第七章光源色度學

1、第七章光源色度學第一節(jié)第一節(jié) 光源的色溫光源的色溫一、絕對黑體一、絕對黑體 不同的光源有著不同的光譜能量分布，同時不同的光譜不同的光源有著不同的光譜能量分布，同時不同的光譜能量分布又決定著光源有不同的顏色。光源的顏色特性取決能量分布又決定著光源有不同的顏色。光源的顏色特性取決于發(fā)出的光線中不同波長的相對能量的比例。光源的光譜分于發(fā)出的光線中不同波長的相對能量的比例。光源的光譜分布既是它本身光色的的決定因素，又是影響物體呈色的重要布既是它本身光色的的決定因素，又是影響物體呈色的重要因素之一。因素之一。 為了能夠?qū)庠吹墓馍龀鲆粋€定量的描述，在此引入為了能夠?qū)庠吹墓馍龀鲆粋€定量的描述，在此引

2、入一個光源色溫的概念。人們把光源的光與黑體的光相比較來一個光源色溫的概念。人們把光源的光與黑體的光相比較來表達光源的光色。表達光源的光色。 黑體是對入射的輻射光能全部吸收的物體，也是物體黑體是對入射的輻射光能全部吸收的物體，也是物體中發(fā)光本領(lǐng)最強的物體，在輻射作用下既不反射也不透射中發(fā)光本領(lǐng)最強的物體，在輻射作用下既不反射也不透射，而是能把落在它上面的輻射全部吸收，又稱作完全輻射，而是能把落在它上面的輻射全部吸收，又稱作完全輻射體。物體對輻射的吸收能力與發(fā)射能力是成正比的。吸收體。物體對輻射的吸收能力與發(fā)射能力是成正比的。吸收本領(lǐng)大的物體，發(fā)射本領(lǐng)也較大，吸收能力小的物體，發(fā)本領(lǐng)大的物體，發(fā)射

3、本領(lǐng)也較大，吸收能力小的物體，發(fā)射本領(lǐng)也相對小一些。射本領(lǐng)也相對小一些。 黑體的吸收能力在所有物體中是最大的。黑體的吸收能力在所有物體中是最大的。 一個黑體被加熱時，其單位面積表面輻射的光譜功率的一個黑體被加熱時，其單位面積表面輻射的光譜功率的大小及其分布完全由它的溫度來決定。當黑體被加熱時，它大小及其分布完全由它的溫度來決定。當黑體被加熱時，它就會向外輻射能量，隨著加熱溫度不斷提升，它的光譜功率就會向外輻射能量，隨著加熱溫度不斷提升，它的光譜功率分布急劇上升。同時黑體發(fā)出的輻射光的光色也隨著溫度的分布急劇上升。同時黑體發(fā)出的輻射光的光色也隨著溫度的升高而發(fā)生變化，溫度從低到高，光色按紅、黃、

4、白、藍的升高而發(fā)生變化，溫度從低到高，光色按紅、黃、白、藍的順序變化。這說明黑體的相對光譜功率分布的最大功率部位順序變化。這說明黑體的相對光譜功率分布的最大功率部位將由長波向短波方向變化。將由長波向短波方向變化。 人們就用黑體加熱到不同溫度時所發(fā)出的不同色光來表人們就用黑體加熱到不同溫度時所發(fā)出的不同色光來表達一個光源的顏色，稱為該光源的顏色溫度，簡稱色溫。達一個光源的顏色，稱為該光源的顏色溫度，簡稱色溫。 在自然界中，完全理想的黑體是不存在的。可以利用耐在自然界中，完全理想的黑體是不存在的?？梢岳媚突鸩牧先斯ぶ圃旌隗w。在一個封閉的容腔中開一個小孔，從火材料人工制造黑體。在一個封閉的容腔中開

