應(yīng)用光學(xué)簡(jiǎn)明教程 課件【ch07】顏色

應(yīng)用光學(xué)簡(jiǎn)明教程光電&儀器類專業(yè)教材顏色第七章概述01一、概述1.電磁輻射是顏色現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)日常生活經(jīng)驗(yàn)表明：電磁輻射中可見光是產(chǎn)生顏色的條件，不同波長(zhǎng)的可見光(波長(zhǎng)大約為380~780nm的電磁輻射)是顏色現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)。2.人的顏色視覺是顏色現(xiàn)象的生理基礎(chǔ)可見光作用于人眼視網(wǎng)膜上，對(duì)感色細(xì)胞形成刺激，視神經(jīng)把這種刺激轉(zhuǎn)化成為顏色感覺。人的顏色視覺是顏色現(xiàn)象的生理基礎(chǔ)。一、概述3.光源色、物體色和熒光色被觀察物體的輻射刺激人眼的視神經(jīng)產(chǎn)生的色感覺稱為物體的顏色。如果物體是自發(fā)光的，其顏色與所輻射的光譜成分有關(guān)，這一類物體顏色稱為光源色。本身不發(fā)光物體在外界光照射下，透過、反射或漫反射某些波長(zhǎng)的光產(chǎn)生的顏色，稱為物體色。它決定于物體本身對(duì)光的吸收、反射和漫射特性及照明光的光譜成分。還有的物體在外部輻射照射下，能透過、反射或漫反射與外界照明光波長(zhǎng)相同的光，而且能產(chǎn)生與照明光波長(zhǎng)不同的熒光。這類物體產(chǎn)生的色感覺，稱為熒光色。顏色的特征和分類02二、顏色的特征和分類1.顏色的特征一般來說，判別顏色是根據(jù)三個(gè)重要特征：明度、色調(diào)和飽和度。三者中只要有一個(gè)不同，就有不同的色感覺。明度是指顏色明亮的程度。對(duì)于光源色，明度與發(fā)光強(qiáng)度有關(guān)；對(duì)于物體色，則取決于物體的反射比和透射比。色調(diào)是借以區(qū)分不同顏色的特征，在可見光范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)輻射的顏色具有不同的色調(diào)，如紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等。光源色的色調(diào)取決于發(fā)光體輻射能的光譜組成。物體色取決于物體對(duì)光的選擇吸收特性及照明光的光譜構(gòu)成。飽和度是顏色接近光譜色的程度。當(dāng)所含白光成分為零時(shí)，得純光譜色，飽和度達(dá)最高；光譜色的成分為零就是白光，飽和度為零。飽和度高的顏色深而鮮艷；飽和度低，顏色淺而暗淡。二、顏色的特征和分類2.顏色的分類顏色可分為非彩色和彩色兩大類。非彩色是指白色、黑色，以及白與黑之間的深淺不同的灰色所組成的顏色系列。其特征是沒有色調(diào)，飽和度為零，只有明度的變化。彩色是指非彩色系列以外的所有顏色，例如所有的光譜色都是彩色。色光混合與格拉斯曼定律03三、色光混合與格拉斯曼定律1.色光混合圖7.1所示為一種色光混合的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)表明，不同色光可以相互混合，混合色光與原色光的顏色不同?；旌仙庠谌搜垡暰W(wǎng)膜上形成的刺激等于各色光單獨(dú)作用形成的刺激之和。三、色光混合與格拉斯曼定律2.格拉斯曼定律大量的色光混合實(shí)驗(yàn)揭示了加混色的規(guī)律，即格拉斯曼定律，其可以歸納為(1)人眼僅能分辨顏色在三個(gè)方面不同：色調(diào)、明度及飽和度。(2)兩種色光刺激的混合，其中一種刺激連續(xù)變化，其余一種保持不變，混合的顏色也是連續(xù)變化的。(3)在顏色混合中，相同的顏色(色調(diào)、明度、飽和度相同)產(chǎn)生相同的效果，而與其光譜組成無關(guān)。三、色光混合與格拉斯曼定律3.顏色的運(yùn)算定律(1)色光混合符合加法也符合減法定理兩相同的顏色刺激分別加到或分別減去另外兩個(gè)相同的顏色刺激上，所產(chǎn)生的兩個(gè)混合色相同，即則有a+c=b+d和a-c=b-d(=為混合的符號(hào))，即表明色光混合符合加法定理也符合減法定理。(2)顏色混合也符合乘法定理如果1單位的某種顏色刺激和1單位的另一種顏色刺激有相同的顏色，當(dāng)這兩種顏色刺激的單位數(shù)不為1，而為任意值，則只要數(shù)值相同，其顏色仍相同。即相同顏色的輻射通量改變相同倍數(shù)，其顏色仍保持相同。這表示顏色混合也符合乘法定理。顏色的匹配04四、顏色的匹配圖7.2為顏色匹配實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，紅(R)，

