光电测试技术-2章-色度和光度测试技术

2019/12/291光电测试技术哈尔滨工业大学第2章色度和光度测试技术2019/12/293概述色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的学科。颜色感觉与听觉、嗅觉、味觉等一样都是外界刺激使人的感觉器官产生的感觉。色度学是研究颜色度量和评价方法的学科，是以光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。现代色度学，是一门实验性非常强的学科。2019/12/294§2-1色度学的基本概念和实验定律2019/12/295§2-1色度学的基本概念和实验定律1．格拉斯曼(H.Grassman)颜色混合定律格拉斯曼在总结以往颜色混合实验现象的基础上，于1854年归纳总结出几条实验规律，它是建立现代色度学的基础。1．1颜色的属性明度是指人眼对物体的明暗感觉。色调是指彩色彼此相互区分的特性。可见光谱中不同波长的辐射在视觉上表现为各种色调，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等。彩度表示物体颜色的浓淡程度或颜色的纯洁性，又称饱和度。物体色的彩度决定于物体表面反射光谱辐射的选择性程度。2019/12/296§2-1色度学的基本概念和实验定律1．格拉斯曼(H.Grassman)颜色混合定律1.2补色律和中间色律在由两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续变化，混合色的外貌也连续地变化。由此导出两个定律：补色律和中间色律。补色律每种颜色都有一个相应的补色；某一颜色与其补色以适当比例混合，便产生白色或灰色；以其它比例混合，便产生近似比重大的颜色成分的中间色。中间色律任何两个非补色混合，便产生中间色，其色调决定于两个颜色的相对数量，其彩度主要决定于两者在色调顺序上的远近。2019/12/297§2-1色度学的基本概念和实验定律1．格拉斯曼(H.Grassman)颜色混合定律1.3代替律代替律相似色（即外貌相同的颜色）混合后仍相似。如果颜色A=颜色B，颜色C＝颜色D，那么颜色A＋颜色C=颜色B+颜色D根据代替律，可以利用颜色混合的方法来产生或代替所需要的各种颜色。它是一条非常重要的定律。1.4亮度相加律亮度相加律混合色的总亮度等于组成混合色的各颜色光亮度的总和。以上所说的格拉斯曼颜色混合定律是色度学的一般规律，适用于各种颜色的相加混合，但是这些规律不适用于染料或涂料的混合，因为染料和涂料的混合是颜色光的相减过程。2019/12/298§2-1色度学的基本概念和实验定律2．色度学中的基本概念2．1三原色把两个颜色调节到视觉上相同或相等的方法叫颜色匹配。在颜色匹配实验中，为匹配得到某一种颜色，一般需要三种颜色就可以达到匹配目的。通常称在颜色匹配实验中选取的三种颜色为三原色。三原色可以任意选定；但是三原色中任何一种原色不能由另外两种原色相加混合得到；最常用的是红、绿、蓝三原色。由三原色混合而成的新的颜色只表示了被匹配颜色的外貌，而不能表示它的光谱组成。例如，由红、绿、蓝三色光混合而成的白光与连续光谱的白光在视觉上一样，但是它们的光谱组成成分却不一样，这种情况称之为同色异谱。2019/12/299§2-1色度学的基本概念和实验定律2．色度学中的基本概念2.2三刺激值色度学中是用三原色来表示颜色的。匹配某种颜色所需的三原色的量，称为颜色的三刺激值。三刺激值不是用物理单位来量度的，而是用色度学的单位来量度。具体规定为：在380～780nm的可见光波长范围内，各种波长的辐射能量均相等时，称为等能光谱色。由其构成的白光称等能白光，简称E光源。等能白光的三刺激值是相等的，且均定为一个单位。2019/12/2910§2-1色度学的基本概念和实验定律2．色度学中的基本概念2.3光谱三刺激值或颜色匹配函数用三刺激值可以表示各种颜色，对于各种波长的光谱色也不例外。匹配等能光谱色所需三原色的量叫作光谱三刺激值，也叫作颜色的匹配函数。对于不同波长的光谱色，其三刺激值显然是波长的函数。用红、绿、蓝作为三原色时，光谱三刺激值或颜色匹配函数用来表示。由于任何颜色的光都可以看成是由不同单色光混合而成，所以光谱三刺激值是颜色色度计算的基础。)(),(),(bgr2019/12/2911§2-1色度学的基本概念和实验定律2．色度学中的基本概念2.4色品坐标三原色确定后，一种颜色的三刺激值是唯一的，因此，可以用三刺激值表示颜色。但是，由于准确测量三刺激值存在着技术上的困难，而且用三刺激值表示颜色很不直观，因而一般不直接用其表示颜色，而是用其在三刺激值总和中所占的比例来表示颜色。这三个比例值叫作色品坐标。假定某颜色的三刺激值分别为R、G、B，色品坐标为r、g、b，则有显然因此，有BGRBbBGRGgBGRRr,,1bgr2019/12/2912§2-1色度学的基本概念和实验定律2．色度学中的基本概念2.5光源色和物体色的三刺激值颜色刺激函数表示某颜色刺激与波长的关系函数，以表示。无论光源色或物体色可看成是波长范围在380~780nm内的各光谱色以不同的比例混合的产物。对于波长为λ的光谱色，其三刺激值R、G和B应分别和其光谱三刺激值以及颜色刺激函数成正比。故有式中，k为常数，称为颜色调节因子。)()(),(),(bgr)()()(rkR，)()()(gkG，)()()(bkB2019/12/2913§2-1色度学的基本概念和实验定律2．