光度學(xué)與色度學(xué)基本概念及應(yīng)用-LCD-LCM-LED-背光

光度及色度學(xué)基礎(chǔ)什么是光度學(xué)?對(duì)電磁輻射能量進(jìn)行客觀計(jì)量的學(xué)科稱(chēng)輻射度學(xué)；在可見(jiàn)光波段內(nèi)，考慮到人眼的主觀因素后的相應(yīng)計(jì)量學(xué)科稱(chēng)為光度學(xué)。光度學(xué)的基本概念光通量發(fā)光效率視見(jiàn)函數(shù)發(fā)光強(qiáng)度出射度亮度照度光通量（LuminousFlux

單位：lm）

指人眼所能感覺(jué)到的輻射能量，它等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對(duì)視見(jiàn)率的乘積。發(fā)光效率luminousefficiency

白熾燈30lm/W

日光燈100lm/WCCFL80lm/WLED35lm/W

人眼（標(biāo)準(zhǔn)電子眼）對(duì)光譜的響應(yīng)1、人眼僅能感受到波長(zhǎng)為0.38-0.78mm間的光波2、人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的響應(yīng)——視見(jiàn)函數(shù)V(λ)立體角solidangle

任意空間曲面對(duì)某空間點(diǎn)所張開(kāi)錐體空間稱(chēng)為立體角。立體角的單位為球面度（Sr）。立體角的大小：以該空間點(diǎn)（立體角錐頂）為中心，以任意半徑r（小于空間曲面到該空間點(diǎn)的最小距離）作一球面，球面被立體角錐體空間所截得的面積與半徑平方r2之比就稱(chēng)為立體角的大小。整個(gè)球面的立體角為4π（Sr)。發(fā)光強(qiáng)度

（Luminousintensityorangularintensity單位：Candla

(cd)） 點(diǎn)光源在某方向上單位立體角內(nèi)的光通量，記作Iv，即聚光膜的作用就是在總的光通量不變的條件下減小光源向空間輻射立體角的大小以增大正視方向上的發(fā)光強(qiáng)度，從而增大該方向上的亮度出射度areaintensity

單位面積光源向整個(gè)空間發(fā)出的光通量單位：lm/m2亮度（luminance

單位：cd/m2）面光源單位面積向單位立體角空間發(fā)出的光通量其它常見(jiàn)單位：熙提：1sb＝1cd/cm2＝104cd/m2亞熙提：1asb＝0.3182cd/m2法國(guó),朗伯：1L＝3.183×103cd/m2

美國(guó)英尺朗伯：1ft?la＝1lm/sq?ft＝3.426cd/m2

英國(guó)燭光每平方英尺：1cd/ft2＝10.76cd/m2英制燭光每平方英寸：1cd/in2＝1550cd/m2英制照度（Illuminance單位：勒克斯lux

）定義：?jiǎn)挝皇苷彰娣e上接收到的光通量，單位為流明／米2,稱(chēng)勒克斯。

發(fā)光強(qiáng)度為Iv的點(diǎn)光源在離光源的距離為r處的照度為現(xiàn)實(shí)生活中的照度值：教室中標(biāo)準(zhǔn)照明是指課桌上的照度值不低于50lux

白天無(wú)陽(yáng)光直射的自然景物上的照度為1～2萬(wàn)lux

夜間滿(mǎn)月下的照度為10－1lux11

晴天室內(nèi)的照度為100～1000lux

陰天自然景物上的照度為1000lux

小結(jié)1、光通量是能引起人眼反應(yīng)的那部分輻射通量2、人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光刺激的反應(yīng)敏感度不同3、光度學(xué)的基本概念：光通量、發(fā)光強(qiáng)度、光出射度、亮度、照度4、光度學(xué)只能表征光明亮程度，不能表征顏色特征色度學(xué)基本知識(shí)顏色與光譜光源的色度指標(biāo)色溫顯色性顏色的三個(gè)心理特征明度色調(diào)彩度

