CN109598100A - 一种色彩可控的高能可见光滤波器的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种色彩可控的高能可见光滤波器的设计方法，包括如下步骤：选取滤波器，所说滤波器含有对短波可见光吸收的染料，滤波器的透射率T表达为光学器件各参数的一个函数；选择光源,并选取一种颜色或多种颜色组成的颜色组,将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数；在1976CIE L^*a^*b^*色感空间中，根据所需优化的色度，选择优化矢量将颜色或颜色组投影在所需优化的色度平面上的综合色差表达为E_{优化色轴,T}；根据优化透射光谱所需的色感参数和E_{优化色轴,T}进行多目标优化，并选取合适的解即滤波器的透射率T，进而基于透射率T所表达的函数优化设计滤波器光学器件的各参数。

Description

一种色彩可控的高能可见光滤波器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种色彩可控的高能可见光滤波器的设计方法。

背景技术

最近的研究表明高能可见光(high energy visible light)即波长较短的可见光,通常在380纳米到480纳米左右,对人眼尤其是视网膜具有伤害作用。其中一种较为熟知的伤害作用为高能可见光引起和加速的老年性视网膜黄斑变性(age related maculardegeneration)。人的眼可分为感光细胞(视杆细胞和视锥细胞)组成的视网膜，和角膜、房水、晶状体以及玻璃体组成的折光系统两部分。当眼睛的感光细胞吸收和感知光线后，其外段小盘上排列着的视色素分子会失去其颜色(漂白)。他们便需要经过一个代谢过程才可以再次对光进行吸收和感知。这个代谢过程被称为视觉循环。最近的研究表明(Shabanandand Richter,“A2E and blue light in the retina:the paradigm of age-relatedmacular degeneration”Biol.Chem.Vol.383Pages 537～545,2002；Mainster andSparrow,“How Much Blue Light Should an IOL Transmit？”Br.J.Ophthalmol.,2003,v.87,pp.1523-29)，人眼对短波可见光的吸收可以过早的逆转视觉循环的过程。这种过早的逆转导致视网膜色素上皮中色素脂褐素以及其衍生物的累积。随着这种代谢物增加以及人体新陈代谢能力的减退，这种由短波可见光引起的色素脂褐素及其衍生物的累积便导致和加速了老年性视网膜黄斑变性。

因此高能可见光滤波器，如防蓝光眼镜，开始受到广泛关注并大量使用。来达到这种效果，现有专利和方法主要是通过吸收(如US8882267B2)和反射(如CN1564052A)两种方法对这种短波可见光进行过滤。通常情况下，如果镜片是通过吸收作用来过滤掉部分高能可见光时，观察者会发现使用者的镜片为黄色；当镜片是通过反射作用过滤掉部分高能可见光时，观察者会发现使用者的镜片在不同角度下有蓝色反光。而使用者因为佩带的防蓝光眼镜过滤掉短波可见光，取决于过滤掉的短波的波长与多少，其视野会出现不同程度的偏黄失真现象。这些对产品的外观和使用感受带来了不自然与不便。目前，尚未有一种合适的方法来解决防蓝光眼镜视野偏黄的问题。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种色彩可控的高能可见光滤波器的设计方法，能够有效优化透射光谱，在过滤掉蓝光的同时有效解决因为过滤蓝光引起的使用者黄色视野。

实现本发明目的的技术方案：

一种色彩可控的高能可见光滤波器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：选取滤波器，所说滤波器含有对短波可见光吸收的染料，滤波器的透射率T表达为光学器件各参数的一个函数；

步骤2：选择光源,并选取一种颜色或多种颜色组成的颜色组,将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数；

步骤3：基于步骤2获得的各色感参数表达，在1976CIE L^*a^*b^*色感空间中，根据所需优化的色度，选择优化矢量将颜色组投影在所需优化的色度平面上的综合色差表达为E_{优化色轴,T}；

步骤4：根据优化透射光谱所需的色感参数和E_{优化色轴,T}进行多目标优化，并选取合适的解即滤波器的透射率T，进而基于透射率T所表达的函数优化设计滤波器光学器件的各参数。

