应用光学简明教程 课件【ch07】颜色

应用光学简明教程光电&仪器类专业教材颜色第七章概述01一、概述1.电磁辐射是颜色现象的物理基础日常生活经验表明：电磁辐射中可见光是产生颜色的条件，不同波长的可见光(波长大约为380~780nm的电磁辐射)是颜色现象的物理基础。2.人的颜色视觉是颜色现象的生理基础可见光作用于人眼视网膜上，对感色细胞形成刺激，视神经把这种刺激转化成为颜色感觉。人的颜色视觉是颜色现象的生理基础。一、概述3.光源色、物体色和荧光色被观察物体的辐射刺激人眼的视神经产生的色感觉称为物体的颜色。如果物体是自发光的，其颜色与所辐射的光谱成分有关，这一类物体颜色称为光源色。本身不发光物体在外界光照射下，透过、反射或漫反射某些波长的光产生的颜色，称为物体色。它决定于物体本身对光的吸收、反射和漫射特性及照明光的光谱成分。还有的物体在外部辐射照射下，能透过、反射或漫反射与外界照明光波长相同的光，而且能产生与照明光波长不同的荧光。这类物体产生的色感觉，称为荧光色。颜色的特征和分类02二、颜色的特征和分类1.颜色的特征一般来说，判别颜色是根据三个重要特征：明度、色调和饱和度。三者中只要有一个不同，就有不同的色感觉。明度是指颜色明亮的程度。对于光源色，明度与发光强度有关；对于物体色，则取决于物体的反射比和透射比。色调是借以区分不同颜色的特征，在可见光范围内，不同波长辐射的颜色具有不同的色调，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。光源色的色调取决于发光体辐射能的光谱组成。物体色取决于物体对光的选择吸收特性及照明光的光谱构成。饱和度是颜色接近光谱色的程度。当所含白光成分为零时，得纯光谱色，饱和度达最高；光谱色的成分为零就是白光，饱和度为零。饱和度高的颜色深而鲜艳；饱和度低，颜色浅而暗淡。二、颜色的特征和分类2.颜色的分类颜色可分为非彩色和彩色两大类。非彩色是指白色、黑色，以及白与黑之间的深浅不同的灰色所组成的颜色系列。其特征是没有色调，饱和度为零，只有明度的变化。彩色是指非彩色系列以外的所有颜色，例如所有的光谱色都是彩色。色光混合与格拉斯曼定律03三、色光混合与格拉斯曼定律1.色光混合图7.1所示为一种色光混合的实验装置。实验表明，不同色光可以相互混合，混合色光与原色光的颜色不同。混合色光在人眼视网膜上形成的刺激等于各色光单独作用形成的刺激之和。三、色光混合与格拉斯曼定律2.格拉斯曼定律大量的色光混合实验揭示了加混色的规律，即格拉斯曼定律，其可以归纳为(1)人眼仅能分辨颜色在三个方面不同：色调、明度及饱和度。(2)两种色光刺激的混合，其中一种刺激连续变化，其余一种保持不变，混合的颜色也是连续变化的。(3)在颜色混合中，相同的颜色(色调、明度、饱和度相同)产生相同的效果，而与其光谱组成无关。三、色光混合与格拉斯曼定律3.颜色的运算定律(1)色光混合符合加法也符合减法定理两相同的颜色刺激分别加到或分别减去另外两个相同的颜色刺激上，所产生的两个混合色相同，即则有a+c=b+d和a-c=b-d(=为混合的符号)，即表明色光混合符合加法定理也符合减法定理。(2)颜色混合也符合乘法定理如果1单位的某种颜色刺激和1单位的另一种颜色刺激有相同的颜色，当这两种颜色刺激的单位数不为1，而为任意值，则只要数值相同，其颜色仍相同。即相同颜色的辐射通量改变相同倍数，其颜色仍保持相同。这表示颜色混合也符合乘法定理。颜色的匹配04四、颜色的匹配图7.2为颜色匹配实验。实验结果证明，红(R)，

绿(G)，蓝(B)三种色光可以对任何颜色实现匹配。进一步实验证明，能够用来匹配所有各种颜色的三种颜色不仅限于红、绿、蓝一组。只要三种颜色中的每一种颜色不能用其他两种颜色混合产生出来，就可以用来匹配出所有的颜色。这样的三种颜色称为“三原色”。在颜色匹配实验中，还可以用另一光源Ss通过滤色片FM在观察孔周围加上不同照度的白光或彩色背景。实验证明，观察孔周围的背景上的照度和彩色的改变，并不影响对颜色的匹配。1.颜色匹配实验四、颜色的匹配2.颜色方程颜色匹配可以用数学方程来描述，即式中，R(R)，G(G)，B(B)分别表示红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)的量为R，G，B；符号“☰”表示匹配。色度学基础05五、色度学基础匹配某种颜色所需的三原色的量，称为颜色的三刺激值。用红、绿、蓝作为三原色时，颜色方程中的三原色量R，GB就是三刺激值。三刺激值不是用物理单位来量度的，而是用色度学的单位来量度。具体规定为：在380~780nm的波长范围内，各种波长的辐射能量均相等时，称为等能光谱色。由其构成的白光称为等能白光，简称E光源。等能白光的三刺激值是相等的，且均为1单位。用颜色方程表示为1.三刺激值五、色度学基础2.光谱三刺激值或颜色匹配函数用三刺激值可以表示各种颜色，各种波长的光谱色也不例外。匹配等能光谱色所需的三原色量叫作光谱三刺激值，也称为颜色匹配函数。对于不同波长的光谱色，其三种刺激值显然是波长的函数。用红、绿、蓝作为三原色时，光谱三刺激值或颜色匹配函数用

