工程光学课件第07章.ppt

,第七章 光度学与色度学基础,李湘宁,工程光学,,第七章 光度学与色度学基础,辐射度量和光度量及其单位,2,光度学中的基本定律,3,成像系统像面的光照度,4,,第七章 光度学与色度学基础,颜色视觉特性,6,CIE标准色度系统,7,色差及均匀颜色空间,8,,第一节 眼睛的结构及其视觉特性,眼睛的结构 人的眼睛相当于一个光学仪器，外表大体为球形，它的内部构造如图6-1所示。下面我们分别介绍各部分的构造和作用。,图6-1,,眼睛的结构,角膜：角膜是由角质构成的透明球面，厚度约为0.55毫米，折射率为1.3771，外界的光线就是首先通过角膜进入眼睛的。 前室：角膜后面的一部分空间称为前室。前室中充满了折射率为1.3374的透明液体，称为水状液，前室的深度大约为3.05毫米。 水晶体：它是由多层薄膜构成的一个双凸透镜。中间较硬，外层较软，在自然状态下，其前表面的半径为10.2毫米，后表面的半径为6毫米。各层的折射率不同，中央为1.42，最外层为1.373。借助于水晶体周围肌肉的作用，可以使前表面的半径发生变化，以改变眼睛的焦距，使不同距离的物体都能成像在视网膜上。 虹彩：它在水晶体前，中央是一个圆孔，它能限制进入眼睛的光束口径，称为瞳孔。随着被观察物体的亮暗程度，它能相应地改变瞳孔直径，以调节进入眼睛的光能量。,,眼睛的结构,后室：水晶体后面的空间称为后室，里面充满着一种与蛋白质类似的透明液体，叫做玻璃液，它的折射率为1.336。 视网膜：后室的内壁为一层由视神经细胞和神经纤维构成的膜，称为视网膜，它是眼睛的感光部分。 脉络膜：网膜的外面包围着一层黑色膜，它的作用是吸收透过视网膜的光线，把后室变成一个暗室。 巩膜：它是一层不透明的白色外皮，将整个眼球包围起来。 黄斑：视网膜上视觉最灵敏的区域。 盲点：神经纤维的出口，由于没有感光细胞，所以不能产生视觉。,,眼睛的结构,来自外界物体的光线，经过角膜以及水晶体折射后，成像在视网膜上，使视神经细胞受到刺激，而产生视觉。视网膜上所成的像是倒像，但我们的感觉仍然是直立的，这是由于神经系统内部作用的结果。 当注视某一物体时，眼睛依靠它外面肌肉的牵动，能自动地使该物体的像落在黄斑上。黄斑和眼睛光学系统像方节点的连线称为视轴。眼睛的视场虽然很大（可达150），但只是在视轴周围68的范围内能够清晰识别，其他部分就比较模糊。因此，我们观察周围的景物时，眼睛就自动地在眼窝内不停地转动。,,第一节 眼睛的结构及其视觉特性,眼睛的视觉特性,在人眼的组成中，视网膜是一个十分重要的视觉接收器。同时，它也是一个复杂的神经中心。眼睛的感光成份分为视网膜中的杆体细胞和锥体细胞。杆体细胞能感受弱光刺激，但不能分辨颜色；锥体细胞在强光下灵敏，它还有辨别颜色的功能。人眼只对可见光有视觉，而在可见光范围内，人眼对不同频率或波长的灵敏度视觉感觉强度不同。眼睛的灵敏度与波长的依赖函数关系，称为光谱光效率函数。,,眼睛的视觉特性,正常人的眼睛，对黄绿光最灵敏，对红光和紫光不灵敏，在可见光以外，则无视觉反应。因此，我们将555nm所对应的黄绿光波长的光谱光效率值定为1，为最大值；红光和紫光的光谱光效率值最小；红外光和紫外光的光谱光效率值为零。 通常为获得相等强度的视觉，对具有较大数值光谱光效率的光，需要较小的辐射通量。而对较小光谱光效率的光，则需较大的辐射通量。例如，为使555nm的黄绿光与波长为700nm的红光产生相等强度的视觉，则需黄绿光的辐射通量仅为所需红光的辐射通量的1/250。也就是说，为产生同等强度的视觉，光谱光效率值与所需光谱辐射通量成反比。,,眼睛的视觉特性,从光谱光效率函数的定义可知，不同波长的辐射所引起人眼的视觉感觉强度不同，即光谱灵敏度不同。而光谱灵敏度要受到所处环境亮度水平的影响。光亮度在几个cd/m2（光亮度的单位）以上时，正常人眼的适应状态叫明适应，此时的视觉叫明视觉，1924年国际照明委员会（CIE）公布了明视觉光谱光效率函数V（）。当亮度在百分之几cd/m2以下时，正常人眼的适应状态叫暗视应，相应暗视应的视觉称为暗视觉。1951年国际照明委员会（CIE）公布了暗视觉的光谱光效率函数V（），各种波长的光谱光效率值见表6-1。,,眼睛的视觉特性,,眼睛的视觉特性,表中各个数值代表了300多名标准观察者在中央凹视觉（23视场）的平均光谱灵敏特性，V（）和V（）曲线见图6-2所示。,图6-2,,第二节 辐射度量和光度量及其单位,辐射度量,1辐射能量 以电磁辐射形式发射、传输或接收的能量称为辐射能量，通常用Qe表示。度量辐射能量的单位为焦耳(J)。 2辐射通量（或辐射功率） 单位时间内发射、传输或接收的辐射能 量称为 辐射通量。用e表示，即 e = dQe/dt （6-1） 单位为瓦特(W)。