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物体颜色呈现白天我们能看见五彩缤纷的颜色，但到了晚上所有的物体都变成黑色。颜色是如何呈现的？与哪些因素相关？首先，不同的物体会有不同的颜色，所以颜色肯定与物体本身属性相关。然后，在不同的光环境下，同一个物体会呈现不同的颜色，如下面的苹果，在灯光下和日光下颜色不同，那说明颜色的呈现于光源相关最后，不同的人看同一个物体，也会有不一样的感受，所以颜色的呈现还与人眼相关。由此可得，物体的颜色呈现与物体本身的属性、光源、人眼三个因素相关。如下图所示，光源照射在苹果上，人眼感受到苹果的颜色。一、 光源科学上的定义，光是指所有的电磁波谱，按波长从大到小可分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线，如图1所示。一般人的眼睛所能接受的光的波长在380760nm之间。图1 电磁波谱太阳是人类最大的光源，太阳聚变辐射光谱的99%以上在波长0.154.0微米之间，太阳光谱分布如图2所示。这些波段受大气衰减的影响程度各不相同。可见光辐射的大部分可到达地面，大部分紫外光辐射被上层大气中的臭氧吸收，到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多，可见光谱区约为40%，红外光谱区约为60%，紫外光含量极少。图2 太阳光谱分布不同的光源光谱分布不同，如白炽灯、蓝光、红光等不同的光源各个波长的成分含量不同。白炽灯光谱蓝光光谱红光光谱二、物体本身属性当光照射在物体上时，光会发生透射、反射、散射。当光照射到透明物体时，大部分的光穿透物体，反射和散射的光线只有小部分。当光照射都非透明物体时，光大部分被反射和散射，几乎没有光透过物体。不同的物体对各个波长的透过率、反射率、折射率等属性各不同，所以呈现出不同的颜色。透明物体的颜色由透过物体的光决定，而非透明物体的颜色由反射和散射的光决定。比如蔚蓝的天空，是由于阳光进入大气时，波长较长的色光，如红光，透过大气射向地面；而波长短的紫、蓝、青色光，碰到大气分子、冰晶、水滴等时，发生散射现象。被散射了的紫、蓝、青色光布满天空，就使天空呈现出一片蔚蓝了。当雨后天空中充满细小的水滴，当阳光照射到这些小水滴时，不同波长的光以不同的角度散射到天空中，形成了彩虹。三、 人眼眼是由角膜、虹膜、晶状体、睫状体和玻璃体组成的光学系统，眼球结构如图所示。带有盲点和黄斑的视网膜是感光和信号处理部分，是构成人眼视觉的关键部分；视神经与大脑是信号传输和显示系统。由于波长小于300nm和波长大于1400nm的光可被角膜、前房、晶状体、玻璃体等吸收，光辐射能到达视网膜的波长范围是3001400nm。图5 眼睛结构外界物体反射来的光线，依次经过角膜、瞳孔、晶状体和玻璃体，并经过晶状体等的折射，最终落在视网膜上，形成一个物像。视网膜上有对光线敏感的细胞。这些细胞将图像信息通过视神经传给大脑的一定区域，人就产生了视觉。视觉的形成过程可表示为图6所示。图6 视觉形成CIE色空间发展史各色空间优缺点分析色知觉差异的定量表示是从明度、色调和彩度这三种颜色属性的差异来表示。明度差表示深浅的差异，色调差表示色相的差异（即偏红或偏蓝等），彩度差表示鲜艳度的差异。色差评定在工业和商业中非常重要，主要应用于生产中的配色和产品的颜色质量控制。1931年，CIE（国际标准照明委员会）建立了一系列表示可见光谱的颜色空间标准。由于任何颜色都可以由RGB三原色混合而成，定义了CIE-RGB基色系统。但这一系统存在一个明显的缺点，计算颜色三刺激值时会出现负值，给大量的计算带来不便。由于任何一种基色系统都可以从一种系统转换到另一种系统，因此人们可以选择任何一种想要的基色系统，以避免出现负值，并且使用方便。