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1、第七章 光源色度学 光源色与物体色不同，自发光体的光色称为光源色。人类最初的光源是日光和火，称为自然光源。在近代，由于工业生产的需要，人类发明和生产了许多新的光源，例如：白炽灯、荧光灯、钠灯以及照相制版常用的碘钨灯、镝灯等，这些称为人造光源。人造光源由于光谱能量分布表现为一定的光色，有些人工光源的光色会影响到物体颜色的外貌，甚至直接关系到工业生产的产品质量，如彩色摄影、照相分色等。我们所研究的是人工光源色的色度特征以及光源对物体色外貌影响程度的评价方法.,第一节 光源的色温一、绝对黑体 不同的光源有着不同的光谱能量分布，同时不同的光谱能量分布又决定着光源有不同的颜色。光源的颜色特性取决于发出的
2、光线中不同波长的相对能量的比例。光源的光谱分布既是它本身光色的的决定因素，又是影响物体呈色的重要因素之一。为了能够对光源的光色做出一个定量的描述，在此引入一个光源色温的概念。人们把光源的光与黑体的光相比较来表达光源的光色。,黑体是对入射的辐射光能全部吸收的物体，也是物体中发光本领最强的物体，在辐射作用下既不反射也不透射，而是能把落在它上面的辐射全部吸收，又称作完全辐射体。物体对辐射的吸收能力与发射能力是成正比的。吸收本领大的物体，发射本领也较大，吸收能力小的物体，发射本领也相对小一些。黑体的吸收能力在所有物体中是最大的。,一个黑体被加热时，其单位面积表面辐射的光谱功率的大小及其分布完全由它的温
3、度来决定。当黑体被加热时，它就会向外辐射能量，随着加热温度不断提升，它的光谱功率分布急剧上升。同时黑体发出的辐射光的光色也随着温度的升高而发生变化，温度从低到高，光色按红、黄、白、蓝的顺序变化。这说明黑体的相对光谱功率分布的最大功率部位将由长波向短波方向变化。人们就用黑体加热到不同温度时所发出的不同色光来表达一个光源的颜色，称为该光源的颜色温度，简称色温。,在自然界中，完全理想的黑体是不存在的。可以利用耐火材料人工制造黑体。在一个封闭的容腔中开一个小孔，从小孔射入空腔中的光经内部多次反射和吸收后很难再射出来。均匀加热容器壁，并让辐射能量通过壁上的小孔向外发射，这个小孔的辐射就相当于一个黑体的完
4、全辐射。如图：,200,400,600,800,1000,可见光区,相对能量,6000K,5000K,4000K,3000K,黑体的光谱辐射情况完全信赖于本身的温度。黑体在不同温度下相对光谱功率分布曲线如下图。,二、光源的色温 黑体在任何温度下都能够吸收全部的可见光，它的辐射能量很大并且非常稳定。当黑体吸收能量时它的温度会不断升高，并且它辐射光的颜色也随着温度的变化而变化。所以，在表达不同光源的光色时，可以将黑体作为一个稳定的参照标准。一定的光谱能量分布表现出一个固定的光色，而黑体辐射的光谱功率分布由温度决定。将光源的相对光谱功率分布与某一温度下黑体辐射的相对光谱功率分布相比较，如果某一光源与
5、黑体在某一温度时的相对光谱功率分布相吻合，这一光源的光色就可用此时黑体的温度来表示，称为光源的颜色温度，简称色温。色温用绝对温度表示，单位是K。,有了色温的概念，对于表达光源的光色提供了一个有效的方法。但是仅靠色温并不能完全准确地表达所有光源的光色。一般来说，当光源的加热情况与黑体的加热情况相似时，光源的光色变化是基本符合黑体轨迹的。比如白炽灯这一热辐射式的光源，当灯的钨丝通过电流加热时，近似黑体的加热情况，所以色温对白炽灯光源的表达恰如其分。但是有很多光源，其色度不一定能与黑体加热时的色度完全相同，因此只能用与之最接近的黑体的温度的色温来确定光源的色温。通过这种方法确定的色温称之为相关色温。
6、,色温表达的不是光源的温度，而是表征了光源的的光谱特性，而光源的光谱分布又决定了光源的光色，所以色温表达的是光源的光色。色温高的光源，蓝光的成分多，红光的成分少，色温越高，光源的光色越偏蓝，相反色温低的光源，红光的成分多，蓝光的成分少，色温越低，光源的光色越偏红。有了色温的概念，就可以用一个确定的量值来表达光源的光色，使用起来极为方便。色温是反映光源属性的重要指标。,了解光源的色温，对印刷复制过程中选择光源有着重要意义。要想得到准确的复制效果，在分色过程中用的光源的色温应与分色胶片的感色性能相匹配，色温过高或过低都会影响分色效果。一般情况下，分色用光源的色温在5000-6500K之间较为合适。
