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光度学与色度学基础 提纲一 视觉与光辐射波谱及光辐射眼睛的结构及视觉机理临界闪烁频率二 光度学光通量和发光强度照度及距离平方反比定律亮度及朗伯定律三 色度学颜色的基本特性及颜色混合色觉理论人眼对颜色的辨别能力和彩色视野色度图5 色度学在彩色电视方面的应用 一 视觉与光 1 辐射波谱及光辐射 以电磁波形式或粒子 光子 形式传播的能量 它们可用光学元件反射 成像或色散 这种能量及其传播过程被称为光辐射 可见光可见光是波长在380 760nm范围内的光辐射 也就是人视觉能感受到 光亮 的电磁辐射 可见光的波长不同 引起人眼的颜色感觉就不同 红色760 620nm 橙色620 590nm 黄色590 560nm 黄绿色560 530nm 绿色530 500nm 青色500 470nm 蓝色470 430nm 紫色430 380nm 紫外辐射紫外辐射的波长范围是400 10nm 通常将其分为三部分 近紫外 远紫外和极远紫外 真空紫外辐射 红外辐射红外辐射的波长范围位于0 76 1000 m 通常分为近红外 中红外和远红外 2 眼睛的结构及视觉机理 眼睛和脑的关系 光线进入眼睛后产生的知觉称为视觉 它包括对视场内物体的明暗 形状 颜色 运动以及远近等知觉 视网膜上的影像 视神经纤维 完整的视觉 眼球的组成 外层前部1 6称为角膜 后部5 6称为巩膜 中层由前向后分为三部分 即虹膜 睫状体和脉络膜 内层为视网膜 眼球内部主要有晶状体和玻璃体 整个眼球主要可分为屈光系统和感光系统两个部分 1 屈光系统将不同远近的物体清晰地成像在视网膜上 角膜 一种弹性透明组织 房水 提供角膜和晶状体等血管组织的新陈代谢和维持眼内压 晶状体 双凸形弹性透明体 睫状肌的收缩可改变晶状体的屈光力 玻璃体 一种透明的半流体 2 感光系统视网膜主要由三层细胞构成 视细胞层锥体细胞 具有精细的分辨能力 能很好地分辨颜色 但感光灵敏度低 杆体细胞 感光灵敏度高 但分辨细节的能力低 不能分辨颜色 光线 视网膜的结构略图 视网膜 视神经 双极细胞 锥体细胞和杆体细胞 第二层为双极细胞层 每一个锥体细胞都与一个双极细胞联结 在光亮条件下 每一锥体细胞作为一个单元 能够精细地分辨外界对象的细节 几个杆体细胞只联结一个双极细胞 因此在黑暗条件下通过几个杆体细胞对外界微弱刺激起总和作用 能得到高的感光灵敏度 最内层主要含有神经节细胞 它与视神经相联结 视神经穿过眼球后壁进入脑内的视觉中枢 盲点在距中央凹约4mm的鼻侧处 没有视细胞 黄斑位于视网膜中央部位 有一个呈黄色的锥体细胞密集区 黄斑中央有一凹窝 称为中央凹 是视觉最敏锐的地方 锥体细胞的密度在中央凹处最大 由中央凹向外锥体细胞急剧减少 而杆体细胞逐渐增多 在离中央凹20 的地方 杆体细胞的数量最大 1 明视觉在光亮 几个cd m2以上 条件下 人眼的锥体细胞起作用 明视觉条件下 锥体细胞能分辨物体的细节 很好地区分不同颜色 2 暗视觉在暗条件下 亮度约在百分之几cd m2以下时 人眼的杆体细胞起作用 在暗视觉条件下 杆体细胞能感受微光的刺激 但不能分辨颜色和细节 明视觉和暗视觉 光谱光视效率 眼睛的灵敏度与波长的依赖关系 称为光谱光视效率 V 峰值位置 555nm V 峰值位置 507nm 光谱光视效率曲线 光谱光视效率 波长 nm Km 683lm W 它表示在人眼视觉系统最敏感的波长 555nm 上 每瓦光功率相应的流明数 K m 1725lm W V 明视觉光视效率 V 暗视觉光谱光视效率 光通量与辐通量的关系式为 视敏度和细节视觉 视敏度是指分辨物体精细形状的能力 若用V表示视敏度 则可用视角 的倒数来表示视敏度 即 通常取可辨视角为1 时的视力为正常视敏度 这时在视网膜上的像高为4 m 对视敏度影响的因素 距离 物体亮度 视网膜上的成像位置 物体的对比度等 由 得 临界闪烁频率 当人眼接受光刺激后 