混色及顏色匹配顏色的同色異譜性顏色與光譜顏色波長(zhǎng)范圍(nm)紅620-780橙590-620黃560-590黃綠530-560綠500-530青470-500蘭430-470紫380-430太陽(yáng)光光譜常用LED顏色對(duì)照表色溫和顯色性是光源的兩個(gè)重要的色度指標(biāo)色溫是衡量光源色的指標(biāo)（客觀）顯色性是衡量光源視覺(jué)質(zhì)量的指標(biāo)（主觀）光源的色度指標(biāo)

同色異譜概念兩種光刺激值的光譜分布可以不同，但是顏色外貌、色坐標(biāo)可以完全相同，這種現(xiàn)象就是同色異譜。與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的相關(guān)聯(lián)性：黑體概念：絕對(duì)黑體，又稱(chēng)黑體，是一種對(duì)任何入射輻射都完全吸收的理想吸收體。黑體對(duì)任意波長(zhǎng)、任意方向的入射輻射既不反射，也不透過(guò)，而是完全吸收。黑體輻射的發(fā)射本領(lǐng)只與溫度有關(guān)。嚴(yán)格地說(shuō)，一個(gè)黑體若被加熱，其表面按單位面積輻射光譜能量的大小及其分布完全決定于它的溫度。因此我們把任一光源發(fā)出的光的顏色與黑體加熱到一定溫度下發(fā)出的光的顏色相比較，來(lái)描述光源的光色。所以色溫可以定義為："當(dāng)某一種光源的色度與某一溫度下的絕對(duì)黑體的色度相同時(shí)絕對(duì)黑體的溫度。色溫常見(jiàn)光源色溫光源色溫（K）晴天室外光13000全陰天室外光6500白天直射日光555045°斜射日光4800晝光色、熒光燈6500氙燈5600炭精燈5500～6500由于同一個(gè)顏色樣品在不同的光源下可能使人眼產(chǎn)生不同的色彩感覺(jué)，而在日光下物體顯現(xiàn)的顏色是最準(zhǔn)確的。因此，可以用日光標(biāo)準(zhǔn)（參照光源），將白熾燈、熒光燈、鈉燈等人工光源（待測(cè)光源）與其比較，顯示同色能力的強(qiáng)弱叫做該人工光源的顯色性。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“光源顯色性評(píng)價(jià)方法GB5702-85”中規(guī)定用普朗克輻射體（色溫低于5000K）和組合日光（色溫高于5000K）做參照光源。為了檢驗(yàn)物體在待測(cè)光源下所顯現(xiàn)的顏色與在參照光源下所顯現(xiàn)的顏色相符的程度，采用“一般顯色性指數(shù)”作為定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。光源的顯色性

色溫選擇亞洲人喜好-偏黃，暖色調(diào)6500k，(x:0.313y:0.329)

歐洲人喜好-偏藍(lán)，冷色調(diào)9300k,(x:0.281y:0.311)光源的顯色性以一般顯色性指數(shù)Ra值區(qū)分：

Ra值為100～75顯色性?xún)?yōu)良

Ra值為75～50

顯色性一般

Ra值為50以下顯色性差

顯色性指數(shù)最高為100。顯色性指數(shù)的高低，就表示物體在待測(cè)光源下"變色"和"失真"的程度。明度（Value）：表征顏色的明亮程度。明度對(duì)應(yīng)于亮度，但明度不等于亮度：亮度是可以用光度計(jì)測(cè)量的、與人視覺(jué)無(wú)關(guān)的客觀數(shù)值，而明度則是顏色的亮度在人們視覺(jué)上的反映，明度是從感覺(jué)上來(lái)說(shuō)明顏色性質(zhì)的。色調(diào)（Hue）是指顏色的基本相貌，它是顏色彼此區(qū)別的最主要最基本的特征，它表示顏色質(zhì)的區(qū)別。色調(diào)對(duì)應(yīng)于主波長(zhǎng)。彩度（Chroma）：彩度又稱(chēng)飽和度（Saturation）