进一步地，步骤1中,将滤波器在各波长下的透射率T(λ)表达为如下函数:

其中，N为有效吸光成分i总数目，l是有效吸光成分i所分布的所有介质层有效总厚度，ε_i为有效吸光成分i的摩尔吸光系数，c_i为有效成分i在其所分布的所有介质层中的平均浓度，λ为可见光波波长；M为有效反光介面总数目，f_j是有效反光介面j的反光率。

步骤1中，对短波可见光吸收的染料采用吸收峰在380-480纳米或380-780纳米的一种或多种染料；

染料可以选择如下但不局限于如下染料：

叶绿素a；叶绿素b；吖啶黄；分散黄；着色剂all(stains-all)；3-乙基-2-[3-(3-乙基-3H-苯并恶唑-2-亚基)丙-1-烯基]苯并恶唑碘化物；碘化-3,3ˊ-二乙基氧杂二羰花青；碘代3,3'-二己氧基羰花青；羊毛罂(erioglaucine)；孔雀石绿(Malachite green)；金属离子与卟吩或吡啶的化合物，其中金属离子包括但不局限于锌，镁，铜，铁正离子；金属离子与卟啉或卟啉衍生物的化合物，其中金属离子包括但不局限于锌，镁，铜，铁正离子，其中卟啉衍生物包括但不局限于八乙基卟啉,四甲基卟啉,四苯基卟啉，四苯酚卟啉；金属离子与四氮杂卟啉或四氮杂卟啉衍生物的化合物，其中金属离子包括但不局限于锌，镁，铜，铁正离子，其中四氮杂卟啉衍生物包括但不局限于硫代四氮杂卟啉及其衍生物，酞菁，四叔丁基酞菁及其它烷基酞菁衍生物；花青染料及其衍生物；香豆素及其衍生物；氧杂蒽及其衍生物；恶嗪及其衍生物；染料可以为自主合成的如上染料，也可以为以上述一种或几种成分为主要滤光成分的商业化染料。

进一步地，步骤1中，对短波可见光吸收的染料采用吸收峰在380-480纳米或380-780纳米的一种或多种染料。

进一步地，步骤2中，将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数，通过如下方法实现：

U_k,T(λ)＝D(λ)·T(λ)·MC_k(λ)；

其中

其中，U为任意颜色；MC为所选择的颜色反光率；为观察者颜色匹配函数；L^*标识明度或亮度坐标；a^*和b^*为两个对比色度上的彩度坐标；X_k，Y_k，Z_k为颜色U_k的三色刺激值；k标注所选择颜色组中不同的颜色。

进一步地，步骤2中，光源D通过滤波器后的白点位移表达通过如下方法获得，

X_n，Y_n，Z_n为标准照明体在全满反射体的三色刺激值，客观白点在光源D照射下光谱表示为U_0,T(λ)＝D(λ)·T，使用滤波器后白点三色刺激值表示为X_n,T，Y_n,T，Z_n,T；

未使用滤波器时，标准照明体在全满反射体通过滤光器的亮度表示为L^* ₀；

使用滤波器后综合亮度，即标准照明体在全满反射体通过滤光器的亮度表示为L^* _0,T；

使用滤波器后白点位移wp表达如下：

或

或

进一步地，步骤3中，使用滤波器T后,E_{优化色轴,T}通过如下方法获得：

颜色U_k,T色相色度矢量

优化矢量其中0°≤α≤360°；

所选择颜色或颜色组在所需优化的色度平面上的色差为:

使用滤波器后,所选择颜色或颜色组在所需优化的色度平面上的综合色差为:

未使用滤波器时,所选择颜色或颜色组在所需优化的色度平面上的综合色差为:

进一步地，步骤4中，所说优化透射光谱所需的色感参数包括以下参数的一个或多个组合，

亮度L^* _0,T、白点位移wp、设定短波区域的过滤程度、在特定波长和/或波长区间的最低透射率，

根据上述色感参数和E_{优化色轴,T}进行多目标优化，选取合适的解即滤波器的透射率T。

进一步地，步骤4中，所说设定短波区域的过滤程度通过综合过滤程度S_T表征，综合过滤程度S_T表达为:

