光學(xué)設(shè)計 第3講 色度學(xué)

光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)理論色度學(xué)基礎(chǔ)（Colorimetry

）1色彩的生成2三基色原理3CIE-XYZ系統(tǒng)4CIE1960均勻色度標(biāo)尺圖5色溫6標(biāo)準(zhǔn)光源和標(biāo)準(zhǔn)照明體7顯色性1色彩的生成1色彩的生成紅

780nm~630nm橙630nm~590nm黃590nm~570nm綠570nm~500nm青500nm~460nm藍(lán)460nm~430nm紫430nm~380nm固有色——物體在日光照明下所反射出來的色色彩（顏色）是主觀量而非客觀量。1色彩的生成2三基色原理

三基色:能夠匹配所有顏色的三種顏色稱之為三基色或者三原色.匹配實驗表明,能夠匹配所有顏色的三種顏色不是唯一的.人們通常選用紅(R),綠(G),藍(lán)(B)作為三原色,其原因可能是:用不同量的紅綠藍(lán)三種顏色直接混合,幾乎可得到經(jīng)常使用的所有顏色;紅綠藍(lán)三種顏色恰與人的視網(wǎng)膜上的錐體細(xì)胞所敏感的顏色相一致。任何顏色均可用三種基本色以適當(dāng)?shù)谋壤旌隙?，通常選擇紅、綠、藍(lán)三種顏色作為基本色，這就是三基色原理。C(C)=R

(R)+G(G)+B(B)2三基色原理藍(lán)紅綠藍(lán)品紅黃白相加混合紅＋綠＋藍(lán)＝白色紅＋藍(lán)＝品紅綠＋藍(lán)＝青色（藍(lán)綠色）紅＋綠＝黃色1.3.2三基色原理相減混合白－紅＝青色白－綠＝品紅白－藍(lán)＝黃色白－紅－綠＝藍(lán)色白－紅－藍(lán)＝綠色白－綠－藍(lán)＝紅色白－紅－綠－藍(lán)＝黑色2三基色原理3CIE-XYZ系統(tǒng)（ColorCoordinates）

用三基色值來表示顏色是基于這樣一個實驗事實：多數(shù)色彩都可以用不超過3種適當(dāng)?shù)幕ㄉ|(zhì)）例如紅[R]，綠[G]，藍(lán)[B]來模仿。這樣就可能用3個色質(zhì)來規(guī)定一種顏色。但是，有些接近單色的色彩不能用3個正的[R]、[G]、[B]配色得到，而需要負(fù)值（色彩相減）。這種不便可以通過引入假想的色質(zhì)【X】【Y】【Z】而克服。通過將光譜分布函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)配色函數(shù)積分得到3個色值X,Y,Z。標(biāo)準(zhǔn)配色函數(shù)是由理想觀察者的視覺特性確定的，有具體的值。3CIE-XYZ系統(tǒng)三刺激值在明視覺條件下，假想的色值：X，Y，Z的計算公式如下：CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值：為光源的光譜分布。grbgrb三刺激值grb3CIE-XYZ系統(tǒng)GreenBlueRed圖

1931CIE色度圖

為方便起見，引入色坐標(biāo)(x,y)。如果光源以能量單位測量的光譜，它的x和y為：3CIE-XYZ系統(tǒng)圖

1931CIE色度圖3CIE-XYZ系統(tǒng)CIE1931xy系統(tǒng)色品圖:

(X)為紅原色；(Y)為綠原色；(Z)為藍(lán)原色。它們都落在光譜軌跡的外面，在光譜軌跡外面的所有顏色都是物理上不能實現(xiàn)的。光譜軌跡曲線以及連接光譜兩端點的直線所構(gòu)成的馬蹄形內(nèi)包括了一切物理上能實現(xiàn)的顏色。CIE1931xy色品圖上光譜軌跡的特點：①靠近波長末端700－780nm的光譜波段具有一個恒定的色品值，都是x＝0.7347，y＝0.2653，z＝0，所以在色品圖上只由一個點來代表。②光譜軌跡540－700nm這一段是一條與XY邊基本重合的直線。在這段光譜范圍內(nèi)的任何光譜色都可通過540nm和700nm二種波長的光以一定比例相加混合產(chǎn)生。

③光譜軌跡380－540nm一段是曲線，在此范圍內(nèi)的一對光譜色的混合不能產(chǎn)生二者之間位于光譜軌跡上的顏色，而只能產(chǎn)生光譜軌跡所包圍面積內(nèi)的混合色。光譜軌跡上的顏色飽和度最高。④連接色度點400nm和700nm的直線稱為紫紅軌跡。因為將400nm的藍(lán)色刺激與700nm的紅色刺激混合后會產(chǎn)生紫色。⑤y＝0的直線(XZ)與亮度沒有關(guān)系，即無亮度線。

