色彩的物理理论1Word格式.docx

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我们把光谱中不能再分解的色光叫做单色光。

由单色光混合而成的光叫做复色光，自然界的太阳光，白炽灯和日光灯发出的光都是复色光。

色散所产生的各种色光的波长如表2-1所示。

光色

波长λ（nm）

代表波长

红（Red）

780～630

700

橙（Orange）

630～600

620

黄（Yellow）

600～570

580

绿（Green）

570～500

550

青（Cyan）

500～470

500

蓝（Blue）

470～420

470

紫（Violet）

420～380

420

三、相对光谱能量分布　　一般的光源是不同波长的色光混合而成的复色光，如果将它的光谱中每种色光的强度用传感器测量出来，就可以获得不同波长色光的辐射能的数值。

图2-3就是一种用来测量各波长色光的辐射能仪器的简要原理图，这种仪器称为分光辐射度计。

图2-3分光辐射度计原理图

　图2-3表明，光源经过左边的隙缝和透镜变成平行光束，投向棱镜的入射平面，当入射光通过棱镜时，由于折射，使不同波长的色光，以不同的角度弯折，从棱镜的入射平面射出。

任何一种分解后的光谱色光在离开棱镜时，仍保持为一束平行光，再由右边的透镜聚光，通过隙缝射在光电接收器上转换为电能。

如果右边的隙缝是可以移动的，就可以把光谱中任意一种谱色挑选出来，所以，在光电接收器上记录的是光谱中各种不同波长色光的辐射能。

若以φe表示光的辐射能，λ表示光谱色的波长，则定义：

在以波长λ为中心的微小波长范围内的辐射能与该波长的宽度之比称为光谱密度。

写成数学形式：

φe（λ）=dφe∕dλ（W/nm）

　　光谱密度表示了单位波长区间内辐射能的大小。

通常光源中不同波长色光的辐射能是随波长的变化而变化的，因此，光谱密度是波长的函数。

光谱密度与波长之间的函数关系称为光谱分布。

　　在实用上更多的是以光谱密度的相对值与波长之间的函数关系来描述光谱分布，称为相对光谱能量（功率）分布，记为S（λ）。

相对光谱能量分布可用任意值来表示，但通常是取波长λ=555nm处的辐射能量为100，作为参考点，与之进行比较而得出的。

若以光谱波长λ为横坐标，相对光谱能量分布S（λ）为纵坐标，就可以绘制出光源相对光谱能量分布曲线。

　　知道了光源的相对光谱能量分布，就知道了光源的颜色特性。

反过来说，光源的颜色特性，取决于在发出的光线中，不同波长上的相对能量比例，而与光谱密度的绝对值无关。

绝对值的大小只反映光的强弱，不会引起光源颜色的变化。

从图2-4中可以看到：

正午的日光有较高的辐射能，它除在蓝紫色波段能量较低外，在其余波段能量分布均较均匀，基本上是无色或白色的。

荧光灯光源在405nm、430nm、540nm和580nm出现四个线状带谱，峰值在615nm，而后在长波段（深红）处能量下降，这表明荧光光源在绿色波段（550nm～560nm）有较高的辐射能，而在红色波段（650nm～700nm）辐射能减弱。

对比之下，白炽灯光源，它在短波蓝色波段，辐射能比荧光光源低，而在长波红色区间，有相对高的能量。

因此，白炽灯光源，总带有黄红色。

红宝石激光器发出的光，其能量完全集中在一个很窄的波段内，大约为694nm，看起来是典型的深红色。

在颜色测量计算中，为了使其测量结果标准化，就要采用CIE标准光源（如A、B、C、D65等）。

CIE标准光源将在以后介绍。

图2-4

根据对图2-4各曲线的分析表明，没有一种实际光源的能量分布是完全均匀一致的，也没有一种完全的白光；

然而，尽管这些光源（自然光或人造光）在光谱分布上有很大的不同，在视觉上也有差别，但由于人眼有很大的适应性，因此，习惯上这些光都称为"

白光"

