量测色彩学

以上為轉載文章COLORCOMMUNICATION量測色彩學《液晶之家》——基本概念色彩構成三要素：光源、被照射物體、可感覺色的眼睛和頭腦（光源、物體、觀測者）。光源光源：宇宙間主要光源為太陽，會產生電磁波的振動，向四週傳達光與熱，其中一小段的電磁波為人眼可見，稱為可見光。被照射物體1.透射（Transmission）：透射是入射光經過折射穿過物體的現象，被透射之物體為透明體或是半透明體。若是無色的物體，除了少數光從物體的兩個表面反射外，大多數光是透射過物體。2.吸收（Absorption）：當入射光照射在物體上，此物體會吸收部份可見光而顯示出顏色；如果吸收全部的光則會呈現黑色；意即我們能看到物體的顏色是要光源含有該顏色，而被照射的物體反射出該顏色如此人眼才能看見該物體的顏色。3.反射：（Reflection）：„鏡面反射（Specularreflection）：發生於平而光滑的表面上，當光以某種角度射在平面上，則以同角度反射其光，物體的光澤是來自鏡面反射。„擴散反射（Diffusereflection）：一般發生於粗糙表面上，入射光以很多不同的角度被反射，此擴散反射能顯示物體的形狀、大小、顏色和組織構造。„大多數的透明體及不透明體的平滑表面，同時具有鏡面反射和來自表面下散射的擴散反射。4.散射（Scattering）：散射是指光被細粒子紊亂轉向的現象，例如天空的青藍色和雲的白色都是散射的結果；當有足夠的散射時，我們可以說光從物質被擴散反射。可感覺顏色的眼睛與頭腦1.眼睛與頭腦：最重要的色彩偵測器是眼睛、神經系統及頭腦。眼睛中最重要的感光部份是網膜；而網膜中有桿狀體（rod）及圓錐體（cones），其中圓錐體對不同波長的光有不同的分光感應曲線，因此要取代眼睛的偵測器也要有分光感應曲線的功能。2.刺激值：將色產生的三要素聯合起來就是色的信號或刺激（stimulus）。頭腦能將此刺激值轉變成色的感覺，意即將照明光源光譜能量分佈曲線乘以物體的分光反射率分曲線再乘以偵測器（或眼睛）的分光感應曲線就能得到色的刺激值。3.分光資料互換：物體的分光反射率曲線比色彩三屬性（色相、明度、彩度）包含更多的資料；色彩三屬性的資料可以由分光反射率來求得，但是三屬性的資料無法轉換成分光反射曲線。《液晶之家》——演色性演色性：當影響色彩的三要素──光源、物體、觀測者其中之一被改變，會造成色刺激值的不同；例如：物體及觀測者維持不變，光源改變，則可預知因為光源的改變，造成11此種由於光源的改變而造成物體色彩不同的情形即稱為演色性（Colorrendition）。色變現象色變現象：兩個物體在某一個光源下能對色，但是至少在另一個光源下無法對色，此一現象即稱為色變現象（metamerism）。色彩表示法色彩表示法有二種：一為顯色系統-依據實際色物體的蒐集給予有系統的排列及描述而得的系統；一為混色系統-基於三原色光來混合出許多色彩所歸納的系統，目前為止最重要的混色系統是以儀器測量色彩的CIE系統。顯色系統„顯色系統：大部份顯色系統是依據色彩的三屬性：色相（hue）、明度（Valueh,Lightness,Brightness）、彩度（Chroma,Saturation）。1.色相（hue）：表示紅、橙、黃、綠、藍、紫等色彩系統的術語。由分光反射率曲線來判斷，則視最高峰的波長色，即為該物體的色相。2.明度（Valueh,Lightness,Brightness）：若無色彩時，則由白－灰－黑所組成。若由分光反射率曲線來判斷，則視其波峰與波谷的平均大小而定。3.彩度（Chroma,Saturation）：是色彩的純粹度。指絕對不含白、灰、黑等無彩色成份的顏色。由分光反射率曲線來判斷，則可視其波峰與波谷的差數。彩度高則含黑白量少，彩度低則含黑白量高。