色度學基礎完整版本

色度學基礎

LED的出現(xiàn)，人們第一次發(fā)現(xiàn)，可以用人工控制的方法，生產(chǎn)出高色純度的發(fā)光光源?，F(xiàn)在能直接發(fā)出顏色光的LED，只要在制造的過程中，改變雜質(zhì)成分的比例，就可以制造出紅色、黃色、橙色、綠色、藍色的固體發(fā)光器件。這給全人類的顏色享受，帶來空前的機會。這種技術發(fā)展形勢，激起我們研究色度學的極大興趣。我們必須研究顏色感覺的實驗，顏色測量的基本方法，顏色的定量描述等，這些便是色度學的研究對象。通俗地說，色度學是顏色使用者彼此交流的必要技術手段。色度學這門技術領域，其實也僅是對人的眼睛和大腦行為所建立一種物理關系的表述。一、色度學的產(chǎn)生與形成

表述光波長和顏色感覺之間真實關系的理論，僅有300年的歷史。尤其是1931年，國際照明委員才比較系統(tǒng)地規(guī)定了顏色的定量描述方法。真正系統(tǒng)的研究色度學的問題，還不足100年。早期奠定色度學理論基礎的人，是牛頓。牛頓在他的“光學”著作中。他認為顏色是主觀性質(zhì)的。他說：“正確地講，光線是沒有顏色的，它只是具有一定的功率，和一種能激起某種顏色感覺的能力。除此之外，再沒有什么別的東西?！痹谒墓鈱W著作中對物體表面的顏色是這樣說的：“物體的顏色不是別的，只是反射某種光線的能力顯著地多于其他光線的能力?！迸ｎD在他的實驗中還發(fā)現(xiàn)了兩個重要的事實，即光的頻率，不會由于反射或折射而變化，但是光通過光密媒質(zhì)的折射過程中，光的速度會變慢，從而引起波長的變化。1860年，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)三色混合定律，即以不同量的紅、綠、藍色光，可以調(diào)配出各種不同波長光譜的顏色

二、色度學的定量表示方法

研究任何學科，都是在尋找一些用定量的關系，來描述它們之間的規(guī)律性，然后再加以利用，或者推導演繹，達到有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明。*什么叫三基色人的眼睛是用視網(wǎng)膜上的錐狀細胞來感受顏色的，而且只有當顏色的亮度大于1尼特（nt），才能感受到顏色的存在，分辨出的顏色不同。錐狀細胞有三種不同的類型。分別對三種不同波長的光作出敏感反應，這就是導出三基色的物理原因。下面要導出的三基色的概念，并不是憑空設想出來的，也不是哪個人主觀做出的決定。經(jīng)過一系列的實驗統(tǒng)計結果，于1931年經(jīng)CIE開會認可達成共識，規(guī)定三種基本顏色的中心波長。

紅光（R），三基色綠光（G），（2.1）

藍光（B），

其中，700.0nm是可見光的紅端，546.1nm和435.8nm都是汞的亮線。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統(tǒng)中，通常把（2.2）式中的（R）、（G）、（B）所代表的光通量值，選作三個原色的單位量，簡稱基色量。E點所代表的白光，因為在（x,y）色度坐標中的位置都相等，所以有時候也稱“等能白光點”。

E點的色度坐標值：規(guī)定3基色量后，定量表示混色之間的數(shù)學關系就有了單位了?；焐囼灥臄?shù)學表達式可以寫成：

F=R（R）+G（G）+B（B）(2.3)

F：表示混合后的色效果R（R）：表示紅色所包函的紅單基色的數(shù)量G（G）：表示綠色所包函的綠單基色的數(shù)量B（B）：表示藍色所包函的藍單基色的數(shù)量

例如，某個混色后的色效果，可以表示成下式。

F=3.6（R）+4.8（G）+0.8（B）這個表達式的意義是：紅色分量是3.6個紅單基色量R=3.6

綠色分量是4.8個綠單基色量G=4..8

藍色分量是0.8個藍單基色量B=0.8

可見（2.3）式中的R、G、B在實際應用中是一些具體的數(shù)字量。這三個值稱為“三刺激值”。這三個值決定了混色光的結果顏色性能，還決定了混色光的光通量。計算混色光光通量的公式：

將三個基色量的光通量代入舉例,求F=3.6(R)+4.8(G)+0.8(B)的光通量。,將三個基色量的光通量代入（2.3）的關系式是個三變量函數(shù)，要用三維空間才能表示。經(jīng)歷了許多變換，后來由CIE在1931年認可了一種二維的x-y平面坐標圖示法，這就是“CIE1931色度坐標圖”。

三、解讀“CIE1931色度坐標圖”

1.