,,第二节 辐射度量和光度量及其单位,3辐射强度 通常我们所接触的光源，在不同方向上的辐射通量 是不一样的。为了描述辐射体在不同方向上的发光特 性而引入辐射强度的概念。其定义为：辐射源在给定 方向上的辐射强度是该辐射源在包含给定方向的立体 角元d内传输的辐射通量为de，除以该立体角元 之商，即： Ie=de/d （6-2） 单位为瓦特球面度(Wsr-1)。 上式中取立体角元d，主要是为了精确表示该方向的辐射强度。d取得越小，越能表示辐射强度的精确性。对于各向同性光源，随着立体角元d的增大，它所对应的面积也增大，而辐射强度是不变的。,,第二节 辐射度量和光度量及其单位,,图6-3,图6-4,4辐射出射度 对于具有一定面积的辐射体，其表面上不同位置发 光的强弱可能是不一样的。为了描述任意一点B处的 发光强弱，在B点周围取面积元dA，假定它所发射的 辐射通量为de(不管其辐射方向和立体角的大小)， 如图6-3所示，则B点的辐射出射度可表示为： Me=de/dA （6-3） 即发光面上一点的辐射出射度是该面积元的辐射通量de除以该面积元面积之商。辐射出射度的单位为瓦特每平方米(Wm-2)。当辐射面均匀发光时，上式可表示为： Me=e/A,第二节 辐射度量和光度量及其单位,,第二节 辐射度量和光度量及其单位,5辐射照度 如果某一表面被辐射体辐射，为表示B点辐射的强弱， 在B点取微小面积元dA，它所接收的辐射通量为de，如图6-4所示，则de与dA之比就称为辐射照度。其表达式为： Ee=de/dA （6-4） 即表面上一点的辐射照度是入射在该面积元上的辐射 通量de除以该面面积元dA之商。单位为瓦特每平方米(Wm-2)。 辐射照度和辐射出射度的单位尽管相同，但它们却有 本质上的区别，即一个适用于被照表面，另一个适用于辐射表面。 6辐射亮度 辐射出射度仅能表示面辐射体的部分辐射特性，而不能充分表示出具有一定面积的辐射体的全部辐射特性。因为辐射出射度只表示单位面积发射的辐射通量大小，它没有涉及到辐射的方向问题。辐射亮度表示辐射表面不同位置、不同方向上的辐射特性。,,图中以B点为中心，在其周围取一微面元dA，在与辐射面的法线N成角的方向BO取立体角元d ，设在d 立体角内发射的辐射通量为de，且dA在BO垂直方向上的投影面积为dAcos,则辐射亮度表示为：,第二节 辐射度量和光度量及其单位,图6-5为描述辐射亮度的示意图。,（6-5）,即辐射源表面上一点处在给定方向的辐射亮度是包含该点的面积元在给定方向的辐射强度与面元在垂直于该方向的平面上的正交投影面积之商。辐射亮度的单位为瓦特每平方米每球面度(Wm-2sr-1)。辐射亮度的大小与辐射面的性质有关，并且随方向改变。,图6-5,N de B dA,d,,第二节 辐射度量和光度量及其单位,光度量,1光通量 辐射能量中用V()折算到能引起人眼光刺激的那一部分辐射通量，称为光通量。用表示，单位为流明(lm)。 实际上，光通量是指光源在单位时间内所发出的光能多少，可以看作类似于其它量的流速，如：每秒多少米，每分钟多少毫升等。 2发光强度 光源在给定方向上的发光强度是该光源在包含给定方 向的立体角元d内传输的光通量d与该立体角元之 商，即：,I=d/d,（6-6）,发光光强的单位为坎德拉(cd)。 发光强度具有和辐射强度类似的特性，如均匀发射的点光源，其总光通量为4I。,,第二节 辐射度量和光度量及其单位,光度量,3光出射度 光源单位发光面积上发出的光通量，定义为光源的光 出射度，用M表示。即光出射度表示为： M=d/dA （6-7） 如果发光面各点均匀发光时，公式可表示为： M=/A 式中：M表示在A面上各点光出射度的平均值。 4光照度 单位受照面积接受的光通量，定义为光照面的光照 度，用E表示。即光照度表示为： E=d/dA （6-8） 光照度的单位为勒克斯(lx)，lx=lmm-2。光出射度和 光照度具有相同的数学表达式和量纲。而前者用于发光 体，后者用于被照表面。,,第二节 辐射度量和光度量及其单位,5光亮度 光源表面上一点处在给定方向的光亮度是包含该点的 面积元在给定方向的发光强度与面积元在垂直于该方向 的平面上的正交投影面积之商，用L表示。其表达式 为： L=I/(dAcos) （6-9） 由上式可见，方向的光亮度L是投影方向的单位面 积上的发光强度。或者说是投影到方向的单位投影面 积单位立体角内的光通量。光亮度的单位为坎德拉每平 方米(cdm-2)。 6光源的发光效率 光源的发光效率是一个十分重要的物理量。一个照明 电光源，除要求具有较好的显色特性和长寿命以外，还 要求其光效要高，以达到节约能源的目的。光源发出的 光通量与所耗电功率之比，称为光源的发光效率。用 表示，即： =/P （6-10） 式中：单位为流明每瓦特(lmW-1)。