TFT平板显示技术：第二章彩色科学与工程

第二章彩色科学与工程

光度与色度怎样比较两个物体哪个更亮？怎样比较两个光源哪个发光效率更高？怎样定量地表述一个物体的颜色？怎样定量地区分鲜红色和暗红色的差异？1了解人眼的视觉生理基础。了解明适应和暗适应。理解视觉暂留（残留）现象。理解三基色原理。理解色彩再现原理。色彩学基础22.1人眼的生理特性人眼基本上可以看成是一个包含在巩膜内的不透光暗室。它具有一个由角膜﹑前房水﹑水晶体和玻璃体组成的折射光学系统﹐它们将入射光线聚焦在眼球后面的视网膜上形成一个倒像。3锥体细胞与杆体细胞视网膜由一个感光细胞薄层组成﹐含有两类感光细胞，即锥体细胞与杆体细胞，不均匀地分布在视网膜上。锥体细胞分布在视网膜中央，特别是在中央凹部分，而杆体细胞则多分布在较边缘部分。这两类细胞的作用不同﹐杆状细胞主司明暗的判别，平均约有1亿两千万个细胞，可接受400～600nm波长的光线，不具色彩判别力。杆形细胞作用相当于高灵敏度﹑粗颗粒的黑白底片﹐它在很暗的光照下还能起作用﹐但不能区别颜色﹐得到的像轮廓不够清晰﹔锥状细胞，可接受400～700nm波长的光线，具辨别色彩的能力，但数量只有6百万个。这也说明了为什么人的眼睛对明暗对比的判定，要比色彩的变化来的敏感的原因。锥形细胞作用相当于灵敏度比较差﹑颗粒细的彩色底片﹐它在较强的光照下才能起作用，能区别颜色，得到的像的细节较清晰.4进入眼睛的光线被视网膜上的杆状（Rod）和锥状(Cone)细胞所接受，并产生电子讯号刺激后方的神经细胞层在精于大脑整合产生视觉影像。

5两种视觉细胞的区别①杆体细胞比锥体细胞小一些，它对光的敏感性较锥体细胞强约500倍，但它不能提供色的信息；②在中央凹2°范围内没有杆体细胞，但离开中央凹以外便开始出现杆体细胞，锥体细胞在中央凹处密度最大，杆体细胞在离开中央凹20°的地方密度最大；③锥体细胞在和神经的连接上占有优势，中央凹的锥体细胞是一个细胞连接一根神经纤维，而杆体细胞则是许多个细胞共用一根神经纤维；④在杆体细胞中有“视紫红质”，锥体细胞没有，这种物质在亮光下很快褪色，在弱光下或在黑暗中又逐渐复原，它与暗适应有关。6

暗适应与明适应人眼从光亮中进入暗室时，在最初的瞬间什么都看不见，逐渐地才适应了黑暗，从而区分出周围物体的轮廓，这就是暗适应。人们从黑暗处走到强光下，开始觉得眩目，睁不开眼睛，大约需要经过1min后才能看清楚周围的景物。眼睛这种由暗到亮的适应过程叫做明适应，在这过程中眼的感受度降低。视紫红质视黄醛+蛋白质光暗72.2光度学（photometry）光度学是研究光度测量的科学。在光度学中根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应，使用单位与人眼生理特性有关。一般成像系统中，像的亮度不可能大于物的亮度，即光学系统不能增加亮度。8光度的基本物理量光量

Qv

单位lm·s

光通量

Φv

单位lm流明(光)照度

Ev

单位lx＝lm·m-2

勒克斯(光)出射度

Mv

单位lm·m-2发光强度

Iv

单位cd＝lm·sr-1(Candela)(光)亮度

Lv

单位cd·m-29

α=

立体角的单位叫球面度（sr），1球面度是半径为1米的球面上，1平方米的球面对球心所张的立体角。lαAoB(a)sAA＇r(b)orΩΩ=

平面角和立体角平面角的单位叫弧度，1弧度是半径为1米的园上，1米长的圆弧对圆心所张的角。10光度学单位1.光通量(LuminousFlux)：光源在单位时间内发出的光量，符号为ΦV，单位为流明（lm）2.发光强度(LuminousIntensity)：光源在给定方向(Φ，θ)的单位立体角(Ω)中辐射的光通量，符号IV，单位是坎德拉(cd)。点光源r，

