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1、第四章 颜色的测量和计算标准照明体标准照明体n n“照明体照明体”：指特定的指特定的光谱能量分布光谱能量分布，这，这一光谱能量分布不一定由一光谱能量分布不一定由一个一个光源直接提供，光源直接提供，也也不一定能用特定光源来实现。不一定能用特定光源来实现。n n“光源光源”：指真实存在的物理辐射体。指真实存在的物理辐射体。n nCIE推荐使用过的标准照明体：标准照明体推荐使用过的标准照明体：标准照明体A、B、C和和D。一、光源一、光源标准照明体标准照明体A n n标准照明体标准照明体A是相是相当于黑体加温当于黑体加温到到2855.6K时所辐时所辐射出的光，它的色射出的光，它的色度坐标落在了度坐标落
2、在了CIE 1931色度图的普色度图的普朗克朗克轨迹上。轨迹上。n n相对光谱功率分布相对光谱功率分布曲线曲线 标准照明体标准照明体Bn n标准照明体标准照明体B代表相代表相代表相代表相关色温约为关色温约为关色温约为关色温约为4874K4874K的的的的直射阳光，它的色度直射阳光，它的色度直射阳光，它的色度直射阳光，它的色度坐标紧靠普朗坐标紧靠普朗坐标紧靠普朗坐标紧靠普朗克轨迹。克轨迹。克轨迹。克轨迹。n n相对光谱功率分布曲相对光谱功率分布曲相对光谱功率分布曲相对光谱功率分布曲线线线线 标准照明体标准照明体C n n标准照明体标准照明体C代表代表代表代表相关色温大约为相关色温大约为相关色温大
3、约为相关色温大约为6774K6774K的平均日光，的平均日光，的平均日光，的平均日光，其光色近似阴天天空其光色近似阴天天空其光色近似阴天天空其光色近似阴天天空的日光，色度坐标位的日光，色度坐标位的日光，色度坐标位的日光，色度坐标位于普朗克轨迹于普朗克轨迹于普朗克轨迹于普朗克轨迹的下方。的下方。的下方。的下方。n n相对光谱功率分布曲相对光谱功率分布曲相对光谱功率分布曲相对光谱功率分布曲线线线线 标准照明体标准照明体D n n标准照明体标准照明体D代表了各种时相日光的相对代表了各种时相日光的相对光谱功率分布，亦称为典型日光或重组日光谱功率分布，亦称为典型日光或重组日光。它是由一条位于普朗克轨迹上
4、方的一光。它是由一条位于普朗克轨迹上方的一条典型日光条典型日光色度轨迹。色度轨迹。n n标准照明体标准照明体D与实际日光具有比较相近的与实际日光具有比较相近的相对光射功率分布，并且比标准照明体相对光射功率分布，并且比标准照明体B、C更符合实际日光的色度坐标，因此更符合实际日光的色度坐标，因此CIE优优先推荐了标准照明体先推荐了标准照明体D65(相当于相关色温相当于相关色温大约为大约为6504K的日光的日光)。n n在不能应用在不能应用D65时，尽量采用标准照明体时，尽量采用标准照明体D50(相关相关色温色温5000K)、D55(相关相关色温色温5500K)和和D75(相关色温相关色温:7500
5、K)n nD50、D55和和D75的相对光谱功率分布曲线的相对光谱功率分布曲线 二、二、物体的光学性质物体的光学性质物体受到光的照射后，能够吸收全部或部物体受到光的照射后，能够吸收全部或部分波长范围光的能量，并将吸收的光能转分波长范围光的能量，并将吸收的光能转化为热能，其余波长化为热能，其余波长的光被的光被反射或透射出反射或透射出去，作用于人眼后产生颜色的感觉。它们去，作用于人眼后产生颜色的感觉。它们所表现的颜色，就是被吸收光的补色。所表现的颜色，就是被吸收光的补色。（一）吸收（一）吸收（二）反射（二）反射镜面反射镜面反射 发生于平而光滑的表面，当光以某种角度照射在发生于平而光滑的表面，当光以
6、某种角度照射在这种平面上，则以相同角度这种平面上，则以相同角度(与样品表面法线的与样品表面法线的夹角夹角)反射出一部分光，而且与入射光的波长无反射出一部分光，而且与入射光的波长无关。镜面反射光的多少决定了物体的光泽度。关。镜面反射光的多少决定了物体的光泽度。漫反射漫反射 一般发生在不平且粗糙的表面上，入射光以很一般发生在不平且粗糙的表面上，入射光以很多不同的角度被反射出来。漫反射也可由光滑表多不同的角度被反射出来。漫反射也可由光滑表面下面的散射引起。大部分半透明体及不透明体面下面的散射引起。大部分半透明体及不透明体的平滑表面，同时具有镜面反射和来自表面下散的平滑表面，同时具有镜面反射和来自表面