其中380nm≤μ<η≤480nm。

进一步地，步骤4中，所说设定短波区域的过滤程度通过以下一种参数或几种参数的组合进行表征，

在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长的透射率；

在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长区间的综合透射率；

在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长区间的综合透射率并同时限定在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长的透射率。

进一步地，多目标优化的一种表达方式为在优化透射光谱所需的色感参数和E_{优化色轴,T}后,对N种染料和M种反射介面组成的光学器件进行优化以达到最大亮度L^* _0,T,最大综合色差E_{优化色轴,T}，最小白点位移wp，和所关心的短波区域的最大综合过滤程度S_T，这种多目标优化可以根据需要选择优化一个或几个或以上全部目标为目标方程：

也可以根据需要通过权重变量w将各选择的优化目标线性叠加，如下为这种线性叠加的目标方程的一种表示方法：

其中，权重变量的取值范围为0≤w≤1且∑w＝1。

进一步地，步骤4中，限定在380到480纳米的区间内的任意波长下的短波透射率至少为G，且0％≤G≤80％；并且在380到480纳米的区间内存在1条、2条或多条光学阻带；并且限定D65光源下L^* _0,T≥40或L^* _0,T≥88；

优化后的透射光谱满足以下要求：

在380到480纳米的区间内存在1条、2条或多条光学阻带，且该光学阻带的峰值的透射率≥G。

进一步地，步骤4中，限定D65光源下L^* _0,T≥45；并且在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且D65光源下的白点位移d'_0,T≤0.07；并且选择红绿色为优化色轴进行多目标优化；

优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且在480纳米到620纳米的区间中，同时存在并只存在两条最低透射率低于10％的光学阻带，第一条光学阻带在480纳米到550纳米的波长区间内；第二条光学阻带在550纳米到620纳米的波长区间内。

进一步地，步骤4中，限定在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且D65光源下L^* _0,T≥78，并且D65光源下的白点位移d'_0,T≤0.15；并且选择红绿色为优化色轴进行多目标优化；优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且在480纳米到620纳米的区间中，只存在一条最低透射率低于20％的光学阻带，且该光学阻带在550纳米和620纳米之间。

进一步地，步骤4中，限定在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且D65光源下L^* _0,T≥88；并且D65光源下的白点位移d'_0,T≤0.01；并且不选择任何色轴为优化色轴进行多目标优化；优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且在500纳米到600纳米的区间中，至少存在两条最低透射率在55％和82％之间的光学阻带。

本发明具有的有益效果：

本发明选取滤波器，所说滤波器含有对短波可见光吸收的染料，滤波器的透射率T表达为光学器件各参数的一个函数；选择光源,并选取一种颜色或多种颜色组成的颜色组,将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数；基于获得的各色感参数表达，在1976CIE L^*a^*b^*色感空间中，根据所需优化的色度，选择优化矢量将颜色或颜色组投影在所需优化的色度平面上的综合色差表达为E_{优化色轴,T}；根据优化透射光谱所需的色感参数和E_{优化色轴,T}进行多目标优化，并选取合适的解即滤波器的透射率T，进而基于透射率T所表达的函数优化设计滤波器光学器件的各参数。本发明基于E_{优化色轴,T}选取合适的滤波器透射率T,进而基于透射率T所表达的函数优化设计滤波器光学器件的各参数，使得滤波器在过滤掉蓝光的同时改善或消除这种因为过滤蓝光引起的使用者黄色视野，而且，本发明将优化透射光谱所需的色感参数和E_{优化色轴,T}进行多目标优化，在有效解决过滤蓝光后的黄色视野问题基础上，还可实现对其它颜色色彩感知的调控。本发明所说优化透射光谱所需的色感参数包括以下参数的一个或多个组合，亮度L^* _0,T、白点位移wp、设定短波区域的过滤程度、在特定波长和/或波长区间的最低透射率，通过改变各参数的权重调整优化的目标和程度，这样的方法可以给予设计师更多的自由度。