，

和

来表示。五、色度学基础三原色确定后，一种颜色的三刺激值是唯一的，因此可以用三刺激值表示颜色。但是，由于准确测量三刺激值存在着技术上的困难，故常不直接用其表示颜色，而是用其在三刺激值总和中.所占比例来表示颜色。这三个比例值叫作色品坐标。设颜色的三刺激值分别为R，G，B，色品坐标为r，g，b，则有3.色品坐标及色品图五、色度学基础它们正是三原色(R)，(G)和(B)的三个色品点。此三点的连线构成一个三角形，三角形内任一点的色品坐标都是正值。代表三原色的混合可以产生的颜色。这个三角形称为麦克斯韦颜色三角形，图7.3表示了以(R)，(G)，(B)为三原色的色品图。3.色品坐标及色品图五、色度学基础4.色度学中常用的三个光学物理量(1)光谱反射因数和光谱辐亮度因数物体的光谱反射因数，可表示为(2)光谱反射比光谱射比，表示为(3)光谱透射比τ(λ)光谱透射比是波长的函数，一般用τ(λ)表示：五、色度学基础5.混合色的三刺激值五、色度学基础5.混合色的三刺激值CIE标准色度学系统06六、CIE标准色度学系统轴外点发出光束的渐晕011.莱特实验莱特以波长为650nm(红)、540nm(绿)、460nm(蓝)的光谱色为三原色，由10名观察者用仪器(略)对各光谱色进行匹配，确定光谱色的色品坐标。在实验中，只规定相等数量的红和绿刺激值匹配出波长为582.5nm的黄色光，相等数量的绿和蓝刺激值匹配出波长为494.0nm的蓝绿色光。但没有明确三刺激值的单位，只是测定了各光谱色的色品坐标r(N)，g(2)和b(2)。对10名观察者实验数据取平均值作为各光谱色色品坐标。六、CIE标准色度学系统轴外点发出光束的渐晕012.吉尔德实验吉尔德实验选择的波长分别为630nm(红)、540nm(绿)、460nm(蓝)的光谱色为三原色，由7名观察者用实验装置(略)在2°视场范围内实现了类似的实验。把莱特和吉尔德测得的两组数据均通过色品坐标的转换，即转换为红(R)：2=700nm，绿(G)：a=546.1nm，蓝(B)：λ=435.8nm三原色系统的色品数据，并取平均值。六、CIE标准色度学系统1931CIE-XYZ系统021.XYZ系统三原色的选择1931CIE一XYZ系统的三原色选择的要求是：第.用三原色匹配等能的光谱色时，三刺激值均为正；第二、色品图上表示的实际不存在的颜色所占的面积尽量小；第三、用Y刺激值表示颜色的亮度。六、CIE标准色度学系统1931CIE-XYZ系统021.XYZ系统三原色的选择为达到第一和第二两个要求，(X)，(Y)，(Z)三原色对1931CIE一RGB色品图上色品点所形成的颜色三角形应包含全部光谱色品轨迹，且使三角形内光谱色品轨迹的外面部分的面积为最小。为此需要做到：第一、以光谱色品轨迹上波长为700nm和540nm两色品点的连线为(X(Y)(Z)三角形的(X)(Y)边，该直线的方程为六、CIE标准色度学系统1931CIE-XYZ系统021.XYZ系统三原色的选择第二、在光谱色品轨迹斜上方的波长为503nm的色品点作一个方程为的直线作为三原色三角形的D(Z)边。并设b=1-r-g。经推导(过程略)得(X)，(Y)，(Z)三原色在RGB系统中的色品坐标为六、CIE标准色度学系统2.CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值(X)，(Y)，(Z)三原色在RGB系统色品图上的相应色品点均在光谱色品轨迹包围的范围之外。实际_上不可能有比光谱色更饱和的颜色，因此，(X)，(Y)，(Z)作为色度学系统的三原色是有意义的，但实际上并不存在这三种颜色。XYZ系统的光谱三刺激值也无法通过颜色匹配实验直接得到，而是以1931CIE-RGB系统光谱色品坐标值换算求得的。RGB和XYZ两个系统的色品坐标转换公式为1931CIE-XYZ系统02六、CIE标准色度学系统3.1931CIE-XYZ系统光谱三刺激值的确定1931CIB-XYZ系统的光谱三刺激值已成为国际标准，定名CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值，简称CIE1931标准色度观察者。图7.6给出CIE1931标准色度.观察者光谱三刺激值曲线。1931CIE-XYZ系统02六、CIE标准色度学系统3.1931CIE-XYZ系统光谱三刺激值的确定图7.7为1931CIE-XYZ色度系统的色品图，光谱色品轨迹也是一条马蹄形曲线，等能白光色品点(E)为颜色的参考点。光谱色的饱和度是最高的，没有比光谱色饱和度更高的颜色。实际存在的颜色的色品点均在光谱色品轨迹所包围的范围之内。1931CIE-XYZ色品图03六、CIE标准色度学系统表示颜色特征的两个量一主波长和颜色纯度04一种颜色的主波长是以一定比例与参考白光相混合匹配出该种颜色光谱色的波长，以表示。对于相同的颜色在不同明度条件下，主波长将稍有不同，所以，主波长和颜色的色调在一定条件下是相对应的。由图7.8可知颜色(M)的主波长λd=550nm。1.主波长和补色波长六、CIE标准色度学系统表示颜色特征的两个量一主波长和颜色纯度04颜色纯度表示颜色接近主波长光谱色的程度，颜色纯度的表示方法有两种。(1)刺激纯度任一种颜色都可以看成是一种光谱色与参考白光以一定比例的混合色，其中光谱色的三刺激值总和与混合色三剌激值总和的比值Pe，就能表示颜色接近光谱色的程度。定义Pe为颜色的刺激纯度：2.颜色纯度六、CIE标准色度学系统表示颜色特征的两个量一主波长和颜色纯度04颜色纯度表示颜色接近主波长光谱色的程度，颜色纯度的表示方法有两种。(1)刺激纯度