7、下散射引起的漫反射。射引起的漫反射。（三）透射（三）透射透射是指入射光照射在物体上后穿过物体的现象。透射是指入射光照射在物体上后穿过物体的现象。（1）没有）没有吸收和散射，全部透过，无色透明体；吸收和散射，全部透过，无色透明体；（2）没有）没有吸收，部分光被散射，部分被透过，白色半透明体；吸收，部分光被散射，部分被透过，白色半透明体；（3）全部）全部被反（散）射，没有吸收透过，白色不透明体；被反（散）射，没有吸收透过，白色不透明体；（4）全部）全部吸收，无反（散）射，无透过，黑色不透明体；吸收，无反（散）射，无透过，黑色不透明体；（5）透过）透过、吸收和散射作用都存在，有色的半透明体；、吸收和
8、散射作用都存在，有色的半透明体；（6）部分）部分吸收，部分透过，没有散射，透明有色体；吸收，部分透过，没有散射，透明有色体；（7）部分）部分吸收，部分反（散）射，无透过，有色不透明体。吸收，部分反（散）射，无透过，有色不透明体。第二节第二节 颜色的测量和计算颜色的测量和计算1 测色的基本原理 颜色的测量是颜色科学最重要的工程应用之一，它不仅依赖于被测颜色本身的光谱光度特性，还与测量的几何条件、照明光源的光谱分布等密切关联。因此，国际照明委员会(CIE)推荐了相关的测色标准，以使各国的颜色测量参数和各测色仪器制造厂商的产品能够进行交流和对比。颜色测量的根本任务是测定色刺激函数()；对于光源的测量
9、，实际上是要测定光源的相对光谱功率分布P()；对于物体色的测量，则是测定物体的光谱光度特性，如反射物体的光谱辐亮度因数()和光谱反射比P()、透射物体的光谱透射比()等。在测得了色刺激函数()之后，就可以根据色度学的三个基本方程求出被测颜色的CIE三刺激值。颜色测量的方法分为目视测色和仪器测色两大类 其中，仪器测色又包括分光光度法和光电积分法(也称三刺激值法)两种。2 目视测色 目视测色方法通过人眼的观察，对颜色样品与标准颜色的差别进行直接的视觉比较，要求操作人员具有丰富的颜色观察经验和敏锐的判断力。即便如此，在其测色结果中仍不可避免地包含了一些人为的主观因素，而且工作效率很低。在进行目视测色
10、时，首先要确定标准的照明和观察条件，该条件要必须能在较长的时间内保持稳定。因此，通常需要采用光暗室(如标准灯箱)，并且光暗室的光谱功率分布和照度应该正好与样品需要的照明条件一致。周围场周围场(surround)指的是光暗室的内壁，其应该是无光泽和中性的，而且其特定的明度取决于被模拟的照明环境。大多数光暗室的明度L在60-70，由此获得了定向与漫射的组合照明，以便观察被测物体颜色的差异。如果待测物体不是高光泽材料，最好不要改变周围场的特征。当对高光泽材料进行评估时，光暗室的背景应该涂成黑色，或采用黑色的天鹅绒进行覆盖，这样可以消除由镜面反射导致的光暗室背景的图像。背景背景(background)
11、指的是样品放置其上的表面，一般大多指光暗室的底面。如果目视测量的目的是评估色表，那么背景应该是无光泽的，并且具有中等明度(L=50)。被测颜色样品的尺寸应该保持一致，并且样品的尺寸越大，其目视测量的精确度也越高。一般，样品至少应有13 cm2大小。如果达不到这种尺寸要求，那么在使用小一些的样品时，观察者应该在视角不小于2的距离外观察样品。如果标准色样的尺寸比样品还小，则应该采用罩子分别覆盖其上，以便得到相等的观察面积，同时罩子的明度和表面性能应该与背景相同。判断两个试样的色差时，该样品对的制备疗法应该相同，并且习惯上将试样以边界接触的方式放置。试样应平放于光暗室的底面上，以使照明与试样平面垂直
