第七章__食品的光学性质

1、1第七章第七章 食品的光学性质食品的光学性质 物体的各种颜色，必须在光线的照射下，才能显示出来。物体的各种颜色，必须在光线的照射下，才能显示出来。这是因为物体所呈现的颜色，取决于物体表面对光线中各种色这是因为物体所呈现的颜色，取决于物体表面对光线中各种色光的吸收和反射性能。光的吸收和反射性能。 呈现红色的物体，是由于它只反射红光，吸收了红光之外呈现红色的物体，是由于它只反射红光，吸收了红光之外的其余色光。的其余色光。 白色的纸之所以呈现白光，是由于它将照射在它表面上的白色的纸之所以呈现白光，是由于它将照射在它表面上的光的全部成分完全反射出来。光的全部成分完全反射出来。 如果物体表面将光线中各色

2、光等量的吸收或全部吸收，物如果物体表面将光线中各色光等量的吸收或全部吸收，物体的表现将呈现出灰色或黑色。体的表现将呈现出灰色或黑色。27.1光的吸收、反射、折射、散射、衍射和色散光的吸收、反射、折射、散射、衍射和色散 光通过介质时，一部分在界面上被反射，一部分被介质吸收，光通过介质时，一部分在界面上被反射，一部分被介质吸收，另一部分被介质散射，余下部分按一定折射方向继续前进另一部分被介质散射，余下部分按一定折射方向继续前进(这部这部分也可以叫做透射光分也可以叫做透射光)。 因此，通过介质透出的光强度必然比入射光弱。同时，由于因此，通过介质透出的光强度必然比入射光弱。同时，由于不同波长的光在介质

3、中的传播速度不同，因而同一介质对不同波不同波长的光在介质中的传播速度不同，因而同一介质对不同波长的光，有不同的折射率，所以一束白光或复合光在折射时，只长的光，有不同的折射率，所以一束白光或复合光在折射时，只要入射角不为零，则不同波长的光，将按不同的折射角而散开，要入射角不为零，则不同波长的光，将按不同的折射角而散开，称之为色散。称之为色散。 由此可见，光的吸收、反射、折射、散射、衍射和色散是光由此可见，光的吸收、反射、折射、散射、衍射和色散是光在介质中传播时所发生的普遍现象。在介质中传播时所发生的普遍现象。37.1.1 光的吸收光的吸收 由于光是一种能量流，在光通过材料传播时由于光是一种能量流

4、，在光通过材料传播时 ，会引起材料的价，会引起材料的价电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减，这种现象称为光的吸收。被吸收的光强与吸收体的厚度成的衰减，这种现象称为光的吸收。被吸收的光强与吸收体的厚度成正比。正比。 物质对光的吸收有选择性。同一介质对不同波长物质对光的吸收有选择性。同一介质对不同波长(不同颜色不同颜色)的的光的吸收程度不等。无色透明物质，例如玻璃，对可见光光的吸收程度不等。无色透明物质，例如玻璃，对可见光(波长在波长在400一一800nm之间之间)吸收很少。通常吸收很少。通常lcm厚的玻璃对可见

5、光只吸收约厚的玻璃对可见光只吸收约1%，但玻璃对紫外线吸收较为显著。石英对紫外线吸收不多，而，但玻璃对紫外线吸收较为显著。石英对紫外线吸收不多，而对红外线吸收性较强。对红外线吸收性较强。 一般一般，例如红色玻璃对红、橙色光吸收较弱，例如红色玻璃对红、橙色光吸收较弱(透过透过较多较多)，而对其他色光吸收较强。诸如这类现象称为透明介质对光，而对其他色光吸收较强。诸如这类现象称为透明介质对光的选择透射。的选择透射。 不透明物质对光也有选择性，相对来说也就是选择反射。白色不透明物质对光也有选择性，相对来说也就是选择反射。白色物体对各种波长的可见光的吸收程度很小，而反射程度很大。物体对各种波长的可见光的

6、吸收程度很小，而反射程度很大。 有色物体对可见光的选择反射性显著。例如黄色物体对黄色光有色物体对可见光的选择反射性显著。例如黄色物体对黄色光反射最强，对橙色和绿色光反射很弱，而对其他红、蓝等色光吸收反射最强，对橙色和绿色光反射很弱，而对其他红、蓝等色光吸收很强很强;蓝色物体对蓝色反射最强，对绿色和靛色光反射很弱，对其蓝色物体对蓝色反射最强，对绿色和靛色光反射很弱，对其他黄、紫、红等色光吸收很强。因此，黄色颜料与蓝色颜料混合而他黄、紫、红等色光吸收很强。因此，黄色颜料与蓝色颜料混合而成绿色颜料，即为剩余反射现象。成绿色颜料，即为剩余反射现象。 4 介质吸收光能，引起介质中电子的受迫震动，进而转化

7、为其介质吸收光能，引起介质中电子的受迫震动，进而转化为其他形式的能。他形式的能。 设强度为设强度为I 的某种光，通过厚度为的某种光，通过厚度为dx的某种均匀介质层，因的某种均匀介质层，因被介质吸收部分光能量而使强度减少被介质吸收部分光能量而使强度减少dI，如图，如图7一一1所示，朗伯所示，朗伯（Lambert），指出），指出( )与吸收层厚度与吸收层厚度dx成正比，即有成正比，即有: (71) 式中式中a与介质性质和光波的波长有关，称与介质性质和光波的波长有关，称为该介质对该种为该介质对该种光的吸收系数光的吸收系数。 当介质总厚度为当介质总厚度为x x，原入射光强度为，原入射光强度为I0，通过

