第七章光源色度学

1、第七章光源色度学第一节第一节 光源的色温光源的色温一、绝对黑体一、绝对黑体 不同的光源有着不同的光谱能量分布，同时不同的光谱不同的光源有着不同的光谱能量分布，同时不同的光谱能量分布又决定着光源有不同的颜色。光源的颜色特性取决能量分布又决定着光源有不同的颜色。光源的颜色特性取决于发出的光线中不同波长的相对能量的比例。光源的光谱分于发出的光线中不同波长的相对能量的比例。光源的光谱分布既是它本身光色的的决定因素，又是影响物体呈色的重要布既是它本身光色的的决定因素，又是影响物体呈色的重要因素之一。因素之一。 为了能够对光源的光色做出一个定量的描述，在此引入为了能够对光源的光色做出一个定量的描述，在此引

2、入一个光源色温的概念。人们把光源的光与黑体的光相比较来一个光源色温的概念。人们把光源的光与黑体的光相比较来表达光源的光色。表达光源的光色。 黑体是对入射的辐射光能全部吸收的物体，也是物体黑体是对入射的辐射光能全部吸收的物体，也是物体中发光本领最强的物体，在辐射作用下既不反射也不透射中发光本领最强的物体，在辐射作用下既不反射也不透射，而是能把落在它上面的辐射全部吸收，又称作完全辐射，而是能把落在它上面的辐射全部吸收，又称作完全辐射体。物体对辐射的吸收能力与发射能力是成正比的。吸收体。物体对辐射的吸收能力与发射能力是成正比的。吸收本领大的物体，发射本领也较大，吸收能力小的物体，发本领大的物体，发射

3、本领也较大，吸收能力小的物体，发射本领也相对小一些。射本领也相对小一些。 黑体的吸收能力在所有物体中是最大的。黑体的吸收能力在所有物体中是最大的。 一个黑体被加热时，其单位面积表面辐射的光谱功率的一个黑体被加热时，其单位面积表面辐射的光谱功率的大小及其分布完全由它的温度来决定。当黑体被加热时，它大小及其分布完全由它的温度来决定。当黑体被加热时，它就会向外辐射能量，随着加热温度不断提升，它的光谱功率就会向外辐射能量，随着加热温度不断提升，它的光谱功率分布急剧上升。同时黑体发出的辐射光的光色也随着温度的分布急剧上升。同时黑体发出的辐射光的光色也随着温度的升高而发生变化，温度从低到高，光色按红、黄、

4、白、蓝的升高而发生变化，温度从低到高，光色按红、黄、白、蓝的顺序变化。这说明黑体的相对光谱功率分布的最大功率部位顺序变化。这说明黑体的相对光谱功率分布的最大功率部位将由长波向短波方向变化。将由长波向短波方向变化。 人们就用黑体加热到不同温度时所发出的不同色光来表人们就用黑体加热到不同温度时所发出的不同色光来表达一个光源的颜色，称为该光源的颜色温度，简称色温。达一个光源的颜色，称为该光源的颜色温度，简称色温。 在自然界中，完全理想的黑体是不存在的。可以利用耐在自然界中，完全理想的黑体是不存在的。可以利用耐火材料人工制造黑体。在一个封闭的容腔中开一个小孔，从火材料人工制造黑体。在一个封闭的容腔中开

5、一个小孔，从小孔射入空腔中的光经内部多次反射和吸收后很难再射出来。小孔射入空腔中的光经内部多次反射和吸收后很难再射出来。均匀加热容器壁，并让辐射能量通过壁上的小孔向外发射，均匀加热容器壁，并让辐射能量通过壁上的小孔向外发射，这个小孔的辐射就相当于一个黑体的完全辐射。如图：这个小孔的辐射就相当于一个黑体的完全辐射。如图：20020040040060060080080010001000可见光区可见光区相对能量相对能量6000K6000K5000K5000K4000K4000K3000K3000K 黑体的光谱辐射情况完全信赖于本身的温度。黑体在黑体的光谱辐射情况完全信赖于本身的温度。黑体在不同温度下