，是指彩色的純潔性。顏色的三個(gè)心理特征：這個(gè)錐體垂直軸表示黑、白系列明度的變化，上端是白色，下端是黑色。色調(diào)用水平面的圓圈表示。圓圈上的各點(diǎn)代表可見(jiàn)光譜中各種不同的色調(diào)，圓形中心是灰色。從圓心向外顏色的飽和度增加。由圓圈向上或向下的方向變化時(shí)，顏色的飽和度也降低。在顏色立體的同一水平面上顏色的色相和飽和度的改變，不影響顏色的明度。由于顏色是一個(gè)三維函數(shù),所以應(yīng)該在三維空間來(lái)表示※但對(duì)于某些顏色,人眼對(duì)其分辨能力隨亮度而加強(qiáng),直到極亮?xí)r才急遽減少。

這個(gè)錐體表示人們?cè)谧畎禃r(shí)和最亮?xí)r對(duì)顏色的分辨能力較差,中間亮度時(shí)分辨能力最強(qiáng)。顏色立體

人眼對(duì)色調(diào)、飽和度、明度的辨別能力人眼能辨別的色調(diào)約130種，明度約600級(jí)，

飽和度平均約10級(jí)：紅色25級(jí)、黃色4級(jí)但當(dāng)飽和度明顯減小和明度特別大（或?。r(shí)，人眼對(duì)色調(diào)的辨別大大降低。實(shí)際上人眼能辨別的顏色數(shù)目約一萬(wàn)種。色光加色混色與顏料減色混色色光加色混色：由兩種以上色光相混合，呈現(xiàn)另一種色光的方法，稱(chēng)為色光加色法；亮度增加最終形成白色。顏料減色混色：紅、綠、藍(lán)任意兩種顏料等量混合，均能吸收絕大部分的輻射光而呈現(xiàn)具有某種色彩傾向的深色或黑色。因此，明度低的顏料調(diào)配不出明亮的顏色，只有明度高的顏料作為原色才能混合出數(shù)目較多的顏色，得到較大的色域。色對(duì)比和色適應(yīng)

在視場(chǎng)中，相鄰區(qū)域的不同顏色的相互影響叫做色對(duì)比。它包括有明度對(duì)比、色調(diào)對(duì)比、彩度對(duì)比。一般的顏色對(duì)比是這三種對(duì)比的綜合結(jié)果。對(duì)比的結(jié)果是增強(qiáng)了相鄰顏色間的差異。人眼對(duì)某一色光適應(yīng)后，觀察另一物體的顏色時(shí)，不能立即獲得客觀的顏色印象，而帶有原適應(yīng)色光的補(bǔ)色成份，需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間適應(yīng)后才獲得客觀的顏色感覺(jué)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)作色適應(yīng)的過(guò)程，這種現(xiàn)象稱(chēng)作色適應(yīng)。顏色匹配

把兩個(gè)顏色調(diào)節(jié)到視覺(jué)上相同或相等的方法叫做顏色匹配。其中兩個(gè)相互匹配的顏色，盡管處在不同條件下，兩個(gè)顏色仍始終保持匹配，即不管顏色周?chē)h(huán)境的變化，或者人眼已經(jīng)對(duì)其它顏色光適應(yīng)后再來(lái)觀察，視場(chǎng)中兩種顏色始終保持匹配。稱(chēng)為顏色匹配恒常律。顏色匹配實(shí)驗(yàn)與顏色匹配方程(C)(R)(G)(B)分別代表被配色及三原色的單位量，C、R、G、B分別代表被配色及三原色的數(shù)量。RGBC白屏黑屏人眼黑擋屏配色時(shí)，調(diào)節(jié)R、G、B三色的光強(qiáng)度，直到混合色與指定色C相一致。等能白光：假設(shè)一種混合光，它在380-780nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，各種波長(zhǎng)的輻射通量均相等，其顏色為白色。三原色的色度單位：選一等能白光作標(biāo)準(zhǔn)，在顏色匹配實(shí)驗(yàn)中選用三原色相加混合與之相匹配，達(dá)到匹配時(shí)的三原色光通量，各為一個(gè)色度單位。