附图说明

图1为本发明滤波器工作原理图；

图2为本发明滤波器镜片的第一种结构示意图；

图3为本发明滤波器镜片的第二种结构示意图；

图4为本发明优化后的透射光谱三的第一种光谱图；

图5为本发明优化后的透射光谱三的第二种光谱图；

图6为本发明优化后的透射光谱三的第三种光谱图；

图7为本发明优化后的透射光谱二的第一种光谱图；

图8为本发明优化后的透射光谱二的第二种光谱图；

图9为本发明优化后的透射光谱一的第一种光谱图；

图10为本发明优化后的透射光谱一的第二种光谱图；

图11是本发明优化后的透射光谱四的光谱图。

具体实施方式

一种色彩可控的高能可见光滤波器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：选取滤波器，所说滤波器含有对短波可见光吸收的染料，滤波器的透射率T表达为光学器件各参数的一个函数。

将滤波器在各波长下的透射率T(λ)表达为如下函数:

其中，N为有效吸光成分i总数目，l是有效吸光成分i所分布的所有介质层有效总厚度，ε_i为有效吸光成分i的摩尔吸光系数，c_i为有效成分i在其所分布的所有介质层中的平均浓度，λ为可见光波波长；M为有效反光介面总数目，f_j是有效反光介面j的反光率。

对短波可见光吸收的染料采用吸收峰在380-480纳米或380-780纳米的一种或多种染料。本实施例中，采用吸收峰在380-480纳米的一种或多种染料。染料可以选择如下但不局限于如下染料：叶绿素a；叶绿素b；吖啶黄；分散黄；着色剂all(stains-all)；3-乙基-2-[3-(3-乙基-3H-苯并恶唑-2-亚基)丙-1-烯基]苯并恶唑碘化物；碘化-3,3ˊ-二乙基氧杂二羰花青；碘代3,3'-二己氧基羰花青；羊毛罂(erioglaucine)；孔雀石绿(Malachitegreen)；金属离子与卟吩或吡啶的化合物，其中金属离子包括但不局限于锌，镁，铜，铁正离子；金属离子与卟啉或卟啉衍生物的化合物，其中金属离子包括但不局限于锌，镁，铜，铁正离子，其中卟啉衍生物包括但不局限于八乙基卟啉,四甲基卟啉,四苯基卟啉，四苯酚卟啉；金属离子与四氮杂卟啉或四氮杂卟啉衍生物的化合物，其中金属离子包括但不局限于锌，镁，铜，铁正离子，其中四氮杂卟啉衍生物包括但不局限于硫代四氮杂卟啉及其衍生物，酞菁，四叔丁基酞菁及其它烷基酞菁衍生物；花青染料及其衍生物；香豆素及其衍生物；氧杂蒽及其衍生物；恶嗪及其衍生物；染料可以为自主合成的如上染料，也可以为以上述一种或几种成分为主要滤光成分的商业化染料。

介质材料可以选择如下但不局限于如下介质：聚碳酸酯；聚甲基丙烯酸甲酯；烯丙二甘醇碳酸酯与二异丙基过氧化碳酸酯共聚物；聚氨基甲酸酯衍生物,如PPG公司的硅凝胶及其衍生物，如二甲基乙烯基硅氧基聚甲基硅氧烷；并且介质层表面可以根据需要添加防反射涂层、和/或防刮涂层、和/或紫外线吸收涂层；并且介质层内可混有紫外线吸收物；染料可以分散在介质层中，也可以分散在介质层表面的涂层中。如图2所示，染料分布在介质层中；如图3所示,染料分布在介质层表面的涂层中。

本实施例中，规定所有染料分布在单一的介质层中，该介质层厚度为2毫米且该介质层材料为混有紫外线吸收分子的聚碳酸酯。在该介质层表面涂有总厚度小于0.2毫米的防反射涂层和防刮涂层。规定在如下集合中选取4种染料：叶绿素a，叶绿素b,吖啶黄，分散黄，着色剂all(stains-all)，3-乙基-2-[3-(3-乙基-3H-苯并恶唑-2-亚基)丙-1-烯基]苯并恶唑碘化物，碘化-3,3ˊ-二乙基氧杂二羰花青，碘代3,3'-二己氧基羰花青，羊毛罂(erioglaucine)，孔雀石绿(Malachite green)。