6、相对光谱功率分布曲线如下图。不同温度下相对光谱功率分布曲线如下图。 第二节第二节 标准照明体和标准光源标准照明体和标准光源 人们认知物体要依靠光源，日常生活和工作也都是在日人们认知物体要依靠光源，日常生活和工作也都是在日光或各种人造光源下进行的。同一物体在不同的光源下呈现光或各种人造光源下进行的。同一物体在不同的光源下呈现的颜色是不相同的，即便是同一光源下，所观察到的物体的的颜色是不相同的，即便是同一光源下，所观察到的物体的颜色效果也不一定是相同的。比如太阳这一固定光源，由于颜色效果也不一定是相同的。比如太阳这一固定光源，由于它具有不同的色相，所以观察到物体的颜色也不相同。因此，它具有不同的色

7、相，所以观察到物体的颜色也不相同。因此，测量物体表面的颜色，必须在一定的并且光谱性能稳定的光测量物体表面的颜色，必须在一定的并且光谱性能稳定的光源下进行。为了统一颜色测量的标准，国际照明委员会规定源下进行。为了统一颜色测量的标准，国际照明委员会规定了色度学的标准照明体了色度学的标准照明体A A、B B、C C、D D和标准源和标准源A A、B B、C C。一、标准照明体一、标准照明体 为了统一颜色测量的标准，为了统一颜色测量的标准，CIECIE推荐四种标准照明体推荐四种标准照明体A A、B B、C C、D D。 标准照明体是指特定的光谱功率分布。这一光谱功标准照明体是指特定的光谱功率分布。这一

8、光谱功率分布不是必须由一个光源直接提供，也不一定能用光率分布不是必须由一个光源直接提供，也不一定能用光源来实现。源来实现。 CIECIE标准照明体标准照明体A A、B B、C C由标准光源由标准光源A A、B B、C C来实现，来实现，则两者的相对光谱功率分布应接近一致。标准照明体则两者的相对光谱功率分布应接近一致。标准照明体D,D,目前还不能由真实的光源准确地实现目前还不能由真实的光源准确地实现, ,国际上正在研究具国际上正在研究具有标准照明体有标准照明体D D相对光谱功率分布的标准光源。相对光谱功率分布的标准光源。标准照明体标准照明体A A，代表，代表“19681968年国际用温标年国际用

9、温标”。绝对温度大约为。绝对温度大约为2856K2856K完全辐射体的光。它的色品坐标落在完全辐射体的光。它的色品坐标落在CIE1931CIE1931色品图的黑色品图的黑体轨迹上。体轨迹上。标准照明体标准照明体B B，代表相关色温大约为，代表相关色温大约为4874K4874K的直接阳光，其色度的直接阳光，其色度点靠近黑体轨迹。点靠近黑体轨迹。标准照明体标准照明体C C，代表相关色温大约为，代表相关色温大约为6774K6774K的平均日光，它的色的平均日光，它的色度点在黑体轨迹的下方。度点在黑体轨迹的下方。标准照明体标准照明体D D6565，代表相关色温为，代表相关色温为6504K6504K的日

10、光，它的色度点在的日光，它的色度点在黑体轨迹上方。黑体轨迹上方。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以外的日光。以外的日光。二、标准光源二、标准光源 标准光源是指被指定的能发光的物理辐射体，如白炽标准光源是指被指定的能发光的物理辐射体，如白炽灯、太阳、火等。灯、太阳、火等。 通过分析标准照明体通过分析标准照明体A A、B B、C C的相对光谱功率分布曲线的相对光谱功率分布曲线可知，可知，B B和和C C两条曲线不能正确地代表相应的日光，而用标两条曲线不能正确地代表相应的日光，而用标准照明体准照明体A A或或D D代表日光。代表日光。 在色度学应用中，在色度学

11、应用中，A A和和D D是推荐作为广泛应用的标准照是推荐作为广泛应用的标准照明体。明体。 CIE CIE规定用下列人工光源来实现标准照明体。规定用下列人工光源来实现标准照明体。 标准光源标准光源A A，色温，色温2856K2856K的充气钨丝灯，光色偏黄。的充气钨丝灯，光色偏黄。 标准光源标准光源B B，由，由A A光源加一组特定的戴维斯光源加一组特定的戴维斯- -吉伯逊液吉伯逊液体滤光器体滤光器, ,以产生相关色温以产生相关色温4874K4874K，相当于中午的日光。，相当于中午的日光。 标准光源标准光源C C，由，由A A光源加另一组特定的戴维斯光源加另一组特定的戴维斯- -吉伯逊吉伯逊液