基于此CIE又推荐了CIE-XYZ系统，这个系统采用想象的X，Y和Z三种基色，它们与可见颜色不相应。CIE-XYZ的三基色刺激值X，Y和Z对定义颜色很有用，其缺点是使用比较复杂，而且不直观。对于一种给定的颜色，如果增加它的明度，每一种基色的光通量也需按比例增加，而且色度值仅与波长(色调)和纯度有关，与总辐射能量无关，因此在计算颜色的色度时，把X,Y和Z值相对于总的辐射能量(X+Y+Z)进行规格化，配色方程可规格化为x+y+z=1。根据颜色坐标(x,y)可确定z，但不能仅从x和y导出三种基色刺激值X，Y和Z，还需要使用携带亮度信息的Y值，其值与XYZ中的Y刺激值一致。从而又定义了CIE-xyY颜色空间。图1LAB色空间坐标XYZ系统和在它的色度图上表示的两种颜色之间的距离与颜色观察者感知的变化不一致，这个问题叫做感知均匀性(perceptual uniformity)问题。为了解决颜色空间的感知一致性问题，专家们对CIE-XYZ系统进行了非线性变换，制定了CIE-L*a*b*颜色空间。色空间坐标如图1所示CIE-L*a*b*色空间以L值表示颜色的明度、a值表示颜色的绿红值、b值表示颜色的蓝黄值。L、a、b值可通过XYZ计算得到，计算公式如下所示： 2.1 2.2 2.3其中 是参考样品或被测样品的三刺激值， 是标准照明体的三刺激值。图2LCH色空间坐标CIE-LCH颜色空间是由CIE-L*a*b*颜色空间推到转化来，它采用L表示明度值；C表示饱和度值及H表示色调角度值的柱形坐标。色空间坐标如图2所示。日常生活中人们描述颜色的三属性就是明度L、色相H与饱和度C。所以用CIE-LCH颜色空间描述颜色更符合日常生活中人们对颜色描述的习惯。h=arc tan（b*a* ） 2.4c=（a*2+b*2）(12) 2.5如果单纯以一组L*a*b*或Lch值来判断某个颜色并没有太大的实际意义，但是当我们对两个颜色进行比较时，我们可以通过这两个颜色的参数差值来判断出它们之间的差别。通过产品和标准色样参数值的对比我们可以轻易得知当前产品的颜色状态。通过两组L*a*b*值我们可以计算出两颜色间的色差，色差用Eab*、L*、a*、b*标定。CIE LAB色差公式如下： 2.6 2.7 2.8 2.9E*总色差的大小,L*大表示偏白，L*小表示偏黑,a*大表示偏红，a*小表示偏绿，b*大表示偏黄，b*小表示偏蓝。在L*，a*，b*直角坐标系中，可以导出L*，c*，h*的圆柱极坐标体系。公式如下： 2.10 2.11 2.12 2.13CIE 标准色度系统几乎所有的颜色都可以用三原色按某个特定的比例混合而成。这三种单色光中的任何一种都不能由其余两种混合产生。1931年，CIE（国际标准照明委员会）建立了一系列表示可见光谱的颜色空间标准，定义了CIE-RGB基色系统。规定了RGB系统的三原色光波长分别为700nm，546.1nm，435.8nm的红光（R）、绿光（G）、蓝光（B）。通过混色实验可以得到图1的一组曲线，它们表示在380nm-780nm范围内当各个光谱能量一样时，某一波长的光谱色与、混色结果一样，并称这三条曲线为光谱三刺激值曲线。图1 CIE1931 RGB系统光谱三刺激值曲线但这一系统存在一个明显的缺点，计算颜色三刺激值时会出现负值，给大量的计算带来不便。由于任何一种基色系统都可以从一种系统转换到另一种系统，因此人们可以选择任何一种想要的基色系统，以避免出现负值，并且使用方便。基于此CIE又推荐了CIE-XYZ系统，这个系统采用想象的X，Y和Z三种基色，它们代表红、绿、蓝三种原色。图2是基于2视场的等能光谱的XYZ色度系统的三刺激值曲线、。所以也称为2视场XYZ色度系统，将具有这样的三刺激值曲线的假想的观察者称为CIE1931标准色度观察者。图2 CIE1931 XYZ系统光谱三刺激值曲线任何一种颜色都可以表示为：，其中称X、Y、Z为该颜色的三刺激值。