8、整个介质以后的光强度为通过整个介质以后的光强度为I，将上式积，将上式积分，得分，得 亦即亦即: : 或或 (72) 5 此即为朗伯定律的数学表达式。对于选择吸收的物质来说，此即为朗伯定律的数学表达式。对于选择吸收的物质来说，在吸收波段内，在吸收波段内，a可以很大，可以很大，a越大，表示吸收越强。当介质总越大，表示吸收越强。当介质总厚度厚度x1/a时，由式时，由式(7-2)得得 也就是说，厚度为也就是说，厚度为a的介质层，可使光强减弱到原有光强的的介质层，可使光强减弱到原有光强的1/2.72。 实验证明，稀溶液对光的吸收系数实验证明，稀溶液对光的吸收系数a与其浓度与其浓度c成正比，即有成正比，即

9、有akiC的关系，式中的关系，式中ki为决定于吸收物质的分子特性，而与浓度为决定于吸收物质的分子特性，而与浓度无关的另一常数。由此，式无关的另一常数。由此，式(7一一2)变为变为 根据光在溶液中的被吸收的程度，可以决定溶液的浓度，这就根据光在溶液中的被吸收的程度，可以决定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的原理。此式称为是吸收光谱分析的原理。此式称为比尔定律比尔定律。 （73） （74） 67.1.2 光的反射光的反射光的反射：光的反射：光从一种介质射向另光从一种介质射向另一种介质的交界面时，一部分光一种介质的交界面时，一部分光返回原来介质中，使光的传播方返回原来介质中，使光的传播方向发生了改变，

10、这种现象称为光向发生了改变，这种现象称为光的的反射反射。光的反射定律：光的反射定律：反射反射光线与入射光线与入射光线、法线在同一平面上；光线、法线在同一平面上；反射反射光线和入射光线分居在法线的两光线和入射光线分居在法线的两侧；侧；反射反射角等于入射角可归纳为：角等于入射角可归纳为：“三线共面，两线分居，两角相三线共面，两线分居，两角相等等”。7 当光从一种介质进入另一种介质时，一部分被反射，另一部当光从一种介质进入另一种介质时，一部分被反射，另一部分穿入。反射的多少视两种介质折射率的比例而定，此外，还依分穿入。反射的多少视两种介质折射率的比例而定，此外，还依赖于入射角度，这些关系可由菲涅耳公

11、式阐明赖于入射角度，这些关系可由菲涅耳公式阐明: （75） （76） 式中，式中，为入射角，为入射角， 为折射角；下标为折射角；下标S表示垂直于入射面的表示垂直于入射面的电场分量；电场分量；P表示在入射面内的电场分量；表示在入射面内的电场分量；Rs，Rp为反射光的为反射光的电场分量；电场分量；Es，Ep为入射光的电场分量，为入射光的电场分量，与与 的关系由下式的关系由下式决定：决定： （77） 式中，式中，n两介质的折射率两介质的折射率n1和和n2之比。之比。87.1.3光的折射光的折射 光的折射：光的折射：当光由一种介质斜射到另一种介质时，其传播当光由一种介质斜射到另一种介质时，其传播方向发

12、生改变这种现象叫光的方向发生改变这种现象叫光的折射折射。 光发生光发生折射折射后，其频率不变，但波长和波速发生改变。后，其频率不变，但波长和波速发生改变。 光光折射折射时时,折射折射光线光线,入射光线入射光线,法线在同一平面内法线在同一平面内,折射折射光线光线和入射光线分别位于法线的两侧和入射光线分别位于法线的两侧.折射折射角随入射角的改变而改变，角随入射角的改变而改变，但两者不等。但两者不等。97.1.4 光的散射光的散射定义：定义： 一束光通过介质时其中一部分光偏离主要的传播方向，这种现一束光通过介质时其中一部分光偏离主要的传播方向，这种现象称为光象称为光散射散射。现象的本质是光波电磁场与

13、介质分子相互作用的结。现象的本质是光波电磁场与介质分子相互作用的结果。光的果。光的散射散射是原子或分子体系从入射光波中获得能量后，改变传是原子或分子体系从入射光波中获得能量后，改变传播方向及相位，甚至改变频率的再辐射过程。播方向及相位，甚至改变频率的再辐射过程。 当光波射人介质时，在光波电场的作用下，分子或原子获得能当光波射人介质时，在光波电场的作用下，分子或原子获得能量产生诱导极化，并以一定的频率作强迫振动，形成振动电偶极子量产生诱导极化，并以一定的频率作强迫振动，形成振动电偶极子（偶极子是指相距很近的符号相反的一对电荷）。这些振动的偶极（偶极子是指相距很近的符号相反的一对电荷）。这些振动的

14、偶极子就成为二次波源，向各个方向发射出电磁波。子就成为二次波源，向各个方向发射出电磁波。 在纯净的均匀介质中，这些次波相互干涉的结果，使光线只能在纯净的均匀介质中，这些次波相互干涉的结果，使光线只能在在折射折射方向上传播，而在其他方向上则相互抵消，所以没有方向上传播，而在其他方向上则相互抵消，所以没有散射散射光光出现。但当均匀介质中掺入进行着布朗运动的微粒后，或者体系由出现。但当均匀介质中掺入进行着布朗运动的微粒后，或者体系由于热运动而产生局部的密度涨落或浓度涨落时，就会破坏次波的相于热运动而产生局部的密度涨落或浓度涨落时，就会破坏次波的相干性，而在其他方向上出现放射光。干性，而在其他方向上出

15、现放射光。10 光波投到一般物体表面时，由于物体的光波投到一般物体表面时，由于物体的线度线度远大于光波的波远大于光波的波长，因而产生漫射长，因而产生漫射(又称漫反射又称漫反射) 现象。现象。 当光波投到细小质点上的时候，根据惠更斯原理，从质点表当光波投到细小质点上的时候，根据惠更斯原理，从质点表面上各点激发次级子波，进而形成同样波长的光波向各方向散开，面上各点激发次级子波，进而形成同样波长的光波向各方向散开，如图如图7一一2(a)所示。这种现象称为光的散射现象。所示。这种现象称为光的散射现象。 散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去的现象。散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周