不但有延时效应 而且有暂留现象 在眼睛接受光脉冲刺激之后 大约要过百分之一秒 才达到响应的最大值 其残留时间大约为0 1秒 闪烁消失时对应的频率称为临界闪烁频率 临界频率的影响因素 1 光信号强弱 n alogL b 2 发光面积 n clogA d 3 视网膜的部位 4 光的颜色 5 背景光 塔尔波特 Talbot 定律 当周期光信号的频率高于临界频率时 眼睛对这种周期变化光的感觉就象一个恒定光一样 其视亮度为 L t 周期变化光的实际亮度 T 周期 扇形衰减器 扇形衰减器的透过率 二 光度学 光通量和发光强度 光通量是指能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的量度 单位是lm 流明 它表示用标准眼来评价的光辐射通量 可用下式求出 e 光辐射功率的光谱密集度 即在单位波长间隔内 光的实际功率 Km 最大光谱光效能 Km 683lm W 例如 一只40W的钨丝灯泡输出的光通量为468lm 一只40W的日光灯输出的光通量为2100lm 发光效率 指消耗单位电功率所产生的光通量 单位为lm W 它可表示为 如 白炽灯泡的发光效率为30lm W 日光灯的发光效率为100lm W 彩色显象管荧光粉白场的发光效率为30lm W 为了描述光源在某一指定方向上发出光通量能力的大小 在指定方向上的一个很小的立体角元内所包含的光通量值 除以这个立体角元 所得的商为光源在此方向上的发光强度 发光强度 d 立体角元 d 立体角元所包合的光通量发光强度单位 cd 坎德拉 发光强度与光通量之间的另一个关系 对于一个各向同性的点光源 它向空间所有方向发出的光强度均相等 且等于Gcd 则它发出的总光通量为4 G1m 发光强度 2 照度及距离平方反比定律 照度是指落到某一面元上的光通量与这个面元面积之商 也可以说 照度等于单元面积上的光通量 照度的单位叫勒克斯 lx 当1流明的光通量均匀地照射在1平方米的面积上时 这个面上的照度就等于lx 即1lx 1lm m2 1 假定点光源的发光强度为I cd 则它发出的总光通量等于4 而一个半径为R的球 总球面积为4 R2 所以点光源距离R处所产生的照度E为 立体角元与面元的关系 点P向一个垂直面元dA所张的立体角d dA R2 可得 故可得 由照度的定义可得 2 由照度定义推导距离平方反比定律 被照平面的法线与光线成一角度 的情况 L至P点的距离为R 由距离平方反比定律可知 在V 面上的照度 由于V面上代表一定面积的AB投影在V 面上时有CD AB cos 所以平面V上的照度 即 亮度及朗伯定律 亮度表示每单位面积上的发光强度 亮度的单位为cd m2 如果这个面的法线与观察方向所成的角度为 时 上式将变为 由于 故有 这是亮度更通用表达式 亮度不仅可用来描述一个发光面 而且还可以用来描述光路中的任意一个截面 如果有一个面积为A的均匀发光面 它在某一方向上的亮度为L 则它在这个方向上的发光强度I 应为 朗伯定律 发光面的法线与所指定的方向的夹角 假若这个面光源的亮度在各个方向上都相等 即亮度不依赖于方向角 则 现定义I0为这个面光源法线方向上的发光强度 即I0 L A 上式变为 朗伯面的光强分布曲线 朗伯定律 一个亮度在各个方向上都相等的发光面 在某一方向上的发光强度等于这个面垂直方向上的发光强度乘以方向角的余弦 一个朗伯发射面 它向空间两个任意 1和 2之间所发出的光通量 对于半球体应取 1 0 2 90 可得 一个朗伯发射面发出的总光通量等于它的垂直发光强度乘 立体角 若朗伯发射面的面积为A 则因I0 LA 可得 彩色PDP发光效率的计算 光度学应用举例 作为一个发光体 彩色PDP的发光效率为其辐射的可见光通量 与显示板产生该光通量所消耗的电功率P之比 用数学表达式表示 或 2 1 1 光通量的计算 彩色PDP是平板显示 它的发光是面发光 在其视角范围内可认为是均匀发光物体 在视角范围内各个方向上的亮度可近似相等 彩色PDP视角 