根据CIE的规定，三刺激值可由下面的公式计算得到。 （1）其中是光源辐射的相对光谱功率分布、 是CIE1931标准色度观察者的光谱三刺激值，即图2中的曲线值。k是归一化系数，物理意义是将光源的Y值归一化为100，其计算公式为： （2）在获得颜色的三刺激值后，可以按下式计算出该颜色在CIE1931色度系统中的色品坐标。 （3）由上式可知当颜色的x、y知道时，z值也随之确定，所以为了在二维坐标中表达颜色，采用x、y来描述。计算可见光380nm-780nm的各个单色光的色坐标，用x、y作为直角坐标绘制出一个直角坐标图，并将各个点连接起来形成一个光谱轨迹，称为色品图，如图3所示。其中点x=0.333，y=0.333为等能白点。图3 CIE1931色品图CIE 1931色度坐标介绍1. 意义图中的颜色，包括了自然所能得到的颜色。这是个二维平面空间图，由x-y直角标系统构成的平面。为了适应人们习惯于在平面坐标系中讨论变量关系，而设计出来的。在设计出该图的过程中，经过许多数学上的变换和演算。此图的意义和作用，可以总结成两句话：（1）表示颜色视觉的基本规律。（2）表示颜色混合与分解的一般规律。2.坐标系x ，y直角坐标系。x表示与红色有关的相对量值。y表示与绿色有关的相对量值。z表示与蓝色有关的相对量值。并且z=1-(x+y)3.形状与外形轮廓线形状舌形，有时候也称“舌形曲线”图。由舌形外围曲线和底部直线包围起来的闭合区域。舌形外围曲线是全部可见光单色光颜色轨迹线，每一点代表某个波长单色光的颜色，波长从390nm到760nm。在曲线的旁边。标注了一些特征颜色点的对应波长。例如图中510nm520nm530nm等。底部直线连接390nm点到760nm点构成的直线，此线称为紫红线。4.色彩这是一个彩色图，区域内的色彩，包括了一切物理上能实现的颜色。很遗憾的是，很难得真正标准的这种资料，经常由于转印而失真。5.应用价值颜色的定量表示。用（x，y）的坐标值来表示颜色。白色应该包含在“颜色”这个概念范围内。6.若干个特征点的意义（1）E点等能白光点的坐标点E点是以三种基色光，以相同的刺激光能量混合而成的。但三者的光通量并不相等。E点的CCT=5400K。（2）A点CIE规定一种标准白光光源的色度坐标点这是一种纯钨丝灯，色温值CCT=2856。（3）B点CIE规定的一种标准光源坐标点 B点的CCT=4874K，代表直射日光。（4）C点CIE确认的一种标准日光光源坐标点（昼光）C点的CCT=6774K。（5）D点有时候也标为 D光源称为典型日光，或重组日光;CCT=6500K。7.三条特殊线（1）黑体色温轨迹线：在舌形曲线的中部，跨过白色区，有一条向下弯的曲线，这就是黑体色温轨迹线。这条曲线表示黑体在不同温度下发光颜色的变化轨迹。色温的变化范围从1000K到无穷大。但实际上常用的是1000K-1400K范围。（2）单色光轨迹线：即色度坐标图中的舌形曲线，可见光的波长所对应颜色的轨迹线。曲线上的任意一点，表示一种光的波长，及其表现的颜色。（3）紫红线：连接舌形曲线两端的直线。表示红色和紫色混合后颜色的轨迹。称为紫红线8. 20个特定颜色区在舌形曲线所包围的区域内，被分成20个颜色区域。在每个区域内，被认为颜色基本相同，每个颜色区都是一个平均主波长，或者补色主波长，而且还有相应的英文名称。它们的英文中文名，对照如下：1. Red红色2. Pink粉红色3. Reddis Orange橙红色4.Yellishpink粉黄色5.Orange橙色6.Orange-Yellow橙黄色7.Yellow黄色 8.reenish Yellow黄绿色9.Yellow Green绿黄色10.Yellowish Green淡黄绿色11.Green绿色12.Bluish Green淡蓝绿色13、Greenish Blue淡绿蓝色14.Blue蓝色15.Purplish Blue淡紫蓝色16. Purple Violet紫罗兰的紫色17.Reddish Purple淡红紫色18. Purplish Pink淡紫粉红色19. Purplish Red紫红20.