单位：坎德拉，

其中

，

11流明是国际单位制的一个导出单位，定义为：发光强度为1坎德拉的点光源，在1球面度立体角内发射的光通量。如用符号表示可写成：1lm=1

cd·sr。常见电光源的发光效率，是指1W的电功率能转化成多少光通量。

1979年第十六届国际计量大会决定：坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度、该光源发出频率为540x1012Hz的单色辐射，而且在此方向上的辐射强度为1／683瓦特每球面度(w/sr)。12实际数据光通量lm：40W钨丝灯泡468lm40W日光灯2100lm常见光源的大致效率（流明/瓦）白炽灯，15;日光灯，50发光强度cd：无月的夜空10-3；满月0.25；钨丝白炽灯500-1500地球上看到的太阳150,000133.光照度(Luminous)

:单位受光面积(S)上所接收的光通量数，符号为EV，单位为勒克斯（lx）勒克斯定义：1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的光照度，1lx=1lm/m2。4.光亮度(Brightness)：光源在某方向的单位投影面积(S·cosθ)上、在单位立体角中辐射的光通量，符号Lv，单位坎德拉每平方米（cd/m2或尼特，即nit）。常见发光体的亮度（尼特）：

太阳表面，2,000,000,000白炽灯灯丝，10,000,000

眼能习惯的亮度，3,000

满月表面，2,500

人眼能比较好的分辨出颜色的亮度，1

无月夜空，0.000114照度表，比光通量、发光强度、光亮度更易测量常见照度值lx：阳光直射（正午）下110,000晴天有窗室内100-500办公室工作必需 20-100满月室外0.2例：若教室12mX10m，有12个20W的日光灯，计算桌面照度15视觉惰性与闪烁当外界光消失之后，我们的亮度感觉还会残留一段时间，这个现象称为视觉惰性。利用视觉惰性，以周期性的光脉冲对眼睛反复进行刺激时，我们就感到每刺激一次眼睛就会闪现一次图像：当刺激频率足够高时，该图像就会变成稳定的、和光长期刺激时一样的图像。近代电影、电视、显示等正是利用了这一生理上的特点才发展起来的。视觉细胞在外界光作用之下其视敏物质经过曝光染色过程是需要时间的，因此极短时间的光脉冲给我们的感觉不如亮度相同的恒定光那么亮。16视觉惰性能够被加以利用的关键原因是在外界光脉冲作用之下，亮度在眼睛里建立得快、消失得慢，这个现象叫做视觉残留。视觉残留时间受如下一些因素影响：(1)由弱的发光物体所得到的后像消失较快，而由强的光刺激所引发的后像则可持续较长时间；(2)刺激光作用时间越长，后像持续的时间也越长；(3)不同色光的刺激，后像延续时间不同，黄色光的后像消失得最快。17一般正常人眼睛的视觉残留时间约为0．1s左右。在阴极射线管(CRT)显示设备中，电子束打到荧光屏上时就出现一个亮点，给人一个时间极短的光脉冲。如果此亮点在荧光屏上高速运动，由于眼睛的视觉残留作用，所看到的就是一幅完整的图形。为了看到稳定的图形，不但要求亮点在荧光屏上的运动速度足够高，而且还要进行不断地重复，即刷新。如果刷新的间隔时间太长，以至于前一次在眼睛里残留的图像快要消失了才进行重复，就会感到一明一暗的闪烁现象，因此刷新的时间间隔(也叫做刷新周期)不能太长。正好使人感到不闪烁的刷新频率称为临界闪烁频率(CriticalFusionFrequency)，简记为CFF。18在CRT显示系统中，荧光粉本身也有一定的惰性。其表现为：当受到电子束轰击时，其光输出按指数规律较快地增长到最大值；当电子束停止轰击时，其光输出并不立即停止，而是按指数规律慢慢地衰减。这种现象叫做荧光粉的余辉。因此，临界闪烁频率不但与人的视觉惰性有关，而且也与荧光粉的特性有关。另外，眼睛对亮度感觉的敏锐程度与平均亮度水平有关，而造成闪烁现象的实质又是由于在图像的某一像素上因电子束前一次轰击在视网膜上所感觉到的亮度与这一次轰击所感觉到的亮度之间已能发觉出差异。当平均亮度水平较高时，眼睛对亮度差异的鉴别能力也高。可见临界闪烁频率与平均亮度水平也是有关的。19临界闪烁频率还与亮度变化幅度有关，亮度变化幅度越大，闪烁频率越高。另外相继两幅画面本身的亮度分布和颜色、观看者到画面的距离以及环境条件等也都对临界闪烁频率有影响。总而言之，闪烁是一个复杂的现象，它与许多物理量以及观察者的特性都有关。对于重复频率在临界闪烁频率以上的光脉冲，人眼不再感觉到闪烁。202.3色度学色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的科学，是以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。色度学是一种主观的科学,它以人类的平均感觉为基础,是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学。以对光强的度量来说,物理光学以光的辐射能量这个客观单位来度量,而色度学却以色光对人眼的刺激强度来度量。辐射能量很大的波长很长的红光对人来说却没有辐射能量很小的黄光亮,人们就认为黄光的强度比红光大。在人们眼中所反映出的颜色，不单取决于物体本身的特性，还与照明光源的光谱成分有着直接的关系。因此在人们眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果。我们用色度学来评价的结论就是这种综合效果。21颜色视觉过程：