12、体滤光器液体滤光器, ,以产生相关色温以产生相关色温6774K6774K的辐射，相当于有云的辐射，相当于有云的日光。的日光。三、标准照明体与标准光源三、标准照明体与标准光源 CIECIE对标准照明体和标准光源加以区分，照明体是指特对标准照明体和标准光源加以区分，照明体是指特定的光谱功率分布，而光源则指具体的发光物体。定的光谱功率分布，而光源则指具体的发光物体。CIECIE标准标准照明体照明体A A、B B、C C是由标准光源是由标准光源A A、B B、C C来实现的，标准光源来实现的，标准光源用具有一定光谱功率分布的灯或加滤光片的灯来产生。当用具有一定光谱功率分布的灯或加滤光片的灯来产生。当某

13、一标准照明体能用相应的标准光源实现，则两者的相对某一标准照明体能用相应的标准光源实现，则两者的相对光谱功率分布应接近一致。光谱功率分布应接近一致。 CIECIE规定的标准照明体规定的标准照明体D D也叫典型日光或重组日光。典也叫典型日光或重组日光。典型日光与实测日光有非常接近的相对光谱功率分布，并且型日光与实测日光有非常接近的相对光谱功率分布，并且典型日光比标准照明体典型日光比标准照明体B B和和C C更符合实际日光的色度点，所更符合实际日光的色度点，所以以CIECIE推荐用推荐用D D5050（5004K5004K）、）、D D5555（5503K5503K）、）、D D6565（6504K

14、6504K）、）、D D7575（7504K7504K）的相对光谱功率分布作为代表日光的标准照明）的相对光谱功率分布作为代表日光的标准照明体。体。CIECIE建议尽可能用建议尽可能用D D6565来代表日光。来代表日光。 模拟某一种标准照明体的人工光源，最根本的问题就是模拟某一种标准照明体的人工光源，最根本的问题就是复制出这种照明体的相对光谱功率分布，要把这一效果做到复制出这种照明体的相对光谱功率分布，要把这一效果做到完全相同是非常困难的。对于标准照明体完全相同是非常困难的。对于标准照明体D D，目前还不能由，目前还不能由真实的光源准确地实现。国际上也正在研究具有标准照明体真实的光源准确地实现

15、。国际上也正在研究具有标准照明体D D相对光谱功率分布的标准光源。相对光谱功率分布的标准光源。 现在模拟现在模拟D D6565的人工光源主要有三种。第一种是带滤光器的人工光源主要有三种。第一种是带滤光器的高压氙灯，它是目前最好的能模拟的高压氙灯，它是目前最好的能模拟D D6565的人工光源。第二种的人工光源。第二种是带滤光器的白炽灯，但是它在紫外区的模拟不十分理想。是带滤光器的白炽灯，但是它在紫外区的模拟不十分理想。第三种是荧光灯，它的相对光谱功率分布与第三种是荧光灯，它的相对光谱功率分布与D65D65还是存在较还是存在较大区别。大区别。 还有一种是带滤光的白炽灯和荧光灯的混合光源，是用还有一

16、种是带滤光的白炽灯和荧光灯的混合光源，是用来模拟来模拟D75D75的人工光源，它与的人工光源，它与D75D75的相对功率分布较为接近。的相对功率分布较为接近。第三节第三节 光源颜色与视觉的关系光源颜色与视觉的关系一、光源的颜色一、光源的颜色 日常生活用照明光源，不仅要求有良好的发光效率，而日常生活用照明光源，不仅要求有良好的发光效率，而且还应有比较好的颜色。如果一个光源的颜色与标准光源的且还应有比较好的颜色。如果一个光源的颜色与标准光源的颜色有较大的差别，人眼就会觉得不舒服。另外，如果光源颜色有较大的差别，人眼就会觉得不舒服。另外，如果光源的颜色照在物体上使物体颜色严重失真，那么这一光源同样的

