光学设计 第3讲 色度学课件

1、光光学设计学设计基基础础理理论论色度学基础（色度学基础（ Colorimetry ）l1 色彩的生成色彩的生成l2 三基色原理三基色原理l3 CIE-XYZ系统系统l4 CIE 1960均匀色度标尺图均匀色度标尺图l5 色温色温l6 标准光源和标准照明体标准光源和标准照明体l7 显色性显色性1 色彩的生成色彩的生成1 色彩的生成色彩的生成红红 780nm630nm橙橙 630nm590nm黄黄 590nm570nm绿绿 570nm500nm青青 500nm460nm蓝蓝 460nm430nm紫紫 430nm380nm固有色固有色物体在日光照明下所反射物体在日光照明下所反射出来的色出来的色色彩（

2、颜色）是主观量而非客观量。色彩（颜色）是主观量而非客观量。1 色彩的生成色彩的生成2 三基色原理三基色原理l 三基色三基色:能够匹配所有颜色的三种颜色称之为三能够匹配所有颜色的三种颜色称之为三基色或者三原色基色或者三原色.匹配实验表明匹配实验表明,能够匹配所有颜能够匹配所有颜色的三种颜色不是唯一的色的三种颜色不是唯一的.人们通常选用人们通常选用红红(R),绿绿(G),蓝蓝(B)作为三原色作为三原色,其原因可能是其原因可能是:用不同用不同量的红绿蓝三种颜色直接混合量的红绿蓝三种颜色直接混合,几乎可得到经常几乎可得到经常使用的所有颜色使用的所有颜色;红绿蓝三种颜色恰与人的视网红绿蓝三种颜色恰与人的

3、视网膜上的锥体细胞所敏感的颜色相一致。膜上的锥体细胞所敏感的颜色相一致。l任何颜色均可用三种基本色以适当的比例混合任何颜色均可用三种基本色以适当的比例混合而成，通常选择红、绿、蓝三种颜色作为基本而成，通常选择红、绿、蓝三种颜色作为基本色，这就是色，这就是三基色原理三基色原理。C(C)=R (R)+G(G)+B(B)2 三基色原理三基色原理蓝蓝红红绿绿蓝蓝品红品红黄黄白白相加混合相加混合红绿蓝白色红绿蓝白色红蓝品红红蓝品红绿蓝青色（蓝绿色）绿蓝青色（蓝绿色）红绿黄色红绿黄色1.3.2 三基色原理三基色原理相减混合相减混合白红青色白红青色白绿品红白绿品红白蓝黄色白蓝黄色白红绿蓝色白红绿蓝色白红蓝绿

4、色白红蓝绿色白绿蓝红色白绿蓝红色白红绿蓝黑色白红绿蓝黑色2 三基色原理三基色原理3 CIE-XYZ系统系统（Color Coordinates） 用三基色值来表示颜色是基于这样一个实验用三基色值来表示颜色是基于这样一个实验事实：多数色彩都可以用不超过事实：多数色彩都可以用不超过3种适当的基色种适当的基色（色质）例如红（色质）例如红R，绿，绿G，蓝，蓝B来模仿。这样来模仿。这样就可能用就可能用3个色质来规定一种颜色。但是，有些接个色质来规定一种颜色。但是，有些接近单色的色彩不能用近单色的色彩不能用3个正的个正的R、G、B配色得配色得到，而到，而需要负值（色彩相减）需要负值（色彩相减）。这种不便可

5、以通。这种不便可以通过引入假想的色质【过引入假想的色质【X】【】【Y】【】【Z】而克服。通】而克服。通过将光谱分布函数过将光谱分布函数 与标准配色函数与标准配色函数 积分得到积分得到3个色值个色值X, Y, Z。标准。标准配色函数是由理想观察者的视觉特性确定的，有配色函数是由理想观察者的视觉特性确定的，有具体的值。具体的值。)(S)(),(),(zyx3 CIE-XYZ系统系统 3504004505005506006507007500.00.51.01.52.0_z_y_x Wavelength (nm)三刺激值在明视觉条件下，假想的色值：X，Y，Z的计算公式如下： dSxX dSyY dSz