16、射去的现象。图图7-211 散射物质对入射光没有经过共振吸收作用，所以此种现象散射物质对入射光没有经过共振吸收作用，所以此种现象不是共振辐射，而是直接从被照射物体的微粒表面不是共振辐射，而是直接从被照射物体的微粒表面“反射反射”而而来。来。 事实上，光的散射与反射和衍射有着密切的关系。例如光事实上，光的散射与反射和衍射有着密切的关系。例如光波投入混浊介质波投入混浊介质(含有许多悬浮微粒的透明物质含有许多悬浮微粒的透明物质)时，由于介质时，由于介质中有许多中有许多线度线度大于波长的微粒呈无规则的分布，则有部分光波大于波长的微粒呈无规则的分布，则有部分光波被散射，散射光波将绕过微粒两边，向各方发散

17、，类似于单径被散射，散射光波将绕过微粒两边，向各方发散，类似于单径衍射现象。衍射现象。 然而，混浊介质中，由于悬浮微粒的存在，破坏了介质的然而，混浊介质中，由于悬浮微粒的存在，破坏了介质的光学均匀性光学均匀性(存在微小区域有密度起伏现象存在微小区域有密度起伏现象)。因此，虽有些类。因此，虽有些类似于衍射现象，而没有干涉现象的伴随，故此呈现为散射现象。似于衍射现象，而没有干涉现象的伴随，故此呈现为散射现象。这种光的散射现象称为这种光的散射现象称为廷德尔廷德尔(Tyndll)散射。散射。 如图如图7一一2(b)所示，在一杯清水中加入几所示，在一杯清水中加入几滴豆浆，成为混浊透明介质，光沿滴豆浆，成

18、为混浊透明介质，光沿X轴方向通轴方向通过时，在过时，在Y轴方向可以看到杯中有光亮散发出轴方向可以看到杯中有光亮散发出来，这就是属于来，这就是属于廷德尔廷德尔散射的一个实例。散射的一个实例。12 又如某些从表面看来是均匀纯净的介质，当有光波通过时，也又如某些从表面看来是均匀纯净的介质，当有光波通过时，也会产生散射现象，只是它的散射光强度比不上混浊介质的散射光会产生散射现象，只是它的散射光强度比不上混浊介质的散射光强。这种散射现象是由线度小于光波长的介质分子所产生。称为强。这种散射现象是由线度小于光波长的介质分子所产生。称为分子散射，又称分子散射，又称瑞利瑞利散射。例如大气中的空气分子，对太阳光中

19、散射。例如大气中的空气分子，对太阳光中的蓝色光波散射特别显著，所以呈现蔚蓝色天空。的蓝色光波散射特别显著，所以呈现蔚蓝色天空。 根据光的电磁理论，次波振幅根据光的电磁理论，次波振幅A与其波动频率的平方成正比，与其波动频率的平方成正比，次波光强次波光强I 又与振幅又与振幅A的平方成正比，同时频率与波长的平方成正比，同时频率与波长成反比，成反比，故散射光强度：故散射光强度： （78） 可见散射光强度与波长的四次方成反比，称为可见散射光强度与波长的四次方成反比，称为瑞利瑞利定律。定律。13 由由瑞利瑞利定律可知，白光中的短波成分的散射效应较为显著，波定律可知，白光中的短波成分的散射效应较为显著，波长

20、越大散射越不显著。所以空气分子对蓝色光的散射特别显著，长越大散射越不显著。所以空气分子对蓝色光的散射特别显著，对太阳光的散射呈现蔚蓝色。对太阳光的散射呈现蔚蓝色。 质点足够微小的烟雾，在白光照耀下，往往呈现淡蓝色，所质点足够微小的烟雾，在白光照耀下，往往呈现淡蓝色，所谓谓“一缕蓝烟一缕蓝烟”，也是蓝色光散射的道理。，也是蓝色光散射的道理。 早、晚太阳偏东、西方，早、晚太阳偏东、西方，太阳光线通过大气层的太阳光线通过大气层的厚度比中午阳光通过大厚度比中午阳光通过大气层厚度要大得多，如气层厚度要大得多，如右图所示，根据右图所示，根据瑞利瑞利定定律，早、晚太阳光中的律，早、晚太阳光中的短波成分被空气

21、分子的短波成分被空气分子的散射较多，因而橙红色散射较多，因而橙红色光透射相对较为显著，光透射相对较为显著，所以早、晚天空多现橙所以早、晚天空多现橙红色光红色光;空中如有云彩，空中如有云彩，则将出现红霞。则将出现红霞。14 光波通过介质时，由于介质的吸收作用，足使透射光强减弱，光波通过介质时，由于介质的吸收作用，足使透射光强减弱，介质的散射，也足以使透射光强度进一步减弱。设光波通过厚度介质的散射，也足以使透射光强度进一步减弱。设光波通过厚度为为dx 的薄层介质时，因介质的散射作用而使入射光强度的薄层介质时，因介质的散射作用而使入射光强度I 减小一减小一个微量个微量dI，则此光强的相对减少量，则此

22、光强的相对减少量 与光波通过该介质的厚度与光波通过该介质的厚度dx成正比，即有成正比，即有 式中，式中，比例系数，称为该介质对该波长光波的散射系数。比例系数，称为该介质对该波长光波的散射系数。 将上式积分，得：将上式积分，得： （79） 式中，式中，1o入射于介质之前的光强度；入射于介质之前的光强度； I通过厚度为通过厚度为x的介质，除去被散射以外的介质，除去被散射以外(不考虑纯吸收不考虑纯吸收)的透过光强度。的透过光强度。 如果结合前面讲的光的吸收，一般测量所得光的如果结合前面讲的光的吸收，一般测量所得光的“吸收系数吸收系数”应包括纯吸收系数应包括纯吸收系数和散射系数和散射系数两个部分。因此

