TFT平板顯示技術(shù)：第二章彩色科學(xué)與工程

第二章彩色科學(xué)與工程

光度與色度怎樣比較兩個(gè)物體哪個(gè)更亮？怎樣比較兩個(gè)光源哪個(gè)發(fā)光效率更高？怎樣定量地表述一個(gè)物體的顏色？怎樣定量地區(qū)分鮮紅色和暗紅色的差異？1了解人眼的視覺生理基礎(chǔ)。了解明適應(yīng)和暗適應(yīng)。理解視覺暫留（殘留）現(xiàn)象。理解三基色原理。理解色彩再現(xiàn)原理。色彩學(xué)基礎(chǔ)22.1人眼的生理特性人眼基本上可以看成是一個(gè)包含在鞏膜內(nèi)的不透光暗室。它具有一個(gè)由角膜﹑前房水﹑水晶體和玻璃體組成的折射光學(xué)系統(tǒng)﹐它們將入射光線聚焦在眼球后面的視網(wǎng)膜上形成一個(gè)倒像。3錐體細(xì)胞與桿體細(xì)胞視網(wǎng)膜由一個(gè)感光細(xì)胞薄層組成﹐含有兩類感光細(xì)胞，即錐體細(xì)胞與桿體細(xì)胞，不均勻地分布在視網(wǎng)膜上。錐體細(xì)胞分布在視網(wǎng)膜中央，特別是在中央凹部分，而桿體細(xì)胞則多分布在較邊緣部分。這兩類細(xì)胞的作用不同﹐桿狀細(xì)胞主司明暗的判別，平均約有1億兩千萬個(gè)細(xì)胞，可接受400～600nm波長(zhǎng)的光線，不具色彩判別力。桿形細(xì)胞作用相當(dāng)于高靈敏度﹑粗顆粒的黑白底片﹐它在很暗的光照下還能起作用﹐但不能區(qū)別顏色﹐得到的像輪廓不夠清晰﹔錐狀細(xì)胞，可接受400～700nm波長(zhǎng)的光線，具辨別色彩的能力，但數(shù)量只有6百萬個(gè)。這也說明了為什么人的眼睛對(duì)明暗對(duì)比的判定，要比色彩的變化來的敏感的原因。錐形細(xì)胞作用相當(dāng)于靈敏度比較差﹑顆粒細(xì)的彩色底片﹐它在較強(qiáng)的光照下才能起作用，能區(qū)別顏色，得到的像的細(xì)節(jié)較清晰.4進(jìn)入眼睛的光線被視網(wǎng)膜上的桿狀（Rod）和錐狀(Cone)細(xì)胞所接受，并產(chǎn)生電子訊號(hào)刺激后方的神經(jīng)細(xì)胞層在精于大腦整合產(chǎn)生視覺影像。

5兩種視覺細(xì)胞的區(qū)別①桿體細(xì)胞比錐體細(xì)胞小一些，它對(duì)光的敏感性較錐體細(xì)胞強(qiáng)約500倍，但它不能提供色的信息；②在中央凹2°范圍內(nèi)沒有桿體細(xì)胞，但離開中央凹以外便開始出現(xiàn)桿體細(xì)胞，錐體細(xì)胞在中央凹處密度最大，桿體細(xì)胞在離開中央凹20°的地方密度最大；③錐體細(xì)胞在和神經(jīng)的連接上占有優(yōu)勢(shì)，中央凹的錐體細(xì)胞是一個(gè)細(xì)胞連接一根神經(jīng)纖維，而桿體細(xì)胞則是許多個(gè)細(xì)胞共用一根神經(jīng)纖維；④在桿體細(xì)胞中有“視紫紅質(zhì)”，錐體細(xì)胞沒有，這種物質(zhì)在亮光下很快褪色，在弱光下或在黑暗中又逐漸復(fù)原，它與暗適應(yīng)有關(guān)。6

暗適應(yīng)與明適應(yīng)人眼從光亮中進(jìn)入暗室時(shí)，在最初的瞬間什么都看不見，逐漸地才適應(yīng)了黑暗，從而區(qū)分出周圍物體的輪廓，這就是暗適應(yīng)。人們從黑暗處走到強(qiáng)光下，開始覺得眩目，睜不開眼睛，大約需要經(jīng)過1min后才能看清楚周圍的景物。眼睛這種由暗到亮的適應(yīng)過程叫做明適應(yīng)，在這過程中眼的感受度降低。視紫紅質(zhì)視黃醛+蛋白質(zhì)光暗72.2光度學(xué)（photometry）光度學(xué)是研究光度測(cè)量的科學(xué)。在光度學(xué)中根據(jù)人類視覺器官的生理特性和某些約定的規(guī)范來評(píng)價(jià)輻射所產(chǎn)生的視覺效應(yīng)，使用單位與人眼生理特性有關(guān)。一般成像系統(tǒng)中，像的亮度不可能大于物的亮度，即光學(xué)系統(tǒng)不能增加亮度。8光度的基本物理量光量