綠(G)，藍(lán)(B)三種色光可以對(duì)任何顏色實(shí)現(xiàn)匹配。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，能夠用來匹配所有各種顏色的三種顏色不僅限于紅、綠、藍(lán)一組。只要三種顏色中的每一種顏色不能用其他兩種顏色混合產(chǎn)生出來，就可以用來匹配出所有的顏色。這樣的三種顏色稱為“三原色”。在顏色匹配實(shí)驗(yàn)中，還可以用另一光源Ss通過濾色片F(xiàn)M在觀察孔周圍加上不同照度的白光或彩色背景。實(shí)驗(yàn)證明，觀察孔周圍的背景上的照度和彩色的改變，并不影響對(duì)顏色的匹配。1.顏色匹配實(shí)驗(yàn)四、顏色的匹配2.顏色方程顏色匹配可以用數(shù)學(xué)方程來描述，即式中，R(R)，G(G)，B(B)分別表示紅光(R)、綠光(G)、藍(lán)光(B)的量為R，G，B；符號(hào)“?”表示匹配。色度學(xué)基礎(chǔ)05五、色度學(xué)基礎(chǔ)匹配某種顏色所需的三原色的量，稱為顏色的三刺激值。用紅、綠、藍(lán)作為三原色時(shí)，顏色方程中的三原色量R，GB就是三刺激值。三刺激值不是用物理單位來量度的，而是用色度學(xué)的單位來量度。具體規(guī)定為：在380~780nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，各種波長(zhǎng)的輻射能量均相等時(shí)，稱為等能光譜色。由其構(gòu)成的白光稱為等能白光，簡(jiǎn)稱E光源。等能白光的三刺激值是相等的，且均為1單位。用顏色方程表示為1.三刺激值五、色度學(xué)基礎(chǔ)2.光譜三刺激值或顏色匹配函數(shù)用三刺激值可以表示各種顏色，各種波長(zhǎng)的光譜色也不例外。匹配等能光譜色所需的三原色量叫作光譜三刺激值，也稱為顏色匹配函數(shù)。對(duì)于不同波長(zhǎng)的光譜色，其三種刺激值顯然是波長(zhǎng)的函數(shù)。用紅、綠、藍(lán)作為三原色時(shí)，光譜三刺激值或顏色匹配函數(shù)用

，

和

來表示。五、色度學(xué)基礎(chǔ)三原色確定后，一種顏色的三刺激值是唯一的，因此可以用三刺激值表示顏色。但是，由于準(zhǔn)確測(cè)量三刺激值存在著技術(shù)上的困難，故常不直接用其表示顏色，而是用其在三刺激值總和中.所占比例來表示顏色。這三個(gè)比例值叫作色品坐標(biāo)。設(shè)顏色的三刺激值分別為R，G，B，色品坐標(biāo)為r，g，b，則有3.色品坐標(biāo)及色品圖五、色度學(xué)基礎(chǔ)它們正是三原色(R)，(G)和(B)的三個(gè)色品點(diǎn)。此三點(diǎn)的連線構(gòu)成一個(gè)三角形，三角形內(nèi)任一點(diǎn)的色品坐標(biāo)都是正值。代表三原色的混合可以產(chǎn)生的顏色。這個(gè)三角形稱為麥克斯韋顏色三角形，圖7.3表示了以(R)，(G)，(B)為三原色的色品圖。3.色品坐標(biāo)及色品圖五、色度學(xué)基礎(chǔ)4.色度學(xué)中常用的三個(gè)光學(xué)物理量(1)光譜反射因數(shù)和光譜輻亮度因數(shù)物體的光譜反射因數(shù)，可表示為(2)光譜反射比光譜射比，表示為(3)光譜透射比τ(λ)光譜透射比是波長(zhǎng)的函數(shù)，一般用τ(λ)表示：五、色度學(xué)基礎(chǔ)5.混合色的三刺激值五、色度學(xué)基礎(chǔ)5.