6、ZCIE 1931 标准色度观察者光谱三刺激值标准色度观察者光谱三刺激值)(S：为光源的光谱：为光源的光谱分布。分布。grbgrb 3504004505005506006507007500.00.51.01.52.0_z_y_x Wavelength (nm)三刺激值grb3 CIE-XYZ系统系统 0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0ED65CBARGB10,0006,0004,0003,0002,000ZXY460640700620600580560540530520510500490480400 y Chromaticity Coordinatex C

7、hromaticity CoordinateGreenBlueRed图图 1931CIE色度图色度图 为方便起见，引入为方便起见，引入色坐标色坐标(x,y)。如果光。如果光源以能量单位测量的源以能量单位测量的光谱光谱 ，它的，它的x和和y为：为：)(SZYXXxZYXYyyxZYXZz13 CIE-XYZ系统系统图图 1931CIE色度图色度图3 CIE-XYZ系统系统CIE 1931 xy系统色品图系统色品图: (X) (X)为红原色；为红原色；(Y)(Y)为绿原色；为绿原色；(Z)(Z)为蓝原为蓝原色。它们都落在光谱色。它们都落在光谱轨迹的外面，在光谱轨迹的外面，在光谱轨迹外面的所有颜色轨

8、迹外面的所有颜色都是物理上不能实现都是物理上不能实现的。光谱轨迹曲线以的。光谱轨迹曲线以及连接光谱两端点的及连接光谱两端点的直线所构成的马蹄形直线所构成的马蹄形内包括了一切物理上内包括了一切物理上能实现的颜色。能实现的颜色。CIE 1931 x y CIE 1931 x y 色品图上光谱轨迹的特点：色品图上光谱轨迹的特点： 靠近波长末端靠近波长末端700700780nm780nm的光谱波段具有一个的光谱波段具有一个恒定的色品值恒定的色品值，都是都是x x0.73470.7347，y y0.26530.2653，z z0 0，所以在色品图上只由一个点来代表。所以在色品图上只由一个点来代表。 光谱

9、轨迹光谱轨迹540540700nm700nm这这一段是一条与一段是一条与XYXY边基本重合的直线。边基本重合的直线。在这段光谱范围内的任何光谱色都在这段光谱范围内的任何光谱色都可通过可通过540nm540nm和和700nm700nm二种波长的光二种波长的光以一定比例相加混合产生。以一定比例相加混合产生。 光谱轨迹光谱轨迹380380540nm540nm一段是曲线，在一段是曲线，在此范围内的一对光谱色此范围内的一对光谱色的混合不能产生二者之的混合不能产生二者之间位于光谱轨迹上的颜间位于光谱轨迹上的颜色，而只能产生光谱轨色，而只能产生光谱轨迹所包围面积内的混合迹所包围面积内的混合色。光谱轨迹上的颜

10、色色。光谱轨迹上的颜色饱和度最高。饱和度最高。 连接色度点连接色度点400nm400nm和和700nm700nm的直线称为的直线称为紫紫红轨迹红轨迹。因为将。因为将400nm400nm的蓝色刺激与的蓝色刺激与700nm700nm的的红色刺激混合后会产红色刺激混合后会产生紫色。生紫色。 y y0 0的直线的直线(XZ)(XZ)与亮度没有关系，即与亮度没有关系，即无亮度线。无亮度线。 光谱色的饱和度最高，白光光谱色的饱和度最高，白光的饱和度最低。的饱和度最低。 色品图能表示颜色混合。色品图能表示颜色混合。 （2）两种颜色）两种颜色(P)和和(Q)以一定比例混合生成参考白色，例如以一定比例混合生成参