Qv

單位lm·s

光通量

Φv

單位lm流明(光)照度

Ev

單位lx＝lm·m-2

勒克斯(光)出射度

Mv

單位lm·m-2發(fā)光強(qiáng)度

Iv

單位cd＝lm·sr-1(Candela)(光)亮度

Lv

單位cd·m-29

α=

立體角的單位叫球面度（sr），1球面度是半徑為1米的球面上，1平方米的球面對(duì)球心所張的立體角。lαAoB(a)sAA＇r(b)orΩΩ=

平面角和立體角平面角的單位叫弧度，1弧度是半徑為1米的園上，1米長(zhǎng)的圓弧對(duì)圓心所張的角。10光度學(xué)單位1.光通量(LuminousFlux)：光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，符號(hào)為ΦV，單位為流明（lm）2.發(fā)光強(qiáng)度(LuminousIntensity)：光源在給定方向(Φ，θ)的單位立體角(Ω)中輻射的光通量，符號(hào)IV，單位是坎德拉(cd)。點(diǎn)光源r，

單位：坎德拉，

其中

，

11流明是國際單位制的一個(gè)導(dǎo)出單位，定義為：發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉的點(diǎn)光源，在1球面度立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。如用符號(hào)表示可寫成：1lm=1

cd·sr。常見電光源的發(fā)光效率，是指1W的電功率能轉(zhuǎn)化成多少光通量。

1979年第十六屆國際計(jì)量大會(huì)決定：坎德拉是一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度、該光源發(fā)出頻率為540x1012Hz的單色輻射，而且在此方向上的輻射強(qiáng)度為1／683瓦特每球面度(w/sr)。12實(shí)際數(shù)據(jù)光通量lm：40W鎢絲燈泡468lm40W日光燈2100lm常見光源的大致效率（流明/瓦）白熾燈，15;日光燈，50發(fā)光強(qiáng)度cd：無月的夜空10-3；滿月0.25；鎢絲白熾燈500-1500地球上看到的太陽150,000133.光照度(Luminous)

:單位受光面積(S)上所接收的光通量數(shù)，符號(hào)為EV，單位為勒克斯（lx）勒克斯定義：1流明的光通量均勻分布在1平方米面積上的光照度，1lx=1lm/m2。4.光亮度(Brightness)：光源在某方向的單位投影面積(S·cosθ)上、在單位立體角中輻射的光通量，符號(hào)Lv，單位坎德拉每平方米（cd/m2或尼特，即nit）。常見發(fā)光體的亮度（尼特）：