12、。观察者离光暗室开口约15-30 cm距离，并且保持观察角度(观察方向与试样法线之间的夹角)为45的高度。由于光室的照明取决于特定的光源、散射体及周围场的明度，并在基本定向反射与中等散射范围内变化，因此，在目视评估中，保持观察者与试样的距离不变是非常重要的。应该熄灭观察环境中的室内照明灯，并且在光暗室中只放置待测色样，以避免光室内零乱堆放的试样可能导致的照明光谱性能的变化。在一般情况下，对颜色进行视觉测量时，最佳的目视检测方法是：将待测样品与标准色样在标准光源照射下并排放置，同时观察两个样品，以判断颜色质量。在大多数情况下，需要对颜色的同色异谱程度进行评价，所以单一光源是不够的，应该允许使用多
13、种标准光源。3 仪器测色的色度基准 按照国际照明委员会(CIE)的规定，反射颜色样品的光谱反射率因数，是相对于完全反射漫射体(在整个可见光谱范围内的反射比均为1)来测量的。然而，现实中并不存在理想的完全漫反射体实物标准，所以必须用已知绝对光谱反射比的氧化镁、硫酸钡等工作标准自板来校准分光光度计，才能在仪器上直接测量样品的绝对光谱反射比。因此，首先必须准确测量氧化镁、硫酸钡等工作标准的绝对光谱反射比，建立准确可靠的测色工作标准，并进行科学有效的量值传递。利用漫反射性能好、反射比高的MgO(烟积或喷涂)、BaSO4等材料进行反射比测量，可以得到较高的准确度。然而，这些材料的光学稳定性差，容易污染，
14、完好保存及重复使用困难，因而无法长久地保持反射比量值的稳定性和准确性。为了多次标定以提高准确度，应在得到色度基准的绝对光谱反射比之后，随即将其量值传递到光学性能稳定、经久耐用、表面便于清洁的乳白玻璃、高铝瓷板、陶瓷白板或搪瓷白板上，作为保存反射比量值的副基准白板。（1 1）光谱）光谱）光谱）光谱光度仪的结构特点光度仪的结构特点光度仪的结构特点光度仪的结构特点(1)样品测量孔(2)漫反射积分球 (3)脉冲氙灯(4)D65滤光片(5)UV滤光装置(6)样品测量光束(7)样品测量接收器(8)参比测量光束(9)参比光束接收器(10)镜面反射阱(11)透射样品放置槽(12)电子计算机（12）电子计算机光
15、电二极管（一）仪器内测量用光源（一）仪器内测量用光源钨丝灯钨丝灯脉冲氙灯脉冲氙灯最佳的仪器内照明光源应为高强度脉冲氙灯，而且最佳的仪器内照明光源应为高强度脉冲氙灯，而且通过滤光片模拟通过滤光片模拟D65标准照明体的光谱功率分布标准照明体的光谱功率分布。（二）照明和测量条件（二）照明和测量条件1971年年CIE正式推荐了几种测色标准照明和观察条件，正式推荐了几种测色标准照明和观察条件，统一了颜色测量和评价方式、减少照明和观察条件对统一了颜色测量和评价方式、减少照明和观察条件对光谱反射函数实测结果的精确度的影响、光谱反射函数实测结果的精确度的影响、提高测量精提高测量精度。度。45/垂直（垂直（45
16、/0）n n样品被一束或多束光样品被一束或多束光样品被一束或多束光样品被一束或多束光照明，照明光束的轴照明，照明光束的轴照明，照明光束的轴照明，照明光束的轴线与样品表面的法线线与样品表面的法线线与样品表面的法线线与样品表面的法线成成成成45452 2，观察方，观察方，观察方，观察方向与样品的法线之间向与样品的法线之间向与样品的法线之间向与样品的法线之间的角度不超过的角度不超过的角度不超过的角度不超过1010，照明光束的任一光线照明光束的任一光线照明光束的任一光线照明光束的任一光线和照明光轴之间的夹和照明光轴之间的夹和照明光轴之间的夹和照明光轴之间的夹角不超过角不超过角不超过角不超过5 5，观察
17、，观察，观察，观察光束在观察中也应该光束在观察中也应该光束在观察中也应该光束在观察中也应该遵守同样的限制遵守同样的限制遵守同样的限制遵守同样的限制 。垂直垂直/45（0/45）n n照明光束的轴线与照明光束的轴线与样品表面的法线之样品表面的法线之间的角度不超过间的角度不超过10，照明光束的，照明光束的任一光线和照明光任一光线和照明光轴之间的夹角不轴之间的夹角不超超过过5，观察光束在，观察光束在在观察中也应该遵在观察中也应该遵守同样的限制守同样的限制。漫射漫射/垂直（垂直（d/0）n n用积分球照明样品，样品用积分球照明样品，样品用积分球照明样品，样品用积分球照明样品，样品的垂直线和光测轴之间的