,,第二节 辐射度量和光度量及其单位,7光度学计量单位的确定 光度学的计量单位与其它计量单位一样，分基本单位 和导出单位。在光度学中，用发光强度的单位“坎德拉” 作为基本单位，其它单位均作为导出单位。 一个坎德拉的最新规定是：光源发出频率为 5401012Hz的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为 1/683W每球面度时，其发光强度为1坎德拉(cd)。 5401012Hz的频率相当于折射率为1.00028的空气中 555nm的波长。这里之所以用频率是因为频率与介质的 折射率无关，而波长却与折射率有关。光强的单位确定 后，就可以确定其它光度量的单位了。 如果发光强度为1cd的点光源，在单位立体角内所发射的光通量就定为1lm。若此点光源是各向同性的，则它所 发射的总光通量为4lm。 如果1lm的光通量均匀分布在1m2的面积上，则光照度 为1lx。 如果1m2表面沿法线方向发射1cd的光强，则发光面的 亮度就定为1cd/ m2。,,第二节 辐射度量和光度量及其单位,表6-2列出了常见发光体表面光亮度的近似值，表6-3为常见受照物体表面光照度值。两表所列数值仅供参考。,表6-2,表6-3,,第二节 辐射度量和光度量及其单位,光度量与辐射度量间的关系,暗视觉时：,(6-12),=,=,(6-13),式中：和是光通量，单位为流明(lm)；e是辐射通量的光谱密集度，单位为W/m；V()和V()为光谱光效率函数，无量纲。所以，在等式右边分别引入系数Km和Km，使等式两边的单位相统一。将Km和Km称为最大光谱光效能，单位为流明每瓦(lm/W)。对于明视觉，Km=683lm/W；对于暗视觉，Km=1700lm/W。对于Km值需要说明的是假定辐射体的辐射功率为1W，并且全部转换成了555nm的可见辐射，则该辐射体所发射的全部光通量也仅为683lm。所以，683lm为发光效率的极限值。,d()=KmV()de()=KmV()e()d (6-11),有了光谱光效率函数，我们就可以确定光的度量单位与辐射量单位在数值上的关系。按人眼的视觉特性以（）来评价的辐射通量即为光通量，二者关系为 在可见光区的总光通量为： 明视觉时：,,第三节 光度学中的基本定律,一、朗伯定律,设dA为一发光面或漫射光表面，由量度的定义可知，在与法线成角方向的亮度为： L=I/(dAcos) 式中：I为方向上的发光强度，如图6-6所示。 同理，在法线方向上的亮度为：Lo=Io/dA 如果发光面或漫射表面的亮度不随方向改变，则在法线方向和成角方向的亮度相等。因此有： L=Lo=I/(dAcos)=Io/dA,I=Iocos (6-14),图6-6,上式为朗伯定律（或发光强度的余弦定律）的数学表达式。遵从朗伯定律的光源称为朗伯光源，他的亮度是不随观察的方向改变而变化的。严格地讲，只有绝对黑体才是朗伯光源。被均匀照明的烟熏的氧化镁表面、毛玻璃或乳白玻璃表面，都可以近似地看作遵从伯朗定律的光源。,,根据光出射度和光照度之间的关系，M=E，所以式(6-15)又 可写成：L=,即单位面积所发射的光通量为其 亮度的倍。因此，只要测出漫射光表面所发射的总光通量或光出射度即可计算出发光面在各个方向上的光亮度。,第三节 光度学中的基本定律,根据朗伯定律的定义，漫射光表面的亮度是不随方向改变的。因此，漫射光表面所发出的总光通量和亮度之间的关系为： d=LdA,将d=EdA代入前式，则得：EdA=LdA,L=,(6-15),或 M=L,设一遵从伯朗定律的漫射光表面dA，它的光照度为E，根据光通量和光照度之间的关系，面积元dA所接收到的光通量为：d=EdA 设漫射表面的漫射系数为，则面积元dA所 反射出来的总光通量d，则 d=d=EdA,,因为假设光辐射在所限定的空间内传播时，无能量损失， 则： d12 = d21 相应可得到： L1 = L2,d12=L1dA1cos1d,根据几何光学中光线的可逆性原理，相应由dA2面 发射到dA1面上的光通量为： d21=L2dA2cos2d,1=,如两个面积元dA1和dA2的中心连线OO的距离为l；两面积元的法线与中心连线之间的夹角分别为1和2；设两面积元在沿OO（或OO）方向所传递的光能量均投射在相对应的面积元dA2和dA1上，即光能量无外溢，也无损失，两面积元的光亮度分别为L1和L2。如图6-7所示。则由dA1面发射到dA2面上的光通量为：,第三节 光度学中的基本定律,二、光能传播定律,2=,,第三节 光度学中的基本定律,1,l,N,N,1,2,O,O,dA1,d,dA2,d,2,图6-7 光辐射传播示意图,,第三节 光度学中的基本定律,从以上讨论可知，光辐射在同一均匀介质中和所限定的空间内传播时，如果无能量损失，则在传播方向上的任一截面上的光通量和光亮度均保持不变。如果光辐射在传播过程中有能量损失，则1221，相应L1L2。 