光学设计 第3讲 色度学

光学设计基础理论色度学基础（Colorimetry

）1色彩的生成2三基色原理3CIE-XYZ系统4CIE1960均匀色度标尺图5色温6标准光源和标准照明体7显色性1色彩的生成1色彩的生成红

780nm~630nm橙630nm~590nm黄590nm~570nm绿570nm~500nm青500nm~460nm蓝460nm~430nm紫430nm~380nm固有色——物体在日光照明下所反射出来的色色彩（颜色）是主观量而非客观量。1色彩的生成2三基色原理

三基色:能够匹配所有颜色的三种颜色称之为三基色或者三原色.匹配实验表明,能够匹配所有颜色的三种颜色不是唯一的.人们通常选用红(R),绿(G),蓝(B)作为三原色,其原因可能是:用不同量的红绿蓝三种颜色直接混合,几乎可得到经常使用的所有颜色;红绿蓝三种颜色恰与人的视网膜上的锥体细胞所敏感的颜色相一致。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色，这就是三基色原理。C(C)=R

(R)+G(G)+B(B)2三基色原理蓝红绿蓝品红黄白相加混合红＋绿＋蓝＝白色红＋蓝＝品红绿＋蓝＝青色（蓝绿色）红＋绿＝黄色1.3.2三基色原理相减混合白－红＝青色白－绿＝品红白－蓝＝黄色白－红－绿＝蓝色白－红－蓝＝绿色白－绿－蓝＝红色白－红－绿－蓝＝黑色2三基色原理3CIE-XYZ系统（ColorCoordinates）

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3种适当的基色（色质）例如红[R]，绿[G]，蓝[B]来模仿。这样就可能用3个色质来规定一种颜色。但是，有些接近单色的色彩不能用3个正的[R]、[G]、[B]配色得到，而需要负值（色彩相减）。这种不便可以通过引入假想的色质【X】【Y】【Z】而克服。通过将光谱分布函数与标准配色函数积分得到3个色值X,Y,Z。标准配色函数是由理想观察者的视觉特性确定的，有具体的值。3CIE-XYZ系统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：CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值：为光源的光谱分布。grbgrb三刺激值grb3CIE-XYZ系统GreenBlueRed图

1931CIE色度图

为方便起见，引入色坐标(x,y)。如果光源以能量单位测量的光谱，它的x和y为：3CIE-XYZ系统图

1931CIE色度图3CIE-XYZ系统CIE1931xy系统色品图:

(X)为红原色；(Y)为绿原色；(Z)为蓝原色。它们都落在光谱轨迹的外面，在光谱轨迹外面的所有颜色都是物理上不能实现的。光谱轨迹曲线以及连接光谱两端点的直线所构成的马蹄形内包括了一切物理上能实现的颜色。CIE1931xy色品图上光谱轨迹的特点：①靠近波长末端700－780nm的光谱波段具有一个恒定的色品值，都是x＝0.7347，y＝0.2653，z＝0，所以在色品图上只由一个点来代表。②光谱轨迹540－700nm这一段是一条与XY边基本重合的直线。在这段光谱范围内的任何光谱色都可通过540nm和700nm二种波长的光以一定比例相加混合产生。

③光谱轨迹380－540nm一段是曲线，在此范围内的一对光谱色的混合不能产生二者之间位于光谱轨迹上的颜色，而只能产生光谱轨迹所包围面积内的混合色。光谱轨迹上的颜色饱和度最高。④连接色度点400nm和700nm的直线称为紫红轨迹。因为将400nm的蓝色刺激与700nm的红色刺激混合后会产生紫色。⑤y＝0的直线(XZ)与亮度没有关系，即无亮度线。

▲光谱色的饱和度最高，白光的饱和度最低。

▲色品图能表示颜色混合。（2）两种颜色(P)和(Q)以一定比例混合生成参考白色，例如白光(E)，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(E)。（1）颜色(M)和(N)的混合色的色品点，应在颜色(M)和(N)色品点连线上，具体位置决定于两种颜色的比例。