7、另外，在印刷工艺中用作观察照明的光源的，色温以5000K或6500K为好，否则，所呈现出的色彩将会出现较大的偏差。,第二节 标准照明体和标准光源 人们认知物体要依靠光源，日常生活和工作也都是在日光或各种人造光源下进行的。同一物体在不同的光源下呈现的颜色是不相同的，即便是同一光源下，所观察到的物体的颜色效果也不一定是相同的。比如太阳这一固定光源，由于它具有不同的色相，所以观察到物体的颜色也不相同。因此，测量物体表面的颜色，必须在一定的并且光谱性能稳定的光源下进行。为了统一颜色测量的标准，国际照明委员会规定了色度学的标准照明体A、B、C、D和标准源A、B、C。,一、标准照明体 为了统一颜色测量的标
8、准，CIE推荐四种标准照明体A、B、C、D。标准照明体是指特定的光谱功率分布。这一光谱功率分布不是必须由一个光源直接提供，也不一定能用光源来实现。CIE标准照明体A、B、C由标准光源A、B、C来实现，则两者的相对光谱功率分布应接近一致。标准照明体D,目前还不能由真实的光源准确地实现,国际上正在研究具有标准照明体D相对光谱功率分布的标准光源。,标准照明体A，代表“1968年国际用温标”。绝对温度大约为2856K完全辐射体的光。它的色品坐标落在CIE1931色品图的黑体轨迹上。标准照明体B，代表相关色温大约为4874K的直接阳光，其色度点靠近黑体轨迹。标准照明体C，代表相关色温大约为6774K的平
9、均日光，它的色度点在黑体轨迹的下方。标准照明体D65，代表相关色温为6504K的日光，它的色度点在黑体轨迹上方。标准照明体D，代表标准照明体D65以外的日光。,二、标准光源 标准光源是指被指定的能发光的物理辐射体，如白炽灯、太阳、火等。通过分析标准照明体A、B、C的相对光谱功率分布曲线可知，B和C两条曲线不能正确地代表相应的日光，而用标准照明体A或D代表日光。在色度学应用中，A和D是推荐作为广泛应用的标准照明体。,CIE规定用下列人工光源来实现标准照明体。标准光源A，色温2856K的充气钨丝灯，光色偏黄。标准光源B，由A光源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，相当于
10、中午的日光。标准光源C，由A光源加另一组特定的戴维斯-吉伯逊液体滤光器,以产生相关色温6774K的辐射，相当于有云的日光。,三、标准照明体与标准光源 CIE对标准照明体和标准光源加以区分，照明体是指特定的光谱功率分布，而光源则指具体的发光物体。CIE标准照明体A、B、C是由标准光源A、B、C来实现的，标准光源用具有一定光谱功率分布的灯或加滤光片的灯来产生。当某一标准照明体能用相应的标准光源实现，则两者的相对光谱功率分布应接近一致。CIE规定的标准照明体D也叫典型日光或重组日光。典型日光与实测日光有非常接近的相对光谱功率分布，并且典型日光比标准照明体B和C更符合实际日光的色度点，所以CIE推荐用
11、D50（5004K）、D55（5503K）、D65（6504K）、D75（7504K）的相对光谱功率分布作为代表日光的标准照明体。CIE建议尽可能用D65来代表日光。,模拟某一种标准照明体的人工光源，最根本的问题就是复制出这种照明体的相对光谱功率分布，要把这一效果做到完全相同是非常困难的。对于标准照明体D，目前还不能由真实的光源准确地实现。国际上也正在研究具有标准照明体D相对光谱功率分布的标准光源。现在模拟D65的人工光源主要有三种。第一种是带滤光器的高压氙灯，它是目前最好的能模拟D65的人工光源。第二种是带滤光器的白炽灯，但是它在紫外区的模拟不十分理想。第三种是荧光灯，它的相对光谱功率分布与
12、D65还是存在较大区别。还有一种是带滤光的白炽灯和荧光灯的混合光源，是用来模拟D75的人工光源，它与D75的相对功率分布较为接近。,第三节 光源颜色与视觉的关系一、光源的颜色 日常生活用照明光源，不仅要求有良好的发光效率，而且还应有比较好的颜色。如果一个光源的颜色与标准光源的颜色有较大的差别，人眼就会觉得不舒服。另外，如果光源的颜色照在物体上使物体颜色严重失真，那么这一光源同样不能反映事物的本来面目。在印刷的照相制版中，光源的颜色更是决定印刷复制质量的一个重要因素。光源的颜色有二个方面的含义；一是人眼直接看到的光源的颜色，称为光源的表色，比如白炽灯的颜色就是黄红色的;二是指光源照射到物体上物体