意義

這是1931年國際照明委員會CIE確認的色度坐標圖，故簡稱“CIE1931色度坐標圖。”實際上，CIE1962年做了某些修改，但實質(zhì)上沒有重大的改變。所以我們還是以CIE1931年確認的坐標圖為基礎，做為解讀的對象。圖中的顏色，包括了自然所能得到的顏色。這是個二維平面空間圖，由x-y直角標系統(tǒng)構成的平面。為了適應人們習慣于在平面坐標系中討論變量關系，而設計出來的。在設計出該圖的過程中，經(jīng)過許多數(shù)學上的變換和演算，此過程從略。此圖的意義和作用，可以總結成兩句話：（1）表示顏色視覺的基本規(guī)律。（2）表示顏色混合與分解的一般規(guī)律。

2.

坐標系——x，y直角坐標系。

x——表示與紅色有關的相對量值。y——表示與綠色有關的相對量值。z——表示與藍色有關的相對量值。并且z=1-(x+y)3.

形狀與外形輪廓線

形狀——舌形，有時候也稱“舌形曲線”圖。由舌形外圍曲線和底部直線包圍起來的閉合區(qū)域。

舌形外圍曲線——是全部可見光單色光顏色軌跡線，每一點代表某個波長單色光的顏色，波長從390nm到760nm。在曲線的旁邊。標注了一些特征顏色點的對應波長。例如圖中510nm——520nm——530nm等。底部直線——連接390nm點到760nm點構成的直線，此線稱為紫紅線，有人說不存在這條線，這個說法是錯誤的。4、色彩

這是一個彩色圖，區(qū)域內(nèi)的色彩，包括了一切物理上能實現(xiàn)的顏色。很遺憾的是，很難得真正標準的這種資料，經(jīng)常由于轉印而失真。

5.

應用價值——顏色的定量表示。用（x，y）的坐標值來表示顏色。白色應該包含在“顏色”這個概念范圍內(nèi)。例如：

x=0.3333（1）表示白色區(qū)內(nèi)E點的顏色

y=0.3333

x=0.6（2）表示波長在590nm—600nm之間某一點光的顏色。

y=0.4

x=0.11（3）表示波長470nm—480nm間藍光的顏色。

y=0.11

6、若干個特征點的意義（1）E點—等能白光點的坐標點

E點

E點是以三種基色光，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點的CCT=5400K。（2）A點—CIE規(guī)定一種標準白光光源的色度坐標點

A點—

這是一種純鎢絲燈，色溫值CCT=2856。

（3）B點—CIE規(guī)定的一種標準光源坐標點

B點—

B點的CCT=4874K，代表直射日光。

（4）C點—CIE確認的一種標準日光光源坐標點（晝光）

C點

C點的CCT=6774K。

（5）D點—有時候也標為

D點

D光源稱為典型日光，或重組日光;CCT=6500K。

7.

三條特殊線（1）

黑體色溫軌跡線：在舌形曲線的中部，跨過白色區(qū)，有一條向下彎的曲線，這就是黑體色溫軌跡線。這條曲線表示黑體在不同溫度下發(fā)光顏色的變化軌跡。色溫的變化范圍從1000K到無窮大。但實際上常用的是1000K-1400K范圍。（2）

單色光軌跡線：即色度坐標圖中的舌形曲線，可見光的波長所對應顏色的軌跡線。曲線上的任意一點，表示一種光的波長，及其表現(xiàn)的顏色。（3）紫紅線：連接舌形曲線兩端的直線。表示紅色和紫色混合后顏色的軌跡。稱為紫紅線

8.