E=1(R)+1(G)+1(B)三刺激值：采用色度單位后，顏色匹配方程中各原色的量為刺激值。

C(C)≡R(R)+G(G)+B(B)光譜色三刺激值：對(duì)等能白光中的各單色光進(jìn)行一系列配色實(shí)驗(yàn)，可以得到各波長(zhǎng)的等能單色光的一系列三刺激值，稱(chēng)光譜色三刺激值。光源色物體色色品：在色度學(xué)研究中，將明度與其他兩個(gè)特征分開(kāi)來(lái)討論，用色品來(lái)代表色調(diào)和飽和度兩方面的特征。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)白光：CIE1931-RGB真實(shí)三原色表色系統(tǒng)三原色選擇三原色色度單位量值確定

CIE規(guī)定，當(dāng)三原色與亮度為5.6508cd/m2的等能白光E相匹配時(shí)，各原色各具有一個(gè)色度學(xué)單位，即：光譜色三刺激值確定

配色實(shí)驗(yàn)確定光譜色色品坐標(biāo)與色品圖

CIE1931RGB系統(tǒng)色度圖CIE概念引入CIE1931-RGB真實(shí)三原色表色系統(tǒng)CIE1931-XYZ標(biāo)準(zhǔn)表色系統(tǒng)及其應(yīng)用說(shuō)明CIE1976L*a*b*色度空間CIE1960UCS及CIE1976UCS均勻色差圖CIE1964補(bǔ)充色度系統(tǒng)1931CIE-XYZ標(biāo)準(zhǔn)表色系統(tǒng)CIE1931-RGB表色系統(tǒng)的不足1、光譜色三刺激值有負(fù)值2、混合色的亮度計(jì)算較麻煩XYZ系統(tǒng)三原色的選擇選擇三個(gè)理想的原色（三刺激值）X、Y、Z，

X代表紅原色

Y代表綠原色

Z代表藍(lán)原色這三個(gè)原色不是物理上的真實(shí)色，而是虛構(gòu)的假想色。它們?cè)?931CIE-RGB真實(shí)三原色表色系統(tǒng)中的色度坐標(biāo)分別為：rgbX1.275-0.2780.003Y-1.7392.767-0.028Z-0.7430.1411.602對(duì)與同一色光，在不同色度系統(tǒng)下表示為：C(C)＝R(R)＋G(G)＋B(B)＝X(X)＋

