色度学基础完整版本

色度学基础

LED的出现，人们第一次发现，可以用人工控制的方法，生产出高色纯度的发光光源。现在能直接发出颜色光的LED，只要在制造的过程中，改变杂质成分的比例，就可以制造出红色、黄色、橙色、绿色、蓝色的固体发光器件。这给全人类的颜色享受，带来空前的机会。这种技术发展形势，激起我们研究色度学的极大兴趣。我们必须研究颜色感觉的实验，颜色测量的基本方法，颜色的定量描述等，这些便是色度学的研究对象。通俗地说，色度学是颜色使用者彼此交流的必要技术手段。色度学这门技术领域，其实也仅是对人的眼睛和大脑行为所建立一种物理关系的表述。一、色度学的产生与形成

表述光波长和颜色感觉之间真实关系的理论，仅有300年的历史。尤其是1931年，国际照明委员才比较系统地规定了颜色的定量描述方法。真正系统的研究色度学的问题，还不足100年。早期奠定色度学理论基础的人，是牛顿。牛顿在他的“光学”著作中。他认为颜色是主观性质的。他说：“正确地讲，光线是没有颜色的，它只是具有一定的功率，和一种能激起某种颜色感觉的能力。除此之外，再没有什么别的东西。”在他的光学著作中对物体表面的颜色是这样说的：“物体的颜色不是别的，只是反射某种光线的能力显著地多于其他光线的能力。”牛顿在他的实验中还发现了两个重要的事实，即光的频率，不会由于反射或折射而变化，但是光通过光密媒质的折射过程中，光的速度会变慢，从而引起波长的变化。1860年，麦克斯韦发现三色混合定律，即以不同量的红、绿、蓝色光，可以调配出各种不同波长光谱的颜色

二、色度学的定量表示方法

研究任何学科，都是在寻找一些用定量的关系，来描述它们之间的规律性，然后再加以利用，或者推导演绎，达到有所发现，有所发明。*什么叫三基色人的眼睛是用视网膜上的锥状细胞来感受颜色的，而且只有当颜色的亮度大于1尼特（nt），才能感受到颜色的存在，分辨出的颜色不同。锥状细胞有三种不同的类型。分别对三种不同波长的光作出敏感反应，这就是导出三基色的物理原因。下面要导出的三基色的概念，并不是凭空设想出来的，也不是哪个人主观做出的决定。经过一系列的实验统计结果，于1931年经CIE开会认可达成共识，规定三种基本颜色的中心波长。

红光（R），三基色绿光（G），（2.1）

蓝光（B），

其中，700.0nm是可见光的红端，546.1nm和435.8nm都是汞的亮线。等能白光是由三原色的光通量按下列比例混合而成。如果令

（R）=1Lm（G）=4.5907Lm（2.2）（B）=0.0601Lm

三者相加混色，可得到白光E=5.608Lm。在以后的混色表示系统中，通常把（2.2）式中的（R）、（G）、（B）所代表的光通量值，选作三个原色的单位量，简称基色量。E点所代表的白光，因为在（x,y）色度坐标中的位置都相等，所以有时候也称“等能白光点”。

E点的色度坐标值：规定3基色量后，定量表示混色之间的数学关系就有了单位了。混色试验的数学表达式可以写成：

F=R（R）+G（G）+B（B）(2.3)

F：表示混合后的色效果R（R）：表示红色所包函的红单基色的数量G（G）：表示绿色所包函的绿单基色的数量B（B）：表示蓝色所包函的蓝单基色的数量

例如，某个混色后的色效果，可以表示成下式。

F=3.6（R）+4.8（G）+0.8（B）这个表达式的意义是：红色分量是3.6个红单基色量R=3.6

绿色分量是4.8个绿单基色量G=4..8

蓝色分量是0.8个蓝单基色量B=0.8

可见（2.3）式中的R、G、B在实际应用中是一些具体的数字量。这三个值称为“三刺激值”。这三个值决定了混色光的结果颜色性能，还决定了混色光的光通量。计算混色光光通量的公式：

将三个基色量的光通量代入举例,求F=3.6(R)+4.8(G)+0.8(B)的光通量。,将三个基色量的光通量代入（2.3）的关系式是个三变量函数，要用三维空间才能表示。经历了许多变换，后来由CIE在1931年认可了一种二维的x-y平面坐标图示法，这就是“CIE1931色度坐标图”。

三、解读“CIE1931色度坐标图”

1.

意义

这是1931年国际照明委员会CIE确认的色度坐标图，故简称“CIE1931色度坐标图。”实际上，CIE1962年做了某些修改，但实质上没有重大的改变。所以我们还是以CIE1931年确认的坐标图为基础，做为解读的对象。图中的颜色，包括了自然所能得到的颜色。这是个二维平面空间图，由x-y直角标系统构成的平面。为了适应人们习惯于在平面坐标系中讨论变量关系，而设计出来的。在设计出该图的过程中，经过许多数学上的变换和演算，此过程从略。此图的意义和作用，可以总结成两句话：（1）表示颜色视觉的基本规律。（2）表示颜色混合与分解的一般规律。

2.

坐标系——x，y直角坐标系。

x——表示与红色有关的相对量值。y——表示与绿色有关的相对量值。z——表示与蓝色有关的相对量值。并且z=1-(x+y)3.

形状与外形轮廓线

形状——舌形，有时候也称“舌形曲线”图。由舌形外围曲线和底部直线包围起来的闭合区域。

舌形外围曲线——是全部可见光单色光颜色轨迹线，每一点代表某个波长单色光的颜色，波长从390nm到760nm。在曲线的旁边。标注了一些特征颜色点的对应波长。例如图中510nm——520nm——530nm等。底部直线——连接390nm点到760nm点构成的直线，此线称为紫红线，有人说不存在这条线，这个说法是错误的。4、色彩

这是一个彩色图，区域内的色彩，包括了一切物理上能实现的颜色。很遗憾的是，很难得真正标准的这种资料，经常由于转印而失真。

5.