。

但是在色彩的定量研究中，1931年国际照明委员会（缩写CIE）建议，以等能量光谱作为白光的定义，等能白光的意义是：

以辐射能作纵坐标，光谱波长为横坐标，则它的光谱能量分布曲线是一条平行横轴的直线。

即：

S（λ）=C（常数）。

等能白光分解后得到的光谱称为等能光谱，每一波长为λ的等能光谱色色光的能量均相等。

四、光源色温　　能自行发光的物体叫做光源。

光源的种类繁多，形状千差万别，但大体上可分为自然光源和人造光源。

自然光源受自然气候条件的限制，光色瞬息万变，不易稳定，如最大的自然光源太阳。

人造光源有各种电光源和热辐射光源，如电灯光源等。

　　不同的光源，由于发光物质不同，其光谱能量分布也不相同。

一定的光谱能量分布表现为一定的光色，对光源的光色变化，我们用色温来描述。

　　根据能量守恒定律：

物体吸收的能量越多，加热时它辐射的本领愈大。

黑色物体对光能具有较大的吸收能力。

如果一个物体能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射，那么这个物体称为绝对黑体。

绝对黑体的吸收本领是一切物体中最大的，加热时它辐射本领也最大。

天然的、理想的绝对黑体是不存在的。

人造黑体是用耐火金属制成的具有小孔的空心容器，如图2-5所示，进入小孔的光，将在空腔内发生多次反射，每次反射都被容器的内表面吸收一部分能量，直到全部能量被吸收为止，这种容器的小孔就是绝对黑体。

图2-5绝对黑体示意图

　　黑体辐射的发射本领只与温度有关。

严格地说，一个黑体若被加热，其表面按单位面积辐射光谱能量的大小及其分布完全决定于它的温度。

因此我们把任一光源发出的光的颜色与黑体加热到一定温度下发出的光的颜色相比较，来描述光源的光色。

所以色温可以定义为：

"

当某一种光源的色度与某一温度下的绝对黑体的色度相同时绝对黑体的温度。

因此，色温是以温度的数值来表示光源颜色的特征。

在人工光源中，只有白炽灯灯丝通电加热与黑体加热的情况相似。

对白炽灯以外的其它人工光源的光色，其色度不一定准确地与黑体加热时的色度相同。

所以只能用光源的色度与最相接近的黑体的色度的色温来确定光源的色温，这样确定的色温叫相对色温。

　　色温用绝对温度"

K"

表示，绝对温度等于摄氏温度加273。

如正午的日光具有色温为6500K，就是说黑体加热到6500K时发出的光的颜色与正午的颜色相同。

其它如白炽灯色温约为2600K。

表2-2列出了一些常见的光源色温。

　　色温是光源的重要指标，一定的色光具有一定的相对能量分布：

当黑体连续加热，温度不断升高时，其相对光谱能量分布的峰值部位将向短波方向变化，所发的光带有一定的颜色，其变化顺序是红-黄-白-蓝。

表2-2常见光源色温

光源

色温（K）

晴天室外光

13000

全阴天室外光

6500

白天直射日光

5550

45°

斜射日光

4800

昼光色、荧光灯

氙灯

5600

炭精灯

5500～6500

五、光源显色性　　人类在长期的生产生活实践中，习惯于在日光下辨认颜色。

尽管日光的色温和光谱能量分布随着自然条件的变化有很大的差异，但人眼的辨认能力依然是准确的。

这是人们在自然光下长期实践对颜色形成了记忆的结果。

　　随着照明技术的发展，许多新光源的开发利用，人们经常在不同的环境下辨认颜色。

有些灯光的颜色与日光很相似如荧光灯、汞灯等，但其光谱能量分布与日光却有很大的差别。

这些光谱中缺少某些波长的单色光成份。

人们在这些光源下观察到的颜色与日光下看到的颜色是不同的，这就涉及到光源的显色性问题。

　　什么是光源的显色性？

由于同一个颜色样品在不同的光源下可能使人眼产生不同的色彩感觉，而在日光下物体显现的颜色是最准确的。

因此，可以用日光标准（参照光源），将白炽灯、荧光灯、钠灯等人工光源（待测光源）与其比较，显示同色能力的强弱叫做该人工光源的显色性。

我国国家标准"