▲光譜色的飽和度最高，白光的飽和度最低。

▲色品圖能表示顏色混合。（2）兩種顏色(P)和(Q)以一定比例混合生成參考白色，例如白光(E)，則兩顏色為互補色。在色品圖上，互為補色的兩顏色色品點連線，一定通過參考白光的色品點，例如色品點(E)。（1）顏色(M)和(N)的混合色的色品點，應(yīng)在顏色(M)和(N)色品點連線上，具體位置決定于兩種顏色的比例。

▲光譜色色品軌跡開口端770nm(紅)和380nm(紫)色品點連線上各色品點代表的顏色，不是光譜色，而是波長為770nm和380nm的紅和紫兩種光譜色和混合色。在色品圖上,色品點靠近光譜色色品軌跡的顏色,飽和度高,愈靠近白光色品點,顏色的飽和度愈低.3CIE-XYZ系統(tǒng)絕對黑體和全輻射體：在任何溫度下對任何波長的輻射能的吸收率都等于1的物體，是一種理想的模型。普朗克軌跡(PlanckianLocus)，又稱黑體軌跡：隨著絕對黑體加熱溫度的升高，按照普朗克計算出在各種溫度時的相對應(yīng)光譜功率分布轉(zhuǎn)換成CIEl931色度坐標(biāo)，絕對黑體不同溫度的色光變化在CIEl931色度圖上形成的弧形軌跡，稱為黑體軌跡。黑體輻射色坐標(biāo)計算求色坐標(biāo)黑體輻射溫度（K）色坐標(biāo)（x，y）15000.59,0.3920000.53,0.4130000.44,0.4140000.38,0.3860000.32,0.33黑體輻射溫度與色坐標(biāo)黑體軌跡D75D65D55標(biāo)準(zhǔn)光源的色坐標(biāo)計算：光源色坐標(biāo)（x，y）D550.33,0.34D650.31,0.32D750.30,0.31D65D55D75D65D55D75D65D55任意光譜的色坐標(biāo)計算：光譜（0.34,0.37）顏色寬容度：在色度圖上，把人眼感覺不出顏色變化的范圍稱為顏色寬容度。寬容度大小反映出人眼的色品分辨力。在CIE-1931xy色度圖的不同位置上，顏色的寬容量不一樣，如藍(lán)色部分寬容量最小，綠色部分最大。CIE-1931xy色度圖的缺點4CIE1960均勻色度標(biāo)尺圖u-v色度圖4CIE1976均勻色度標(biāo)尺圖4CIE1976均勻色度標(biāo)尺圖5色溫（ColorTemperatures）黑體輻射色溫：色溫是光源顏色的一種表示方法。當(dāng)光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下的顏色相同時，這一黑體的溫度稱為光源的顏色溫度Tc，簡稱色溫（CT），用熱力學(xué)溫度表示，單位為K（開爾文）。相關(guān)色溫：若光源發(fā)出的光與黑體在某一溫度下的顏色最接近，則黑體此時的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫，CTT。注：攝氏溫度t與熱力學(xué)溫度T的換算關(guān)系是：t=T－273.15℃5色溫光源的色溫：某光源的色度與絕對黑體輻射在某一溫度下的色度一樣，則這一溫度稱為某光源的色溫。

注意：相同光源色溫的相對光譜功率分布與某溫度下黑體輻射的光譜功率分布可能完全一致，也可能不一致。相關(guān)色溫：光源的光色在色度圖上不一定準(zhǔn)確地落在絕對黑體軌跡上，所以只能用光源與黑體軌跡最近的顏色來確定該光源的色溫，稱為相關(guān)色溫。5色溫色溫和相關(guān)色溫的一種計算方法McCamy近似公式法表

各種光源的色溫值光源色溫（K）光源色溫（K）太陽（大氣外）6500鎢絲白熾燈（100W）2740太陽（在地表面）4000－5000弧光燈3780藍(lán)色天空18000－22000鎢絲白熾燈（1000W）2920月亮4125熒光燈（日光色）6500蠟燭1925熒光燈（冷白色）4300煤油燈1920熒光燈（暖白色）2900鎢絲白熾燈（10W）2400高壓鈉燈2100表

部分光源色溫范圍和人體感覺光源色溫范圍光色類型人體感覺蠟燭<3300K暖色溫暖高壓鈉燈白熾燈暖白色熒光燈太陽（地表）3300K－5000K中間色中間冷白色熒光燈日光色熒光燈>5000K冷色清冷太陽（大氣外）藍(lán)色天空

通常，色溫高的光源的顏色偏藍(lán)，色溫低的光源顏色偏紅。光源偏藍(lán)的稱之為冷色（或冷光），光源偏紅的稱之為暖色，介于冷色和暖色之間的光色稱之為中間色。6標(biāo)準(zhǔn)光源和標(biāo)準(zhǔn)照明體GreenBlueRed1931CIE色度圖E點為三基色坐標(biāo)值相等的點，即在可見光譜范圍內(nèi)所有波長都具有相等的輻射功率，是色度學(xué)中采用的假想等能白光，其色溫約為5500K700nm/546.1nm/435.8nm光亮度比率為