11、考白色，例如白光白光(E)，则两颜色为互补色。在色品图上，互为补色的两颜色，则两颜色为互补色。在色品图上，互为补色的两颜色色品点连线，一定通过参考白光的色品点，例如色品点色品点连线，一定通过参考白光的色品点，例如色品点(E)。 （1）颜色）颜色(M)和和(N)的的混合色混合色的的色品点，应在颜色色品点，应在颜色(M)和和(N)色品色品点连线上，具体位置决定于两种点连线上，具体位置决定于两种颜色的比例。颜色的比例。 光谱色色品轨迹开口端光谱色色品轨迹开口端770nm(红红)和和380nm(紫紫)色品点连线色品点连线上各色品点代表的颜色，不是光谱色，而是波长为上各色品点代表的颜色，不是光谱色，而是

12、波长为770nm和和380nm的红和紫两种光谱色和混合色。的红和紫两种光谱色和混合色。 在色品图上在色品图上,色品点靠近光谱色色品点靠近光谱色色品轨迹的颜色色品轨迹的颜色,饱和度高饱和度高,愈靠近愈靠近白光色品点白光色品点,颜色的饱和度愈低颜色的饱和度愈低.3 CIE-XYZ系统系统p绝对黑体和全辐射体：在任何温度下对任何波长的辐射能的吸收率都等于1的物体，是一种理想的模型。p普朗克轨迹(Planckian Locus) ，又称黑体轨迹：随着绝对黑体加热温度的升高，按照普朗克计算出在各种温度时的相对应光谱功率分布转换成CIE l931色度坐标，绝对黑体不同温度的色光变化在CIE l931色度图

13、上形成的弧形轨迹，称为黑体轨迹。黑体辐射色坐标计算黑体辐射色坐标计算)/(11)(2512mcmWeCPTCdx)()(PX780380dy)()(PY780380dz)()(PZ780380ZYXXxZYXYy)/(11)(2512mcmWeCPTC)/(11)(2512mcmWeCPTCdx)()(PX780380dy)()(PY780380dz)()(PZ780380ZYXXxZYXYy求色坐标求色坐标)/(11)(2512mcmWeCPTC黑体辐射温度（K）色坐标（x，y）15000.59,0.3920000.53,0.4130000.44,0.4140000.38,0.3860000

14、.32,0.33黑体辐射温度与色坐标黑体轨迹D75D65D55标准光源的色坐标计算：标准光源的色坐标计算：光源 色坐标（x，y）D550.33,0.34D650.31,0.32D750.30,0.31D65D55D75D65D55D75D65D55任意光谱的色坐标计算：任意光谱的色坐标计算：光谱（0.34,0.37） 颜色宽容度：颜色宽容度： 在色度图上，把人眼感在色度图上，把人眼感觉不出颜色变化的范围称为觉不出颜色变化的范围称为颜色宽容度。宽容度大小反颜色宽容度。宽容度大小反映出人眼的色品分辨力。映出人眼的色品分辨力。 在在CIE-1931xy色度图的色度图的不同位置上，颜色的宽容量不同位置

15、上，颜色的宽容量不一样，如蓝色部分宽容量不一样，如蓝色部分宽容量最小，绿色部分最大。最小，绿色部分最大。CIE-1931xy色度图的缺点色度图的缺点4 CIE 1960均匀色度标尺图均匀色度标尺图lu-v色度图ZYXXyxxu315431224ZYXYyxyv3156312264 CIE 1976均匀色度标尺图均匀色度标尺图4 CIE 1976均匀色度标尺图均匀色度标尺图5 色温（色温（Color Temperatures）黑体辐射黑体辐射色温色温：色温是光源颜色的一种表示方法。当光源所发出：色温是光源颜色的一种表示方法。当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下的颜色相同时，这一黑的光的颜色与