彩色PDP发光可看成是朗伯体发光 遵守朗伯定律 亮度表示每单位面积上的光强即 如果发光面的法线与观察方向所成的角度为 时 上式将变为 3 4 在视角范围内 彩色PDP这个面光源在各个方向上亮度都相等 亮度不依赖于方向角 即L L 可得dI dI0cos 又定义dI0为面光源法线方向上的发光强度即 下面求有效发光面积为S 亮度为L 视角为 v v的全部光通量 立体角定义为 5 6 从彩色PDP有效显示区辐射出的可见光总通量为 由于彩色PDP在 90 90 范围内发光 故 可简化为 LS 则彩色PDP光效为 7 8 举例 某对角线长为42英寸的彩色PDP 像素数量为 852 RGB 480 节距是 1 08 1 08 mm 全板点亮时功耗为300W 平均面亮度L是 400cd m2 则该PDP的有效发光面积S为 1 08 1 08 852 480 10 6 m2 即0 477m2 则 颜色的基本特性及颜色混合 三 色度学 颜色的基本特性 颜色可分为彩色和非彩色两类 非彩色指白色 黑色和各种深浅不同的灰色组成的系列 称为白黑系列 对发光物体来说 白黑的变化相当于白光的亮度变化 亮度高时人眼感到是白色 亮度很低时感到是灰色 无光时是黑色 非彩色只有明亮度的差异 彩色特性 明度 色调 饱和度 明度 人眼对物体的明暗感觉 发光物体的亮度越高 则明度越高 非发光物体反射比越高 明度越高 色调 彩色彼此相互区分的特性 不同波长的单色光具有不同的色调 发光物体的色调决定于它的光辐射的光谱组成 非发光物体的色调决定于照明光源的光谱组成和物体本身的光谱反射 透射 的特性 饱和度 是指彩色的纯洁性 可见光谱中的各种单色光是最饱和的彩色 物体色的饱和度决定于物体反射 透射 特性 如果物体反射光的光谱带很窄 它的饱和度就高 颜色立体 加法混色 1 同时混色色调决定于波长 每一种波长都产生一定的色调 但是每一种色调并不是和一种特定的波长有联系 对于光谱中的每一种色光 都可以找出另一种按一定比例与它混合得到一种白色的光 这一对色光成为补色 如红光 青光 白光绿光 品红光 白光蓝光 黄光 白光如果混合的色光不是补色 便产生介于它们两者之间的中间色 如红色 绿色 黄色蓝色 绿色 青色光谱中的色光混合是一种加色法 全部光色都可以由红 绿 蓝三基色以适当的比例混合得到 2 继时加色法将两种以上的颜色刺激以40 50Hz以上的频率交替作用于视网膜 就形成混色刺激状态 3 空间加色法红 绿 蓝三个发光点 当它们互相靠得很近 近到人眼不能分辨时 这三个发光点便在人眼中产生混色效应 减法混色减色法的三原色是黄 品红 青 加法混色 减法混色 2 色觉理论 1 三色学说假设人眼视网膜上有三种神经纤维 每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉 光作用于视网膜上虽然能同时引起三种纤维的兴奋 但波长不同 引起三种纤维的兴奋程度不同 人眼就产生不同的颜色感觉 三种神经纤维的兴奋曲线 红色纤维 绿色纤维 蓝色纤维 a 红 绿 蓝三原色可以混合出各种不同色彩颜色的混合规律 b 人眼视网膜上含有三种不同类型的锥体细胞 这三种锥体细胞中分别含有三种不同的视色素 这三种不同光谱敏感性的视色素的光谱吸收峰值分别约在440 450nm 530 540nm 560 570nm处 三色学说的依据 c 杆体细胞只有一种 它含有视紫红色素 曲线形状与人的暗视觉光谱光视效率曲线十分一致 2 对立 颜色学说 四色学说 假设视网膜中有三对视素 白 黑视素 红 绿视素和黄 蓝视素 这三对视素的代谢作用包括建设和破坏两种对立过程 光刺激破坏白 黑视素 引起神经冲动产生白色感觉 无光刺激时白 黑视素被重新建设起来 产生黑色感觉 三种视素的对立过程的组合产生各种颜色感觉和各种颜色混合现象 三对视素的代谢作用 3 阶段说 颜色视觉过程可以分成几个阶段 在视网膜内有三种独立的锥体感色物质 它们有选择地吸收光谱不同波长的辐射 同时每一物质又可单独产生白和黑的反应 