光源显色性评价方法GB5702-85"

中规定用普朗克辐射体（色温低于5000K）和组合日光（色温高于5000K）做参照光源。

为了检验物体在待测光源下所显现的颜色与在参照光源下所显现的颜色相符的程度，采用"

一般显色性指数"

作为定量评价指标。

显色性指数最高为100。

显色性指数的高低，就表示物体在待测光源下"

变色"

和"

失真"

的程度。

例如，在日光下观察一副画，然后拿到高压汞灯下观察，就会发现，某些颜色已变了色。

如粉色变成了紫色，蓝色变成了蓝紫色。

因此，在高压汞灯下，物体失去了"

真实"

颜色，如果在黄色光的低压钠灯底下来观察，则蓝色会变成黑色，颜色失真更厉害，显色指数更低。

光源的显色性是由光源的光谱能量分布决定的。

日光、白炽灯具有连续光谱，连续光谱的光源均有较好的显色性。

　　通过对新光源的研究发现，除连续光谱的光源具有较好的显色性外，由几个特定波长色光组成的混合光源也有很好的显色效果。

如450nm的蓝光，540nm的绿光，610nm的桔红光以适当比例混合所产生的白光，虽然为高度不连续光谱，但却具有良好的显色性。

用这样的白光去照明各色物体，都能得到很好的显色效果。

光源的显色性以一般显色性指数Ra值区分：

Ra值为100～75显色优良

75～50显色一般

50以下显色性差　　光源显色性和色温是光源的两个重要的颜色指标。

色温是衡量光源色的指标，而显色性是衡量光源视觉质量的指标。

假若光源色处于人们所习惯的色温范围内，则显色性应是光源质量的更为重要的指标。

这是因为显色性直接影响着人们所观察到的物体的颜色。

六、光源三刺激值在定量研究中我们发现，某种光源所发出的光，可以通过红、绿、蓝三种单色光按不同比例混合匹配产生。

这种用来匹配某一特定光源所需要的红、绿、蓝三原色的量叫做该光源三刺激值。

光源的红、绿、蓝三刺激值分别用X0、Y0、Z0来表示。

关于三刺激值的相关内容，可参看第五章。

七、标准光源　　我们知道，照明光源对物体的颜色影响很大。

不同的光源，有着各自的光谱能量分布及颜色，在它们的照射下物体表面呈现的颜色也随之变化。

为了统一对颜色的认识，首先必须要规定标准的照明光源。

因为光源的颜色与光源的色温密切相关，所以CIE规定了四种标准照明体的色温标准：

　　标准照明体A：

代表完全辐射体在2856K发出的光（X0=109.87，Y0=100.00，Z0=35.59）；

　　标准照明体B：

代表相关色温约为4874K的直射阳光（X0=99.09，Y0=100.00，Z0=85.32）；

　　标准照明体C：

代表相关色温大约为6774K的平均日光，光色近似阴天天空的日光（X0=98.07，Y0=100.00，Z0=118.18）；