混合色的三刺激值CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)06六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)軸外點(diǎn)發(fā)出光束的漸暈011.萊特實(shí)驗(yàn)萊特以波長(zhǎng)為650nm(紅)、540nm(綠)、460nm(藍(lán))的光譜色為三原色，由10名觀察者用儀器(略)對(duì)各光譜色進(jìn)行匹配，確定光譜色的色品坐標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)中，只規(guī)定相等數(shù)量的紅和綠刺激值匹配出波長(zhǎng)為582.5nm的黃色光，相等數(shù)量的綠和藍(lán)刺激值匹配出波長(zhǎng)為494.0nm的藍(lán)綠色光。但沒有明確三刺激值的單位，只是測(cè)定了各光譜色的色品坐標(biāo)r(N)，g(2)和b(2)。對(duì)10名觀察者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值作為各光譜色色品坐標(biāo)。六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)軸外點(diǎn)發(fā)出光束的漸暈012.吉爾德實(shí)驗(yàn)吉爾德實(shí)驗(yàn)選擇的波長(zhǎng)分別為630nm(紅)、540nm(綠)、460nm(藍(lán))的光譜色為三原色，由7名觀察者用實(shí)驗(yàn)裝置(略)在2°視場(chǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了類似的實(shí)驗(yàn)。把萊特和吉爾德測(cè)得的兩組數(shù)據(jù)均通過色品坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，即轉(zhuǎn)換為紅(R)：2=700nm，綠(G)：a=546.1nm，藍(lán)(B)：λ=435.8nm三原色系統(tǒng)的色品數(shù)據(jù)，并取平均值。六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)1931CIE-XYZ系統(tǒng)021.XYZ系統(tǒng)三原色的選擇1931CIE一XYZ系統(tǒng)的三原色選擇的要求是：第.用三原色匹配等能的光譜色時(shí)，三刺激值均為正；第二、色品圖上表示的實(shí)際不存在的顏色所占的面積盡量??；第三、用Y刺激值表示顏色的亮度。六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)1931CIE-XYZ系統(tǒng)021.XYZ系統(tǒng)三原色的選擇為達(dá)到第一和第二兩個(gè)要求，(X)，(Y)，(Z)三原色對(duì)1931CIE一RGB色品圖上色品點(diǎn)所形成的顏色三角形應(yīng)包含全部光譜色品軌跡，且使三角形內(nèi)光譜色品軌跡的外面部分的面積為最小。為此需要做到：第一、以光譜色品軌跡上波長(zhǎng)為700nm和540nm兩色品點(diǎn)的連線為(X(Y)(Z)三角形的(X)(Y)邊，該直線的方程為六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)1931CIE-XYZ系統(tǒng)021.XYZ系統(tǒng)三原色的選擇第二、在光譜色品軌跡斜上方的波長(zhǎng)為503nm的色品點(diǎn)作一個(gè)方程為的直線作為三原色三角形的D(Z)邊。并設(shè)b=1-r-g。經(jīng)推導(dǎo)(過程略)得(X)，(Y)，(Z)三原色在RGB系統(tǒng)中的色品坐標(biāo)為六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)2.CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值(X)，(Y)，(Z)三原色在RGB系統(tǒng)色品圖上的相應(yīng)色品點(diǎn)均在光譜色品軌跡包圍的范圍之外。實(shí)際_上不可能有比光譜色更飽和的顏色，因此，(X)，(Y)，(Z)作為色度學(xué)系統(tǒng)的三原色是有意義的，但實(shí)際上并不存在這三種顏色。