16、黑体在某一温度下的颜色相同时，这一黑体的温度称为光源的颜色温度体的温度称为光源的颜色温度Tc，简称色温（，简称色温（CT），），用热力学温度表示，单位为用热力学温度表示，单位为K（开尔文）。（开尔文）。相关色温相关色温：若光源发出的光与黑体在某一温度下的颜色：若光源发出的光与黑体在某一温度下的颜色最接近，则黑体此时的温度称为该光源的相关色温，最接近，则黑体此时的温度称为该光源的相关色温，CTT。 注：摄氏温度t与热力学温度T的换算关系是 ：t = T273.15 5 色温色温光源的色温：某光源的色度与绝对黑体辐射在某一光源的色温：某光源的色度与绝对黑体辐射在某一温度下的色度一样，则这一温度称为

17、某光源的色温。温度下的色度一样，则这一温度称为某光源的色温。 注意：相同光源色温的相对光谱功率分布与某温度注意：相同光源色温的相对光谱功率分布与某温度下黑体辐射的光谱功率分布可能完全一致，也可能下黑体辐射的光谱功率分布可能完全一致，也可能不一致。不一致。相关色温：光源的光色在色度图上不一定准确地落相关色温：光源的光色在色度图上不一定准确地落在绝对黑体轨迹上，所以只能用光源与黑体轨迹最在绝对黑体轨迹上，所以只能用光源与黑体轨迹最近的颜色来确定该光源的色温，称为相关色温。近的颜色来确定该光源的色温，称为相关色温。5 色温色温l色温和相关色温的一种计算方法McCamy近似公式法近似公式法1858.

18、03320. 0yxA3 .55146831360143723AAAT表 各种光源的色温值光源色温（K）光源色温（K）太阳（大气外）6500钨丝白炽灯（100W）2740太阳（在地表面）40005000弧光灯3780蓝色天空1800022000钨丝白炽灯（1000W）2920月亮4125荧光灯（日光色）6500蜡烛1925荧光灯（冷白色）4300煤油灯1920荧光灯（暖白色）2900钨丝白炽灯（10W）2400高压钠灯2100表 部分光源色温范围和人体感觉光源色温范围光色类型人体感觉蜡烛5000K冷色清冷太阳（大气外）蓝色天空 通常，色温高的通常，色温高的光源的颜色偏蓝，光源的颜色偏蓝，色温低

19、的光源颜色色温低的光源颜色偏红。光源偏蓝的偏红。光源偏蓝的称之为称之为冷色冷色（或冷（或冷光），光源偏红的光），光源偏红的称之为称之为暖色暖色，介于，介于冷色和暖色之间的冷色和暖色之间的光色称之为光色称之为中间色中间色。6 标准光源和标准照明体标准光源和标准照明体 0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0ED65CBARGB10,0006,0004,0003,0002,000ZXY460640700620600580560540530520510500490480400 y Chromaticity Coordinatex Chromaticity Coordi

20、nateGreenBlueRed1931CIE色度图色度图E点为三基色坐标值相等的点，点为三基色坐标值相等的点，即在可见光谱范围内所有波长即在可见光谱范围内所有波长都具有相等的辐射功率，是色都具有相等的辐射功率，是色度学中采用的度学中采用的假想等能白光假想等能白光，其色温约为其色温约为5500K700nm/546.1nm/435.8nm光亮度比率为 1.0000 4.5907 0.0601辐亮度比率为 72.0962 1.3791 1.00006 标准光源和标准照明体标准光源和标准照明体CIECIE推荐了四种标准照明体推荐了四种标准照明体A A、B B、C C、D D和三种标准和三种标准光源光

21、源A A、B B、C C。1 1、CIECIE标准照明体标准照明体 标准照明体标准照明体指一定的光谱功率分布，这种指一定的光谱功率分布，这种标准的光谱功率分布并不是必须由一个光源直标准的光谱功率分布并不是必须由一个光源直接提供，也不一定能用一个光源来实现。接提供，也不一定能用一个光源来实现。l标准照明体标准照明体A A：相当于绝对黑体在加温到：相当于绝对黑体在加温到2856K2856K时所辐射出来的光，它的相对光谱功率分布可时所辐射出来的光，它的相对光谱功率分布可根据普朗克辐射定律计算：根据普朗克辐射定律计算： 标准照明体标准照明体A A色度点正好落在色度点正好落在CIE l931CIE l9