介质层有多个有效的反光介面，且反光介面综合有效反光率为0.1033。即：

步骤2：选择光源,并选取一种颜色或多种颜色组成的颜色组,将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数。

选择任何发光体、反光体作为光源。光源可以选择如下但不局限于如下光源：国际光学理事会标准发光体A系列、D系列、F系列以及L系列。本实施例中，选择国际光学理事会标准发光体D65为光源。

可以在1296个孟塞尔颜色中选择任意一种或多种颜色在色彩空间中的位置来研究滤波器T对各色感参数的影响。本实施例中，选择用于色盲色弱测试的15个法斯沃斯颜色和另外5个孟塞尔柔和色10B5/4，10Y5/4，10R5/4，10RP5/4和10PB5/4所组成的20个颜色的色彩组，此处简称为“20色彩组”。

选择国际光学理事会2度或10度标准观察者的颜色匹配函数来计算在色感空间1976CIE L^*a^*b^*、和/或1976CIE L^*u^*v^*中各孟塞尔颜色或颜色组的色感参数。

将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数，通过如下方法实现：

U_k,T(λ)＝D(λ)·T(λ)·MC_k(λ)；

其中

其中，U为“20色彩组”中任意颜色；MC为所选择的颜色的反光率；为观察者颜色匹配函数；L^*标识明度或亮度坐标；a^*和b^*为两个对比色度上的彩度坐标；X_k，Y_k，Z_k为颜色U_k的三色刺激值；k标注“20色彩组”中不同的颜色。

在使用滤波器T时，以T做为脚标表明上述变量在使用透镜T后的表达。在未使用滤波器T时，各如上函数可表示为其去掉脚标T以后的形式。

光源D通过滤波器后的白点位移表达通过如下方法获得，

X_n，Y_n，Z_n为标准照明体在全满反射体的三色刺激值，客观白点在光源D照射下光谱表示为U_0,T(λ)＝D(λ)·T，使用滤波器后白点三色刺激值表示为X_n,T，Y_n,T，Z_n,T；

未使用滤波器时，标准照明体在全满反射体通过滤光器的亮度表示为L^* ₀；

使用滤波器后综合亮度，即标准照明体在全满反射体通过滤光器的亮度表示为L^* _0,T；

使用滤波器后白点位移wp表达如下：

或

或

本实施例中，白点位移wp规定以如下方式表达：

步骤3：基于步骤2获得的各色感参数表达，在1976CIE L^*a^*b^*色感空间中，根据所需优化的色度，选择优化矢量将颜色组投影在所需优化的色度平面上的综合色差表达为E_{优化色轴,T}。

使用滤波器T后,E_{优化色轴,T}通过如下方法获得：

颜色U_k,T色相色度矢量

优化矢量其中0°≤α≤360°；

所选择颜色或颜色组在所需优化的色度平面上的色差为:

使用滤波器后,所选择颜色或颜色组在所需优化的色度平面上的综合色差为:

未使用滤波器时,所选择颜色或颜色组在所需优化的色度平面上的综合色差为:

本实施例中，选择红绿色轴为优化色轴，即优化红绿色色差，即优化矢量中α＝0°和α＝180°。根据步骤3，使用滤波器T后,E_{优化色轴,T}通过如下方法获得：

颜色U_k,T色相色度矢量

优化矢量其中α为0°和180°；

所选择颜色(组)在所需优化的色度平面上的色差为:

步骤4：根据优化透射光谱所需的色感参数和E_{优化色轴,T}进行多目标优化，并选取合适的解即滤波器的透射率T，进而基于透射率T所表达的函数优化设计滤波器光学器件的各参数。

所说优化透射光谱所需的色感参数包括以下参数的一个或多个组合，亮度L^* _0,T、白点位移wp、设定短波区域的过滤程度、在特定波长和/或波长区间的最低透射率。亮度L^* _0,T、白点位移wp、设定短波区域的过滤程度、在特定波长和/或波长区间的最低透射率可表达为透射光谱T关于f_j与c_i的函数。根据上述色感参数和E_{优化色轴,T}进行多目标优化，选取合适的解即滤波器的透射率T。