23、，实际上，入射两个部分。因此，实际上，入射光强光强1o通过厚度为通过厚度为x的介质以后，透出光强度的介质以后，透出光强度I 应为应为 （710） 以上所述的以上所述的瑞利瑞利散射，它的散射光波长与入射光的波长相同。散射，它的散射光波长与入射光的波长相同。 157.1.5光的衍射光的衍射 光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象叫光的衍射。光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象叫光的衍射。 衍射又称为绕射衍射又称为绕射,光线照射到物体边沿后通过光线照射到物体边沿后通过散射散射继续在继续在空间发射的现象。空间发射的现象。 光衍射的本质：光的衍射与微粒的刚性反弹没有关系，在光衍射的本质：光的衍射与微粒

24、的刚性反弹没有关系，在这里我们要用到的是光的波动性而不是光的粒子性。这里我们要用到的是光的波动性而不是光的粒子性。 道理很容道理很容易理解：由于光是波动传播的，它走的路线自然就是如正弦函易理解：由于光是波动传播的，它走的路线自然就是如正弦函数那样的曲线。只是在大的尺度下我们分辨不出而以为光是沿数那样的曲线。只是在大的尺度下我们分辨不出而以为光是沿直线传播的罢了。光的曲线走向就是光的衍射，它给了我们光直线传播的罢了。光的曲线走向就是光的衍射，它给了我们光偏离了运动方向的错觉。偏离了运动方向的错觉。16衍射屏衍射屏 观察屏观察屏 不但光线拐弯不但光线拐弯,而且在屏上而且在屏上出现明暗相间的条纹。出

25、现明暗相间的条纹。衍射屏衍射屏 观察屏观察屏 透过手指缝看日光灯，透过手指缝看日光灯，也能看到衍射条纹。光也能看到衍射条纹。光的衍射的衍射 17 平行单色光照到一圆孔上，在孔板后不同处的面上观察光平行单色光照到一圆孔上，在孔板后不同处的面上观察光的不同特点的不同特点 18197.1.6光的色散光的色散 光波都有一定的频率，光的颜色是由光波的频率决定的，在可光波都有一定的频率，光的颜色是由光波的频率决定的，在可见光区域，红光频率最小，紫光的频率最大，各种频率的光在真空见光区域，红光频率最小，紫光的频率最大，各种频率的光在真空中传播的速度都相同，等于但是不同频率的单色光，在介质中传中传播的速度都相

26、同，等于但是不同频率的单色光，在介质中传播时由于受到介质的作用，传播速度都比在真空中的速度小，并且播时由于受到介质的作用，传播速度都比在真空中的速度小，并且速度的大小互不相同红光速度大，紫光的传播速度小，因此介质速度的大小互不相同红光速度大，紫光的传播速度小，因此介质对红光的折射率小，对紫光的折率大当不同色光以相同的入射角对红光的折射率小，对紫光的折率大当不同色光以相同的入射角射到三棱镜上，红光发生的偏折最少，它在光谱中处在靠近顶角的射到三棱镜上，红光发生的偏折最少，它在光谱中处在靠近顶角的一端紫光的频率大，在介质中的折射率大，在光谱中也就排列在一端紫光的频率大，在介质中的折射率大，在光谱中也

27、就排列在最靠近棱镜底边的一端，出现彩色光带，称为光的色散现象。最靠近棱镜底边的一端，出现彩色光带，称为光的色散现象。 为了表征介质折射率因波长不为了表征介质折射率因波长不同而变化的程度，引入色散率这同而变化的程度，引入色散率这个概念，并且定义个概念，并且定义:介质色散率的介质色散率的量值等于介质折射率对波长的变量值等于介质折射率对波长的变化率。化率。 (711) 20不同波长的光会有不同的折射角不同波长的光会有不同的折射角色散的原因色散的原因217.2食品颜色的表征食品颜色的表征7.2.1 颜色的视觉颜色的视觉 (颜色辨认颜色辨认)l 颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感颜色是外

28、来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。因而物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周围环境觉。因而物体的颜色不仅取决于物体本身，还与光源、周围环境的颜色，以及观察者的视觉系统有关系。的颜色，以及观察者的视觉系统有关系。一般来说可见光谱上的各种颜色随光强度的增加而有所变化一般来说可见光谱上的各种颜色随光强度的增加而有所变化(向红色或蓝色变化向红色或蓝色变化)。这种颜色随光强度而变化的现象。这种颜色随光强度而变化的现象叫做贝叫做贝楚德楚德-朴尔克效应。但在光谱上黄朴尔克效应。但在光谱上黄(527nm)绿绿(503nm)蓝蓝(478nm)三点基本上不随光强而变。三点基本上不随光强而变。人眼对

29、波长变化引起的颜色变化的辨认能力人眼对波长变化引起的颜色变化的辨认能力(颜色辨认的灵颜色辨认的灵敏阈敏阈)在光谱中的不同位置是不同的。人眼刚能辨认的颜色变在光谱中的不同位置是不同的。人眼刚能辨认的颜色变化就称为颜色辨认的灵敏阈。化就称为颜色辨认的灵敏阈。最灵敏处为最灵敏处为480nm(青青)及及600nm(橙黄橙黄)附近附近最不灵敏处为最不灵敏处为540nm(绿绿)及光谱两端。灵敏处只要波长改变及光谱两端。灵敏处只要波长改变1nm人眼就能感人眼就能感受到颜色的变化受到颜色的变化而多数要改变而多数要改变12nm才行。才行。 22颜色可分为彩色和非彩色。颜色可分为彩色和非彩色。非彩色指白色非彩色指

30、白色黑色和各种不同深浅的灰色。黑色和各种不同深浅的灰色。 彩色就是指黑白系列以外的各种颜色。彩色就是指黑白系列以外的各种颜色。 对于理想的完全反射的物体对于理想的完全反射的物体其反射率为其反射率为100%称它为纯称它为纯白白而对于理想的完全吸收的物体而对于理想的完全吸收的物体其反射率为零其反射率为零称它为纯黑。称它为纯黑。白色白色黑色黑色和灰色物体对光谱各波段的反射和吸收是没有和灰色物体对光谱各波段的反射和吸收是没有选择性的选择性的称它们为中性色。称它们为中性色。对光来说对光来说非彩色的黑白变化相当于白光的亮度变化非彩色的黑白变化相当于白光的亮度变化即当即当白光的亮度非常高时白光的亮度非常高时