　　标准照明体D65：

代表相关色温大约为6504K的日光（X0=95.05，Y0=100.00，Z0=108.91）；

　　标准照明体D：

代表标准照明体D65以外的其它日光。

CIE规定的标准照明体是指特定的光谱能量分布，是规定的光源颜色标准。

它并不是必须由一个光源直接提供，也并不一定用某一光源来实现。

为了实现CIE规定的标准照明体的要求，还必须规定标准光源，以具体实现标准照明体所要求的光谱能量分布。

CIE推荐下列人造光源来实现标准照明体的规定：

　　标准光源A：

色温为2856K的充气螺旋钨丝灯，其光色偏黄。

　　标准光源B：

色温为4874K，由A光源加罩B型D-G液体滤光器组成。

光色相当于中午日光。

　　标准光源C：

色温为6774K，由A光源加罩C型D-G液体滤光器组成，光色相当于有云的天空光。

CIE标准光源A、B、C的相对光谱能量分布曲线如图2-6所示。

图2-6标准光源相对光谱能量分布

CIE标准照明体A、B、C由标准光源A、B、C实现，但对于模拟典型日光的标准照明体D65，目前CIE还没有推荐相应的标准光源。

因为它的光谱能量分布在目前还不能由真实的光源准确地实现。

当前国际上正在进行着与标准照明体D65相对应的标准光源的研制工作。

　　现在研制的三种模拟D65人造光源分别为：

带滤光器的高压氙弧灯、带滤光器的白炽灯和荧光灯。

它们的相对光谱能量分布与D65有所符合，带滤光器的高压氙弧灯提供了最好的模拟，带滤光器的白炽灯在紫外区的模拟尚不太理想，荧光灯的模拟较差。

为了满足精细辨色生产活动的需要，还有采用荧光灯和带滤器的白炽灯组成的混光光源，称为D75光源。

其色温可达7500K。

主要运用在原棉评级等精细辨色工作中。

第二节：

色彩的混合

一色光加色法　　

（一）、色光三原色的确定　　三原色的本质是三原色具有独立性，三原色中任何一色都不能用其余两种色彩合成。

另外，三原色具有最大的混合色域，其它色彩可由三原色按一定的比例混合出来，并且混合后得到的颜色数目最多。

　　在色彩感觉形成的过程中，光源色与光源、眼睛和大脑三个要素有关，因此对于色光三原色的选择，涉及到光源的波长及能量﹑人眼的光谱响应区间等因素。

从能量的观点来看，色光混合是亮度的叠加，混合后的色光必然要亮于混合前的各个色光，只有明亮度低的色光作为原色才能混合出数目比较多的色彩，否则，用明亮度高的色光作为原色，其相加则更亮，这样就永远不能混合出那些明亮度低的色光。

同时，三原色应具有独立性，三原色不能集中在可见光光谱的某一段区域内，否则，不仅不能混合出其它区域的色光，而且所选的原色也可能由其它两色混合得到，失去其独立性，而不是真正的原色。