所说设定短波区域的过滤程度通过综合过滤程度S_T表征，综合过滤程度S_T表达为:

其中380nm≤μ<η≤480nm。

所说设定短波区域的过滤程度通过以下一种参数或几种参数的组合进行表征，

在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长的透射率；

在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长区间的综合透射率；

在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长区间的综合透射率并同时限定在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长的透射率。

本实施例中，在380到480纳米区间内，限定在415到480纳米的区间内的任意波长下的短波透射率至少为7.5％，且在415到480纳米的区间内存在任意多条光学阻带。限定将所关心的短波区域的综合过滤程度表达为:

多目标优化是指在给定约束相(优化透射光谱所需的色感参数和E_{优化色轴,T})后,对N种染料和M种反射介面组成的光学器件进行优化以达到最大亮度L^* _0,T,最大综合色差E_{优化色轴,T}，最小白点位移wp，和所关心的短波区域的最大综合过滤程度S_T。这种多目标优化可以根据需要选择优化一个或几个或以上全部目标为目标方程：

也可以根据需要通过权重变量w将各选择的优化目标线性叠加，如下为这种线性叠加的目标方程的一种表示方法：

其中，权重变量的取值范围为0≤w≤1且∑w＝1。

限定在380到480纳米的区间内的任意波长下的短波透射率至少为G，且0％≤G≤80％；并且在380到480纳米的区间内存在1条、2条或多条光学阻带；并且限定D65光源下L*_0,T≥40或L*_0,T≥88；

优化后的透射光谱满足以下要求：

在380到480纳米的区间内存在1条、2条或多条光学阻带，且该光学阻带的峰值的透射率≥G。

所说光学阻带可以是单峰的，也可以是多峰的。当相邻的两个吸收峰之间的最高透射率T_最高，与这两个相邻吸收峰T_左和T_右满足如下关系时，认为这两个吸收峰存在于一个多吸收峰的光学阻带。当如下条件不满足时，认为这两个吸收峰分别从属于相邻的两个光学阻带。

T_最高<0.05+max(T_左，T_右)-0.025·(T_左+T_右)

具体而言，限定在380到480纳米的区间内的任意波长下的短波透射率至少为G，且0％≤G≤80％；并且在380到480纳米的区间内只存在一条光学阻带；并且限定D65光源下L^* _0,T≥88。优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内只存在一条光学阻带，且该光学阻带的峰值的透射率≥G。

或者，限定在380到480纳米的区间内的任意波长下的短波透射率至少为G，且0％≤G≤80％；并且在380到480纳米的区间内只存在一条光学阻带；并且限定D65光源下L^* _0,T≥40。优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内只存在一条光学阻带，且该光学阻带的峰值的透射率≥G。

或者，限定在380到480纳米的区间内的任意波长下的短波透射率至少为G，且0％≤G≤80％；并且在380到480纳米的区间内存在W条光学阻带，且W为≥2的正整数；并且限定D65光源下L^* _0,T≥88。优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内只存在W条光学阻带，且所有光学阻带的峰值的透射率≥G。

或者，限定在380到480纳米的区间内的任意波长下的短波透射率至少为G，且0％≤G≤80％；并且在380到480纳米的区间内存在W条光学阻带，且W为≥2的正整数；并且限定D65光源下L^* _0,T≥40。优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内只存在W条光学阻带，且所有光学阻带的峰值的透射率≥G。

优化后的透射光谱一：

步骤4中，限定D65光源下L^* _0,T≥45；并且在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且D65光源下的白点位移d'_0,T≤0.07；并且选择红绿色为优化色轴进行多目标优化。

优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且在480纳米到620纳米的区间中，同时存在并只存在两条最低透射率低于10％的光学阻带，第一条光学阻带在480纳米到550纳米的波长区间内；第二条光学阻带在550纳米到620纳米的波长区间内。

优化后的透射光谱二：

步骤4中，限定在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且D65光源下L^* _0,T≥78，并且D65光源下的白点位移d'_0,T≤0.15；并且选择红绿色为优化色轴进行多目标优化；优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且在480纳米到620纳米的区间中，只存在一条最低透射率低于20％的光学阻带，且该光学阻带在550纳米和620纳米之间。