5、一個小孔，從小孔射入空腔中的光經(jīng)內(nèi)部多次反射和吸收后很難再射出來。小孔射入空腔中的光經(jīng)內(nèi)部多次反射和吸收后很難再射出來。均勻加熱容器壁，并讓輻射能量通過壁上的小孔向外發(fā)射，均勻加熱容器壁，并讓輻射能量通過壁上的小孔向外發(fā)射，這個小孔的輻射就相當于一個黑體的完全輻射。如圖：這個小孔的輻射就相當于一個黑體的完全輻射。如圖：20020040040060060080080010001000可見光區(qū)可見光區(qū)相對能量相對能量6000K6000K5000K5000K4000K4000K3000K3000K 黑體的光譜輻射情況完全信賴于本身的溫度。黑體在黑體的光譜輻射情況完全信賴于本身的溫度。黑體在不同溫度下

6、相對光譜功率分布曲線如下圖。不同溫度下相對光譜功率分布曲線如下圖。 第二節(jié)第二節(jié) 標準照明體和標準光源標準照明體和標準光源 人們認知物體要依靠光源，日常生活和工作也都是在日人們認知物體要依靠光源，日常生活和工作也都是在日光或各種人造光源下進行的。同一物體在不同的光源下呈現(xiàn)光或各種人造光源下進行的。同一物體在不同的光源下呈現(xiàn)的顏色是不相同的，即便是同一光源下，所觀察到的物體的的顏色是不相同的，即便是同一光源下，所觀察到的物體的顏色效果也不一定是相同的。比如太陽這一固定光源，由于顏色效果也不一定是相同的。比如太陽這一固定光源，由于它具有不同的色相，所以觀察到物體的顏色也不相同。因此，它具有不同的色

7、相，所以觀察到物體的顏色也不相同。因此，測量物體表面的顏色，必須在一定的并且光譜性能穩(wěn)定的光測量物體表面的顏色，必須在一定的并且光譜性能穩(wěn)定的光源下進行。為了統(tǒng)一顏色測量的標準，國際照明委員會規(guī)定源下進行。為了統(tǒng)一顏色測量的標準，國際照明委員會規(guī)定了色度學的標準照明體了色度學的標準照明體A A、B B、C C、D D和標準源和標準源A A、B B、C C。一、標準照明體一、標準照明體 為了統(tǒng)一顏色測量的標準，為了統(tǒng)一顏色測量的標準，CIECIE推薦四種標準照明體推薦四種標準照明體A A、B B、C C、D D。 標準照明體是指特定的光譜功率分布。這一光譜功標準照明體是指特定的光譜功率分布。這一

8、光譜功率分布不是必須由一個光源直接提供，也不一定能用光率分布不是必須由一個光源直接提供，也不一定能用光源來實現(xiàn)。源來實現(xiàn)。 CIECIE標準照明體標準照明體A A、B B、C C由標準光源由標準光源A A、B B、C C來實現(xiàn)，來實現(xiàn)，則兩者的相對光譜功率分布應接近一致。標準照明體則兩者的相對光譜功率分布應接近一致。標準照明體D,D,目前還不能由真實的光源準確地實現(xiàn)目前還不能由真實的光源準確地實現(xiàn), ,國際上正在研究具國際上正在研究具有標準照明體有標準照明體D D相對光譜功率分布的標準光源。相對光譜功率分布的標準光源。標準照明體標準照明體A A，代表，代表“19681968年國際用溫標年國際用

9、溫標”。絕對溫度大約為。絕對溫度大約為2856K2856K完全輻射體的光。它的色品坐標落在完全輻射體的光。它的色品坐標落在CIE1931CIE1931色品圖的黑色品圖的黑體軌跡上。體軌跡上。標準照明體標準照明體B B，代表相關(guān)色溫大約為，代表相關(guān)色溫大約為4874K4874K的直接陽光，其色度的直接陽光，其色度點靠近黑體軌跡。點靠近黑體軌跡。標準照明體標準照明體C C，代表相關(guān)色溫大約為，代表相關(guān)色溫大約為6774K6774K的平均日光，它的色的平均日光，它的色度點在黑體軌跡的下方。度點在黑體軌跡的下方。標準照明體標準照明體D D6565，代表相關(guān)色溫為，代表相關(guān)色溫為6504K6504K的日