　　在白光的色散试验中，我们可以观察到红、绿、蓝三色比较均匀地分布在整个可见光谱上，而且占据较宽的区域。

如果适当地转动三棱镜，使光谱有宽变窄，就会发现：

其中色光所占据的区域有所改变。

在变窄的光谱上，红（R）、绿（G）、蓝（B）三色

光的颜色最显著，其余色光颜色逐渐减退，有的差不多已消失。

得到的这三种色光的波长范围分别为：

R（600~700nm），G（500~570nm），B（400~470nm）。

在色彩学中，一般将整个可见光谱分成蓝光区，绿光区和红光区进行研究。

　　当用红光、绿光、蓝光三色光进行混合时，可分别得到黄光、青光和品红光。

品红光是光谱上没有的，我们称之为谱外色。

如果我们将此三色光等比例混合，可得到白光；

而将此三色光以不同比例混合，就可得到多种不同色光。

　　从人的视觉生理特性来看，人眼的视网膜上有三种感色视锥细胞--感红细胞、感绿细胞、感蓝细胞，这三种细胞分别对红光、绿光、蓝光敏感。

当其中一种感色细胞受到较强的刺激，就会引起该感色细胞的兴奋，则产生该色彩的感觉。

人眼的三种感色细胞，具有合色的能力。

当一复色光刺激人眼时，人眼感色细胞可将其分解为红、绿、蓝三种单色光，然后混合成一种颜色。

正是由于这种合色能力，我们才能识别除红、绿、蓝三色之外的更大范围的颜色。

　　综上所述，我们可以确定：

色光中存在三种最基本的色光，它们的颜色分别为红色、绿色和蓝色。

这三种色光既是白光分解后得到的主要色光，又是混合色光的主要成分，并且能与人眼视网膜细胞的光谱响应区间相匹配，符合人眼的视觉生理效应。

这三种色光以不同比例混合，几乎可以得到自然界中的一切色光，混合色域最大；

而且这三种色光具有独立性，其中一种原色不能由另外的原色光混合而成，由此，我们称红、绿、蓝为色光三原色。

为了统一认识，1931年国际照明委员会（CIE）规定了三原色的波长λR=700.0nm,λG=546.1nm,λB=435.8nm。

在色彩学研究中，为了便于定性分析，常将白光看成是由红、绿、蓝三原色等量相加而合成的。

（二）色光加色法　　由两种或两种以上的色光相混合时，会同时或者在极短的时间内连续刺激人的视觉器官，使人产生一种新的色彩感觉。

我们称这种色光混合为加色混合。

这种由两种以上色光相混合，呈现另一种色光的方法，称为色光加色法。

　　国际照明委员会（CIE）进行颜色匹配试验表明：

当红、绿、蓝三原色的亮度比例为1.0000：

4.5907：

0.0601时，就能匹配出中性色的等能白光，尽管这时三原色的亮度值并不相等，但CIE却把每一原色的亮度值作为一个单位看待，所以色光加色法中红、绿、蓝三原色光等比例混合得到白光。

其表达式为（R）+（G）+（B）=（W）。

红光和绿光等比例混合得到黄光，即（R）+（G）=（Y）；

红光和蓝光等比例混合得到品红光，即（R）+（B）=（M）；

绿光和蓝光等比例混合得到青光，即（B）+（G）=（C），如图2-7所示。

如果不等比例混合，则会得到更加丰富的混合效果，如：

黄绿、蓝紫、青蓝等。

图2-7加色混色图

　　从色光混合的能量角度分析，色光加色法的混色方程为：

式中：

C为混合色光总量；

（R）、（G）、（B）为三原色的单位量；

a、b、g为三原色分量系数。

此混色方程十分明确地表达了复色光中的三原色成分。

　　从人眼对色光物理刺激的生理反应角度分析，色光加色混合的数学形式为：

C为混合色觉；

为光谱三刺激值。

　　自然界和现实生活中，存在很多色光混合加色现象。

例如太阳初升或将落时，一部分色光被较厚的大气层反射到太空中，一部分色光穿透大气层到地面，由于云层厚度及位置不同，人们有时可以看到透射的色光，有时可以看到部分透射和反射的混合色光，使天空出现了丰富的色彩变化。

　　（三）加色法实质　　加色法是色光与色光混合生成新色光的呈色方法。

参加混合的每一种色光都具有一定的能量，这些具有不同能量的色光混合时，可以导致混合色光能量的变化。

　　色光直接混合时产生新色光的能量是参加混合的各色光的能量之和。

如图2-8所示，照射面积相同的两种色光--红光与绿光混合，混合后的面积依然与混合前单色光的面积相同，但光的能量却增大了，所以导致了混合后色光亮度的增加。

　　（四）加色混合种类　　色光混合的实现方法主要分为两类：

一类是视觉器官外的混合，另一类是视觉器官内的混合。

1、视觉器官外的加色混合

　　视觉器官外的加色混合是指色光在进入人眼之前就已经混合成新的色光。

色光的直接匹配就是视觉器官外的加色混合。

光谱上各种单色光形成白光，是最典型的视觉器官外的加色混合这种加色混合的特点是：

在进入人眼之前各色光的能量就已经叠加在一起，混合色光中的各原色光对人眼的刺激是同时开始的，是色光的同时混合。

2、视觉器官内的加色混合

　　视觉器官内的加色混合是指参加混合的各单色光，分别刺激人眼的三种感色细胞，使人产生新的综合色彩感觉，它包括静态混合与动态混合。

（1）静态混合

　　静态混合是指各种颜色处于静态时，反射的色光同时刺激人眼而产生的混合，如细小色点的并列与各单色细线的纵横交错，所形成的颜色混合，均属静态混合，各色反射光是同时刺激人眼的，也是色光的同时混合。