中心区白光区9.光色的互补若两种颜色的光，按一定比例混合后可得到白光，则这两中色光称之为互补。在色度坐标图中，凡是穿过白色区的直线，都可以找到一对互补的颜色光。当然，穿过等能白光点E点的直线两端，也能找到一组互补的颜色光。在色度坐标图中，任意两点的光色，连接两点的直线，则这种光色混合的结果光色也总在这条直线上的某一点。假如该直线不穿过白色区，这两点的光色不能称为互补。10.白光与其他颜色光的混合主波长和补色主波长将白光和一种适当的光谱色混合，可配得所需要的任何颜色光。若所选择的白光是E点等能白光。选择任意一点C，连接CE并延长，交于单色轨迹线上的，则C单色光的波长，称为C点光的主波长。主波长代表线上各点光谱色的主色调。若选择FEN三角形内的A点，连接EA，但不能向A的方向延长，而应将线向左上方延长，交于单色轨迹线上的A点，则A点的波长，称为A点的补色主波长。补色主波长，也是表示AA线上各点颜色的主色调。11.颜色深浅的定量表示法颜色领域的色调，类似于音乐中的间调。音乐中的一首曲子，有C调，F调等，色度学中则用主波长表示色调。音乐中的发音调有高音调，低音调。色度学中对应有颜色深浅。颜色的深浅是用兴奋纯度Pe来表示的。（参照第11节中的图）显然，在线上，C点的颜色最深，以后就逐渐变淡，到了E点就完全变成白色了。12.颜色光的混合利用x y色度坐标图，可以用来表示任意两种颜色光的混色关系。是色度坐标上的两个光谱色。要把两种光进行混合，只要连接两个点，即可得到直线，混色的结果颜色点也必然在该直线上的某个点。13.颜色的宽容度在xy的色度坐标图上，每一点都代表一种确定的颜色。任何一个点和周围相邻点的颜色，应该是不相同的。但是点之间若靠得比较近，人的眼睛是不能分辨的。只有当两点之间的距离足够大，我们才能感觉到它们的差别。人眼感觉不出颜色变化的最大范围，称为颜色宽容量。有人研究表明，在色度坐标图上的不同位置，颜色的宽容量并不是相同。蓝色区的宽容量最小，绿色区的宽容量最大。也就是说，色度图的不同区域，相等的距离并不能代表视觉上的相等色度差。这是色度坐标图的一种缺陷。颜色测量的照明和观测几何条件在人眼对物体颜色的观察中，照明光源、物体和人眼三个要素之间的相对位置会对颜色观测的结果产生很复杂的影响。照明光源、物体和人眼三要素在颜色测量仪器的设计中对应着照明光源、被测样品和传感器，三者之间的位置关系就是颜色测量中的照明观测几何条件，简称几何条件。仪器的几何条件不同，会对颜色测量的结果带来很大的影响。为了能使评价结果在不同仪器之间具有可比性，几何条件必须标准化；为了实现不同的检测目的，应用中也需要选择相应的几何条件38。为了灵活应对不同的检测目的，需要尽可能细致的规定多种几何条件。但是几何条件规定过多会是颜色测量仪器的设计难度、复杂度加大。CIE一直在完善对测量几何条件的规定。CIE15:2004对CIE15.2:1986进行了几何条件的扩充，CIE15:2004第三版对反射样品推荐了10种几何条件；透射样品推荐了六种几何条件。主要是对照明和接收角度作了规定。CIE15.2:1986中角度的允差在CIE15:2004中暂缺，说明对公差问题还需深入研究。从照明光束的方向性来看，几何条件可分为两类：一类是漫射型照明或漫射型接收。此类仪器在几何条件的设计中用积分球结构，用积分球对照明光或反射光进行匀化。另一类是定向型的照明或接收条件。此类仪器在设计中不使用积分球。CIE15：2004推荐的反射样品测量几何条件共有十种，如图 2.2所示。1. di:8漫射照明，8方向接收，包括镜面反射成分。样品被积分球在所有方向上均匀地漫射照明，照明面积应大于被测面积。