20個特定顏色區(qū)

在舌形曲線所包圍的區(qū)域內(nèi)，被分成20個顏色區(qū)域。在每個區(qū)域內(nèi)，被認為顏色基本相同，每個顏色區(qū)都是一個平均主波長，或者補色主波長，而且還有相應的英文名稱。它們的英文—中文名，對照如下：1.

Red—紅色2.

Pink—粉紅色3.

ReddisOrange—橙紅色4.

Yellishpink—粉黃色5.

Orange—橙色6.

Orange-Yellow—橙黃色7.

Yellow—黃色8.reenishYellow—黃綠色9.

YellowGreen—綠黃色10.

YellowishGreen—淡黃綠色11.

Green—綠色12.

BluishGreen—淡藍綠色13.

GreenishBlue—淡綠藍色14.

Blue—藍色15.

PurplishBlue—淡紫藍色16.

PurpleViolet—紫羅蘭的紫色17.

ReddishPurple—淡紅紫色18.

PurplishPink—淡紫粉紅色19.

PurplishRed—紫紅20.中心區(qū)—白光區(qū)

顏色名稱顏色代號平均主波長（nm）紅R493（補）橙紅rO606橙O592黃橙yO583黃Y578綠黃gy573黃綠YG565草綠yG545綠G508青綠bG495藍綠BG490綠藍gB485藍B476紫藍PB454藍紫bP566（補）紫P560（補）微紅的紫Yp545（補）紅紫Rp506（補）紫紅pR496（補）x-y色度圖的顏色區(qū)域?qū)闹鞑ㄩL

在三基色混色系統(tǒng)中，若三種基色光的色度坐標點，分別為（R）、（G）、（B），則連接RGB構成的三角形，稱為顏色三角形。三角形內(nèi)所包含的顏色區(qū)域，表示這三基色按適當比例混合可得到的全部光譜色。例如，B點光譜色和G點光譜色按一定比例混合，可得到M點的光譜色，兩者光刺激量的比例為：

B：G=BM：GMM點的光譜色和R點的光譜色混合，混合的比例為

M：R=RE：RE

即可得到E點的白光效果。

在一些有變色控制系統(tǒng)中，經(jīng)常用顏色三角形，表示系統(tǒng)所能表現(xiàn)顏色的范圍。

顏色三角形

10.

光色的互補

若兩種顏色的光，按一定比例混合后可得到白光，則這兩中色光稱之為互補。在色度坐標圖中，凡是穿過白色區(qū)的直線，都可以找到一對互補的顏色光。當然，穿過等能白光點E點的直線兩端，也能找到一組互補的顏色光。在色度坐標圖中，任意兩點的光色，連接兩點的直線，則這種光色混合的結果光色也總在這條直線上的某一點。假如該直線不穿過白色區(qū)，這兩點的光色不能稱為互補。

11.

白光與其他顏色光的混合—主波長和補色主波長

將白光和一種適當?shù)墓庾V色混合，可配得所需要的任何顏色光。

若所選擇的白光是E點等能白光。選擇任意一點C，連接CE并延長，交于單色軌跡線上的，則C’單色光的波長，稱為C點光的主波長。主波長λ代表線上各點光譜色的主色調(diào)。若選擇FEN三角形內(nèi)的A點，連接EA，但不能向A的方向延長，而應將線向左上方延長，交于單色軌跡線上的A’點，則A’點的波長，稱為A點的補色主波長。補色主波長，也是表示AA’線上各點顏色的主色調(diào)。

12.

顏色深淺的定量表示法顏色領域的色調(diào)，類似于音樂中的間調(diào)。音樂中的一首曲子，有C調(diào)，F(xiàn)調(diào)等，色度學中則用主波長表示色調(diào)。音樂中的發(fā)音調(diào)有高音調(diào)，低音調(diào)。色度學中對應有顏色深淺。顏色的深淺是用興奮純度Pe來表示的。（參照第11節(jié)中的圖）

顯然，在線上，C’點的顏色最深，以后就逐漸變淡，到了E點就完全變成白色了。

13.

顏色光的混合

利用xy色度坐標圖，可以用來