当锥状细胞感受颜色后，颜色的信息是怎样通过神经通路传递到大脑去的?研究证明,在视网膜中含有三种不同的光谱敏感视色素，分别存在于三种视锥细胞中：红视锥细胞(吸收峰值为575nm)、绿视锥细胞(540nm)和蓝视锥细胞(450nm)。视网膜上的三种独立的锥状感色细胞有选择地吸收光谱中不同波长的辐射，同时每一细胞又可单独产生白与黑的反应。在强作用下产生白的反应，无外界刺激时是黑的反应。在把锥状细胞的感受向视觉神经中枢传递的过程中，三种反应又重新组合，最后形成三对对立的神经反应，即红或绿、黄或蓝、白或黑反应。22眼睛对颜色的辨认能力人的辨别颜色的能力在不同波长是不同的.光谱各部位的颜色辨认阈限23在明视觉条件下，人眼对380-780nm可见光谱范围的不同波长的辐射，即各种色光，具有不同的感受性。对于等能量的各色光，人眼觉得黄绿色最亮，其次是蓝、紫，最暗的是红色。人眼对颜色细节的分辨能力远比对亮度细节分辨力低。人眼对不同色调细节的分辨力也不相同。基于人眼分辨彩色细节的能力很差这一事实，在彩色电视系统中传送彩色图像时细节部分可以只传送黑白图像，而不传送彩色信息，并配以亮度细节,这就是利用大面积着色原理以节省传输频带的依据。24颜色的特性颜色有三大特性，即：明度、色调和饱和度，也称为彩色参量。这三个参量在视觉中组成一个统一的总效果，并严格地描述了彩色光。色调表征不同颜色特征的量，反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等，是颜色彼此区分的特性。指在物体反射的光线中以哪种波长占优势来决定的，不同波长产生不同颜色的感觉。彩色最重要的特征，它决定了颜色本质的基本特征。25明度是指刺激物的强度作用于眼睛所发生的效应，它的大小是由物体反射系数来决定的，反射系数越大，则物体的明度越大，反之越小。明度是人眼直接感受到的物体明亮程度，可描写人眼主观亮度感觉。表征颜色的明亮程度，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。一般来说，彩色光能量大则显得亮。（亮度、反射率、透过率越大，明度越高。）同一物体因受光不同会产生明度上的变化；强度相同的不同色光，亮度感不同。26饱和度是指彩色光所呈现的颜色的深浅程度(或浓度)。指一个颜色的鲜明程度,是颜色色调的表现程度，它取决于波长范围的狭窄性(即纯度)。光谱色指从380～770nm可见光波长范围内的单色光所对应的颜色,不同波长的光在人的视觉上呈现不同的色感。饱和度是指颜色接近光谱色的程度。一种颜色越接近光谱色，其饱和度越好。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深，或越纯。在物体反射光的组成中，白色光越少，则它的色彩饱和度越大。淡色的饱和度比浓色要低一些；饱和度还和亮度有关，同一色调越亮或越暗越不纯。272829非彩色是指白色、黑色和各种深浅不同的灰色。只有明度值的差别，没有色调和饱和度，只有灰度等级。对光谱各波长的反射没有选择性，它们是中性色。彩色是指白黑系列以外的各种颜色。颜色非彩色彩色颜色的分类29颜色环如果两种颜色混合得到白色或灰色，那么这两种颜色就是互补色。由图可见，与颜色环圆心对称的圆周上的任何两种颜色都是互补色白色30颜色的混合不同颜色混合在一起，能产生新的颜色，这种方法称为混色法。得到混合色的方法有两种，即相加混色法和相减混色法。相加混色是各分色的光谱成分相加，以红、绿、蓝作为三种基色，全部光色都可以由红、绿、蓝三基色以适当的比例混合而得到。彩色显示屏基本都是利用红、绿、蓝三基色相加产生各种不同的彩色。相减混色中存在光谱成分的相减，物体呈现的颜色是物体吸收了一定波长的光线以后所余下的光线的色调。在彩色印刷、绘画和电影中就是利用相减混色。红＋绿＝黄红＋蓝＝紫蓝＋绿＝青红＋蓝＋绿＝白31相减混色法减色法的三原色是青、紫、黄，它们是相加三原色红、绿、蓝的补色。彩色影片的画面是由黄、紫、青三种影片染料按减色法原理构成。它们采用了颜色料，白光照射在颜色料上后，光谱的某些部分使被吸收，而其他部分被反向或透射，从而表现出某种颜色。混合颜料时，每增加一种颜料，都要从白光中减去更多的光谱成分，因此，颜料混合过程称为相减混色。32红＝白－蓝－绿＝黄＋紫