10、光，它的色度點在的日光，它的色度點在黑體軌跡上方。黑體軌跡上方。標準照明體標準照明體D D，代表標準照明體，代表標準照明體D D6565以外的日光。以外的日光。二、標準光源二、標準光源 標準光源是指被指定的能發(fā)光的物理輻射體，如白熾標準光源是指被指定的能發(fā)光的物理輻射體，如白熾燈、太陽、火等。燈、太陽、火等。 通過分析標準照明體通過分析標準照明體A A、B B、C C的相對光譜功率分布曲線的相對光譜功率分布曲線可知，可知，B B和和C C兩條曲線不能正確地代表相應的日光，而用標兩條曲線不能正確地代表相應的日光，而用標準照明體準照明體A A或或D D代表日光。代表日光。 在色度學應用中，在色度學

11、應用中，A A和和D D是推薦作為廣泛應用的標準照是推薦作為廣泛應用的標準照明體。明體。 CIE CIE規(guī)定用下列人工光源來實現(xiàn)標準照明體。規(guī)定用下列人工光源來實現(xiàn)標準照明體。 標準光源標準光源A A，色溫，色溫2856K2856K的充氣鎢絲燈，光色偏黃。的充氣鎢絲燈，光色偏黃。 標準光源標準光源B B，由，由A A光源加一組特定的戴維斯光源加一組特定的戴維斯- -吉伯遜液吉伯遜液體濾光器體濾光器, ,以產(chǎn)生相關(guān)色溫以產(chǎn)生相關(guān)色溫4874K4874K，相當于中午的日光。，相當于中午的日光。 標準光源標準光源C C，由，由A A光源加另一組特定的戴維斯光源加另一組特定的戴維斯- -吉伯遜吉伯遜液

12、體濾光器液體濾光器, ,以產(chǎn)生相關(guān)色溫以產(chǎn)生相關(guān)色溫6774K6774K的輻射，相當于有云的輻射，相當于有云的日光。的日光。三、標準照明體與標準光源三、標準照明體與標準光源 CIECIE對標準照明體和標準光源加以區(qū)分，照明體是指特對標準照明體和標準光源加以區(qū)分，照明體是指特定的光譜功率分布，而光源則指具體的發(fā)光物體。定的光譜功率分布，而光源則指具體的發(fā)光物體。CIECIE標準標準照明體照明體A A、B B、C C是由標準光源是由標準光源A A、B B、C C來實現(xiàn)的，標準光源來實現(xiàn)的，標準光源用具有一定光譜功率分布的燈或加濾光片的燈來產(chǎn)生。當用具有一定光譜功率分布的燈或加濾光片的燈來產(chǎn)生。當某

13、一標準照明體能用相應的標準光源實現(xiàn)，則兩者的相對某一標準照明體能用相應的標準光源實現(xiàn)，則兩者的相對光譜功率分布應接近一致。光譜功率分布應接近一致。 CIECIE規(guī)定的標準照明體規(guī)定的標準照明體D D也叫典型日光或重組日光。典也叫典型日光或重組日光。典型日光與實測日光有非常接近的相對光譜功率分布，并且型日光與實測日光有非常接近的相對光譜功率分布，并且典型日光比標準照明體典型日光比標準照明體B B和和C C更符合實際日光的色度點，所更符合實際日光的色度點，所以以CIECIE推薦用推薦用D D5050（5004K5004K）、）、D D5555（5503K5503K）、）、D D6565（6504K

14、6504K）、）、D D7575（7504K7504K）的相對光譜功率分布作為代表日光的標準照明）的相對光譜功率分布作為代表日光的標準照明體。體。CIECIE建議盡可能用建議盡可能用D D6565來代表日光。來代表日光。 模擬某一種標準照明體的人工光源，最根本的問題就是模擬某一種標準照明體的人工光源，最根本的問題就是復制出這種照明體的相對光譜功率分布，要把這一效果做到復制出這種照明體的相對光譜功率分布，要把這一效果做到完全相同是非常困難的。對于標準照明體完全相同是非常困難的。對于標準照明體D D，目前還不能由，目前還不能由真實的光源準確地實現(xiàn)。國際上也正在研究具有標準照明體真實的光源準確地實現(xiàn)