细小色点并列的加色混合如图2-9a及彩图2-9b所示。

　　由于视锐度所限，人们不能将相隔太近，且面积又很小的色点或色线分辨开来，而将它们视为一种混合色。

图2-9a是黄色点与青色点并列时的放大图，黄色与青色的反射光同时刺激人眼的感色细胞，使人产生的色彩感觉既不是单纯的黄色，也不是单纯的青色，而是青色与黄色的混合色--绿色，这是由于色点相距太近，人眼的感色细胞无法区分开，从而产生了综合色觉。

图2-9a色光的静态混合

彩图2-9b空混构成　　

（2）动态混合

　　动态混合是指各种颜色处于动态时，反射的色光在人眼中的混合，如彩色转盘的快速转动，各种色块的反射光不是同时在人眼中出现，而是一种色光消失，另一种色光出现，先后交替刺激人眼的感色细胞，由于人眼的视觉暂留现象，使人产生混合色觉。

　　人眼之所以能够看清一个物体，乃是由于该物体在光的照射下，物体所反射或透射的光进入人眼，刺激了视神经，引起了视觉反应。

当这个物体从眼前移开，对人眼的刺激作用消失时，该物体的形状和颜色不会随着物体移开而立即消失，它在人眼还可以作一个短暂停留，时间大约为1/10秒。

物体形状及颜色在人眼中这个短暂时间的停留，就称为视觉暂留现象。

正因为有了这种视觉暂留现象，人们才能欣赏到电影、电视的连续画面。

视觉暂留现象是视错觉的一种表现。

　　人眼的视觉暂留现象是色光动态混合呈色的生理基础，如图2-10所示的彩色转盘。

　　在转盘上以1：

1的比例间隔均匀地涂上红、绿两种颜色。

快速转动转盘，可以看到转盘上已不再是红、绿两种颜色，而是一个黄色。

这是因为：

当转盘快速转动时，如果红色反射光进入人眼，就会刺激感红细胞。

当红色转过，绿色反射光进入人眼，就刺激了感绿细胞。

此时，感红细胞所受刺激并没有消失，它继续停留1/10秒地时间。

在这个瞬间，感红细胞与感绿细胞同时兴奋，就产生了综合的黄色感觉。

彩色转盘转动地越快，这种混合就越彻底。

　　动态混合是由参加混合的色光先后交替连续刺激人眼，因此又称为色光的先后混合。

图2-10色光动态混合　　通常情况下，人眼可以正确地观察及判断外界事物的状态，如大小、形状、颜色等，但如果商品包装的颜色分布太杂，颜色面积太小或多种颜色的交替速度过快，人眼的分辨能力则受到影响，就会使所观察到的颜色与实际有所差别。

　　（五）色光混合规律1、色光连续变化规律

　　由两种色光组成的混合色中，如果一种色光连续变化，混合色的外貌也连续变化。

可以通过色光的不等量混合实验观察到这种混合色的连续变化。

红光与绿光混合形成黄光，若绿光不变，改变红光的强度使其逐渐减弱，可以看到混合色由黄变绿的各种过渡色彩，反之，若红光不变，改变绿光的强度使其逐渐减弱，可以看到混合色由黄变红的各种过渡色彩。

2、补色律

　　在色光混合实验中可以看到：

三原色光等量混合，可以得到白光。

如果先将红光与绿光混合得到黄光，黄光再与蓝光混合，也可以得到白光。

白光还可以由另外一些色光混合得到。

如果两种色光混合后得到白光，这两种色光称为互补色光，这两种颜色称为补色。

　　补色混合具有以下规律：

每一个色光都有一个相应的补色光，某一色光与其补色光以适当比例混合，便产生白光，最基本的互补色有三对：

红-青，绿-品红，蓝-黄。

补色的一个重要性质：

一种色光照射到其补色的物体上，则被吸收。

如用蓝光照射黄色物体，则呈现黑色。

如图2-11所示。

图2-11物体对补色光的吸收利用这个道理，我们可以用某一色光的补色控制这一色光。

如果控制绿色，可以通过调节品红