接收光束的轴线与样品中心的法线之间的夹角为8，接收光束的轴线与任一条光线之间的夹角不应超过5，探测器表面的响应要求均匀，并且被吸收光束均匀地照明，如图 2.2(a)所示。2. de:8漫射照明，8方向接收，排除镜面反射成分。几何条件同di:8，只是接收光束中不包括镜面反射成分，也不包括与镜面反射呈 以内的其他光线，如图 2.2(b)所示。3. 8:di8方向照明，漫反射接收，包括镜面反射成分。几何条件同di:8，只是di:8的逆向光路。也就是照明光束的轴线与样品中心的法线之间的夹角为8，照明光束的轴线与任一条光线之间的夹角不应超过5。样品被照明面积应小于被测面积。漫反射光用积分球从所有方向上接收。如图 2.2(c)所示。4. 8:de8方向照明，漫反射接收，排除镜面反射成分。几何条件同de:8，是de:8的逆向光路。样品被照明面积应小于被测面积。如图2-2(d)所示。5. d:d漫射照明，漫反射接收。几何条件同di:8，只是漫反射光用积分球从所有方向上接收。在这种几何条件下测试，照明面积和接收面积是一致的。如图 2.2(e)所示。6. d:0漫射照明，0方向接收，排除镜面反射成分。d:0是漫射照明的另一种形式。样品被积分球漫射照明，在样品法线方向上接收。这种几何条件能很好地排除镜面反射成分。如图 2.2(f)所示。7. 45:045环形照明，0方向接收，如图 2.2(g)所示。样品被环形圆锥光束均匀地照明，该环形圆锥的轴线在样品法线上，顶点在样品中心，内圆锥半角为40，外圆锥半角为50，两圆锥之间的光束用以照明样品。在法线方向上接收，接收光锥的半角为5，接收光束应均匀地照明探测器。如果将上述照明光束改为：在一个圆环上装若干离散光源或装若干光纤束来照明样品，就成为45c:0几何条件。8.0:450方向照明，45环形接收。几何条件与45:0，只是45:0的逆向光路。在法线方向上照明样品，在与法线成45方向上环形接收。如图 2.2(h)所示。9.45x:045定向照明，0方向接收。几何条件与45:0相同，但照明方向只有一个，而不是环形。“x”表示照明的方位。在法线方向上接收。如图 2.2(i)所示。10.0:45x0方向照明，45定向接收。几何条件同45x:0，不过是45x:0的逆向光路。在法线方向上照明样品，在一定的方位角上与法线成45角接收。如图 2.2(j)所示。图 2.2反射测量的几何条件上述1，2，6，7，8，9，10几何条件下，测量结果为是表面反射率R()。在定向接收的几何条件中，当接受的立体角足够小时，给出的反射因数称为辐亮度因数（）。所以，接受的立体角足够小时，45x:0条件给出辐亮度因数；0:45x条件给出的辐亮度因数；di:8条件给出辐亮度因数；d:0条件给出近似辐亮度因数；几何条件8:di给出光谱反射比（）。以上几何条件并不能适用于所有的颜色测量，对于一些特殊样品，比如逆反射材料，需要结合检测目的制定另外的几何条件，或给予不同的允差5。彩谱科技的CS-200、CS-210、CS-220型号的色差仪采用CIE推荐的8：di和8：de几何条件测量。在测量粗糙物体的颜色时，采用8：di几何条件，让最多的光线进入探测器。在测量高光泽物体的颜色时，采用8：de几何条件，去除反射光对颜色测量的影响。CS-580、CS-600、CS-610、CS-660型号的分光测色仪采用CIE推荐的di：8和de：8几何测量条件。通过挡板和光阱的设计，创造性的将两种几何条件有机的结合到一个仪器里面，实现SCI/SCE兼容照明观察条件。杭州彩谱科技有限公司可根据测量物体的不同，采用更符合测量物质特性的几何照明观测条件，进行定制特定物质颜色测量仪器。注意：在使用积分球时，应避免光源直接照射在被测样品表面，破坏漫射照明效果，应在被测样品和照明光源之间加挡板阻隔光线的直接传递。为了保证漫射照明效果，积分球开口面积不能大于积分球内壁总面积的10%。