或这就是根据颜色、主波长光谱色和参考白光的色品坐标求刺激纯度的计算公式。2.颜色纯度六、CIE标准色度学系统表示颜色特征的两个量一主波长和颜色纯度04(2)亮度纯度颜色的纯度也可以用该颜色所包含的光谱色的光亮度与该颜色的总光亮度的比值来表示，称为亮度纯度，以Pc表示。由前面的讨论知，颜色的Y刺激值与颜色的亮度成正比，故有上式表示刺激纯度Pe与亮度纯度Pc之间的关系。颜色纯度和颜色饱和度有一定关系，但是由于在色品图上不同部位的颜色纯度相同时饱和度不完全相同，故颜色纯度只是与颜色饱和度大致相当。2.颜色纯度光源07七、光源表示光源颜色特性的两个参量011.光源的光谱功率分布光源辐射的各种波长的辐射功率是不相同的。光源辐射功率按波长的分布叫作光源的光谱功率分布，常以s(λ)表示，分为以下两种：(1)绝对光谱功率分布对应于各波长的辐射功率可用物理单位“W”或“mW”表示。(2)相对光谱功率分布各波长辐射功率值之间的比例与绝对光谱功率分布相同，但各波长的辐射功率可用任意单位表示。七、光源表示光源颜色特性的两个参量012.色温和相关色温根据黑体的热力学温度T和其颜色之间的确定关系，可用黑体的温度表示光源的颜色，称为色温。光源的色温可定义为和光源有相同色品的黑体的温度。用色温表示的光源色品点一定在黑体色品迹线上。色品点在黑体迹线附近的光源，其颜色可用相关色温来表示。光源的色温是指色品最接近光源色品的黑体温度。用相关色温表示光源的颜色是近似的。七、光源CIE标准照明体和标准光源02现将CIE推荐使用的标准照明体和标准光源介绍如下：(1)标准照明体A和A光源标准照明体A与热力学温度T=2856K黑体有相同的光谱功率分布。用色温2856K的溴钨灯实现标准照明体A，叫作A光源。(2)标准照明体B和B光源标准照明体B有和相关色温为4874K的中午日光相近的光谱功率分布。实现标准照明体B的B光源由A光源和戴维斯——杰布森液体滤光器组成。七、光源CIE标准照明体和标准光源02(3)标准照明体C和C光源标准照明体C有与相关色温为6774K的平均日光相近的光谱功率分布，它近于阴天时天空的光。实现标准照明体C的C光源是由A光源和另一种戴维斯——杰布森液体滤光器构成的。在CIE推荐下面将讨论的标准照明体D65以前，标准照明体C和C光源是色度工作中的主要照明标准。七、光源CIE标准照明体和标准光源02(4)标准照明体D65标准照明体D65有相关色温为6504K典型日光的光谱功率分布。色品点在黑体迹线偏绿的一侧，有更接近日光的紫外光谱成分。D65是CIE目前优先推荐使用的标准照明体，实现D65的光源尚未标准化，常用高压氙灯加滤光器来模拟D65的光谱功率分布。中国颜色体系08八、中国颜色体系1.无彩色系无彩色系由绝对白色、白色、绝对黑色、黑色及不同比例白与黑两种颜色混合成的灰色组成。统称这些颜色为中性色，以符号N表示。明度值为0的中性色为绝对黑色;明度值小于2.5的为黑色;明度值在2.5~8.5之间的为灰色;明度值在8.5以上的为白色;明度值为10的为绝对白色。八、中国颜色体系2.有彩色系无彩色以外的所有颜色构成了有彩色系。有彩色系的颜色均具有色调、明度及彩度三个属性。(1)