如果dA1面为发光面，dA2面为接收面（如光电探测器表面），则由dA1面发射，dA2面接收到的光通量为：,d=,(6-16),式中：L为发光面的光亮度, 这就是光能传播定律。 从上式可看出，只要测得d，即可计算光亮度。特别是发光面遵从朗伯定律时，其计算更为简单。,,二、光能传播定律 光辐射传播过程的能量损失对光通量和光亮度有着重要的影响。现讨论如下：如两个面积元dA1和dA2的中心连线OO的距离为l；两面积元的法线与中心连线之间的夹角分别为1和2；设两面积元在沿OO（或OO）方向所传递的光能量均投射在相对应的面积元dA2和dA1上，即光能量无外溢，也无损失，两面积元的光亮度分别为L1和L2。如图6-7所示。 则由dA1面发射到dA2面上的光通量为： d12=L1dA1cos1d 1=,根据几何光学中光线的可逆性原理，相应由dA2面发射到dA1面上的光通量为：d21=L2dA2cos2d,第三节 光度学中的基本定律,2=,因为假设光辐射在所限定的空间内传播时，无能量损失， 则：d12 = d21相应可得到: L1 = L2,,第三节 光度学中的基本定律,从以上讨论可知，光辐射在同一均匀介质中和所限定的空间内传播时，如果无能量损失，则在传播方向上的任一截面上的光通量和光亮度均保持不变。如果光辐射在传播过程中有能量损失，则1221，相应L1L2。 如果dA1面为发光面，dA2面为接收面（如光电探测器表面），则由dA1面发射，dA2面接收到的光通量为： d=,(6-16),式中：L为发光面的光亮度, 这就是光能传播定律。 从上式可看出，只要测得d，即可计算光亮度。特别是发光面遵从朗伯定律时，其计算更为简单。,,设点光源在单位立体角内所发射的光线是均匀的，在距点光源为l距离处截一面积元dA，则通过dA的光通量也是均匀的，如图7-8所示。 根据光强的定义，在,第三节 光度学中的基本定律,三、照度的距离平方反比定律,方向的光强为：,所以有d=Id，为通过dA面所接收到的光通量。而 E=,将d,=,E=,(6-17),I=d/d,代入上式得到,图7-8,,式(6-17)说明：垂直于光线传播方向的被照表面的光照度，与从光源到接收面的距离平方成反比，与光强成正比。这一原理称为距离平方反比定律。此定律包含了发光强度、照度与距离之间的关系，在光度学和辐射度学中广泛应用。 另设S为点光源，它到面积元dA的距离为l，S对dA所张的立体角为d ，,第三节 光度学中的基本定律,E=,=,=,光线的轴线与dA的法线之间的夹角为，如图6-9所示。从图中可知，光源S向dA所发射的光通量为：,d=Id,很显然，在dA面上产生,这就是光度学中的照度余弦定则。,为点光源垂直于传播方向的被照表面的光照度，用E0表示。E为光线以倾角为斜射到被照表面的光照度，即：,E=E0cos (6-18),的照度,图6-9,,第三节 光度学中的基本定律,由式(6-18)可看出，当角为零时，照度值最大。随着角的不断增大，照度值将变小。在照明工作中，在计算各种物体表面的光照度或用照度计直接测量光照度时，必须考虑由角的变化而带来的测量和计算误差。,需要指出的是，任何光源都有一定的形状和大小，只有当测试距离比光源本身的线度大得多，即光源的限度可忽略时，才可将光源当作点光源来处理，这时应用式(6-18)计算所带来的误差很小。 设光源的最大线度为r，测量的距离为l，当r/l小于0.1时，相对误差小于1%。所以当测量距离l比光源的线度r大10倍以上，可将光源视为点光源计算。,,第四节 成像系统像面的光照度,一、轴上像点的光照度,图6-10表示了一个成像光学系统。dA和dA分别代表轴上点附近的物和像的微小面积，物方孔径角为U，像方孔径角为U，物面和像面的光亮度分别为L和L。若物被看作是余弦辐射体，则微面积dA向孔径角U为的成像光学系统发出的光通量为,图6-10,,光在光学系统中传播时，存在能量损失，若光学系统的光透过比为，则,第四节 成像系统像面的光照度,从出瞳入射到像面微面积dA上的光通量为,，因此,轴上像点的光照度为,又,所以,当系统满足正弦条件时，,故,(6-20),(6-19),图6-11 光学系统的轴外点成像,式(6-19)和(6-20)就是像面轴上点照度的表达式。式(6-19)表明，轴上像点的照度与孔径角正弦的平方成正比，和线放大率的平方成反比。,,式中，D为出瞳直径；为像面到出瞳的,第四节 成像系统像面的光照度,二、轴外像点的照度,(6-21),当像面的视场较大时，随视场中心向外，照度逐渐下降，这是因为同一垂轴像面的轴外点比轴上点的离出瞳较远，以及出瞳面对轴外点有较小的投影面积。如图6-11，M为一轴外点，它对应的主光线视场角为，对出瞳的张角为UM，按照式的照度计算，M点的照度为,当UM较小时，有,代入式(6-21)，得到,即,式中，,式(6-22)表明，轴外像点的光照度随随视场角余弦的四次方迅速下降，如果轴外光束有渐晕，则实际照度还将更低。