太陽表面，2,000,000,000白熾燈燈絲，10,000,000

眼能習(xí)慣的亮度，3,000

滿月表面，2,500

人眼能比較好的分辨出顏色的亮度，1

無月夜空，0.000114照度表，比光通量、發(fā)光強(qiáng)度、光亮度更易測(cè)量常見照度值lx：陽光直射（正午）下110,000晴天有窗室內(nèi)100-500辦公室工作必需 20-100滿月室外0.2例：若教室12mX10m，有12個(gè)20W的日光燈，計(jì)算桌面照度15視覺惰性與閃爍當(dāng)外界光消失之后，我們的亮度感覺還會(huì)殘留一段時(shí)間，這個(gè)現(xiàn)象稱為視覺惰性。利用視覺惰性，以周期性的光脈沖對(duì)眼睛反復(fù)進(jìn)行刺激時(shí)，我們就感到每刺激一次眼睛就會(huì)閃現(xiàn)一次圖像：當(dāng)刺激頻率足夠高時(shí)，該圖像就會(huì)變成穩(wěn)定的、和光長(zhǎng)期刺激時(shí)一樣的圖像。近代電影、電視、顯示等正是利用了這一生理上的特點(diǎn)才發(fā)展起來的。視覺細(xì)胞在外界光作用之下其視敏物質(zhì)經(jīng)過曝光染色過程是需要時(shí)間的，因此極短時(shí)間的光脈沖給我們的感覺不如亮度相同的恒定光那么亮。16視覺惰性能夠被加以利用的關(guān)鍵原因是在外界光脈沖作用之下，亮度在眼睛里建立得快、消失得慢，這個(gè)現(xiàn)象叫做視覺殘留。視覺殘留時(shí)間受如下一些因素影響：(1)由弱的發(fā)光物體所得到的后像消失較快，而由強(qiáng)的光刺激所引發(fā)的后像則可持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間；(2)刺激光作用時(shí)間越長(zhǎng)，后像持續(xù)的時(shí)間也越長(zhǎng)；(3)不同色光的刺激，后像延續(xù)時(shí)間不同，黃色光的后像消失得最快。17一般正常人眼睛的視覺殘留時(shí)間約為0．1s左右。在陰極射線管(CRT)顯示設(shè)備中，電子束打到熒光屏上時(shí)就出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)，給人一個(gè)時(shí)間極短的光脈沖。如果此亮點(diǎn)在熒光屏上高速運(yùn)動(dòng)，由于眼睛的視覺殘留作用，所看到的就是一幅完整的圖形。為了看到穩(wěn)定的圖形，不但要求亮點(diǎn)在熒光屏上的運(yùn)動(dòng)速度足夠高，而且還要進(jìn)行不斷地重復(fù)，即刷新。如果刷新的間隔時(shí)間太長(zhǎng)，以至于前一次在眼睛里殘留的圖像快要消失了才進(jìn)行重復(fù)，就會(huì)感到一明一暗的閃爍現(xiàn)象，因此刷新的時(shí)間間隔(也叫做刷新周期)不能太長(zhǎng)。正好使人感到不閃爍的刷新頻率稱為臨界閃爍頻率(CriticalFusionFrequency)，簡(jiǎn)記為CFF。18在CRT顯示系統(tǒng)中，熒光粉本身也有一定的惰性。其表現(xiàn)為：當(dāng)受到電子束轟擊時(shí)，其光輸出按指數(shù)規(guī)律較快地增長(zhǎng)到最大值；當(dāng)電子束停止轟擊時(shí)，其光輸出并不立即停止，而是按指數(shù)規(guī)律慢慢地衰減。這種現(xiàn)象叫做熒光粉的余輝。因此，臨界閃爍頻率不但與人的視覺惰性有關(guān)，而且也與熒光粉的特性有關(guān)。另外，眼睛對(duì)亮度感覺的敏銳程度與平均亮度水平有關(guān)，而造成閃爍現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)又是由于在圖像的某一像素上因電子束前一次轟擊在視網(wǎng)膜上所感覺到的亮度與這一次轟擊所感覺到的亮度之間已能發(fā)覺出差異。當(dāng)平均亮度水平較高時(shí)，眼睛對(duì)亮度差異的鑒別能力也高。可見臨界閃爍頻率與平均亮度水平也是有關(guān)的。19臨界閃爍頻率還與亮度變化幅度有關(guān)，亮度變化幅度越大，閃爍頻率越高。另外相繼兩幅畫面本身的亮度分布和顏色、觀看者到畫面的距離以及環(huán)境條件等也都對(duì)臨界閃爍頻率有影響?？偠灾?，閃爍是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，它與許多物理量以及觀察者的特性都有關(guān)。對(duì)于重復(fù)頻率在臨界閃爍頻率以上的光脈沖，人眼不再感覺到閃爍。202.3色度學(xué)色度學(xué)是研究人的顏色視覺規(guī)律、顏色測(cè)量理論與技術(shù)的科學(xué)，是以物理光學(xué)、視覺生理、視覺心理、心理物理等學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué)。色度學(xué)是一種主觀的科學(xué),它以人類的平均感覺為基礎(chǔ),是研究人眼對(duì)顏色感覺規(guī)律的一門科學(xué)。以對(duì)光強(qiáng)的度量來說,物理光學(xué)以光的輻射能量這個(gè)客觀單位來度量,而色度學(xué)卻以色光對(duì)人眼的刺激強(qiáng)度來度量。輻射能量很大的波長(zhǎng)很長(zhǎng)的紅光對(duì)人來說卻沒有輻射能量很小的黃光亮,人們就認(rèn)為黃光的強(qiáng)度比紅光大。在人們眼中所反映出的顏色，不單取決于物體本身的特性，還與照明光源的光譜成分有著直接的關(guān)系。因此在人們眼中反映出的顏色是物體本身的自然屬性與照明條件的綜合效果。我們用色度學(xué)來評(píng)價(jià)的結(jié)論就是這種綜合效果。21顏色視覺過程：