31、人眼就感觉到是白色的人眼就感觉到是白色的当光的亮度很低当光的亮度很低时时就感觉到发暗或发灰就感觉到发暗或发灰无光时是黑色的。无光时是黑色的。 237.2.2 颜色的基本物理量颜色的基本物理量色彩三要素色彩三要素 色彩的三要素是明度、色相（即色调）色彩的三要素是明度、色相（即色调） 、饱和度，是评价食、饱和度，是评价食品颜色的主要依据。品颜色的主要依据。 色调与饱和度合称为色度（色调与饱和度合称为色度（Chromaticity），它既说明彩色），它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。色度再加上亮度，就能光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。色度再加上亮度，就能对颜色作完整的说明。对颜色作

32、完整的说明。明度明度 亮度或明度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，是亮度或明度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，是指色彩明暗深浅的程度，也可称为色阶。指色彩明暗深浅的程度，也可称为色阶。 每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别。每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别。 同一物体由于照射在它表面的光的能量不同，反射出的能量同一物体由于照射在它表面的光的能量不同，反射出的能量也不相同，因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射也不相同，因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射下呈现出明暗的差别下呈现出明暗的差别 。 24色调（也称色相）色调（也称色相） 就

33、是指不同颜色之间质的差别，它们是可见光谱中不同波长的就是指不同颜色之间质的差别，它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有标志。电磁波在视觉上的特有标志。它是指各种颜色之间的差别。从表面现象来讲，例如一束平行它是指各种颜色之间的差别。从表面现象来讲，例如一束平行的白光透过一个三棱镜时，这束白光因折射而被分散成一条彩色的的白光透过一个三棱镜时，这束白光因折射而被分散成一条彩色的光带，形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，就是光带，形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，就是不同的色调。从物理光学的角度上来讲，各种色调是由射入人眼中不同的色调。从物理光学的角度上来讲，各种色调

34、是由射入人眼中光线的光谱成分所决定的，色调即色相的形成取决于该光谱成分的光线的光谱成分所决定的，色调即色相的形成取决于该光谱成分的波长。波长。 物体的色调由照射光源的光谱和物体本身反射特性或者透射特物体的色调由照射光源的光谱和物体本身反射特性或者透射特性决定。例如蓝布在日光照射下，只反射蓝光而吸收其它成分。如性决定。例如蓝布在日光照射下，只反射蓝光而吸收其它成分。如果分别在红光，黄光或绿光的照射下，它会呈现黑色。红玻璃在日果分别在红光，黄光或绿光的照射下，它会呈现黑色。红玻璃在日光照射下，只透射红光，所以是红色。光照射下，只透射红光，所以是红色。光源的色调取决于辐射的光谱组成和光谱能量分布及人

35、眼所产光源的色调取决于辐射的光谱组成和光谱能量分布及人眼所产生的感觉。生的感觉。760 630 600 570 500 450 430 400(nm)红红橙橙黄黄绿绿青青蓝蓝紫紫760 630 600 570 500 450 430 400(nm)红红橙橙黄黄绿绿青青蓝蓝紫紫25饱和度饱和度 饱和度是指构成颜色的纯度，即彩色的纯洁性饱和度是指构成颜色的纯度，即彩色的纯洁性色调深浅的程色调深浅的程度。度。 它表示颜色中所含某颜色成分的比例。某彩色比例越大，它表示颜色中所含某颜色成分的比例。某彩色比例越大，该色彩的饱和度越高，反之则饱和度越低。该色彩的饱和度越高，反之则饱和度越低。 饱和度还和亮度

36、有关，同一色调越亮或越暗越不纯。强光下比饱和度还和亮度有关，同一色调越亮或越暗越不纯。强光下比阴暗的光线下饱和度高。同一颜色的物体，表面光滑的物体比表面阴暗的光线下饱和度高。同一颜色的物体，表面光滑的物体比表面粗糙的物体饱和度大。粗糙的物体饱和度大。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色当光谱色(即单色光即单色光)掺入白光成份时掺入白光成份时其彩色变浅其彩色变浅或者说饱和度下降。当掺入的白光或者说饱和度下降。当掺入的白光成份多到一定限度时成份多到一定限度时在眼睛看来在眼睛看来它就不再是一种彩色光而成为它就不再是一种彩色光而成为白光了白光了或者说饱和度接

37、近于零，白光的饱和度等于零。或者说饱和度接近于零，白光的饱和度等于零。 物体色调的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程物体色调的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度，物体对光谱某一较窄波段的反射率很高，而对其它波长的反射度，物体对光谱某一较窄波段的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或不反射，表明它有很高的光谱选择性，物体这一颜色的饱率很低或不反射，表明它有很高的光谱选择性，物体这一颜色的饱和度就高。和度就高。不同的色别在视觉上也有不同的饱和度，红色的饱和度最高，不同的色别在视觉上也有不同的饱和度，红色的饱和度最高，绿色的饱和度最低，其余的颜色饱和度适中。绿色的饱和度最低，其

38、余的颜色饱和度适中。26光度学基本物理量光度学基本物理量光度与光通量光度与光通量 光度是表示光辐照度产生光感的程度。在光学中用光通量光度是表示光辐照度产生光感的程度。在光学中用光通量表示光度。光通量是光源在单位时间内所发出的可见光的辐射表示光度。光通量是光源在单位时间内所发出的可见光的辐射能量（即能量（即 =W/t ），单位为流明。流明与瓦特有一定的对应关），单位为流明。流明与瓦特有一定的对应关系。系。 光通量的单位是流明光通量的单位是流明lumen记作记作lm，这是功率单位。光通量，这是功率单位。光通量与辐射通量之间的换算，根据国际上规定的标准：与辐射通量之间的换算，根据国际上规定的标准：1