XYZ系統(tǒng)的光譜三刺激值也無法通過顏色匹配實(shí)驗(yàn)直接得到，而是以1931CIE-RGB系統(tǒng)光譜色品坐標(biāo)值換算求得的。RGB和XYZ兩個(gè)系統(tǒng)的色品坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為1931CIE-XYZ系統(tǒng)02六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)3.1931CIE-XYZ系統(tǒng)光譜三刺激值的確定1931CIB-XYZ系統(tǒng)的光譜三刺激值已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，定名CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值，簡(jiǎn)稱CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者。圖7.6給出CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度.觀察者光譜三刺激值曲線。1931CIE-XYZ系統(tǒng)02六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)3.1931CIE-XYZ系統(tǒng)光譜三刺激值的確定圖7.7為1931CIE-XYZ色度系統(tǒng)的色品圖，光譜色品軌跡也是一條馬蹄形曲線，等能白光色品點(diǎn)(E)為顏色的參考點(diǎn)。光譜色的飽和度是最高的，沒有比光譜色飽和度更高的顏色。實(shí)際存在的顏色的色品點(diǎn)均在光譜色品軌跡所包圍的范圍之內(nèi)。1931CIE-XYZ色品圖03六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)表示顏色特征的兩個(gè)量一主波長(zhǎng)和顏色純度04一種顏色的主波長(zhǎng)是以一定比例與參考白光相混合匹配出該種顏色光譜色的波長(zhǎng)，以表示。對(duì)于相同的顏色在不同明度條件下，主波長(zhǎng)將稍有不同，所以，主波長(zhǎng)和顏色的色調(diào)在一定條件下是相對(duì)應(yīng)的。由圖7.8可知顏色(M)的主波長(zhǎng)λd=550nm。1.主波長(zhǎng)和補(bǔ)色波長(zhǎng)六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)表示顏色特征的兩個(gè)量一主波長(zhǎng)和顏色純度04顏色純度表示顏色接近主波長(zhǎng)光譜色的程度，顏色純度的表示方法有兩種。(1)刺激純度任一種顏色都可以看成是一種光譜色與參考白光以一定比例的混合色，其中光譜色的三刺激值總和與混合色三剌激值總和的比值Pe，就能表示顏色接近光譜色的程度。定義Pe為顏色的刺激純度：2.顏色純度六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)表示顏色特征的兩個(gè)量一主波長(zhǎng)和顏色純度04顏色純度表示顏色接近主波長(zhǎng)光譜色的程度，顏色純度的表示方法有兩種。(1)刺激純度

或這就是根據(jù)顏色、主波長(zhǎng)光譜色和參考白光的色品坐標(biāo)求刺激純度的計(jì)算公式。2.顏色純度六、CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)表示顏色特征的兩個(gè)量一主波長(zhǎng)和顏色純度04(2)亮度純度顏色的純度也可以用該顏色所包含的光譜色的光亮度與該顏色的總光亮度的比值來表示，稱為亮度純度，以Pc表示。由前面的討論知，顏色的Y刺激值與顏色的亮度成正比，故有上式表示刺激純度Pe與亮度純度Pc之間的關(guān)系。顏色純度和顏色飽和度有一定關(guān)系，但是由于在色品圖上不同部位的顏色純度相同時(shí)飽和度不完全相同，故顏色純度只是與顏色飽和度大致相當(dāng)。2.顏色純度光源07七、光源表示光源顏色特性的兩個(gè)參量011.