第4章光源色度学

2第四章•光源色度学2•一般光源检测项目：•１、光谱功率分布：•２、电参数:电压、电流、功率、功率因数•３、光度参数：光通量、光效率、辐射功率•４、色度参数：色坐标、相关色温、主波长、色纯度、显色指数22§3-1光源的光谱功率分布（1）光谱功率分布：一种光源所发射的光谱往往不是单一的波长，而是由许多不同波长的混合辐射所组成。光源的光谱辐射按波长顺序和各波长功率分布称为光源的光谱功率分布。（2）绝对光谱功率分布曲线和相对光谱功率分布曲线：前者指以光谱辐射的各种波长光能量绝对值所作的曲线；后者指将光源辐射光谱的各种波长的能量进行相互比较，作归一化处理后使辐射功率仅在规定的范围内变化的光谱功率分布曲线。2（3）连续光谱、线状光谱、混合光谱：由红到蓝各种色光在内的连续彩色光带称连续光谱；在整个光谱区域中某几个波长处发生狭窄的光谱称为线状光谱；在连续光谱中附上一些突出的线光谱称为混合光谱。2（4）绝对黑体和全辐射体：能够完全吸收入射在其上的辐射能并产生辐射的理想物体。（5）黑体的色度轨迹黑体的光谱功率分布是温度与波长的函数，如果已知黑体的绝对温度，其光谱功率分布可有普朗克辐射定律算出。由光谱功率分布可算出各种温度黑体相应的CIEl931色度坐标，这些坐标在CIEl931色度图上形成的弧形轨迹，称为黑体的色度轨迹。1-T/(exp1)T(P251），CC22§3-２光源的色温和相关色温：光源的色温：某光源的色度与绝对黑体在某一温度下的色度一样，则这一黑体的温度称为该光源的色温。相关色温：对于色坐标不能准确地落在绝对黑体轨迹上的光源，用黑体轨迹上色度坐标与该光源最为相近的黑体的温度表示光源的色温，称为相关色温。色温与相关色温主要描述光源发出的光色，并不表示光源的实际温度例如：色温高说明蓝绿光成分多，色温低说明黄红光成分多，2光源色温、相关色温的确定在CIEl931色度图上，黑体轨迹上各温度点不是按等距分布的；同时由于CIEl931色度图的空间是不均匀的，即在色度图上两处相同的距离不代表视觉上等量的颜色差别，所以就很难确定一个在黑体轨迹附近的光源的相关色温，因此，凯莱利用CIEl960UCS图，按视觉恰可分辨的最小颜色差别，把黑体轨迹划分为许多视觉分辨的单位，叫做麦勒德（mrd）。麦勒德与色温、相关色温的关系为：l麦勒德=（l/色温）×1062落在黑体轨迹上的色坐标，可根据mrd的划分用内插法算出对应的色温。例如：图中D65点在mrd150~155之间，对应的色温约为:T≈(1/153)×106=6535K在1960UCS色度图上，按mrd划分与黑体轨迹正交的直线称为：等相关色温线，2落在黑体轨迹上的色坐标，可根据mrd的划分用内插法算出对应的色温。例如图中D65点在mrd150~155之间，对应的色温约为:T≈(1/153)×106=6535K在1960UCS色度图上，按mrd划分与黑体轨迹正交的直线称为等相关色温线，根据等相关色温线可以计算任意色坐标在黑体轨迹以外的光源的相关色温。Mc=M1+(M2-M1)d1/(d1+d2)或转换成1968国际温标：dddT1T1T1T121221148CTC=1.4388TC48/1.43802§3-３CIE标准照明体与标准光源为了给颜色的观察与测量建立统一的标准，CIE推荐了五种标准照明体A、B、C、D、E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。21、CIE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由于不准确，现已废除。•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。•标准照明体E：（人为规定）可见光区内光谱辐射功率恒定的光-称等能光谱、或等能白光。（其光谱光度分布于视见函数相符）•现在最常用的标准照明体是A和D•查表可得常用标准照明体的光谱功率分布2B:Tcp=4874K;C:Tcp=6774KCIE标准照明体的光谱功率分布曲线22、CIE标准光源标准光源：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。23、标准照明体D（重组日光）的确定和模拟（1）典型日光色度轨迹为了统一时相与空相引起的日光变化，CIE规定的标准照明体D也叫做典型日光或重组日光．它是由在CIEl931色度图上的一条位于普朗克(黑体)轨迹上方的典型日光色度轨迹来代表的。这条轨迹是根据CIEl931色度图上许多实测的日光色度点的分布定出的，它包括4000～40000K典型日光的色度点。典型日光轨迹也就是标准照明体D的轨迹。典型日光色度轨迹是根据实验材料定出的。2典型日光色度的色度坐标CIE规定典型日光(D)的色度坐标满足以下关系：yD=-3.000xD2+2.870xD–0.275式中xD的有效范围为0.2500～0.380。在相关色温T已知情况下，可通过下式计算典型日光色度坐标xD：244063.0T1009911.0T109678.2T106070.4xC32C63C9D(4000K≤TC≤7000K)237040.0T1024748.0T109018.1T100064.2xC32C63C9D(7000K≤TC≤25000K)2（2）典型日光相对光谱功率分布的计算贾德、麦克亚当和威泽斯基对上述康狄特等人测量的622例光谱分析进行了统计学的特征矢量分析，得出一组公式，用以计算一定相关色温的典型日光的相对光谱功率分布。