13、所产生的客观的颜色效果，这称为光源的显色性。色表和显色性是评价光源质量的重要指标。,二、光源的显色性 光源显色性是表征在光源下物体的颜色对人所产生的视觉效果。要想得到显色性好的光源，关键是光源的光谱功率分布要与标准光源相接近。而光源的光谱分布又决定了光源的色温。光源的色温低，光源发出的光中长波部分所占的比例就大，光源偏红色；光源色温高，短波部分所点的比例大，光源偏蓝色。现代的一些新型光源，如荧光灯、钠灯、汞灯等，其色光与白炽灯或日光灯相似，但是其光谱功率分布却与日光或白炽灯有着极大的差别，因此，人们在这些光源下看到的物体的颜色与在日光下或白炽灯下看到的物体的颜色是不相同的。,为了统一标准，CI
14、E规定，将普朗克辐射体作为低色温光源的参照标准，标准照明体D作为高色温光源的参照标准，分别用来衡量其他光源照明下的颜色效果。所以光源的显色性是指与参照标准照明体相比较，某一光源对物体颜色外貌所产生的效果。所以白炽灯和日光是显色性最好的光源，而其他与这两种光源的光谱分布有较大差别的光源则显色性较差。对于显色性差的光源，不论它的发光效率有多高，都不适于印刷、印染、文体、摄影、电影、电视等需要识别颜色的行业或场所，而只能用于一般要求不高的照明。,三、光源的显色指数及定量评价 光源显色性直接影响物体颜色外貌。所以它有着重大意义。为了对光源的显色性做出一个准确的评价，通常用显色指数来表征显色性的优劣，用
15、显色指数对显色性给予定量评价。显色指数是待测光源下物体呈现的颜色与参照光源下物体所呈现颜色相符合程度的度量。1964年，CIE制定了一种光源显色性评价方法，经1974年修订正式向世界各国推荐采用。1984年，我国在制定光源显色性评价方法的国家标准时，即采用了CIE推荐的光源显色性评价方法，又考虑到我国人的肤色特征，在计算光源显色性时增加了我国女性面部肤色。使我国的光源显色性评价方法既具有国际通用性，又符合中国人的视觉心理。,光源的显色指数可以规定为三个范围，显色指数大于75的光源为优质显色光源，越接近100，显色性越好；显色指数在50-75之间的光源，显色性一般；显色指数小于50的光源，显色性
16、较差。光源显色指数较低，物体在这一光源下会发生变色或失真，显色指数越低，变色或失真情况越严重。目前，印刷行业所用的光源的显色指数一般不应低于90，彩色摄影、彩色影视等与颜色有关的工业部门也要求用显色指数大于85的高显色性的光源。,常用光源的一般显色指数,虽然光源的显色性和光源的色温都是由光谱功率分布所决定的，但是它们之间并没有必然的联系。光源色温的高低与显色指数的高低无关。由上表可知：白炽灯的色温较低，但是它的显色指数却很高，而荧光灯的色温很高，但是它的显色指数却一般。光源的色温及显色性都是评价光源优劣的重要指标，而光源的显色性具有重要的意义。光源的显色性是由光源的能量分布所决定的。具有连续光
17、谱的光源，如日光，或与之相似的连续光谱均有较好的显色性。如果光源的能量分布很不连续，则光源的颜色肯定偏向某种颜色，光源的显色性必然低，颜色失真度必然大。色温的高低和光源的显色性没有必然的联系，色温的高低并不决定显色指数的高低。对于从事颜色工作的人来说，光源的色温和显色性都很重要，但显色性的重要性要更大一些。,定量评价任一光源显色性的方法首先：要选定标准参照光源r0并规定参照光源的显色指数为100.参考光源不用具体的光源，而用参考照明体。因此，参考光源的光谱能量分布是可以用数学公式加以计算的。确定参照光源时可由待测光源的相关色温来进行。接着：制定15种标准“测试色”样品。其中前8块色样几乎包括了所有的孟塞尔颜色空间的色相，有相同的明度指数；后6块色相选取一些具有特点的物体色。测试色样如下表：,下一步：分别计算在参照光源和待测光源下，“测试色”样品的色度值及色差。最后以色差值的大小，综合得出一个衡量待测光源下物体的颜色与参照光源下物体的颜色色相同程度的量值，这一量值就称为光源的显色性指数。特殊显色指数Ri指待测光源对规定的15个测试色中任一颜色样品的显色指数。Ri=100-4.6E一般显色性指数Ra指待测光源对15个测试色中特定的8个颜色样品的特殊显色性指数的平均值。Ra=1/8（Ri）(i=1-8),