光源的光譜功率分布光源輻射的各種波長(zhǎng)的輻射功率是不相同的。光源輻射功率按波長(zhǎng)的分布叫作光源的光譜功率分布，常以s(λ)表示，分為以下兩種：(1)絕對(duì)光譜功率分布對(duì)應(yīng)于各波長(zhǎng)的輻射功率可用物理單位“W”或“mW”表示。(2)相對(duì)光譜功率分布各波長(zhǎng)輻射功率值之間的比例與絕對(duì)光譜功率分布相同，但各波長(zhǎng)的輻射功率可用任意單位表示。七、光源表示光源顏色特性的兩個(gè)參量012.色溫和相關(guān)色溫根據(jù)黑體的熱力學(xué)溫度T和其顏色之間的確定關(guān)系，可用黑體的溫度表示光源的顏色，稱為色溫。光源的色溫可定義為和光源有相同色品的黑體的溫度。用色溫表示的光源色品點(diǎn)一定在黑體色品跡線上。色品點(diǎn)在黑體跡線附近的光源，其顏色可用相關(guān)色溫來表示。光源的色溫是指色品最接近光源色品的黑體溫度。用相關(guān)色溫表示光源的顏色是近似的。七、光源CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體和標(biāo)準(zhǔn)光源02現(xiàn)將CIE推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)照明體和標(biāo)準(zhǔn)光源介紹如下：(1)標(biāo)準(zhǔn)照明體A和A光源標(biāo)準(zhǔn)照明體A與熱力學(xué)溫度T=2856K黑體有相同的光譜功率分布。用色溫2856K的溴鎢燈實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)照明體A，叫作A光源。(2)標(biāo)準(zhǔn)照明體B和B光源標(biāo)準(zhǔn)照明體B有和相關(guān)色溫為4874K的中午日光相近的光譜功率分布。實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)照明體B的B光源由A光源和戴維斯——杰布森液體濾光器組成。七、光源CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體和標(biāo)準(zhǔn)光源02(3)標(biāo)準(zhǔn)照明體C和C光源標(biāo)準(zhǔn)照明體C有與相關(guān)色溫為6774K的平均日光相近的光譜功率分布，它近于陰天時(shí)天空的光。實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)照明體C的C光源是由A光源和另一種戴維斯——杰布森液體濾光器構(gòu)成的。在CIE推薦下面將討論的標(biāo)準(zhǔn)照明體D65以前，標(biāo)準(zhǔn)照明體C和C光源是色度工作中的主要照明標(biāo)準(zhǔn)。七、光源CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體和標(biāo)準(zhǔn)光源02(4)標(biāo)準(zhǔn)照明體D65標(biāo)準(zhǔn)照明體D65有相關(guān)色溫為6504K典型日光的光譜功率分布。色品點(diǎn)在黑體跡線偏綠的一側(cè)，有更接近日光的紫外光譜成分。D65是CIE目前優(yōu)先推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)照明體，實(shí)現(xiàn)D65的光源尚未標(biāo)準(zhǔn)化，常用高壓氙燈加濾光器來模擬D65的光譜功率分布。中國(guó)顏色體系08八、中國(guó)顏色體系1.無彩色系無彩色系由絕對(duì)白色、白色、絕對(duì)黑色、黑色及不同比例白與黑兩種顏色混合成的灰色組成。統(tǒng)稱這些顏色為中性色，以符號(hào)N表示。明度值為0的中性色為絕對(duì)黑色;明度值小于2.5的為黑色;明度值在2.5~8.5之間的為灰色;明度值在8.5以上的為白色;明度值為10的為絕對(duì)白色。八、中國(guó)顏色體系2.有彩色系無彩色以外的所有顏色構(gòu)成了有彩色系。有彩色系的顏色均具有色調(diào)、明度及彩度三個(gè)屬性。(1)