17、颜色照在物体上使物体颜色严重失真，那么这一光源同样不能反映事物的本来面目。在印刷的照相制版中，光源的颜不能反映事物的本来面目。在印刷的照相制版中，光源的颜色更是决定印刷复制质量的一个重要因素。色更是决定印刷复制质量的一个重要因素。 光源的颜色有二个方面的含义；一是人眼直接看到的光光源的颜色有二个方面的含义；一是人眼直接看到的光源的颜色，称为光源的表色，比如白炽灯的颜色就是黄红色源的颜色，称为光源的表色，比如白炽灯的颜色就是黄红色的的; ;二是指光源照射到物体上物体所产生的客观的颜色效果，二是指光源照射到物体上物体所产生的客观的颜色效果，这称为光源的显色性。这称为光源的显色性。 色表和显色性是评

18、价光源质量的重要指标。色表和显色性是评价光源质量的重要指标。 二、光源的显色性二、光源的显色性 光源显色性是表征在光源下物体的颜色对人所产生的光源显色性是表征在光源下物体的颜色对人所产生的视觉效果。视觉效果。 要想得到显色性好的光源，关键是光源的光谱功率分要想得到显色性好的光源，关键是光源的光谱功率分布要与标准光源相接近。而光源的光谱分布又决定了光源布要与标准光源相接近。而光源的光谱分布又决定了光源的色温。光源的色温低，光源发出的光中长波部分所占的的色温。光源的色温低，光源发出的光中长波部分所占的比例就大，光源偏红色；光源色温高，短波部分所点的比比例就大，光源偏红色；光源色温高，短波部分所点的

19、比例大，光源偏蓝色。现代的一些新型光源，如荧光灯、钠例大，光源偏蓝色。现代的一些新型光源，如荧光灯、钠灯、汞灯等，其色光与白炽灯或日光灯相似，但是其光谱灯、汞灯等，其色光与白炽灯或日光灯相似，但是其光谱功率分布却与日光或白炽灯有着极大的差别，因此，人们功率分布却与日光或白炽灯有着极大的差别，因此，人们在这些光源下看到的物体的颜色与在日光下或白炽灯下看在这些光源下看到的物体的颜色与在日光下或白炽灯下看到的物体的颜色是不相同的。到的物体的颜色是不相同的。 为了统一标准，为了统一标准，CIECIE规定，将普朗克辐射体作为低色温光规定，将普朗克辐射体作为低色温光源的参照标准，标准照明体源的参照标准，标

20、准照明体D D作为高色温光源的参照标准，分作为高色温光源的参照标准，分别用来衡量其他光源照明下的颜色效果。所以光源的显色性是别用来衡量其他光源照明下的颜色效果。所以光源的显色性是指与参照标准照明体相比较，某一光源对物体颜色外貌所产生指与参照标准照明体相比较，某一光源对物体颜色外貌所产生的效果。所以白炽灯和日光是显色性最好的光源，而其他与这的效果。所以白炽灯和日光是显色性最好的光源，而其他与这两种光源的光谱分布有较大差别的光源则显色性较差。对于显两种光源的光谱分布有较大差别的光源则显色性较差。对于显色性差的光源，不论它的发光效率有多高，都不适于印刷、印色性差的光源，不论它的发光效率有多高，都不适

21、于印刷、印染、文体、摄影、电影、电视等需要识别颜色的行业或场所，染、文体、摄影、电影、电视等需要识别颜色的行业或场所，而只能用于一般要求不高的照明。而只能用于一般要求不高的照明。三、光源的显色指数及定量评价三、光源的显色指数及定量评价 光源显色性直接影响物体颜色外貌。所以它有着重大意光源显色性直接影响物体颜色外貌。所以它有着重大意义。为了对光源的显色性做出一个准确的评价，通常用显色义。为了对光源的显色性做出一个准确的评价，通常用显色指数来表征显色性的优劣，用显色指数对显色性给予定量评指数来表征显色性的优劣，用显色指数对显色性给予定量评价。价。 显色指数是待测光源下物体呈现的颜色与参照光源下物显