B 在神经兴奋由锥体细胞向视觉中枢的传导过程中 这三种反应又重新组合 最后形成三对对立性的神经反应 红 绿 黄 蓝 白 黑 颜色匹配实验 颜色匹配恒常律 两个相互匹配的颜色 尽管处在不同条件下 两个颜色仍始终保持匹配 即不管颜色周围环境的变化 或者人眼已经对其它色光适应后再来观察 视场中两种颜色始终保持匹配 颜色匹配实验方法 格拉斯曼定律 1 人的视觉只能分辨颜色的三种变化 明度 色调 饱和度 2 在由两个成分组成的混合色中 如果一个成份连续地变化 混合色的颜色也连续变化 3 颜色相同的光 不管它们的光谱组成是否一样 在颜色混合中具有相同的效果 颜色代替律 如果A B C D 则A C B D 如果A B C D 则A C B D 如果A B 则nA nB 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 称为亮度相加定律 色适应 在亮度适应状态下视觉系统对视场中颜色变化也会产生适应的过程 人眼对某一色光适应后 观察另一物体的颜色时 不能立即获得客观的颜色印象 而带有原适应色光的补色成分 需经过一段时间适应后才会获得客观的颜色感觉 颜色对比 在视场中 相邻区域的不同颜色的相互影响叫做颜色对比 1 明度对比当明暗不同的物体并置于视场中会感到明暗差异增强的现象称为明度对比 2 色调对比两种色调不同的物体并置于视场中 每一种颜色的色调都向另一颜色的补色方向变化 从而增强了两颜色色调的差异 这种现象称为色调对比 3 饱和度对比将两种饱和度不同的颜色并置于视场中 会感觉到两饱和度的差异增强 高饱和度的更高 而低饱和度的则更低 这种现象称为饱和度对比 色调对比试验 颜色匹配实验中选取三种颜色 由它们相加混合能产生任意颜色 这三种颜色称为三原色 参照色刺激 与待测色达到色匹配时所需要的三原色的数量 称为三刺激值 一种颜色与一组R G B数值相对应 颜色感觉可以通过三刺激值来定量表示 在色度学里 三刺激值的单位 R G B 选用色度学单位 它的确定方法是 选一特定白光 W 作为标准 在颜色匹配实验选定的三原色光相加混合与此白光 W 相匹配 达到匹配时 如测得所需要的三原色光的光通量值 R 为lR流明 G 为lG流明 B 为lB流明 则将比值lR lG lB定为三刺激值的相对亮度单位 即色度学单位 4 色度图 匹配FC流明的 C 光 需要FR流明的 R FG流明的 G 和FB流明的 B 颜色方程式为 若用色度学单位来表示则方程为 式中C R G B 将各单色光的辐射能量值都保持为相同来做颜色匹配实验 所得到的三刺激值称为光谱三刺激值 也就是匹配等能光谱色的三原色的数量 用符号 表示 光谱三刺激值又称为颜色匹配函数 它的数值只决定于人眼的视觉特性 匹配过程用方程表示 光谱三刺激值 任何颜色的光都可以看成是不同单色光混合而组成的 所以光谱三刺激值可作为颜色色度计算的基础 任意光的三刺激值计算方法 将待测光的光谱分布函数 按波长加权光谱三刺激值 得出每一波长的三刺激值 再进行积分 就得出该待测光的三刺激值 一个单位的颜色 C 的色品只决定于三原色的刺激值各自在R G B总量中的相对比例 此比值叫做色品坐标 用符号r g b表示 且r g b 1 则可得 单位方程 r g CIEl931 RGB系统 CIEl931 RGB系统是建立在莱特和吉尔德两项颜色匹配实验基础上的 莱特颜色匹配实验三原色 650nm R 530nm G 460nm B 视场范围 2 三刺激值单位的规定 相等数量的绿和蓝原色匹配494nm的蓝绿色 相等数量的红和绿原色匹配582 5nm的黄色 得出它们的相对亮度单位为lR lG lB 吉尔德颜色匹配实验三原色 630nm R 542nm G 460nm B 视场范围 2 三刺激值单位的规定 以三原色相加匹配NPL白色光源的条件下 认为三原色的刺激值相等定出它们的相对亮度单位为lR lG lB 经实验和计算确定 匹配等能白光的 R G B 三原色单位的亮度比率为1 0000 