39、瓦波长为瓦波长为555nm的单色辐射通量是等于的单色辐射通量是等于683流明的光通量。这是光功当量，流明的光通量。这是光功当量，也是最大的光功当量。或者也是最大的光功当量。或者1流明波长为流明波长为555nm的单色光通量相的单色光通量相当于当于1/683瓦的辐射通量。其他波长的单色光，瓦的辐射通量。其他波长的单色光，1瓦辐射通量引起瓦辐射通量引起的光刺激都小于的光刺激都小于683流明，它们的关系就是视见函数关系。流明，它们的关系就是视见函数关系。 光源在给定方向上光源在给定方向上1球面度立体角内发出球面度立体角内发出0.00146W，波长为，波长为555nm的单色光的辐射能通量（亮度）时的发光

40、强度为的单色光的辐射能通量（亮度）时的发光强度为1坎德拉。坎德拉。 1坎德拉（坎德拉（cd）=1 流明流明/1球面度立体角（球面度立体角（lm/1sr）27 设在波长设在波长与与d之间光的辐射照度为之间光的辐射照度为 E d，则光通量的定，则光通量的定义式为：义式为： =V E d 对于波长为对于波长为1 2的连续光谱：的连续光谱： =k V E d21 式中式中：K-表示常数；表示常数； -表示光通量，单位为流明（表示光通量，单位为流明（lm,lumen）; V 表示波长为表示波长为光的相对光谱光效率；光的相对光谱光效率； E 表示表示波长为波长为的光源的的光源的辐射功率（单位为辐射功率（单

41、位为W）。）。多色光源的光通量为各单位光光通量之和。多色光源的光通量为各单位光光通量之和。28照度照度 表示某一受光点单位面积的光通量为照度。即：表示某一受光点单位面积的光通量为照度。即：E =ddA2式中，式中，A2表示受光面积，单位为表示受光面积，单位为m2； E表示照度，单位为表示照度，单位为lm/m2(流明流明/米米2)，也为勒克斯，也为勒克斯（lux）。即）。即 1 lux = l lm/m229光出射度（面发光度）光出射度（面发光度）从一发光表面的单位面积上发出的光通量称为该表面的光出从一发光表面的单位面积上发出的光通量称为该表面的光出射度，以射度，以M表示。光出射度和光照度表示。

42、光出射度和光照度E是一对相同意义的物理量，是一对相同意义的物理量，只是前者是发出而后者是接收光通量。两者的单位本质上是相同只是前者是发出而后者是接收光通量。两者的单位本质上是相同的。的。 式中，式中，A1表示发光面积，单位为表示发光面积，单位为m2；M表示发光光通量，单表示发光光通量，单位为位为lm/m2。发光表面可以是本身发光的，也可以是受外来照射后投射或发光表面可以是本身发光的，也可以是受外来照射后投射或反射发光的；可以是实际发光体，也可以是其象面。对于后一种反射发光的；可以是实际发光体，也可以是其象面。对于后一种情况，其发光度则与该面接收的辐射通量有关，即与表面的照度情况，其发光度则与该

43、面接收的辐射通量有关，即与表面的照度有关。令有关。令表示该面的反射率，表示该面的反射率，1。 M= EM=ddA130 发光强度简称光强，国际单位是发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写（坎德拉）简写cd。 是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。光源辐射是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。光源辐射是均匀时，则光强为是均匀时，则光强为I= / ， 为立体角，单位为球面度为立体角，单位为球面度（sr）, 为光通量，单位是流明。为光通量，单位是流明。 I（发光强度）单位为（发光强度）单位为lm/sr。 设点光源在一立体角设点光源在一立体角d内发出的光通量为内发出的

44、光通量为d，则其发光强，则其发光强度为度为立体角立体角 因此，整个空间因此，整个空间 当光源在各个方向上发光强度相同时，总光通量为当光源在各个方向上发光强度相同时，总光通量为 发光强度发光强度31亮度（亮度（光亮度光亮度） 光亮度光亮度是表示发是表示发光光面明亮程度的，指发面明亮程度的，指发光光表面在指定方向表面在指定方向的发的发光光强度与垂直且指定方向的发强度与垂直且指定方向的发光光面的面积之比，单位是坎面的面积之比，单位是坎德拉德拉/平方米。对于一个漫散射面，尽管各个方向的平方米。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光光强和强和光光通通量不同，但各个方向的量不同，但各个方向的亮度亮度都是相等的

45、。都是相等的。 亮度用亮度用L表示，表示，L= dIdA cos式中，式中，A表示发光体表面积，单位表示发光体表面积，单位m2； 表示发光体表面法线与观测方向夹角。表示发光体表面法线与观测方向夹角。327.2.3颜色的物理表示颜色的物理表示颜色的三色学说颜色的三色学说 人们发现了三原色现象，即只要有人们发现了三原色现象，即只要有红红、绿绿、蓝蓝这三种光，经这三种光，经过适当配比，就可以得到一切彩色。过适当配比，就可以得到一切彩色。 人的眼睛色觉是由人的眼睛色觉是由红红、绿绿、蓝蓝三种感觉组合形成的，这就是三种感觉组合形成的，这就是三色学说。三色学说。 眼睛的三种感色细胞分别为赤锥体、绿锥体、蓝

