹵組合光源
iLight-DHc、iLight-Xe 氙燈
Xe燈典型的發(fā)射光譜分布 
汞燈典型的發(fā)射光譜分布
? 光纖：
采用純度很高的進(jìn)口石英纖芯，光纖類型采用多模光纖，數(shù)值孔徑為0.22，也可以為用戶提供如NA=0.12、0.15/0.26/0.37等數(shù)值孔徑的多模光纖。
? 積分球：
主要實(shí)現(xiàn)對(duì)漫散射強(qiáng)材料的光學(xué)透過(guò)率/反射率測(cè)量（可根據(jù)需要，切換使用SMA905光學(xué)光譜法或標(biāo)準(zhǔn)BNC探測(cè)器法），主要適用于手機(jī)屏、顯示屏、玻璃鏡片、膠水、油墨、鍍膜鏡片等透過(guò)率測(cè)量，特別適合IR油膜孔透過(guò)率測(cè)量。
? 鏡頭：
LS-FOL 光纖準(zhǔn)直聚焦鏡頭
推薦：
LiSpec-HS系列高靈敏度光譜儀
是萊森光學(xué)（LiSen Optics）光譜儀系列中基于面陣背照式BT-CCD傳感器開發(fā)而來(lái)明星產(chǎn)品之一，成功地把紫外可見近紅外高量子效率和高測(cè)量速度相結(jié)合。其獨(dú)有的消雜散光技術(shù)、降噪電路控制技術(shù)、再加上出眾的高量子效率探測(cè)器性能，使光譜儀的靈敏度、信噪比得到極大的提升。在200nm-1100nm波段的靈敏度較為出眾，非常適用于紫外輻射光譜、熒光測(cè)量、透反射測(cè)量等應(yīng)用。
iSpec-TMS-IND光譜透射/反射率測(cè)量系統(tǒng)
采用高靈敏度光譜儀，測(cè)試精度高、分辨率高，測(cè)量速度快，響應(yīng)迅速；具有超低雜散光及溫度穩(wěn)定性，高信噪比；可支持二次開發(fā)，可按用戶需求提供在線透反射解決方案。非常廣泛應(yīng)用于高分子材料、光學(xué)鏡片、薄膜樣品、干涉濾光片、光伏壓花玻璃、各種晶體、塑料、紡織品、LCD、背光板、手機(jī)/平板油墨孔等透射/反射測(cè)量。