色度学中的基本概念2.5光源色和物体色的三刺激值当波长范围趋向于无限小时，光谱色的三刺激值为380~780nm内所有光谱色对应的三刺激值总和就应当是被考虑颜色的三刺激值，即d)()()(drkRd)()()(dgkGd)()()(dbkBd)()(d)()(d)()(bkBgkGrkR－－2019/12/2914§2-1色度学的基本概念和实验定律2．色度学中的基本概念2.5光源色和物体色的三刺激值对于光源色，颜色刺激函数就是光源的光谱功率分布，即故有)()()(s780380780380780380d)()(d)()(d)()(bskBgskGrskR物体色既和照明光源的光谱功率分布有关，也和物体的光学性质有关。对于透射物体对于反射物体)()()(s)()()(s2019/12/2915§2-1色度学的基本概念和实验定律3．CIE标准表色度系统国际照明委员会（英文缩写CIE）曾推荐了几种色度学系统，以统一颜色的表示方法和测量条件。国际照明委员会在1931年同时推荐了两套色度学系统：1931CIE-RGB系统和1931CIE-XYZ系统，1964年又推荐了CIE1964补充标准色度学系统。表色系统一般包括：三原色三原色的单位光谱三刺激值等2019/12/2917§2-1色度学的基本概念和实验定律3．CIE标准表色度系统3.21931CIE-XYZ系统三原色：1931CIE-XYZ系统的三原色选择的要求是：第一，用三原色匹配等能的光谱色时，三刺激值均为正；第二，色品图上表示的实际不存在的颜色所占的面积尽量小；第三，用Y刺激值表示颜色的亮度。（X）、（Y）、（Z）作为色度学系统的三原色是有意义的，但实际上并不存在这三种颜色。XYZ系统的光谱三刺激值也无法通过颜色匹配实验直接得到，而是以1931CIE－RGB系统光谱色品坐标值换算求得。光谱三刺激值：BGZBGRYBGRX5943.50565.000601.05907.40000.11302.17517.17689.2CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线1931CIE－XYZ系统色品图这段不是光谱色，而是770nm（红）和380nm（紫）两光谱色混合色的色品轨迹。2019/12/2918§2-1色度学的基本概念和实验定律3．CIE标准表色度系统3.3CIE1964补充标准色度学系统前面讨论的1931CIE-RGB标准色度学系统和1931CIE-XYZ标准色度学系统的基本数据都是从莱特和吉尔德实验数据换算求得的，因此，它们只适用于小视场角（＜4°）的情况下的颜色标定。为适应大视场情况下颜色的测量和标定，CIE在1964公布了CIE1964补充色度学系统。它规定了适合于10°视场使用的CIE1964补充色度观察者光谱三刺激值和色品图。其计算方法与1931CIE-XYZ系统的三刺激值和色品坐标的计算方法完全相同，只不过要用本系统所规定的基本数据。为了与1931CIE-XYZ系统相区别，所用的符号要加下标“10”。例如，三刺激值表示为X10、Y10、Z10等。2019/12/2919§2-1色度学的基本概念和实验定律3．CIE标准表色度系统总结起来，用该色度学系统表示颜色的方法有以下两种：1）三刺激值表示颜色。最常用的是1931CIE-XYZ标准色度学系统中所规定的三刺激值X、Y、Z。该方法表示颜色的困难是三刺激值由于难于定标而难于准确测量。2）色品坐标x、y以及Y刺激值表示颜色。用x、y和Y表示颜色是常用的方法。2019/12/2925§2-2CIE色度计算方法2019/12/2926§2-2CIE色度计算方法CIE除了推荐标准色度系统外，还推荐了一系列的计算方法。如：色品坐标的计算颜色相加计算主波长和色纯度计算色差计算同色异谱程度的计算等2019/12/2927§2-2CIE色度计算方法1色品坐标计算已知某颜色的刺激函数，要计算颜色的色品坐标，必须先求得颜色的三刺激值。计算公式为：)()()()()()()(zkZykYxkXk叫做归化系数，它是将照明物体（或光源）的Y值归一化为100时得出的为波长λ的光谱三刺激值自发光物体色：透射物体色：反射物体色：)()(s)()()(S)()()(SR2019/12/2928§2-2CIE色度计算方法1色品坐标计算计算出物体的三刺激值后，由下式计算其色品度坐标ZYXZzZYXYyZYXXx注意式中的Y是被测色的光通量2019/12/2929§2-2CIE色度计算方法2颜色相加计算已知两种颜色各自的色品度坐标计算x1、y1、亮度Y1，x2、y2、亮度Y2。①计算法原则：混合色的三刺激值为各个混合色的三刺激值的和；可以推广到更多种颜色相加混合。可以表示为212121ZZZYYYXXX2019/12/2930§2-2CIE色度计算方法2颜色相加计算计算步骤：ZYXzZyYxX由1111111111YyzZYYYyxX2222222222YyzZYYYyxX可得212121ZZZYYYXXX于是混合色的色品坐标和亮度为ZYXXxZYXYyYY2019/12/2931§2-2CIE色度计算方法2颜色相加计算②作图法在CIE1931色品图上应用重力中心定律的原理用作图法求出混合色的色品点。MPQMZYXZYXCC22211121700nm490500400nm550580600520480KC2KC1M(P+Q)Q(C2)P(C1)(x1y1)(x2y2)0.80.60.40.200.20.40.60.8xy颜色相加作图法图示2019/12/2934§2-3色度的测试方法和应用2019/12/2935§2-3色度的测试方法和应用1积分球及其应用在色度与光度测量装置中广泛使用积分球部件。结构特点积分球是一个中空的金属球体；球壁上开有一个或几个窗孔，用于进光和放置光接收器件；球内壁上应涂以理想的漫反射材料，也就是漫反射系数接近1的材料。常用的材料是氧化镁（或硫酸钡）。性能特点与要求