1.0000

4.5907

0.0601輻亮度比率為

72.0962

1.3791

1.00006標(biāo)準(zhǔn)光源和標(biāo)準(zhǔn)照明體CIE推薦了四種標(biāo)準(zhǔn)照明體A、B、C、D和三種標(biāo)準(zhǔn)光源A、B、C。1、CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體標(biāo)準(zhǔn)照明體：指一定的光譜功率分布，這種標(biāo)準(zhǔn)的光譜功率分布并不是必須由一個光源直接提供，也不一定能用一個光源來實現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)照明體A：相當(dāng)于絕對黑體在加溫到2856K時所輻射出來的光，它的相對光譜功率分布可根據(jù)普朗克輻射定律計算：標(biāo)準(zhǔn)照明體A色度點正好落在CIEl931色度圖的黑體軌跡上。6標(biāo)準(zhǔn)光源和標(biāo)準(zhǔn)照明體標(biāo)準(zhǔn)照明體B：相當(dāng)于相關(guān)色溫4874K的直射陽光，光色相當(dāng)于中午陽光，其色度點緊靠黑體軌跡。標(biāo)準(zhǔn)照明體C：相當(dāng)于相關(guān)色溫為6774K的平均陽光，光色近似陰天天空的日光，其色度點在黑體軌跡上方。標(biāo)準(zhǔn)照明體D65：相當(dāng)于色溫約為6504K的日光，其色度點在黑體軌跡的上方。標(biāo)準(zhǔn)照明體D：代表標(biāo)準(zhǔn)照明體D65以外的其他日光。6標(biāo)準(zhǔn)光源和標(biāo)準(zhǔn)照明體標(biāo)準(zhǔn)光源：指用來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)照明體光譜功率分布的光源，CIE規(guī)定用下述人工光源來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)照明體。標(biāo)準(zhǔn)光源A：熔凝石英殼或玻璃殼帶石英窗口的充氣鎢絲燈，以產(chǎn)生色溫為2856K的輻射。標(biāo)準(zhǔn)光源B：在A光源前加一組特定的戴維斯-吉伯遜液體濾光器，以產(chǎn)生相關(guān)色溫4874K的輻射。標(biāo)準(zhǔn)光源C：A光源另加一組戴維斯-吉伯遜液體濾光器，以產(chǎn)生相關(guān)色溫6774K的輻射。戴維斯-吉伯遜濾色液系用硫酸鈉、甘露醇吡啶、蒸餾水，或硫酸鉆銨、硫酸鈉、硫酸、蒸餾水等不同的分量配合而成。7顯色性（Colorrendering）

色坐標(biāo)定量的描述了光發(fā)射源的顏色。由于視覺的性質(zhì)，一個普朗克發(fā)射體、幾個單色光源或者一個發(fā)射一組特定譜線的光源可以得到同樣的色坐標(biāo)。然而，隨著放電燈和熒光燈之類的冷光源的引入，上述色坐標(biāo)已不能滿足照明技術(shù)的需要。其原因是：這些光源（放電燈和熒光燈等）具有不同的光譜而色坐標(biāo)相同，人們稱這種光源為同分異構(gòu)光源。當(dāng)輻射被照明物體反射時，光譜依據(jù)反射率譜而改變（色度移動）。但由于反射譜對光源的不同頻率成分產(chǎn)生不同的色度移動，同分異構(gòu)光源照明的物體在視覺上可能表現(xiàn)為不同的顏色。因此，這種現(xiàn)象給照明技術(shù)提出一個嚴(yán)重的問題。為了評價照明質(zhì)量，CIE在1960通過引入均勻色度標(biāo)尺（UCS）圖來改善1931CIE色度圖不適用于通過色度移動區(qū)分顏色的缺點。7顯色性畫有普朗克軌跡的1960CIE均勻色度標(biāo)尺（UCS）的色度圖7顯色性用UCS色坐標(biāo)，照明質(zhì)量可以顯色性來描述.

顯色性：指光源的光照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果和對物體真實色彩的顯現(xiàn)程度。一般人工照明光源用一般顯色指數(shù)Ra作為顯色性的評價標(biāo)準(zhǔn)。Ra值越高，光源的顯色性越好。一般認(rèn)為：Ra＝80－100，光源的顯色性優(yōu)良；Ra＝50－79，光源顯色性一般；Ra<50，光源顯色性較差。注意：光源的色溫和顯色性并沒有直接聯(lián)系。例如，同樣低色溫的光源，白熾燈的Ra值大于95，而高壓鈉燈的Ra值僅為20－25。7顯色性Ra的計算方式7顯色性7顯色性7顯色性色差表

幾種有代表性的光源的顯色指數(shù)值和