當(dāng)錐狀細(xì)胞感受顏色后，顏色的信息是怎樣通過神經(jīng)通路傳遞到大腦去的?研究證明,在視網(wǎng)膜中含有三種不同的光譜敏感視色素，分別存在于三種視錐細(xì)胞中：紅視錐細(xì)胞(吸收峰值為575nm)、綠視錐細(xì)胞(540nm)和藍(lán)視錐細(xì)胞(450nm)。視網(wǎng)膜上的三種獨(dú)立的錐狀感色細(xì)胞有選擇地吸收光譜中不同波長(zhǎng)的輻射，同時(shí)每一細(xì)胞又可單獨(dú)產(chǎn)生白與黑的反應(yīng)。在強(qiáng)作用下產(chǎn)生白的反應(yīng)，無外界刺激時(shí)是黑的反應(yīng)。在把錐狀細(xì)胞的感受向視覺神經(jīng)中樞傳遞的過程中，三種反應(yīng)又重新組合，最后形成三對(duì)對(duì)立的神經(jīng)反應(yīng)，即紅或綠、黃或藍(lán)、白或黑反應(yīng)。22眼睛對(duì)顏色的辨認(rèn)能力人的辨別顏色的能力在不同波長(zhǎng)是不同的.光譜各部位的顏色辨認(rèn)閾限23在明視覺條件下，人眼對(duì)380-780nm可見光譜范圍的不同波長(zhǎng)的輻射，即各種色光，具有不同的感受性。對(duì)于等能量的各色光，人眼覺得黃綠色最亮，其次是藍(lán)、紫，最暗的是紅色。人眼對(duì)顏色細(xì)節(jié)的分辨能力遠(yuǎn)比對(duì)亮度細(xì)節(jié)分辨力低。人眼對(duì)不同色調(diào)細(xì)節(jié)的分辨力也不相同。基于人眼分辨彩色細(xì)節(jié)的能力很差這一事實(shí)，在彩色電視系統(tǒng)中傳送彩色圖像時(shí)細(xì)節(jié)部分可以只傳送黑白圖像，而不傳送彩色信息，并配以亮度細(xì)節(jié),這就是利用大面積著色原理以節(jié)省傳輸頻帶的依據(jù)。24顏色的特性顏色有三大特性，即：明度、色調(diào)和飽和度，也稱為彩色參量。這三個(gè)參量在視覺中組成一個(gè)統(tǒng)一的總效果，并嚴(yán)格地描述了彩色光。色調(diào)表征不同顏色特征的量，反映顏色的類別，如紅色、綠色、藍(lán)色等，是顏色彼此區(qū)分的特性。指在物體反射的光線中以哪種波長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì)來決定的，不同波長(zhǎng)產(chǎn)生不同顏色的感覺。彩色最重要的特征，它決定了顏色本質(zhì)的基本特征。25明度是指刺激物的強(qiáng)度作用于眼睛所發(fā)生的效應(yīng)，它的大小是由物體反射系數(shù)來決定的，反射系數(shù)越大，則物體的明度越大，反之越小。明度是人眼直接感受到的物體明亮程度，可描寫人眼主觀亮度感覺。表征顏色的明亮程度，是光作用于人眼時(shí)所引起的明亮程度的感覺，是指色彩明暗深淺的程度，也可稱為色階。一般來說，彩色光能量大則顯得亮。（亮度、反射率、透過率越大，明度越高。）同一物體因受光不同會(huì)產(chǎn)生明度上的變化；強(qiáng)度相同的不同色光，亮度感不同。26飽和度是指彩色光所呈現(xiàn)的顏色的深淺程度(或濃度)。指一個(gè)顏色的鮮明程度,是顏色色調(diào)的表現(xiàn)程度，它取決于波長(zhǎng)范圍的狹窄性(即純度)。光譜色指從380～770nm可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的單色光所對(duì)應(yīng)的顏色,不同波長(zhǎng)的光在人的視覺上呈現(xiàn)不同的色感。飽和度是指顏色接近光譜色的程度。一種顏色越接近光譜色，其飽和度越好。對(duì)于同一色調(diào)的彩色光，其飽和度越高，顏色就越深，或越純。在物體反射光的組成中，白色光越少，則它的色彩飽和度越大。淡色的飽和度比濃色要低一些；飽和度還和亮度有關(guān)，同一色調(diào)越亮或越暗越不純。272829非彩色是指白色、黑色和各種深淺不同的灰色。只有明度值的差別，沒有色調(diào)和飽和度，只有灰度等級(jí)。對(duì)光譜各波長(zhǎng)的反射沒有選擇性，它們是中性色。彩色是指白黑系列以外的各種顏色。顏色非彩色彩色顏色的分類29顏色環(huán)如果兩種顏色混合得到白色或灰色，那么這兩種顏色就是互補(bǔ)色。由圖可見，與顏色環(huán)圓心對(duì)稱的圓周上的任何兩種顏色都是互補(bǔ)色白色30顏色的混合不同顏色混合在一起，能產(chǎn)生新的顏色，這種方法稱為混色法。得到混合色的方法有兩種，即相加混色法和相減混色法。相加混色是各分色的光譜成分相加，以紅、綠、藍(lán)作為三種基色，全部光色都可以由紅、綠、藍(lán)三基色以適當(dāng)?shù)谋壤旌隙玫?。彩色顯示屏基本都是利用紅、綠、藍(lán)三基色相加產(chǎn)生各種不同的彩色。相減混色中存在光譜成分的相減，物體呈現(xiàn)的顏色是物體吸收了一定波長(zhǎng)的光線以后所余下的光線的色調(diào)。在彩色印刷、繪畫和電影中就是利用相減混色。紅＋綠＝黃紅＋藍(lán)＝紫藍(lán)＋綠＝青紅＋藍(lán)＋綠＝白31相減混色法減色法的三原色是青、紫、黃，它們是相加三原色紅、綠、藍(lán)的補(bǔ)色。彩色影片的畫面是由黃、紫、青三種影片染料按減色法原理構(gòu)成。它們采用了顏色料，白光照射在顏色料上后，光譜的某些部分使被吸收，而其他部分被反向或透射，從而表現(xiàn)出某種顏色?；旌项伭蠒r(shí)，每增加一種顏料，都要從白光中減去更多的光譜成分，因此，顏料混合過程稱為相減混色。32紅＝白－藍(lán)－綠＝黃＋紫