,距离。,把,(6-22),为像面轴上点的照度。,图6-11,,第四节 成像系统像面的光照度,表6-4表示了对应于不同视场角的轴外像点照度降低的情况。,表6 - 4 不同视场角的轴外点照度与轴上像点照度比,,第五节 色度学及其颜色视觉理论,色度学是研究人眼的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的学科，它是一门以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。对于颜色科学的研究，国内受到越来越广泛的重视，国外也是非常热门的学科，它在许多技术领域都有重要应用。,经过生理医学的研究证明，在正常人眼的视网膜上有三种锥体感光细胞红、绿、蓝三种视色素，相当于在人眼的视网膜上作用着不同光谱响应度的三种接收器，其光谱响应度的最大值分别在红光、绿光和蓝光区域由于各种颜色的光都可以由红、绿、蓝三种颜色的光按一定的比例混合而得到，则将红、绿，蓝称为三原色当光照射到人跟的视网膜上后，可以同时引起三种感光细胞的反应而波长不同时，反应的程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉,,第五节 色度学及其颜色视觉理论,当长波端的光照射人眼时，由于蓝、绿感光细胞的反应程度相对于红光小很多，所以综合反应人眼感觉为红色。如短波端的光照射人眼时，蓝光感光细胞反应强烈，其它两种反应很小时，综合反应为蓝色当只有红、绿光成分时，如果引起人眼的反应相同或相似时，综合反应结果为黄色，不同时为棕色如以蓝光反应为主，相应红光反应较小，并且无绿光反应时，综合反应为紫色。,当引起红绿、蓝三种感光细胞的反应相同时，则定会使人眼的颜色感觉为白色。黑色则是三种感光细胞均不反应时的感觉。总的亮度感觉则为三种感光细胞中每种细胞所提供的亮度感觉之和。图6-12 为三种感光细胞的反应曲线。横坐标为波长，纵坐标为相对响应度，其中蓝色曲线的纵坐标放大了20倍。,图6-12,,第五节 色度学及其颜色视觉理论,图6-13为1000W钠铊铟灯的相对光谱功率分布曲线从图6-13 可见，三条主要线状光谱的峰值波长约为450nm的蓝光谱，540nm的绿光谱和590nm的红色光谱它们的光谱功率分布是高度不连续的线状光谱，因红、绿、蓝三光谱线引起人眼的反应相同，所以它呈现白光 由以上的讨论，我们可以得出以下结论：任何一种颜色的光都可由三原色按一定的比例混合而得到，当光射入人眼后，三种颜色的光分别作用于视网膜上的三种接收器上而产生反应，反应的综合结果，人眼即产生颜色感觉。,图6-13,,第六节 颜色视觉特性,在色度学中，某种颜色的获得是由三原色按一定的比例混合而得到的在颜色视觉领域里，通常由色调、明度、饱和度(纯度)三个参数来描述彩色特性。在盂塞尔颜色样品里，H表示色调、V表示明度，C表示饱和度。,色调：彩色彼此相互区分的一种特性。在可见光谱中，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫以及许多中间过渡波长，在人眼的视觉上都表现为各种色调。红色一般指610nm以上的光谱区域，570590nm的区域为黄色，500570nm为绿色，500nm以下为蓝色或蓝绿色，紫色为400nm附近其余是介于中间的颜色。光源的色调是由其辐射的光谱组成对人眼所产生的感觉所决定的。而物体的色调，除与照明光源的光谱成分有关以外，还与物体的光谱反射和透射特性有关。,,第六节 颜色视觉特性,明度：人眼对物体明暗的感觉。明度的高低同样与两个因素有关，对于发光的光源来说，亮度越大，明度越高。而不发光的彩色物体，在照明光源一定的情况下，光谱反射比或光谱透射比越高，则明度越高，或者说引起人眼明暗感觉的程度大。明度除和亮度有关外，还受色调和背景的影响。如相同的能量，绿光引起人眼的视觉感觉强度大，同一彩色物体，亮背景的明度远高于在暗背景的明度。,饱和度：指彩色的纯结性，也称纯度。饱和度是指彩色和非彩色的差别，这种差别是指与同亮度的白光相比较，以避免将亮度的差别与彩色的差别混在一起。彩色是指黑白系列以外的各种颜色。非彩色是指黑色，白色和各种深浅不同的灰色。,,第六节 颜色视觉特性,当物体对可见光中各种波长的反射均在80以上时，此物体呈现为白色，当100反射时，称为纯白色物体。实际上，白色与纯白色物体均与照明光源的光谱功率分布(在可见区)有关。纯黑色则是100的吸收可见光。在日常生活中，纯白色和纯黑色物体是一种理想的颜色，在自然界中是找不到这样的物体的，也无法在实验室中获得。 在可见光谱中，各种波长的单色光是最纯的彩色。如在单色光中掺加白光，则纯度将下降。