混色系統„混色系統：此系統是根據論與實驗認為所有色彩都可以由紅、綠、藍色光三原色混合而成，此三原色稱為光的原刺激值；因此在選定色料時，可用儀器量測出色料的三刺激值，使色彩的刺激與顏色的感覺能以定量的方式表達，此三種原色的刺激量即稱為三刺激值（tristimulusvalues）；此表色法目前以國際照明委員會CIE系統最為普遍。CIE標準光源„CIE標準光源：CIE於1931年推出A、B、C三種標準光源。由於螢光白劑的增加使《液晶之家》——用，因此須要包含紫外線區域且相似於自然日光的照明光源，於1965年推出另一系列的光源，其中以D65最常使用。1.CIE光源A：是鎢絲燈光（tungsten-filamentlamp），色溫（colortemperature）為2854°K。所謂的色溫，提指黑體與光源之顏色對色時之溫度，且色溫應不洽巧等於此光源的實際溫度；此光源較常用是因其光譜較平滑，數據計算上較方便。2.CIE光源B：是鎢絲燈光（tungsten-filamentlamp）經過特殊過濾後的光，色溫（colortemperature）為4800°K，相似於中午的陽光（noonsunlight）。3.CIE光源Ｃ：是鎢絲燈光（tungsten-filamentlamp）經過特殊過濾後的光，色溫（colortemperature）為6740°K，相似於自北方45°仰角的天空日光。4.氙弧燈光（Xenonarclamp）：其色溫（colortemperature）為6000°K，相似於自然日光（naturedaylight）。5.Macbeth7500°KDaylight：是鎢絲燈光（tungsten-filamentlamp）經過特殊過濾後的光，色溫（colortemperature）為7500°K，相似於北方天空的日光（northskydaylight）。6.冷白色螢光燈光（CoolWhiteFluorescentLamp）：其色溫（colortemperature）為4200°K。7.CIED65：其色溫（colortemperature）為6500°K，相似於平均自然日光（averagenaturedaylight），由於此光源目前無法由實物製造出來，因此只能稱為照明體；若能製造出來則可稱為標準光源，此光源較常使用的原因是由於一般人是生活在太陽光之下。CIE標準觀測者及配色函數„1931年CIE推薦的標準觀測者之色感覺是由許多正常視覺的人（約15至20人）對感覺的平均。„實驗的方式如下：1.選用光波長為700nm的紅光（r）、546nm的綠光（g）、436nm的藍光（b）作為色光的三原色，其單位為1R=1cd/m2、1G=45907cd/m2、1B=0.0601cd/m2，來與任一種測試光對色，調節三原色光的強度，就可調出與測試光相同顏色的混合色光。2.在一實驗室中放置一塊白色的銀幕（打光用），將三原色的光由上往下打在銀幕中心偏上的位置；將測試用的光打在銀幕中下偏下的位置，在白色銀幕的中心以一塊黑色板子將三原色的光及測試用的光上下分隔開來。3.在觀測者及各光源之前再放置一片遮蔽板，並在遮蔽板中心挖一個洞，使觀測者至銀幕之間的可視角度為２°，且觀測者至銀幕之間的距離為25cm。4.針對參與實驗的視覺正常之人，在可見光譜波長380nm~780nm範圍中，每隔5nm調整一次測試光，並計錄每次對色後的r、g、b三原色的三刺激值。待所有人都測試完畢之後將所有數值加以平均，可得到、、b三個函數值，此gr《液晶之家》——的配色函數(colormatchingfunctions)。5.可是由於這些函數在某些波長會有負值產生，不但運算不方便，儀器更無法實現此一函數，因此利用數學運算方式轉換為全部都是正數的、、三個函數，以利計算。