46、锥体细胞。眼睛的三种感色细胞分别为赤锥体、绿锥体、蓝锥体细胞。 33互补色：互补色： 凡两个以适当比例相混合产生白色的颜色光是互补色。两凡两个以适当比例相混合产生白色的颜色光是互补色。两个色光的主波长定义为互补波长，但在不同光源下个色光的主波长定义为互补波长，但在不同光源下补色补色的主波的主波长是会有所不同的。或者按适当比例混合而能产生黑色或灰色长是会有所不同的。或者按适当比例混合而能产生黑色或灰色的两种颜色的染料，都互为补色。的两种颜色的染料，都互为补色。 例如黄与蓝，红与蓝绿即为互补色。在混合时，如果比例例如黄与蓝，红与蓝绿即为互补色。在混合时，如果比例不对则成为不饱和的彩色，色调偏于过多

47、的一色。不对则成为不饱和的彩色，色调偏于过多的一色。 蓝、绿、红三原色互为补色蓝、绿、红三原色互为补色的黄、品红、青三色通常称为的黄、品红、青三色通常称为“三补色三补色”。这三个补色在可见。这三个补色在可见光谱中，各约占光谱中，各约占13。 34 三种光互相混合，诞生了四种新色彩：黄、品、青、白。三种光互相混合，诞生了四种新色彩：黄、品、青、白。 在这个由六色构成的色环中：在这个由六色构成的色环中： 每一种色与相邻的色彩构成了邻色系统，每一种色与对面每一种色与相邻的色彩构成了邻色系统，每一种色与对面的色彩构成补色系统。的色彩构成补色系统。 在混合两种非补色时，会产生一种新的介于他们之间的中在混

48、合两种非补色时，会产生一种新的介于他们之间的中间色。间色。白白35三刺激值三刺激值 色度学中用三原色匹配物体色度学中用三原色匹配物体反射色光反射色光所需要所需要红红、绿绿、蓝蓝原原色数量称为物体颜色的色数量称为物体颜色的三刺激值三刺激值，即，即X、Y、Z，也是物体色的，也是物体色的色度值。色度值。 三刺激值三刺激值相当于眼睛相当于眼睛三种感光细胞三种感光细胞，即称赤锥体、绿锥体、，即称赤锥体、绿锥体、蓝锥体细胞，蓝锥体细胞，对各种等能量对各种等能量单色波长单色波长光的感度光的感度。 自然界中的每种颜色都可以用选定的、能刺激人眼中三种自然界中的每种颜色都可以用选定的、能刺激人眼中三种受体细胞的受

49、体细胞的红红、绿绿、蓝蓝三原色，按适当比例混合而成。三原色，按适当比例混合而成。 36 三刺激值，即在给定的三色系统中与待测色达到色匹配所需三刺激值，即在给定的三色系统中与待测色达到色匹配所需要的三个原刺激量，分别以要的三个原刺激量，分别以X、Y、Z表示。通过对众多具有正常表示。通过对众多具有正常色觉的人体色觉的人体(称为标准观察者，即标准眼称为标准观察者，即标准眼)进行广泛的颜色比较试验，进行广泛的颜色比较试验，测定了每一种可见波长测定了每一种可见波长(380780nm)的光引起的光引起刺激的刺激的相相对数量的色匹配函数对数量的色匹配函数，这些色匹配函数分别用，这些色匹配函数分别用()、()

50、、()来表示。来表示。把这些色匹配函数组合起来，描绘成曲线，就叫做把这些色匹配函数组合起来，描绘成曲线，就叫做CIE色度标准观色度标准观察者的光谱三刺激值曲线察者的光谱三刺激值曲线(见图见图)。 37 任何一种颜色可以用任何一种颜色可以用红红、绿绿、蓝蓝三原色按照不同比例混合来三原色按照不同比例混合来得到。颜色匹配过程是通过三原色混合后的光的颜色与对应给定得到。颜色匹配过程是通过三原色混合后的光的颜色与对应给定光的颜色相同。光的颜色相同。 CIE（国际照明委员会）选取的标准（国际照明委员会）选取的标准红红、绿绿、蓝蓝三种光的波三种光的波长分别为：长分别为： 红红光，光，R，1=700nm ；

51、绿绿光，光，G，1=546nm ； 蓝蓝光，光，B，1=435.8nm 。 38RGB和和CIE-XYZ表色系统表色系统 光颜色的匹配可以用式子表示为：光颜色的匹配可以用式子表示为： (4.1.1) 其中其中权值权值 r、g、b为颜色匹配中所需要的为颜色匹配中所需要的 R、G、B三色光的三色光的相对量，也就是三刺激的值。相对量，也就是三刺激的值。 1931年，年，CIE给出了用等能标准三原色来匹配任意颜色的给出了用等能标准三原色来匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线，这样的一个系统被称为光谱三刺激值曲线，这样的一个系统被称为CIE-RGB系统。但系统。但一部分一部分500m附近的附近的R三刺激值是负

52、数。三刺激值是负数。39 由于实际上不存在负的光强，而且这种计算极不方便，不易由于实际上不存在负的光强，而且这种计算极不方便，不易理解，人们希望找出另外一组原色，用于代替理解，人们希望找出另外一组原色，用于代替CIE-RGB系统，系统，因此，因此，1931年的年的CIE-XYZ系统利用三种假想的标准原色系统利用三种假想的标准原色X（红）、（红）、Y（绿）、（绿）、Z（蓝），以便使我们能够得到的颜色匹配函数的三（蓝），以便使我们能够得到的颜色匹配函数的三刺激值都是正值。类似的，该系统的光颜色匹配函数定义为如下刺激值都是正值。类似的，该系统的光颜色匹配函数定义为如下的一个式子：的一个式子： (4.