綠＝白－藍(lán)－紅＝黃＋青藍(lán)＝白－綠－紅＝紫＋青

黑=白－藍(lán)－綠－紅＝黃＋紫＋青33CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)物體顏色是光刺激人的視覺器官產(chǎn)生的反應(yīng)，要將觀察者的顏色感覺數(shù)字化，國際照明委員會(huì)(CIE)規(guī)定了一套標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)，稱為CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是近代色度學(xué)的基本組成部分，是色度計(jì)算的基礎(chǔ)，也是彩色復(fù)制的理論基礎(chǔ)之一。CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)是一種混色系統(tǒng)，是以顏色匹配實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)建立起來的。用組成每種顏色的三原色數(shù)量來定量表達(dá)顏色。34顏色匹配實(shí)驗(yàn)把兩個(gè)顏色調(diào)整成視覺上相同或相等的方法稱之顏色匹配以三原色R(700nm)；G(546.1nm)；B(435.8nm)匹配等能白光(匹配相同能量各波長(zhǎng)的光譜色)35三刺激值在顏色匹配中，用于顏色混合以產(chǎn)生任意顏色的三種顏色叫做三原色。通常加色混色中使用紅、綠、藍(lán)三種顏色光為三原色是為了得到最多的混合色。顏色匹配實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)與待測(cè)色達(dá)到色匹配時(shí)所需要的三原色的數(shù)量，稱為三刺激值，記作R、G、B。一種顏色與一組R、G、B值相對(duì)應(yīng)，R、G、B值相同的顏色，顏色感覺必定相同。光譜三刺激值:

匹配等能光譜色的三原色數(shù)量。用符號(hào)ｒ，ｇ，ｂ表示。36色度坐標(biāo)和色度圖三原色各自在R+G+B總量中的相對(duì)比例叫做色度坐標(biāo)，用符號(hào)r，g，b來表示。1.選擇三原色：700nm(R)、546.1nm(G)、435.8nm(B)２、確定三原色單位：將相加匹配出等能白光(E光源)時(shí)三原色各自的數(shù)量定為三原色的單位。即從色彩角度，三原色等量（R=G=B=1)混合得到白光。37TheChromaticityDiagram色度圖可用來表示所有顏色的色度特性。色度圖中心為白點(diǎn)（非彩色點(diǎn)），光譜軌跡上的點(diǎn)代表不同波長(zhǎng)的光譜色，是飽和度最高的顏色，越接近色度圖中心（白點(diǎn)），顏色的飽和度越低。圍繞色度圖中心不同的角度，顏色的色調(diào)不同。38實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：人眼的視覺響應(yīng)取決于紅、綠、藍(lán)三分量的代數(shù)和。它們的比例決定了彩色視覺。亮度在數(shù)量上等于三基色的總和。由于人眼的這一特性，可在色度學(xué)中應(yīng)用代數(shù)法則。

白光(W)可由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色相加而得，它們的光通量比例為

ΦR：ΦG：ΦB＝1：4.5907：0.0601

3940CIE1964均勻顏色空間加入明度考慮考慮完全反射漫射體白物體色刺激的亮