15、。國際上也正在研究具有標準照明體D D相對光譜功率分布的標準光源。相對光譜功率分布的標準光源。 現(xiàn)在模擬現(xiàn)在模擬D D6565的人工光源主要有三種。第一種是帶濾光器的人工光源主要有三種。第一種是帶濾光器的高壓氙燈，它是目前最好的能模擬的高壓氙燈，它是目前最好的能模擬D D6565的人工光源。第二種的人工光源。第二種是帶濾光器的白熾燈，但是它在紫外區(qū)的模擬不十分理想。是帶濾光器的白熾燈，但是它在紫外區(qū)的模擬不十分理想。第三種是熒光燈，它的相對光譜功率分布與第三種是熒光燈，它的相對光譜功率分布與D65D65還是存在較還是存在較大區(qū)別。大區(qū)別。 還有一種是帶濾光的白熾燈和熒光燈的混合光源，是用還有一

16、種是帶濾光的白熾燈和熒光燈的混合光源，是用來模擬來模擬D75D75的人工光源，它與的人工光源，它與D75D75的相對功率分布較為接近。的相對功率分布較為接近。第三節(jié)第三節(jié) 光源顏色與視覺的關(guān)系光源顏色與視覺的關(guān)系一、光源的顏色一、光源的顏色 日常生活用照明光源，不僅要求有良好的發(fā)光效率，而日常生活用照明光源，不僅要求有良好的發(fā)光效率，而且還應有比較好的顏色。如果一個光源的顏色與標準光源的且還應有比較好的顏色。如果一個光源的顏色與標準光源的顏色有較大的差別，人眼就會覺得不舒服。另外，如果光源顏色有較大的差別，人眼就會覺得不舒服。另外，如果光源的顏色照在物體上使物體顏色嚴重失真，那么這一光源同樣的

17、顏色照在物體上使物體顏色嚴重失真，那么這一光源同樣不能反映事物的本來面目。在印刷的照相制版中，光源的顏不能反映事物的本來面目。在印刷的照相制版中，光源的顏色更是決定印刷復制質(zhì)量的一個重要因素。色更是決定印刷復制質(zhì)量的一個重要因素。 光源的顏色有二個方面的含義；一是人眼直接看到的光光源的顏色有二個方面的含義；一是人眼直接看到的光源的顏色，稱為光源的表色，比如白熾燈的顏色就是黃紅色源的顏色，稱為光源的表色，比如白熾燈的顏色就是黃紅色的的; ;二是指光源照射到物體上物體所產(chǎn)生的客觀的顏色效果，二是指光源照射到物體上物體所產(chǎn)生的客觀的顏色效果，這稱為光源的顯色性。這稱為光源的顯色性。 色表和顯色性是評

18、價光源質(zhì)量的重要指標。色表和顯色性是評價光源質(zhì)量的重要指標。 二、光源的顯色性二、光源的顯色性 光源顯色性是表征在光源下物體的顏色對人所產(chǎn)生的光源顯色性是表征在光源下物體的顏色對人所產(chǎn)生的視覺效果。視覺效果。 要想得到顯色性好的光源，關(guān)鍵是光源的光譜功率分要想得到顯色性好的光源，關(guān)鍵是光源的光譜功率分布要與標準光源相接近。而光源的光譜分布又決定了光源布要與標準光源相接近。而光源的光譜分布又決定了光源的色溫。光源的色溫低，光源發(fā)出的光中長波部分所占的的色溫。光源的色溫低，光源發(fā)出的光中長波部分所占的比例就大，光源偏紅色；光源色溫高，短波部分所點的比比例就大，光源偏紅色；光源色溫高，短波部分所點的