22、31色度图色度图的黑体轨迹上。的黑体轨迹上。6 标准光源和标准照明体标准光源和标准照明体l标准照明体标准照明体B B：相当于相关色温：相当于相关色温4874K4874K的直射阳光，的直射阳光，光色相当于光色相当于中午阳光中午阳光，其色度点紧靠黑体轨迹。，其色度点紧靠黑体轨迹。l标准照明体标准照明体C C：相当于相关色温为：相当于相关色温为6774K6774K的平均阳光，的平均阳光，光色近似光色近似阴天天空的日光阴天天空的日光，其色度点在黑体轨迹上，其色度点在黑体轨迹上方。方。l标准照明体标准照明体D D6565：相当于色温约为：相当于色温约为6504K6504K的日光，其的日光，其色度点在黑体

23、轨迹的上方。色度点在黑体轨迹的上方。l标准照明体标准照明体D D：代表标准照明体：代表标准照明体D D6565以外的其他日光。以外的其他日光。6 标准光源和标准照明体标准光源和标准照明体p标准光源标准光源：指用来：指用来实现标准照明体光谱功率分布的实现标准照明体光谱功率分布的光源光源，CIECIE规定用下述人工光源来实现标准照明体。规定用下述人工光源来实现标准照明体。p标准光源标准光源A A：熔凝石英壳或玻璃壳带石英窗口的充：熔凝石英壳或玻璃壳带石英窗口的充气钨丝灯，以产生色温为气钨丝灯，以产生色温为2856K2856K的辐射。的辐射。p标准光源标准光源B B：在：在A A光源前加一组特定的戴

24、维斯光源前加一组特定的戴维斯- -吉伯吉伯逊液体滤光器，以产生相关色温逊液体滤光器，以产生相关色温4874K4874K的辐射。的辐射。p标准光源标准光源C C：A A光源另加一组戴维斯光源另加一组戴维斯- -吉伯逊液体滤吉伯逊液体滤光器，以产生相关色温光器，以产生相关色温6774K6774K的辐射。的辐射。 戴维斯戴维斯- -吉伯逊滤色液系用硫酸钠、甘露醇吡啶、吉伯逊滤色液系用硫酸钠、甘露醇吡啶、蒸馏水，或硫酸钻铵、硫酸钠、硫酸、蒸馏水等不同蒸馏水，或硫酸钻铵、硫酸钠、硫酸、蒸馏水等不同的分量配合而成。的分量配合而成。 7 显色性（显色性（Color rendering） 色坐标定量的描述了光

25、发射源的颜色。由于视觉的性质，一色坐标定量的描述了光发射源的颜色。由于视觉的性质，一个普朗克发射体、几个单色光源或者一个发射一组特定谱线的个普朗克发射体、几个单色光源或者一个发射一组特定谱线的光源可以得到同样的色坐标。然而，随着放电灯和荧光灯之类光源可以得到同样的色坐标。然而，随着放电灯和荧光灯之类的冷光源的引入，上述色坐标已不能满足照明技术的需要。的冷光源的引入，上述色坐标已不能满足照明技术的需要。 其原因是：这些光源（放电灯和荧光灯等）具有其原因是：这些光源（放电灯和荧光灯等）具有不同的光不同的光谱而色坐标相同谱而色坐标相同，人们称这种光源为，人们称这种光源为同分异构光源同分异构光源。当辐射被。当辐射被照明物体反射时，光谱依据照明物体反射时，光谱依据反射率谱反射率谱而改变（色度移动）。而改变（色度移动）。但但由于反射谱对光源的不同频率成分产生不同的色度移动，同分由于反射谱对光源的不同频率成分产生不同的色度移动，同分异构光源照明的物体在视觉上可能表现为不同的颜色。异构光源照明的物体在视觉上可能表现为不同的颜色。 因此，这种现象给照明