优化后的透射光谱三：

步骤4中，限定在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且D65光源下L*_0,T≥88；并且D65光源下的白点位移d'_0,T≤0.01；并且不选择任何色轴为优化色轴进行多目标优化；优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且在500纳米到600纳米的区间中，至少存在两条最低透射率在55％和82％之间的光学阻带。

优化后的透射光谱四：

步骤4中，限定在405到480纳米的区间内的任意波长下的短波透射率至少为7.5％；L^* _0,T≥50；S_T≥0.8；且D65光源的白点位移d'_0,T≤0.075。对如下色感参数进行多目标优化：最大亮度L^* _0,T,最大综合色差E_{优化色轴,T}，最小白点位移wp，和所关心的短波区域的最大综合过滤程度S_T。通过权重变量w将各选择的优化目标线性叠加。目标方程如下：

其中w1＝0.1；w2＝0.05；w3＝0.05；w4＝0.8。

Claims (14)

1.一种色彩可控的高能可见光滤波器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：选取滤波器，所说滤波器含有对短波可见光吸收的染料，滤波器的透射率T表达为光学器件各参数的一个函数；

步骤2：选择光源,并选取一种颜色或多种颜色组成的颜色组,将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数；

步骤3：基于步骤2获得的各色感参数表达，在1976 CIE L^*a^*b^*色感空间中，根据所需优化的色度，选择优化矢量将颜色或颜色组投影在所需优化的色度平面上的综合色差表达为E_{优化色轴,T}；

步骤4：根据优化透射光谱所需的色感参数和E_{优化色轴,T}进行多目标优化，并选取合适的解即滤波器的透射率T，进而基于透射率T所表达的函数优化设计滤波器光学器件的各参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中,将滤波器在各波长下的透射率T(λ)表达为如下函数:

其中，N为有效吸光成分i总数目，l是有效吸光成分i所分布的所有介质层有效总厚度，ε_i为有效吸光成分i的摩尔吸光系数，c_i为有效成分i在其所分布的所有介质层中的平均浓度，λ为可见光波波长；M为有效反光介面总数目，f_j是有效反光介面j的反光率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，对短波可见光吸收的染料采用吸收峰在380-480纳米或380-780纳米的一种或多种染料；

染料可以选择如下但不局限于如下染料：

叶绿素a；叶绿素b；吖啶黄；分散黄；着色剂all(stains-all)；3-乙基-2-[3-(3-乙基-3H-苯并恶唑-2-亚基)丙-1-烯基]苯并恶唑碘化物；碘化-3,3ˊ-二乙基氧杂二羰花青；碘代3,3'-二己氧基羰花青；羊毛罂(erioglaucine)；孔雀石绿(Malachite green)；金属离子与卟吩或吡啶的化合物，其中金属离子包括但不局限于锌，镁，铜，铁正离子；金属离子与卟啉或卟啉衍生物的化合物，其中金属离子包括但不局限于锌，镁，铜，铁正离子，其中卟啉衍生物包括但不局限于八乙基卟啉,四甲基卟啉,四苯基卟啉，四苯酚卟啉；金属离子与四氮杂卟啉或四氮杂卟啉衍生物的化合物，其中金属离子包括但不局限于锌，镁，铜，铁正离子，其中四氮杂卟啉衍生物包括但不局限于硫代四氮杂卟啉及其衍生物，酞菁，四叔丁基酞菁及其它烷基酞菁衍生物；花青染料及其衍生物；香豆素及其衍生物；氧杂蒽及其衍生物；恶嗪及其衍生物；染料可以为自主合成的如上染料，也可以为以上述一种或几种成分为主要滤光成分的商业化染料。

4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤2中，将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数，通过如下方法实现：

U_k,T(λ)＝D(λ)·T(λ)·MC_k(λ)；

其中

其中，U为任意颜色；MC为所选择的颜色反光率；为观察者颜色匹配函数；L^*标识明度或亮度坐标；a^*和b^*为两个对比色度上的彩度坐标；X_k，Y_k，Z_k为颜色U_k的三色刺激值；k标注所选择颜色组中不同的颜色。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2中，光源D通过滤波器后的白点位移表达通过如下方法获得，

