灯珠CCD或CMOS成像RGB数据 光谱重建

1. 源由

本文主要为了通过摄像头CCD或者CMOS传感器对灯珠成像数据分析、重建灯珠可见光范围光谱数据的研究，从原理和方法上论证可行性。

随着照明技术迅猛发展，LED技术日渐成熟。LED产品由于具备经久耐用、节能且价格低等优势，已成为照明行业的绝对力量，被广泛应用于生活及工作的方方面面，与人们如影随形，密不可分。
近日，医学专家担忧LED蓝光会对视网膜造成损害，甚至是失明。早在1966年Nell等研究发现蓝光的照射可以引起视网膜细胞的损伤，导致视力下降甚至丧失。其中，波长400-460纳米之间的短波蓝光对视网膜的危害程度最大。在2010年国际光协会年会中，世界顶尖光学专家一致指出：短波蓝光具有极高能量，能够穿透晶状体直达视网膜。蓝光照射视网膜会产生自由基，而这些自由基会导致视网膜色素上皮细胞衰亡，上皮细胞的衰亡会导致光敏感细胞缺少养分从而引起视力损伤，而且这些损伤是不可逆的。
蓝光对人眼的危害，主要表现在导致近视、白内障以及黄斑病变的眼睛病理危害和人体节律危害。

• 损结构:有害蓝光具有极高能量，能够穿透晶状体直达视网膜，引起视网膜色素上皮细胞的萎缩甚至死亡。光敏感细胞的死亡将会导致视力下降甚至完全丧失，这种损坏是不可逆的。蓝光还会导致黄斑病变。人眼中的晶状体会吸收部分蓝光渐渐混浊形成白内障，而大部份的蓝光会穿透晶状体，尤其是儿童晶状体较清澈，无法有效抵挡蓝光，从而更容易导致黄斑病变以及白内障。
• 视疲劳:由于蓝光波长短，聚焦点并不是落在视网膜中心位置，而是离视网膜更靠前一点的位置。要想看清楚，眼球会长时间处于紧张状态，引起视疲劳。长时间视觉疲劳，可能导致人们近视加深、出现复视、阅读时易串行、注意力无法集中等症状，影响正常学习与工作。
• 睡不好:蓝光会抑制褪黑色素的分泌。褪黑色素是影响睡眠的一种重要激素，是促进睡眠、调节时差。

按照现行的国内外标准GB/T 20145-2006/CIE S009/E:2002和CTL-0744_2009-laser决议，对各类LED照明产品进行的光生物安全的检测及评判结果，并且较客观地分析了目前我国LED照明产品的蓝光危害的实际情况。
鉴于光谱采集和分析设备具有专业化程度高，价格成本高，且通常在专业实验室或者研究机构。本文从日常环境入手，期望通过具备CCD或CMOS的设备（比如：手机，摄像头等）进行光源（灯珠）成像数据逆向重构光谱，进而由光谱数据对光源（灯珠）健康指数进行量化评估。

2. CCD和CMOS传感器结构和原理

CCD/CMOS作为记录光线变化的半导体，通常以百万像素〈megapixel〉为单位。规格中的多少百万像素，指的就是CCD/CMOS的解析度，也代表着有多少感光元件。
CCD/CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。 这种转换的原理与 “太阳能电池”效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱的道理，将光影像转换为电子数字信号。

CCD 和 CMOS 在结构上，ADC的位置和数量是最大的不同。简单的说，CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大器进行放大，再串联 ADC 输出；相对地，CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着 ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。