Y(Y)＋Z(Z)C[C]＝R[R]＋G[G]＋B[B]＝X[X]＋

Y[Y]＋Z[Z]規(guī)定等能白光都由單位原色構(gòu)成(W)=1/3(X)+

1/3(Y)+1/3(Z)[W]=1/3[X]+

1/3[Y]+1/3[Z]三刺激值坐標(biāo)變換公式

X=0.490R+0.310G+0.200B

Y=0.177R+0.812G+0.011BZ=0.000R+0.010G+0.990B色品定義及坐標(biāo)變換：

x=（0.490r+0.310g+0.200b）/（0.667r+1.132g+1.200b）

y=（0.117r+0.812g+0.010b）/（0.667r+1.132g+1.200b）

z=（0.000r+0.010g+0.990b）/（0.667r+1.132g+1.200b）光譜色三刺激值： 由于XYZ系統(tǒng)中，顏色亮度完全由Y刺激值表示，等能光譜色對(duì)應(yīng)亮度也由光譜色三刺激值中的來(lái)表示。這樣的值就與光度學(xué)中的視見(jiàn)函數(shù)V(λ)具有相同的含義。CIE規(guī)定：于是：光譜三刺激值及色坐標(biāo)的計(jì)算分別為標(biāo)準(zhǔn)觀察者響應(yīng)曲線(xiàn)，為樣品的光譜能量分布，K為常數(shù)系數(shù)。1931色坐標(biāo)計(jì)算:x=X/（X+Y+Z）y=Y/（X+Y+Z）三刺激值計(jì)算:CIE1931-XYZ表色系統(tǒng)應(yīng)用說(shuō)明馬蹄形曲線(xiàn)上各點(diǎn)代表400～700nm的純光譜色（飽和度最大），各點(diǎn)連線(xiàn)叫光譜軌跡自光源經(jīng)被測(cè)點(diǎn)的射線(xiàn)與光譜軌跡的交點(diǎn)表示被測(cè)點(diǎn)主波長(zhǎng)經(jīng)光源點(diǎn)C畫(huà)一條直線(xiàn)交光譜軌跡于兩點(diǎn)，則這兩點(diǎn)的主波長(zhǎng)互為補(bǔ)色。三角形ABC內(nèi)各色度點(diǎn)無(wú)主波長(zhǎng)只有補(bǔ)色波長(zhǎng)飽和度光源色度點(diǎn)到被測(cè)樣品色度點(diǎn)的距離與光源色度點(diǎn)到主波長(zhǎng)色度點(diǎn)距離的比率PeCIE1964補(bǔ)充色度系統(tǒng)1、1931CIE-RGB和1931CIE-XYZ統(tǒng)稱(chēng)為CIE1931色度系統(tǒng)2、CIE1931色度系統(tǒng)僅適用于小視場(chǎng)(<40)情況下的顏色標(biāo)定；在>100時(shí)，光譜三激值在380～460nm區(qū)間數(shù)值偏低3、CIE1964規(guī)定了適用于100視場(chǎng)的光譜色三刺激值和色品圖；三原色為:(R)645.2nm,(G)526.3nm,(B)444.4nm。4、為與CIE1931區(qū)別，所有符號(hào)都加下標(biāo)“10”，如：X10,Y10,Z10等。CIE1931色度坐標(biāo)空間色差不均勻CIE1960UCS均勻色差圖CIE1976UCS均勻色差圖CIE1976L*a*b*色度空間

從CIE1931RGB系統(tǒng)到CIE1931XYZ系統(tǒng)，再到CIE1960UCS系統(tǒng)，再到CIE1976LAB系統(tǒng)，一直都在向"均勻化"方向發(fā)展。CIE1931XYZ顏色空間只是采用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)比例方法，描繪所要匹配顏色的三刺激值的比例關(guān)系；CIE1960UCS顏色空間將1931xy色度圖作了線(xiàn)形變換，從而使顏色空間的均勻性得到了改善，但亮度因數(shù)沒(méi)有均勻化。為了進(jìn)一步改進(jìn)和統(tǒng)一顏色評(píng)價(jià)的方法，1976年CIE推薦了新的顏色空間及其有關(guān)色差公式，即CIE1976LAB（或L*a*b*）系統(tǒng)，現(xiàn)在已成為世界各國(guó)正式采納、作為國(guó)際通用的測(cè)色標(biāo)準(zhǔn)。它適用于一切光源色或物體色的表示與計(jì)算。CIE1976L*a*b*空間由CIEXYZ系統(tǒng)通過(guò)數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換得到，轉(zhuǎn)換公式為：其中X、Y、Z是物體的三刺激值；X0、Y0、Z0為CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體的三刺激值；L*表示心理明度；a*、b*為心理色度。在這一坐標(biāo)系統(tǒng)中，+a*表示紅色，-a*表示綠色，+b*表示黃色，-b*

表示藍(lán)色，顏色的明度由L*

的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

色差19