53、1.2)40 用用R、G、B三原色（实际上是三原色（实际上是CIE-XYZ标准原色）的单位向标准原色）的单位向量可以定义一个三维颜色空间（图），一个颜色刺激（量可以定义一个三维颜色空间（图），一个颜色刺激（C）就可）就可以表示为这个三维空间中一个以原点为起点的向量，我们把该三以表示为这个三维空间中一个以原点为起点的向量，我们把该三维向量空间称为（维向量空间称为（R、G、B）三刺激空间，该空间落在第一象限，）三刺激空间，该空间落在第一象限，该空间中的向量的方向由三刺激的值确定，因而向量的方向代表该空间中的向量的方向由三刺激的值确定，因而向量的方向代表颜色。颜色。 红红蓝蓝绿绿41 为了在二维空间

54、中表示颜色，我们在三个坐标轴上对称的取一个为了在二维空间中表示颜色，我们在三个坐标轴上对称的取一个截面，该截面通过（截面，该截面通过（R）、（）、（G）、（）、（B）三个坐标轴上的单位向量，）三个坐标轴上的单位向量，因而可知截面的方程为（因而可知截面的方程为（R）（）（G）（）（B）1。 该截面与三个坐标平面的交线构成一个等边三角形，它被称为色该截面与三个坐标平面的交线构成一个等边三角形，它被称为色度图。度图。 每一个颜色刺激向量与该平面都有每一个颜色刺激向量与该平面都有一个交点，因而一个交点，因而色度图可以表示三刺激色度图可以表示三刺激空间中的所有颜色值空间中的所有颜色值，同时交点的个数，同

55、时交点的个数是唯一的，说明色度图上的每一个点代是唯一的，说明色度图上的每一个点代表不同的颜色，它的空间坐标表示为该表不同的颜色，它的空间坐标表示为该颜色在标准原色下的三刺激值，该值是颜色在标准原色下的三刺激值，该值是唯一的。唯一的。 对于三刺激空间中坐标为对于三刺激空间中坐标为X、Y、Z的颜色刺激向量的颜色刺激向量Q，它与色度图交点的，它与色度图交点的坐标（坐标（x，y，z）即三刺激值，也被称）即三刺激值，也被称为色度值，有如下的表示：为色度值，有如下的表示： (4.1.3) 42色品图：色品图： 43 色品图是根据三原色原理绘制的，它用匹配某一颜色的三原色色品图是根据三原色原理绘制的，它用匹

56、配某一颜色的三原色比例来规定这一颜色，比例来规定这一颜色，x色品坐标相当于红原色的比例，色品坐标相当于红原色的比例，y色品坐色品坐标相当于绿原色比例，图中没有标相当于绿原色比例，图中没有z色品坐标，因为色品坐标，因为x+y+z=1，所，所以以z=1-(x+y)。P 坐标系统的原色坐标系统的原色(三基色三基色)点，即三角形的三个角顶红点，即三角形的三个角顶红原色点原色点(x) x=1，y=z=0；绿原；绿原色点色点(y) y=1，x=z=0；蓝原色；蓝原色点点(z) z=1,x=y=0都落在这个都落在这个区域之外，区域之外，也就是说，原色点也就是说，原色点的色品是假想的，在物理上不的色品是假想的

57、，在物理上不可能实现。同样，凡是落在光可能实现。同样，凡是落在光谱轨迹由红端到紫端直线范围谱轨迹由红端到紫端直线范围以外的颜色是物理上不能实现以外的颜色是物理上不能实现的颜色。的颜色。44 谱轨迹曲线以及连接光谱轨迹两端所形成的舌形内部包谱轨迹曲线以及连接光谱轨迹两端所形成的舌形内部包括一切物理上能实现的颜色。括一切物理上能实现的颜色。 色品图中的色品图中的E点是白光，由三原色各点是白光，由三原色各13彩色量产生，所彩色量产生，所以也称为等能白光，其色品坐标为以也称为等能白光，其色品坐标为 E点是点是CIE标准光源的色光，相当于中午阳光的光色。标准光源的色光，相当于中午阳光的光色。 若色坐标给

58、定，可立即从色品图上定出该色的主波长和若色坐标给定，可立即从色品图上定出该色的主波长和饱和度。例如，要求饱和度。例如，要求Q点的主波长，只要从点的主波长，只要从Q向向E引一条直线，引一条直线，并延长并延长EQ与光谱轨迹相交，交点在与光谱轨迹相交，交点在510.3nm则则Q点的主波长就点的主波长就是是510.3nm。某一颜色离开。某一颜色离开E点的接近光谱轨迹的程度表明它的点的接近光谱轨迹的程度表明它的纯度，颜色越靠近纯度，颜色越靠近E越不纯，越靠近光谱轨迹越纯，所以接近光越不纯，越靠近光谱轨迹越纯，所以接近光谱轨迹的远近程度标志着饱和度的大小。从谱轨迹的远近程度标志着饱和度的大小。从E到到Q点

59、和点和P点的距点的距离之比离之比EQEP为该为该Q点颜色的饱和度。点颜色的饱和度。 45 从色品图还可推算出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。从色品图还可推算出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。如如Q和和S相加，按不同比例，可配出相加，按不同比例，可配出Q到到S线段中的各种颜色。光谱线段中的各种颜色。光谱轨迹的形状是近似直线或凸形的，而不是凹形的。因此，任何两个轨迹的形状是近似直线或凸形的，而不是凹形的。因此，任何两个波长光相混合所得出的混合色或落在光谱轨迹上，或在光谱轨迹所波长光相混合所得出的混合色或落在光谱轨迹上，或在光谱轨迹所包围的面积之内，而绝不会落在光谱轨迹之外。包围的面积之内，

60、而绝不会落在光谱轨迹之外。 在在700770nm的光谱波段有一恒定的色度值，都是的光谱波段有一恒定的色度值，都是x=07347，y=0.2652，z=0，在色品图上只由一个点来表示。这表明，在色品图上只由一个点来表示。这表明，只要将只要将700770nm这段光谱上的任何不同波长的两个颜色调整到这段光谱上的任何不同波长的两个颜色调整到相同亮度，则这两个颜色在人眼看来都是一样的。相同亮度，则这两个颜色在人眼看来都是一样的。 光谱轨迹光谱轨迹540700nm近似是一条直线，这意味着，在这段光近似是一条直线，这意味着，在这段光谱范围内的任何光谱色都是可以通过谱范围内的任何光谱色都是可以通过540nm和