22、色指数是待测光源下物体呈现的颜色与参照光源下物体所呈现颜色相符合程度的度量。体所呈现颜色相符合程度的度量。 19641964年，年，CIECIE制定了一种光源显色性评价方法，经制定了一种光源显色性评价方法，经19741974年年修订正式向世界各国推荐采用。修订正式向世界各国推荐采用。19841984年，我国在制定光源显年，我国在制定光源显色性评价方法的国家标准时，即采用了色性评价方法的国家标准时，即采用了CIECIE推荐的光源显色性推荐的光源显色性评价方法，又考虑到我国人的肤色特征，在计算光源显色性评价方法，又考虑到我国人的肤色特征，在计算光源显色性时增加了我国女性面部肤色。使我国的光源显色性

23、评价方法时增加了我国女性面部肤色。使我国的光源显色性评价方法既具有国际通用性，又符合中国人的视觉心理。既具有国际通用性，又符合中国人的视觉心理。 光源的显色指数可以规定为三个范围，显色指数大于光源的显色指数可以规定为三个范围，显色指数大于7575的光源为优质显色光源，越接近的光源为优质显色光源，越接近100100，显色性越好；显色指，显色性越好；显色指数在数在50-7550-75之间的光源，显色性一般；显色指数小于之间的光源，显色性一般；显色指数小于5050的光的光源，显色性较差。光源显色指数较低，物体在这一光源下会源，显色性较差。光源显色指数较低，物体在这一光源下会发生变色或失真，显色指数越

24、低，变色或失真情况越严重。发生变色或失真，显色指数越低，变色或失真情况越严重。目前，印刷行业所用的光源的显色指数一般不应低于目前，印刷行业所用的光源的显色指数一般不应低于9090，彩，彩色摄影、彩色影视等与颜色有关的工业部门也要求用显色指色摄影、彩色影视等与颜色有关的工业部门也要求用显色指数大于数大于8585的高显色性的光源。的高显色性的光源。常用光源的一般显色指数常用光源的一般显色指数 虽然光源的显色性和光源的色温都是由光谱功率分布所决虽然光源的显色性和光源的色温都是由光谱功率分布所决定的，但是它们之间并没有必然的联系。光源色温的高低与显定的，但是它们之间并没有必然的联系。光源色温的高低与显

25、色指数的高低无关。由上表可知：白炽灯的色温较低，但是它色指数的高低无关。由上表可知：白炽灯的色温较低，但是它的显色指数却很高，而荧光灯的色温很高，但是它的显色指数的显色指数却很高，而荧光灯的色温很高，但是它的显色指数却一般。光源的色温及显色性都是评价光源优劣的重要指标，却一般。光源的色温及显色性都是评价光源优劣的重要指标，而光源的显色性具有重要的意义。而光源的显色性具有重要的意义。 光源的显色性是由光源的能量分布所决定的。具有连续光光源的显色性是由光源的能量分布所决定的。具有连续光谱的光源，如日光，或与之相似的连续光谱均有较好的显色性。谱的光源，如日光，或与之相似的连续光谱均有较好的显色性。如

26、果光源的能量分布很不连续，则光源的颜色肯定偏向某种颜如果光源的能量分布很不连续，则光源的颜色肯定偏向某种颜色，光源的显色性必然低，颜色失真度必然大。色，光源的显色性必然低，颜色失真度必然大。 色温的高低和光源的显色性没有必然的联系，色温的高低色温的高低和光源的显色性没有必然的联系，色温的高低并不决定显色指数的高低。对于从事颜色工作的人来说，光源并不决定显色指数的高低。对于从事颜色工作的人来说，光源的色温和显色性都很重要，但显色性的重要性要更大一些。的色温和显色性都很重要，但显色性的重要性要更大一些。定量评价任一光源显色性的方法定量评价任一光源显色性的方法首先：要选定标准参照光源首先：要选定标准参照光源r r0 0并规定参照光源的显色指数为并规定参照光源的显色指数为100.100.参考光源不用具体的光源，而用参考照明体。因此，参参考光源不用具体的光源，而用参考照明体。因此，参考光源的光谱能量分布是可以用数学公式加以计算的。确定考光源的光谱能量分布是可以用数学公式加以计算的。确定参照光源时可由待测光源的相关色温来进行。参照光源时可由待测光源的相关色温来进行。接着：制定接着：制定1515种标准种标准“测试色测试色”样品。其中前样品。其中前8 8块