19、比例大，光源偏藍色。現(xiàn)代的一些新型光源，如熒光燈、鈉例大，光源偏藍色?，F(xiàn)代的一些新型光源，如熒光燈、鈉燈、汞燈等，其色光與白熾燈或日光燈相似，但是其光譜燈、汞燈等，其色光與白熾燈或日光燈相似，但是其光譜功率分布卻與日光或白熾燈有著極大的差別，因此，人們功率分布卻與日光或白熾燈有著極大的差別，因此，人們在這些光源下看到的物體的顏色與在日光下或白熾燈下看在這些光源下看到的物體的顏色與在日光下或白熾燈下看到的物體的顏色是不相同的。到的物體的顏色是不相同的。 為了統(tǒng)一標準，為了統(tǒng)一標準，CIECIE規(guī)定，將普朗克輻射體作為低色溫光規(guī)定，將普朗克輻射體作為低色溫光源的參照標準，標準照明體源的參照標準，標

20、準照明體D D作為高色溫光源的參照標準，分作為高色溫光源的參照標準，分別用來衡量其他光源照明下的顏色效果。所以光源的顯色性是別用來衡量其他光源照明下的顏色效果。所以光源的顯色性是指與參照標準照明體相比較，某一光源對物體顏色外貌所產(chǎn)生指與參照標準照明體相比較，某一光源對物體顏色外貌所產(chǎn)生的效果。所以白熾燈和日光是顯色性最好的光源，而其他與這的效果。所以白熾燈和日光是顯色性最好的光源，而其他與這兩種光源的光譜分布有較大差別的光源則顯色性較差。對于顯兩種光源的光譜分布有較大差別的光源則顯色性較差。對于顯色性差的光源，不論它的發(fā)光效率有多高，都不適于印刷、印色性差的光源，不論它的發(fā)光效率有多高，都不適

21、于印刷、印染、文體、攝影、電影、電視等需要識別顏色的行業(yè)或場所，染、文體、攝影、電影、電視等需要識別顏色的行業(yè)或場所，而只能用于一般要求不高的照明。而只能用于一般要求不高的照明。三、光源的顯色指數(shù)及定量評價三、光源的顯色指數(shù)及定量評價 光源顯色性直接影響物體顏色外貌。所以它有著重大意光源顯色性直接影響物體顏色外貌。所以它有著重大意義。為了對光源的顯色性做出一個準確的評價，通常用顯色義。為了對光源的顯色性做出一個準確的評價，通常用顯色指數(shù)來表征顯色性的優(yōu)劣，用顯色指數(shù)對顯色性給予定量評指數(shù)來表征顯色性的優(yōu)劣，用顯色指數(shù)對顯色性給予定量評價。價。 顯色指數(shù)是待測光源下物體呈現(xiàn)的顏色與參照光源下物顯

22、色指數(shù)是待測光源下物體呈現(xiàn)的顏色與參照光源下物體所呈現(xiàn)顏色相符合程度的度量。體所呈現(xiàn)顏色相符合程度的度量。 19641964年，年，CIECIE制定了一種光源顯色性評價方法，經(jīng)制定了一種光源顯色性評價方法，經(jīng)19741974年年修訂正式向世界各國推薦采用。修訂正式向世界各國推薦采用。19841984年，我國在制定光源顯年，我國在制定光源顯色性評價方法的國家標準時，即采用了色性評價方法的國家標準時，即采用了CIECIE推薦的光源顯色性推薦的光源顯色性評價方法，又考慮到我國人的膚色特征，在計算光源顯色性評價方法，又考慮到我國人的膚色特征，在計算光源顯色性時增加了我國女性面部膚色。使我國的光源顯色性

23、評價方法時增加了我國女性面部膚色。使我國的光源顯色性評價方法既具有國際通用性，又符合中國人的視覺心理。既具有國際通用性，又符合中國人的視覺心理。 光源的顯色指數(shù)可以規(guī)定為三個范圍，顯色指數(shù)大于光源的顯色指數(shù)可以規(guī)定為三個范圍，顯色指數(shù)大于7575的光源為優(yōu)質(zhì)顯色光源，越接近的光源為優(yōu)質(zhì)顯色光源，越接近100100，顯色性越好；顯色指，顯色性越好；顯色指數(shù)在數(shù)在50-7550-75之間的光源，顯色性一般；顯色指數(shù)小于之間的光源，顯色性一般；顯色指數(shù)小于5050的光的光源，顯色性較差。光源顯色指數(shù)較低，物體在這一光源下會源，顯色性較差。光源顯色指數(shù)較低，物體在這一光源下會發(fā)生變色或失真，顯色指數(shù)越