同样，物体色的饱和度与其本身的光谱反射特性有关，如反射光的波长范围很窄，其它波长的光全部吸收掉了，则说明物体的颜色纯度很高。对于非彩色，它们只有明度的差别，而无色调和饱和度等特性。,,第六节 颜色视觉特性,图6-14 为盂塞尔颜色立体图，它可以一目了然地描述颜色的基本特性。在颜色立体图中，垂直轴代表黑白系列明度的变化，它共分11级明度，纯黑色为0，纯白色为10，中间为各种灰色的过渡(图6-15 左图)。圆周上各点代表各种不同的色调，圆心代表中性灰色。从圆心向圆周过渡，其饱和度增加在圆周上共分10个主色调，如图6-15 右图所示。,图6-14,图6-15,,第六节 颜色视觉特性,其中R(红)、Y(黄)、G(绿)、B(蓝)、P(紫)等为5个主色调，在圆形色环中分成5个等距离的位置，每个相隔72o。再在5个主色调中间插入5个色调，YR、GY、BG、PB、RP共计10个主色调，每个色调又分成10等份，如1R，2R，10R，规定每种主要色调和中间色调的标号为5对于盂塞尔颜色板，其色调、明度、饱和度的书写方式为H*VC，H表示色调，V为明度，C为饱和度例如：75R64表示色调为红，明度为6，而饱和度为4的淡灰红色。中性色的饱和度为零如N50，N代表中性色，5为明度，而其饱和度为零,,第六节 颜色视觉特性,,第六节 颜色视觉特性,（6-23）,CIE规定，在计算光源一般显色指数和特殊显色指数时，采用114块颜色板的光谱辐射亮度系数表数据进行计算。 光谱辐射亮度系数是在给定的方向上，当锥体立体角趋于零时，颜色样品的光谱辐射亮度上L（）与完全漫反射体的光谱辐射亮度 LD（） 之比，用 （）表示：,其含义如图6-16 所示。,图6-16,,第七节 CIE标准色度系统,国际照明委员会(CIE)在1931年规定了两套色度系统，一是1931CIE-R、G、B色度系统；一种是X、Y、Z色度系统两种系统都是建立在人眼的颜色视觉理论和三色混合实验的基础之上的本节从三色混合实验出发，系统讨论两种标准色度系统。,一、三色混合实验,图6-17 中MM为圆形白色漫反射屏幕。斜上方为三个基色光源红(R)、绿(G)、蓝(B)，将红、绿、蓝称为三原色，它们的光度大小由光量调节器C控制。,斜下方为待配色源，它发射的光可以是各种颜色。N为黑色小档屏，它的作用是将上下两色源投射在屏幕MM上的光斑分开。由MM漫反射的光经圆形小孔照射入眼，人眼的视场控制在20左右，这样可以认为视觉作用是中央凹锥体细胞所引起的。,图6-17,,第七节 CIE标准色度系统,首先让待配色源发射的光照射白色屏幕MM，形成某种特定颜色的光，然后通过光量调节器C调节红、绿、蓝光的强度，反复调整，直到三原色光以一定比例混合后所产生的颜色与待配色源所发射光的颜色相同此时视场中的分界线消失，说明待配光的颜色与三原色的混合光色达到色度匹配 任何一种颜色的光都可以由三原色按一定的比例混合而得到将三原色之间的相对比例称为三刺激值，用R、G、B表示。相对比例不同，所配得的颜色不同如红、绿混合，而蓝色为零，则混合色可连续改变为从红橙黄绿；如红和蓝光混合，其混合后的色彩可以从红绛紫蓝变化；绿蓝混合可得青色(比例合适)；当红，绿，蓝同时混合时，可以得到较淡的某些颜色，如比例合适时，可以得到白光。,,第七节 CIE标准色度系统,A,通过大量的色光混合实验，可得出以下结论，即格拉斯曼定律： (1)人眼只能分辨颜色的色调、明度和饱和度。 (2)在三种色光混合时，如果一种色光的成分连续变化，则混合色光的颜色也将连续变化。 (3)引起人眼颜色感觉相同(色调、明度、饱和度)的光，在色光混合中都具有相同的效果，而与它们的光谱成分无关。 设有四种色光A、B、C、D，假设色光A可以被另一色光B相匹配，即：AB,色光C又可以被色光D相匹配,即：CD,则在很大范围内，左边两色光的相加可以匹配右边两色光的相加，即：A+C=B+D。“”仅表示匹配，而不是数字中的“恒等”之意这就是格拉斯曼的色光混合加法定律。CIE在1959年第14次会议上，确定该加法定律为色度学的基础。 (4)混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度总和。,,第七节 CIE标准色度系统,以上结论是通过色光混合得出的。但要注意三点： 一是它只适用于颜色相加的混色，而不适用于印染、纺织、装饰材料等领域各种颜料的混合。 二是在三色混合实验中，三原色是任意选取的，只要满足一种原色不能由其它两种原色相加混合而得到的条件即可。 三是尽管各种颜色的光都可由三原色按一定的比例混合而得到，这个结论尽管完全正确的，但在配得某种颜色的光时，必须将三种原色中的某种色源移向待配色源一边，才可在视场中获得相同的颜色。这时在混合色光中将出现负值的原色。