xyz„轉換方式如下：先換成X,Y,Z三刺激值X=2.7689R+1.7517G+1.1302BY=1.0000R+4.5907G+0.0601BZ=0.0000R+0.0565G+5.5943B„此一公式有下列特點1.混色時所有X,Y,Z系數均為正值。2.Y之數值正好代表光亮度。3.X=Y=Z時仍然代表等能量白光。„XYZ歸一化，引進色度座標，而使x+y+z=1可得x=ZYXX++y=ZYXY++z==1–x–yZYXZ++„而x,y,z稱為色度座標，將其歸一化後得到的配色函數成為x(λ)=0.49r(λ)+0.31g(λ)+0.20(λ)(λ)=0.17697r(λ)+0.81240g(λ)+0.01063b(λ)z(λ)=0.00r(λ)+0.01g(λ)+0.99(λ)其中(λ)=V(λ)即光效函數(LuminousEfficiencyFunction)byby„光效函數：即可見光各個波長的發光效率函數，此函數是由人眼比較可見光區內各波長單位輻射亮度之明暗度所定出之函數；即人眼對光亮之靈敏度函數。„配色函數中的函數恰巧相似於眼睛分光感應分佈曲線，意即在各段波長中顯示出眼睛有多少效率能轉變能量成為明度感覺。y∫3807806.由於視角大於4°以上時，視界較大，眼睛含蓋的桿狀體細胞較多，因此分光敏感度在短波長時較大；所以CIE在1964年增定了10°視角的配色函數。如此才能標出正確的色感覺。CIE三刺激值XYZ的運算若以CIE標準照明體照射在色物體上，並由CIE標準觀測者的配色函數測色，則此物體的顏色可由下列數學式獲得。X=KPλRλλΔλx∫380780Y=KPλRλλΔλy∫380780Z=KPλRλλΔλz《液晶之家》——Δλ為測定值的波長間隔，一般為20nmK為校正因素；其目的是使X,Y,Z三值不受Δλ大小影響，而應由Pλ及Rλ來決定。並且指定理相無螢光的標準白對所有波長的反射率均為100%，即標準白的Y值為100，因此K=λλλλ∆yRP100∫380780。„量測發光體時，計算公式同上，但是反射率的部份不去考慮。„量測透明物體時，計算公式同上，只是反射率的部份被穿透率所取代。CIE的色度座標及色度圖„由之前之敘述可知，物體的顏色可由CIE三刺激值X,Y,Z值來表示，但是只知道三刺激值要斷定何種顏色卻很困難；因此將X,Y,Z三值轉換成色度座標（chromaticitycoordinates），分別為x,y及z值；其公式如下：須注意其文字之大小寫x=ZYXX++y=ZYXY++z==1–x–yZYXZ++由於x+y+z=1因此只要得知三值中的二個值就可以表示顏色，一般我們使用x,y值來表示；以x為橫軸，y為縱軸，即可在繪圖紙上建立一色度座標圖來表示顏色，先將光譜上各單色光的X,Y,Z值算出，再計算x,y值，然後點在繪圖紙上的色度座標上，再把這些點依序連起來就可以得到一色度曲線，再將兩端以直線相連即成為CIE的x,y色度圖，此一直線亦稱為紫色線（該線位於最大飽和紅紫色、紫紅、藍紅色區而得名）。„CIE標準照明體的色度座標CIE1931色度座標CIE1964色度座標CIE標準照明體xyxyABCD55D650.44760.34840.31010.33240.31270.40740.35160.31620.34750.32900.45120.34980.31040.33410.31380.40590.35270.31910.34870.3310《液晶之家》——„色度圖的重要特性1.可以來說明色相(主波長)及飽和度(純度)。例如一色樣在Ｃ光源的照射下求得一xy值，將其標於色度圖上，將色度圖上標準光源C的點與色樣的點連接，將此直線延伸至光譜軌跡交點上，即為此色樣之主波長。相對於標準光源的純度為a/(a+b)2.如果在色度圖上描繪出兩個點，將此兩點連接，則此兩色的混合色都會落在此一直線上。CIE系統的轉換由於CIE的xy表色系統對顏色的表示無法同步視覺，但