也就是说，用数理统计手段重新组合出该相关色温的典型日光光谱功率分布。这就是“重组日光”的含意。分析结论：日光光谱分布由平均曲线So+偏离平均曲线的特征矢量S1和S22日光光谱分布的平均曲线So及第1、第2特征矢量曲线S1、S22典型日光的相对功率分布的公式：S()=So()+M1S1()+M2S2()式中S()为某一相关色温典型日光波长的相对光谱功率。在已知典型日光的色度坐标情况下，M1和M2可用下式求得：y7341.0x2562.00241.0y9114.5x7703.13515.1MDDDD1y7341.0x2562.00241.0y0717.30x4424.310300.0MDDDD22（3）标准照明体D的模拟目前，CIE还没有正式推荐人工光源来实现标准照明体D，这主要是因为日光具有独特的锯齿形光谱功率分布，而人工光源不具有这种光谱功率分布。在色度学的实际应用中，不一定要求对日光光谱功率分布做出完善的模拟。人工光源与标准照明体光谱功率分布具有一定程度的偏离应该是允许的。为了评价模拟日光的光谱功率分布与标准照明体D55、D65、D75其中之一的符合程度，CIE推荐了用于色度学目的的评价方法。2第四章光源的色度评价4.1显色性评价4.1.1光源显色性我们认为在白炽灯和日光光源下看到的颜色是物体的“真实”颜色。人们在光源下所看到的物体颜色与在白炽灯和日光下所看到的颜色是不同的。例如，在日光下观察一块花布，再把它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，我们说，在高压汞灯下，物体失去了“真实”颜色，或颜色有所失真。24.1.1光源显色性按CIE的规定，我们把普朗克辐射体作为低色温光源的参照标准，把标准照明体D作为高色温光源的参照标准，用以衡量在其它各种光源照明下的颜色效果。光源的显色性：指与参照标准下相比较，一个光源对物体颜色外貌所产生的效果。光源的光谱功率分布决定了光源的显色性。日光、白炽灯都是连续光谱，具有与白炽灯和日光相似的连续光谱的光源均有较好的显色性。2三基色荧光灯研究发现，用光谱430nm(蓝)，540nm(绿)，610nm(红)的辐射以适当的比例混合所产生的白光，与连续光谱的日光或白炽灯具有同样优良的显色性。三基色荧光灯就是根据上述原理研制的光源，它不仅显色性好，而且光效高，是一种新型节能灯。实验发现：在不连续光谱的光源中，含有500nm和580nm波长附近的光谱对颜色显现有不利影响，一些颜色会失真，称为干扰波长。另外，在消除450nm，540nm，616nm波长功率时，显色性明显下降。2三基色荧光灯光谱功率分布24.1.2CIE光源显色指数计算方法CIE规定14块测验用的标准颜色样品，CIE规定用普朗克辐射体或标准照明体D作为参照光源，并将其显色指数定为100；CIE规定以这些样品在参照光源下和另一色温为3000K标准荧光灯下的颜色色差△E为尺度，约定标准荧光灯的显色指数为50。CIE根据在参照光源下和待测光源下颜色样品的色差，导出计算光源显色指数的公式。光源对某一颜色样品的显色指数称为特殊显色指数Ri，光源对特定8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra。21、参照照明体待测光源的相关色温低于5000K时，参照照明体应是普朗克辐射体的光谱功率分布，高于5000K时应是不同时相日光的光谱功率分布(标准照明体D)。待测光源(色度坐标uk，vk)与参照照明体(色度坐标ur，vr)之间的色度差为△C=[(uk-ur)2+(vk-vr)2]1/2所选用的参照照明体应与待测光源的色度相同或接近相同，它们的色度差△C应小于5.4×10-3。22、颜色样品计算光源显色指数用的14块孟塞尔颜色样品号数孟塞尔标号日光下的颜色17.5R6／4淡灰红色25Y6／4暗灰黄色35GY6／8饱和黄绿色42.5G6／6中等黄绿色510BG6／4淡蓝绿色65PB6／8淡蓝色72.5P6／8淡紫蓝色22、颜色样品计算光源显色指数用的14块孟塞尔颜色样品号数孟塞尔标号日光下的颜色810P6／8淡红紫色94.5R4／13饱和红色105Y8／10饱和黄色114.5G5／8饱和绿色123PB3／11饱和蓝色135YR8／4人的肤色145GY4／4树叶27.5R6／40.000.200.400.600.801.00350400450500550600650700750波长反射率1号：淡灰红色25Y6／40.000.200.400.600.801.00350400450500550600650700750波长反射率2号：暗灰黄色25GY6／80.000.200.400.600.801.00350400450500550600650700750波长反射率3号：饱和黄绿色22.5G6／60.000.200.400.600.801.00350400450500550600650700750波长反射率4号：中等黄绿色210BG6／40.000.200.400.600.801.00350400450500550600650700750波长反射率5号：淡蓝绿色25PB6／80.000.200.400.600.801.00350400450500550600650700750波长反射率6号：淡蓝色22.5P6／80.000.200.400.600.801.00350400450500550600650700750波长反射率7号：淡紫蓝色210P6／80.000.200.400