4 5907 0 06013 它们的辐亮度比率为72 0962 1 3791 1 0000 光谱三刺激值与光谱色色品坐标的关系式为 CIE1931 RGB色度系统 三原色 700nm R 546 1nm G 435 8nm B 视场范围 2 三刺激值单位的规定 以相等数量的三原色刺激值匹配等能白光 得出它们的相对亮度单位为lR lG lB 根据1931年CIE RGB系统标准观察者三刺激值绘出的色品图 光谱三刺激值曲线图 负值出现的物理意义 当投射到半视场的某些光谱色 用另一半视场的三原色来匹配时 不管三原色如何调节都不能使两半视场颜色达到颜色匹配 只有在光谱色的半视场内加入适量的三原色之一才能达到颜色匹配 加在光谱色半视场的原色就用负值来表示 光谱三刺激值 在CIE1931 RGB系统的基础上改用三个假想的原色X Y Z建立了一个新的色度系统 将它匹配等能光谱的三刺激值 定名为 CIEl93l标淮色度观察者光谱三刺激值 简称为CIE1931标准色度观察者 这一系统叫做 CIE1931标准色度系统 ClE1931标准色度系统 ClE1931标准色度系统 CIE1931标推色度系统是由RGB系统推导来的 三个假想原色的确定主要考虑下面几个问题 规定 X Z 两原色只代表色度 没有亮度 光度量只与三刺激值Y成比例 XZ线称为无亮度线 它在r g色品图上的方程应满足零亮度线的条件 R G B 三原色的相对亮度比是 lR lG lB 1 0000 4 5907 0 06013 在色品图上 某一颜色的色品坐标为r g b 则它的亮度方程可写成 如果此颜色在无亮度线上则l C 0 所以 代入b 1 r g 整理后得XZ线的方程为 在此系统中光谱三刺激值全为正值 光谱轨迹从540nm附近至700nm 在RGB色品图上基本是一段直线 用这段线上的两个颜色相混合可以得到两色之间的各种光谱色 新的XYZ三角形的XY边应与这段直线重合 光谱轨迹从540nm至700nm这段直线的方程为 XY线方程 1931年CIE RGB系统色品图 YZ边取与光谱轨迹波长503nm点相切的直线 其方程为 求XY YZ XZ三条交线的交点 就能得到 X Y Z 三原色点在RGB系统色品图中的坐标值它们是 它们在x y图中的坐标应是 用相等数量的三原色刺激值匹配出等能白E来定各原色刺激值单位 等能白点在r g坐标系统内为 r 0 3333 g 0 3333 在x y坐标系统内为 x 0 3333 y 0 3333 知道了三原色和等能白点在r g坐标系和x y坐标系中的位置后 经过坐标转换 可求得XYZ系统和RGB系统三刺激值之间的转换关系式 三刺激值单位的确定 同样经过坐标转换 也可以找到它们之间的色品坐标转换关系式 CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线图 由于在XYZ选择原色时就考虑到只有Y值既代表色品又代表色度 而X Z只代表色品 所以函数曲线与明视觉光谱光效率V 一致 CIE1931xy系统色品图 X 为红原色 Y 为绿原色 Z 为蓝原色 它们都落在光谱轨迹的外面 在光谱轨迹外面的所有颜色都是物理上不能实现的 光谱轨迹曲线以及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 CIE1931xy色品图上光谱轨迹的特点 靠近波长末端700 770nm的光谱波段具有一个恒定的色品值 都是x 0 7347 y 0 2653 z 0 所以在色品图上只由一个点来代表 光谱轨迹540 700nm这一段是一条与XY边基本重合的直线 在这段光谱范围内的任何光谱色都可通过540nm和700nm二种波长的光以一定比例相加混合产生 光谱轨迹380 540nm一段是曲线 在此范围内的一对光谱色的混合不能产生二者之间位于光谱轨迹上的颜色 而只能产生光谱轨迹所包围面积内的混合色 光谱轨迹上的颜色饱和度最高 连接色度点400nm和700nm的直线称为紫红