▲光谱色色品轨迹开口端770nm(红)和380nm(紫)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770nm和380nm的红和紫两种光谱色和混合色。在色品图上,色品点靠近光谱色色品轨迹的颜色,饱和度高,愈靠近白光色品点,颜色的饱和度愈低.3CIE-XYZ系统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。普朗克轨迹(PlanckianLocus)，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CIEl931色度坐标，绝对黑体不同温度的色光变化在CIEl931色度图上形成的弧形轨迹，称为黑体轨迹。黑体辐射色坐标计算求色坐标黑体辐射温度（K）色坐标（x，y）15000.59,0.3920000.53,0.4130000.44,0.4140000.38,0.3860000.32,0.33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：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：光谱（0.34,0.37）颜色宽容度：在色度图上，把人眼感觉不出颜色变化的范围称为颜色宽容度。宽容度大小反映出人眼的色品分辨力。在CIE-1931xy色度图的不同位置上，颜色的宽容量不一样，如蓝色部分宽容量最小，绿色部分最大。CIE-1931xy色度图的缺点4CIE1960均匀色度标尺图u-v色度图4CIE1976均匀色度标尺图4CIE1976均匀色度标尺图5色温（ColorTemperatures）黑体辐射色温：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，这一黑体的温度称为光源的颜色温度Tc，简称色温（CT），用热力学温度表示，单位为K（开尔文）。相关色温：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，CTT。注：摄氏温度t与热力学温度T的换算关系是：t=T－273.15℃5色温光源的色温：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下黑体辐射的光谱功率分布可能完全一致，也可能不一致。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近的颜色来确定该光源的色温，称为相关色温。5色温色温和相关色温的一种计算方法McCamy近似公式法表

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）4000－5000弧光灯3780蓝色天空18000－22000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<3300K暖色温暖高压钠灯白炽灯暖白色荧光灯太阳（地表）3300K－5000K中间色中间冷白色荧光灯日光色荧光灯>5000K冷色清冷太阳（大气外）蓝色天空

通常，色温高的光源的颜色偏蓝，色温低的光源颜色偏红。光源偏蓝的称之为冷色（或冷光），光源偏红的称之为暖色，介于冷色和暖色之间的光色称之为中间色。6标准光源和标准照明体GreenBlueRed1931CIE色度图E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都具有相等的辐射功率，是色度学中采用的假想等能白光，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CIE推荐了四种标准照明体A、B、C、D和三种标准光源A、B、C。1、CIE标准照明体标准照明体：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接提供，也不一定能用一个光源来实现。标准照明体A：相当于绝对黑体在加温到2856K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：标准照明体A色度点正好落在CIEl931色度图的黑体轨迹上。6标准光源和标准照明体标准照明体B：相当于相关色温4874K的直射阳光，光色相当于中午阳光，其色度点紧靠黑体轨迹。标准照明体C：相当于相关色温为6774K的平均阳光，光色近似阴天天空的日光，其色度点在黑体轨迹上方。标准照明体D65：相当于色温约为6504K的日光，其色度点在黑体轨迹的上方。标准照明体D：代表标准照明体D65以外的其他日光。6标准光源和标准照明体标准光源：指用来实现标准照明体光谱功率分布的光源，CIE规定用下述人工光源来实现标准照明体。标准光源A：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2856K的辐射。标准光源B：在A光源前加一组特定的戴维斯-吉伯逊液体滤光器，以产生相关色温4874K的辐射。标准光源C：A光源另加一组戴维斯-吉伯逊液体滤光器，以产生相关色温6774K的辐射。戴维斯-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、蒸馏水等不同的分量配合而成。7显色性（Colorrendering）

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。其原因是：这些光源（放电灯和荧光灯等）具有不同的光谱而色坐标相同，人们称这种光源为同分异构光源。当辐射被照明物体反射时，光谱依据反射率谱而改变（色度移动）。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，这种现象给照明技术提出一个严重的问题。为了评价照明质量，CIE在1960通过引入均匀色度标尺（UCS）图来改善1931CIE色度图不适用于通过色度移动区分颜色的缺点。7显色性画有普朗克轨迹的1960CIE均匀色度标尺（UCS）的色度图7显色性用UCS色坐标，照明质量可以显色性来描述.

显色性：指光源的光照射到物体上所产生的客观效果和对物体真实色彩的显现程度。一般人工照明光源用一般显色指数Ra作为显色性的评价标准。Ra值越高，光源的显色性越好。一般认为：Ra＝80－100，光源的显色性优良；Ra＝50－79，光源显色性一般；Ra<50，光源显色性较差。注意：光源的色温和显色性并没有直接联系。例如，同样低色温的光源，白炽灯的Ra值大于95，而高压钠灯的Ra值仅为20－25。7显色性Ra的计算方式7显色性7显色性7显色性色差表

几种有代表性的光源的显色指数值和