,,RGB色度系统是吉尔德建议用单色光源；红(700.0nm)、绿(546.1nm)、蓝(435.8nm)做为三原色来进行混色实验的。以上三种基本颜色得到了国际照明委员会的认可用此三原色匹配等能量白光时的三刺激值相等，即RGB如果在匹配时，选取三原色的单位量值为；,第七节 CIE标准色度系统,二、RGB色度系统,=1lm ,=4.5907lm ,后可以得到56508lm的等能量白光，将,，,和,规定了基色量以后，我们可以确定颜色匹配的代数式即颜色匹配方程设R、G、B和 分别代表三刺激值和被匹配某种颜色的光通量，其中 常称为彩色量，当混色实验达到两个半场匹配时，有:,(6-24),=0601lm ，,则混色,称为基色量，它表明三原色的单位量值的大小。,,第七节 CIE标准色度系统,式(6-24)为颜色匹配方程它表示各需要多少个,、,、,才能匹配出某种颜色的光通量.三刺激值R,G,B不但决定了被匹配色源的颜色，而且还决定了它的光通量值的大小将三个基色量值代入式(6-24)中得：,=R+4.5907G+0.601B,(6-25),当R=G=B时，,代表等能量白光的光通量值；当R、G、B不等时，如为任意比例数值，则 代表任意颜色的色光和光通量值。,如果只求色度，而不需要知道光通量的大小，则只需知道三原色中的R、G、B各自在R+G+B总量中的相对比例，此比值称为色品坐标，用r,g,b表示，它们与三刺激值之间的关系式为：,(6-26）,从式(6-26)可知：r+g+b=1 等能量白光的色品坐标为:r=g=b=1/3,,第七节 CIE标准色度系统,以上结论是通过色光混合得出的。但要注意三点： 一是它只适用于颜色相加的混色，而不适用于印染、纺织、装饰材料等领域各种颜料的混合。 二是在三色混合实验中，三原色是任意选取的，只要满足一种原色不能由其它两种原色相加混合而得到的条件即可。 三是尽管各种颜色的光都可由三原色按一定的比例混合而得到，这个结论尽管完全正确的，但在配得某种颜色的光时，必须将三种原色中的某种色源移向待配色源一边，才可在视场中获得相同的颜色。这时在混合色光中将出现负值的原色。,,第七节 CIE标准色度系统,如以r为横坐标，以g为纵坐标，可得图7-18所示的色品图。,图中舌形曲线上各点代表所有单色光的色品坐标点，这些色品坐标点连成的舌形曲线称为光谱轨迹从图中可知，在光谱轨迹上的色品坐标值，在很大范围内出现负值，究其原因是在三色混合实验中，无论如何调节光量调节器C，都不能使视场颜色相匹配，而必须将三原色中某种基色源移向待配色源一边，才可能实现颜色匹配，这基色就用负值表示由此，RGB色度系统中的色品坐标就会出现负值现象。,图7-18,,第七节 CIE标准色度系统,三、CIEl931XYZ色度系统,RGB色度系统是XYZ色度系统的过渡，几乎无人使用RGB色度系统，因为使用RGB色度系统很不方便。原因是在三色混合实验中，三刺激值中的某种要取负值。所以在1931年国际照明委员会又推荐了一种新的国际通用色度系统CIEl931- XYZ色度系统。 XYZ色度系统是建立在RGB色度系统基础之上的由三个虚设的三刺激值X、Y、Z来代替R,G,B，而组成一个新的色度系统。由于两个色度系统都是国际照明委员会所规定和采纳的，所以都称为CIE色度系统，而将XYZ称为标准色度系统，简称XYZ色度系统。,,第七节 CIE标准色度系统,XYZ色度系统三原色的选择条件是： (1)用三原色匹配等能量的白光时，三刺激值X、Y、Z均为正，而且必须使色三角形包含全部光谱轨迹(见图7-18)。要求色三角形内光谱轨迹外面部分的面积为最小。 (2)X、Z只代表色度，Y表示颜色的亮度。 (3)X=Y=Z仍代表等能量白光,在图7-18 中，整个光谱轨迹全在色三角形之内，这样可以使一切色光的三刺激值X、Y、Z均为正值，对于计算三刺激值十分有利,由图7-18及有关数据可知，从540nm一直到长波端，光谱轨迹都在r+g=1的直线上所以匹配540700nm之间的单色光时，蓝光B几乎不起作用。由此可知，只需红、绿两色相加，就可以匹配这中间区域内的任何色光。在其它区域，光谱轨迹弯曲，单色光除其单色性以外，很难从别的光谱组合得出。,,第七节 CIE标准色度系统,以上结论是通过色光混合得出的。但要注意三点： 一是它只适用于颜色相加的混色，而不适用于印染、纺织、装饰材料等领域各种颜料的混合。 二是在三色混合实验中，三原色是任意选取的，只要满足一种原色不能由其它两种原色相加混合而得到的条件即可。 三是尽管各种颜色的光都可由三原色按一定的比例混合而得到，这个结论尽管完全正确的，但在配得某种颜色的光时，必须将三种原色中的某种色源移向待配色源一边，才可在视场中获得相同的颜色。这时在混合色光中将出现负值的原色。,,第七节 CIE标准色度系统,由于第二个条件，X、Z只代表色度，没有亮度，则在色三角形中，ZX边为无亮度线。