物体颜色测量仪器原理介绍颜色是一个心理物理量。人们对于颜色的感知是通过人眼接收物体反射或透射的光信号来认识的。颜色特性是个三变量的函数，可以通过颜色的三要素来描述：明度、色调、色饱和度。光源颜色是由光源的光谱分布决定的。物体颜色由物体表面的光谱特性决定。但是，人眼对于物体表面光谱特性相同的物体通常并不一定有相同的颜色感觉，另外一个影响人眼颜色感觉的关键因素是物体表面光空间分布的几何特性。几何特性的描述较为复杂，不同行业的关注点不同，也采用不同的描述和测量方法，例如物体表面光泽度、桔皮度等。当光线入射至物体表面会出现以下四种情况：1. 在物体表面发生镜面反射。它是物体表面光泽的主要原因。2. 当光线入射至物体内部，在物体内部发生散射，产生了漫反射和漫透射。3. 漫反射和漫透射光在物体内传播时，不同波段光会产生不同的吸收，从而产生和入射光不同的颜色。4. 当物体较透明时，一部分光会直接透过物体，产生透射。图1.1所示，当光入射至物体表面时，一部分光在物体表面反射了镜面反射，没有进入物体内部。镜面反射光的多少取决于物体材料的折射率和光的入射角度，遵循菲涅尔定律。图1.1光与物体相互作用图1.2不同的空间分布的表面反射光镜面反射光的方向取决于物体表面的光滑程度。表面粗糙程度不同，镜面反射光会产生图1.2所示不同的空间分布。对于镜面反射光，由于没有在物体内部发生传播，就没有产生相应的吸收。所以，镜面反射光的光谱分布和入射光是一致的。进入物体内部的光线为折射光束，在物体内部传播的方向遵循折射定律。折射光在物体内部产生多次的反射和折射。光线在物体内部进行传播时，由于物体对光谱的选择性吸收，从而体现出于物体对应的颜色。一部分光经过物体表面返回到空气中的光线成为漫反射光，另外一部分光透过物体到达下表面，成为漫透射光。漫反射光和漫透射光与光源光谱不同。镜面反射光和漫反射光一起被人眼接收，如果人眼接收到的光信号中镜面反射光的比例过大，会“冲淡”物体表面本身颜色，使人眼感觉颜色亮度偏高，饱和度偏低。人们观测颜色必须有三个条件：照明光源、物体和眼睛。同样，对于测色仪器要得到测试结果，必须有三个条件：照明光源、被测样品和传感器。物体测色仪器发展至今，都是通过测量材料表面的光谱特性来进行颜色数据的测量。要客观、定量的表示一个颜色，需要计算物体或光源的颜色所占匹配刺激三原色的份量多少，即根据现代色度学原理计算此颜色的三刺激值。三刺激值的计算方法是用样品的光谱反射值、所用标准照明体的相对光谱功率分布和所采用CIE推荐的2或10视场的色匹配函数，用等波长间隔法，在可见光光谱范围内加权计算，从而计算出样品颜色的色品坐标及其它相关色度参数。根据对以上过程实施方法的不同，可以把颜色测量仪器分为两类：光电积分式测色仪器和光谱式测色仪器。如CS-200、CS-210、CS-220型号的色差仪采用的是光电积分式，而CS-580、CS-600、CS-610、CS-660型号的分光测色仪采用的是光谱式。光电积分式测色仪器是在整个可见光范围内对被测颜色的光谱能量进行积分测量，分别测得样品颜色的三刺激值X、Y、Z。其光探测器一般为硅光电二极管，如果对仪器灵敏度要求很高，也可采用光电倍增管。一般采用有色玻璃构造滤光片对探测器的相对光谱灵敏度进行修正。修正方法为：结合照明光源的相对光谱分布和探测器的相对光谱灵敏度，计算出所需滤光片的相对光谱透过率。使仪器的相对光谱灵敏度符合标准色度观察者光谱三刺激值函数x()、y()、z()。仪器的相对光谱灵敏度决定了仪器的性能。在光电积分仪器的设计中，滤光片的匹配精度在很大程度上决定了仪器的精度。由于有色玻璃的品种有限、加工工艺和过程比较复杂，所以滤光片往往存在一定程度的光谱匹配误差，使得实际的仪器相对光谱灵敏度相对于CIE标准色度观察者光谱三刺激值曲线存在偏差23。尤其在测量不同样品的颜色时存在较