24、低，變色或失真情況越嚴重。發(fā)生變色或失真，顯色指數(shù)越低，變色或失真情況越嚴重。目前，印刷行業(yè)所用的光源的顯色指數(shù)一般不應低于目前，印刷行業(yè)所用的光源的顯色指數(shù)一般不應低于9090，彩，彩色攝影、彩色影視等與顏色有關(guān)的工業(yè)部門也要求用顯色指色攝影、彩色影視等與顏色有關(guān)的工業(yè)部門也要求用顯色指數(shù)大于數(shù)大于8585的高顯色性的光源。的高顯色性的光源。常用光源的一般顯色指數(shù)常用光源的一般顯色指數(shù) 雖然光源的顯色性和光源的色溫都是由光譜功率分布所決雖然光源的顯色性和光源的色溫都是由光譜功率分布所決定的，但是它們之間并沒有必然的聯(lián)系。光源色溫的高低與顯定的，但是它們之間并沒有必然的聯(lián)系。光源色溫的高低與顯

25、色指數(shù)的高低無關(guān)。由上表可知：白熾燈的色溫較低，但是它色指數(shù)的高低無關(guān)。由上表可知：白熾燈的色溫較低，但是它的顯色指數(shù)卻很高，而熒光燈的色溫很高，但是它的顯色指數(shù)的顯色指數(shù)卻很高，而熒光燈的色溫很高，但是它的顯色指數(shù)卻一般。光源的色溫及顯色性都是評價光源優(yōu)劣的重要指標，卻一般。光源的色溫及顯色性都是評價光源優(yōu)劣的重要指標，而光源的顯色性具有重要的意義。而光源的顯色性具有重要的意義。 光源的顯色性是由光源的能量分布所決定的。具有連續(xù)光光源的顯色性是由光源的能量分布所決定的。具有連續(xù)光譜的光源，如日光，或與之相似的連續(xù)光譜均有較好的顯色性。譜的光源，如日光，或與之相似的連續(xù)光譜均有較好的顯色性。如

26、果光源的能量分布很不連續(xù)，則光源的顏色肯定偏向某種顏如果光源的能量分布很不連續(xù)，則光源的顏色肯定偏向某種顏色，光源的顯色性必然低，顏色失真度必然大。色，光源的顯色性必然低，顏色失真度必然大。 色溫的高低和光源的顯色性沒有必然的聯(lián)系，色溫的高低色溫的高低和光源的顯色性沒有必然的聯(lián)系，色溫的高低并不決定顯色指數(shù)的高低。對于從事顏色工作的人來說，光源并不決定顯色指數(shù)的高低。對于從事顏色工作的人來說，光源的色溫和顯色性都很重要，但顯色性的重要性要更大一些。的色溫和顯色性都很重要，但顯色性的重要性要更大一些。定量評價任一光源顯色性的方法定量評價任一光源顯色性的方法首先：要選定標準參照光源首先：要選定標準參照光源r r0 0并規(guī)定參照光源的顯色指數(shù)為并規(guī)定參照光源的顯色指數(shù)為100.100.參考光源不用具體的光源，而用參考照明體。因此，參參考光源不用具體的光源，而用參考照明體。因此，參考光源的光譜能量分布是可以用數(shù)學公式加以計算的。確定考光源的光譜能量分布是可以用數(shù)學公式加以計算的。確定參照光源時可由待測光源的相關(guān)色溫來進行。參照光源時可由待測光源的相關(guān)色溫來進行。接著：制定接著：制定1515種標準種標準“測試色測試色”樣品。其中前樣品。其中前8 8塊