应用价值——颜色的定量表示。用（x，y）的坐标值来表示颜色。白色应该包含在“颜色”这个概念范围内。例如：

x=0.3333（1）表示白色区内E点的颜色

y=0.3333

x=0.6（2）表示波长在590nm—600nm之间某一点光的颜色。

y=0.4

x=0.11（3）表示波长470nm—480nm间蓝光的颜色。

y=0.11

6、若干个特征点的意义（1）E点—等能白光点的坐标点

E点

E点是以三种基色光，以相同的刺激光能量混合而成的。但三者的光通量并不相等。 E点的CCT=5400K。（2）A点—CIE规定一种标准白光光源的色度坐标点

A点—

这是一种纯钨丝灯，色温值CCT=2856。

（3）B点—CIE规定的一种标准光源坐标点

B点—

B点的CCT=4874K，代表直射日光。

（4）C点—CIE确认的一种标准日光光源坐标点（昼光）

C点

C点的CCT=6774K。

（5）D点—有时候也标为

D点

D光源称为典型日光，或重组日光;CCT=6500K。

7.

三条特殊线（1）

黑体色温轨迹线：在舌形曲线的中部，跨过白色区，有一条向下弯的曲线，这就是黑体色温轨迹线。这条曲线表示黑体在不同温度下发光颜色的变化轨迹。色温的变化范围从1000K到无穷大。但实际上常用的是1000K-1400K范围。（2）

单色光轨迹线：即色度坐标图中的舌形曲线，可见光的波长所对应颜色的轨迹线。曲线上的任意一点，表示一种光的波长，及其表现的颜色。（3）紫红线：连接舌形曲线两端的直线。表示红色和紫色混合后颜色的轨迹。称为紫红线

8.

20个特定颜色区

在舌形曲线所包围的区域内，被分成20个颜色区域。在每个区域内，被认为颜色基本相同，每个颜色区都是一个平均主波长，或者补色主波长，而且还有相应的英文名称。它们的英文—中文名，对照如下：1.

Red—红色2.

Pink—粉红色3.

ReddisOrange—橙红色4.

Yellishpink—粉黄色5.

Orange—橙色6.

Orange-Yellow—橙黄色7.

Yellow—黄色8.reenishYellow—黄绿色9.

YellowGreen—绿黄色10.

YellowishGreen—淡黄绿色11.

Green—绿色12.

BluishGreen—淡蓝绿色13.

GreenishBlue—淡绿蓝色14.

Blue—蓝色15.

PurplishBlue—淡紫蓝色16.

PurpleViolet—紫罗兰的紫色17.

ReddishPurple—淡红紫色18.

PurplishPink—淡紫粉红色19.

PurplishRed—紫红20.中心区—白光区

颜色名称颜色代号平均主波长（nm）红R493（补）橙红rO606橙O592黄橙yO583黄Y578绿黄gy573黄绿YG565草绿yG545绿G508青绿bG495蓝绿BG490绿蓝gB485蓝B476紫蓝PB454蓝紫bP566（补）紫P560（补）微红的紫Yp545（补）红紫Rp506（补）紫红pR496（补）x-y色度图的颜色区域对应的主波长

在三基色混色系统中，若三种基色光的色度坐标点，分别为（R）、（G）、（B），则连接RGB构成的三角形，称为颜色三角形。三角形内所包含的颜色区域，表示这三基色按适当比例混合可得到的全部光谱色。例如，B点光谱色和G点光谱色按一定比例混合，可得到M点的光谱色，两者光刺激量的比例为：

B：G=BM：GMM点的光谱色和R点的光谱色混合，混合的比例为

M：R=RE：RE

即可得到E点的白光效果。

在一些有变色控制系统中，经常用颜色三角形，表示系统所能表现颜色的范围。

颜色三角形

10.

光色的互补

若两种颜色的光，按一定比例混合后可得到白光，则这两中色光称之为互补。在色度坐标图中，凡是穿过白色区的直线，都可以找到一对互补的颜色光。当然，穿过等能白光点E点的直线两端，也能找到一组互补的颜色光。在色度坐标图中，任意两点的光色，连接两点的直线，则这种光色混合的结果光色也总在这条直线上的某一点。假如该直线不穿过白色区，这两点的光色不能称为互补。

11.

白光与其他颜色光的混合—主波长和补色主波长

将白光和一种适当的光谱色混合，可配得所需要的任何颜色光。

若所选择的白光是E点等能白光。选择任意一点C，连接CE并延长，交于单色轨迹线上的，则C’单色光的波长，称为C点光的主波长。主波长λ代表线上各点光谱色的主色调。若选择FEN三角形内的A点，连接EA，但不能向A的方向延长，而应将线向左上方延长，交于单色轨迹线上的A’点，则A’点的波长，称为A点的补色主波长。补色主波长，也是表示AA’线上各点颜色的主色调。

12.

颜色深浅的定量表示法颜色领域的色调，类似于音乐中的间调。音乐中的一首曲子，有C调，F调等，色度学中则用主波长表示色调。音乐中的发音调有高音调，低音调。色度学中对应有颜色深浅。颜色的深浅是用兴奋纯度Pe来表示的。（参照第11节中的图）

显然，在线上，C’点的颜色最深，以后就逐渐变淡，到了E点就完全变成白色了。

13.

颜色光的混合

利用xy色度坐标图，可以用来