绿＝白－蓝－红＝黄＋青蓝＝白－绿－红＝紫＋青

黑=白－蓝－绿－红＝黄＋紫＋青33CIE标准色度系统物体颜色是光刺激人的视觉器官产生的反应，要将观察者的颜色感觉数字化，国际照明委员会(CIE)规定了一套标准色度系统，称为CIE标准色度系统，这一系统是近代色度学的基本组成部分，是色度计算的基础，也是彩色复制的理论基础之一。CIE标准色度学系统是一种混色系统，是以颜色匹配实验为出发点建立起来的。用组成每种颜色的三原色数量来定量表达颜色。34颜色匹配实验把两个颜色调整成视觉上相同或相等的方法称之颜色匹配以三原色R(700nm)；G(546.1nm)；B(435.8nm)匹配等能白光(匹配相同能量各波长的光谱色)35三刺激值在颜色匹配中，用于颜色混合以产生任意颜色的三种颜色叫做三原色。通常加色混色中使用红、绿、蓝三种颜色光为三原色是为了得到最多的混合色。颜色匹配实验中，当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，记作R、G、B。一种颜色与一组R、G、B值相对应，R、G、B值相同的颜色，颜色感觉必定相同。光谱三刺激值:

匹配等能光谱色的三原色数量。用符号ｒ，ｇ，ｂ表示。36色度坐标和色度图三原色各自在R+G+B总量中的相对比例叫做色度坐标，用符号r，g，b来表示。1.选择三原色：700nm(R)、546.1nm(G)、435.8nm(B)２、确定三原色单位：将相加匹配出等能白光(E光源)时三原色各自的数量定为三原色的单位。即从色彩角度，三原色等量（R=G=B=1)混合得到白光。37TheChromaticityDiagram色度图可用来表示所有颜色的色度特性。色度图中心为白点（非彩色点），光谱轨迹上的点代表不同波长的光谱色，是饱和度最高的颜色，越接近色度图中心（白点），颜色的饱和度越低。围绕色度图中心不同的角度，颜色的色调不同。38实验发现：人眼的视觉响应取决于红、绿、蓝三分量的代数和。它们的比例决定了彩色视觉。亮度在数量上等于三基色的总和。由于人眼的这一特性，可在色度学中应用代数法则。

白光(W)可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色相加而得，它们的光通量比例为

ΦR：ΦG：ΦB＝1：4.5907：0.0601

3940CIE1964均匀颜色空间加入明度考虑考虑完全反射漫射体白物体色刺激的亮