X_n，Y_n，Z_n为标准照明体在全满反射体的三色刺激值，客观白点在光源D照射下光谱表示为U_0,T(λ)＝D(λ)·T，使用滤波器后白点三色刺激值表示为X_n,T，Y_n,T，Z_n,T；

未使用滤波器时，标准照明体在全满反射体通过滤光器的亮度表示为L^* ₀；

使用滤波器后综合亮度，即标准照明体在全满反射体通过滤光器的亮度表示为L^* _0,T；

使用滤波器后白点位移wp表达如下：

或

或

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3中，使用滤波器T后,E_{优化色轴,T}通过如下方法获得：

颜色U_k,T色相色度矢量

优化矢量其中0°≤α≤360°；

所选择颜色或颜色组在所需优化的色度平面上的色差为:

使用滤波器后,所选择颜色或颜色组在所需优化的色度平面上的综合色差为:

未使用滤波器时,所选择颜色或颜色组在所需优化的色度平面上的综合色差为:

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4中，所说优化透射光谱所需的色感参数包括以下参数的一个或多个组合，

亮度L^* _0,T、白点位移wp、设定短波区域的过滤程度、在特定波长和/或波长区间的最低透射率，

根据上述色感参数和E_{优化色轴,T}进行多目标优化，选取合适的解即滤波器的透射率T。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4中，所说设定短波区域的过滤程度通过综合过滤程度S_T表征，综合过滤程度S_T表达为:

其中380nm≤μ<η≤480nm。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4中，所说设定短波区域的过滤程度通过以下一种参数或几种参数的组合进行表征，

在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长的透射率；

在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长区间的综合透射率；

在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长区间的综合透射率并同时限定在380到480纳米区间内某个或某几个特定波长的透射率。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，多目标优化的一种表达方式为在优化透射光谱所需的色感参数和E_{优化色轴,T}后,对N种染料和M种反射介面组成的光学器件进行优化以达到最大亮度L^* _0,T,最大综合色差E_{优化色轴,T}，最小白点位移wp，和所关心的短波区域的最大综合过滤程度S_T，这种多目标优化可以根据需要选择优化一个或几个或以上全部目标为目标方程：

也可以根据需要通过权重变量w将各选择的优化目标线性叠加，如下为这种线性叠加的目标方程的一种表示方法：

其中，权重变量的取值范围为0≤w≤1且∑w＝1。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4中，限定在380到480纳米的区间内的任意波长下的短波透射率至少为G，且0％≤G≤80％；并且在380到480纳米的区间内存在1条、2条或多条光学阻带；并且限定D65光源下L^* _0,T≥40或L^* _0,T≥88；

优化后的透射光谱满足以下要求：

在380到480纳米的区间内存在1条、2条或多条光学阻带，且该光学阻带的峰值的透射率≥G。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4中，限定D65光源下L^* _0,T≥45；并且在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且D65光源下的白点位移d'_0,T≤0.07；并且选择红绿色为优化色轴进行多目标优化；

优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且在480纳米到620纳米的区间中，同时存在并只存在两条最低透射率低于10％的光学阻带，第一条光学阻带在480纳米到550纳米的波长区间内；第二条光学阻带在550纳米到620纳米的波长区间内。

13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4中，限定在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且D65光源下L^* _0,T≥78，并且D65光源下的白点位移d'_0,T≤0.15；并且选择红绿色为优化色轴进行多目标优化；

优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且在480纳米到620纳米的区间中，只存在一条最低透射率低于20％的光学阻带，且该光学阻带在550纳米和620纳米之间。

14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4中，限定在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且D65光源下L^* _0,T≥88；并且D65光源下的白点位移d'_0,T≤0.01；并且不选择任何色轴为优化色轴进行多目标优化；

优化后的透射光谱满足以下要求：在380到480纳米的区间内至少存在一条光学阻带；并且在500纳米到600纳米的区间中，至少存在两条最低透射率在55％和82％之间的光学阻带。