根据式(7-27)将换成Yc，Yc称为亮度，则有：,YcR+45907G+00601B,等式两边同除于R+G+B得：,Yc(R+G+B)r+4.5907g+0.0610b,无亮度线的条件是Yc=0,则上式变成： r+45907g+0060lb=0,将b=1-r-g代入上式得XZ线的方程为：,0.9399r+4.5306g=-0.0601,而YZ线的方程为: r=-03793g-069,在求得色三角形三条直线的方程以后，即可求色三角形的三个顶点X、Y、Z在RGB色度系统中的色品坐标值。,,第七节 CIE标准色度系统,RGB色度和XYZ色度系统中三刺激值之间的换算关系为：,（6-27）,在求得X、Y、Z以后，相应也可计算R、G、B，其换算关系为：,（6-28）,和RGB色度系统一样，在XYZ色度系统中，也可引入新的色品坐标，用x,y,z表示：,（6-29）,相应等能量白光的条件为 X = Y = Z x+ y + z = 1,,各种单色光的色匹配函数又称光谱三刺激值或三色分布系数，用x( ) ,y( ),z( )表示，它的物理意义是，红，绿、蓝三种光引起人眼反应的大小。波长不同，x( ),y( ),z( )的数值不同，即引起人眼反应(或刺激或感觉)不同。图6-19 为匹配各种单色光时所需光谱三刺激值大小而绘制成的色匹配函数曲线从图中看出y( )的数值和人眼的光谱光效率V( )数值相同。,第七节 CIE标准色度系统,同样，两种色度系统中色品坐标之间的换算关系为：,（6-30）,图6-19,,第七节 CIE标准色度系统,需要指出的是，CIEl931- XYZ标准色度系统的建立，是以视场为20的三色混合实验为基础的，它代表了人眼20视场时的色感觉的平均特性当视场扩大到40以上时，由于视场的扩大和视杆细胞的参与，其颜色感觉发生一定的变化。因此，CIEl964年又新规定了一组CIEl964补充标准色度观察者色匹配函数值，用 x10()y10 () z10 ()表示，图6-20 为“CIEl964年补充色度观察者”色匹配函数曲线图。,当视场在1040范围内时，用“CIEl931标准色度观察者”数据；而视场在40100范围时，用“CIEl964补充标准色度观察者”数据。以免由于不同观察者在视觉上的差异而影响测量和计算的精确度。,图6-20,,第七节 CIE标准色度系统,四、x、y色品图,在RGB色度系统中的三刺激值确定以后，可以根据式(6-27)计算X、y、Z，再据式(6-29 )即可计算XYZ色度系统中的色品坐标x,y值图6-21为x,y色品图。,从图6-21 可知，舌形曲线上各点代表可见光区各种单色光的位置，它也代表各种色调的单色光连接舌形曲线的直线代表红紫混合的紫红轨迹，靠近700nm，红光成分多，而靠近400nm，紫光成分多。 光谱轨迹和连接光谱两端点的直线所构成的马蹄形内包括了一切物理上能实现的颜色。而在马蹄形以外，所有颜色都是物理上不能实现的。,图6-21,,第七节 CIE标准色度系统,在曲线与直线所围面积内的任何一点，均不是某种波长的纯光谱色，而为几种波长相混合而成的某种颜色，E点代表等能量白光点。越靠近E点的颜色其饱和度越低。弯曲曲线代表各种温度下黑体辐射的x,y值轨迹(即图中马蹄形内的弧线)。黑体轨迹上的各点代表不同色温度的黑体辐射的光色，色温度由1000K开始由低变高时，黑体辐射的光色由红向高色温度的蓝光变化。不同色温度的黑体，其色品坐标值不同。对于白炽灯等热辐射光源，它们的相对光谱功率分布与黑体的相对光谱功率分布曲线一样时，黑体的色温度称为该光源的色温度。 色品坐标相同的两光源，其相对光谱功率分布可以完全不同，而光谱功率分布完全相同的两光源，其色品坐标完全相同由色品坐标定义色温其含意较广且较严格对于气体放电光源用相关色温度来表示它们的颜色，它们的色品坐标点不一定准确地落在黑体轨迹上，而在黑体轨迹附近。,,第八节 色差及均匀颜色空间,一、色差 色差就是两种颜色之间的差别。显色指数(另参考其它色度学书籍)是衡量一光源性能好坏的主要参数，它的大小与标准光源和待测光源照射同一物体时人眼所产生的色差有关，色差越大，待测光源的显色指数越低，显色性越不好。在x,y色品图中，两种颜色的色品坐标的差值相同，并不代表人眼的颜色感觉差别相同，而与颜色区域有关。在绿光区域，两种颜色之间的色品坐标相差很大，但使人眼的颜色撼觉却都是绿色调，颜色感觉变化很小，而在蓝，紫区域，尽管色品坐标相差很小，但却使人眼的颜色感觉变化很大。也就是说，在x,y色品图中不同颜色区域内的相等间隔，使人眼感觉到的颜色差别并不相等，在绿光区域，大的坐标变动引起人眼的颜色差别大，而在蓝光区域，小的坐标变动即可引起大的颜色差别。将人眼感觉不出颜色变化的范围称为颜色的宽容量。宽容量反映的是人眼的颜色辨别能力。,,第八节 色差及