18、的垂直线和光测轴之间的的垂直线和光测轴之间的的垂直线和光测轴之间的夹角不应超过夹角不应超过夹角不应超过夹角不应超过1010，积分，积分，积分，积分球的直径可以是任意大小，球的直径可以是任意大小，球的直径可以是任意大小，球的直径可以是任意大小，但其开孔的总面积不能超但其开孔的总面积不能超但其开孔的总面积不能超但其开孔的总面积不能超过积分球内部反射总面积过积分球内部反射总面积过积分球内部反射总面积过积分球内部反射总面积的的的的1010，观察光束的任一，观察光束的任一，观察光束的任一，观察光束的任一光线和观察轴之间的夹角光线和观察轴之间的夹角光线和观察轴之间的夹角光线和观察轴之间的夹角不应超过不应超
19、过不应超过不应超过55。垂直垂直/漫射（漫射（0/d）n n照明光束的轴线与样品表面照明光束的轴线与样品表面照明光束的轴线与样品表面照明光束的轴线与样品表面的法线之间的角度不超过的法线之间的角度不超过的法线之间的角度不超过的法线之间的角度不超过1010，反射通量由积分球来，反射通量由积分球来，反射通量由积分球来，反射通量由积分球来聚集，照明光束的任一光线聚集，照明光束的任一光线聚集，照明光束的任一光线聚集，照明光束的任一光线和照明光轴之间的夹角不超和照明光轴之间的夹角不超和照明光轴之间的夹角不超和照明光轴之间的夹角不超过过过过55，积分球，积分球，积分球，积分球的的的的直径可以直径可以直径可以
20、直径可以是是是是任意大小，但开孔的总面积任意大小，但开孔的总面积任意大小，但开孔的总面积任意大小，但开孔的总面积不能超过积分球内部反射总不能超过积分球内部反射总不能超过积分球内部反射总不能超过积分球内部反射总面积的面积的面积的面积的1010 。光泽吸收阱（三）单色器（三）单色器作用：将复色光分解成单色光，再由光电检出器作用：将复色光分解成单色光，再由光电检出器按相应的按相应的波长检出。波长检出。经经单色器分光后出来的单色光照射到光电检出器上单色器分光后出来的单色光照射到光电检出器上转变成电信号，电信号经模转变成电信号，电信号经模/数转换成为计算机可以数转换成为计算机可以处理的数据处理的数据。（
21、四）光电检出器（四）光电检出器品牌品牌产产品型号品型号爱爱色色丽丽（X-Rite）CE7000A，color i7,color i5,CE2180，CE-XTH,CE-XTS，SP60/62/64德塔德塔颜颜色（色（Datacolor）SF650，SF600,SF550，SF400，DF110，DF245亨特立（亨特立（HunterLab）UltraScan Pro，UltraScan VIS，ColorQuest XE，MiniScan XE，LabScan XE柯尼卡美能达（柯尼卡美能达（KonicaMinolta）CM-3700d，CM-3600d，CM3500d，CM2600d，CM2
22、300d，CM2500c光谱光度仪的常见品牌和型号光谱光度仪的常见品牌和型号 某一光源的光谱功率分布函数某一光源的光谱功率分布函数 光谱三刺激值与波长的关系函数光谱三刺激值与波长的关系函数在某一波长在某一波长的的三刺激值为三刺激值为有：有：（一）（一）RGB与与XYZ的计算方法的计算方法n n在可见光谱范围内进行积分，即得到该光在可见光谱范围内进行积分，即得到该光源的三刺激值源的三刺激值：主波长与色纯度计算n nCIE 1931CIE 1931标准色度系标准色度系标准色度系标准色度系统、统、统、统、CIE 1964CIE 1964补充标补充标补充标补充标准色度系统，完成了用准色度系统，完成了用
23、准色度系统，完成了用准色度系统，完成了用数字表示颜色的目的，数字表示颜色的目的，数字表示颜色的目的，数字表示颜色的目的，但很难将日常生活但很难将日常生活但很难将日常生活但很难将日常生活中见中见中见中见到到到到的颜色与数字的颜色与数字的颜色与数字的颜色与数字联系起联系起联系起联系起来。来。来。来。n nY Y3030，x x0.39270.3927，y y0.18920.1892是什么颜是什么颜是什么颜是什么颜色？色？色？色？n n结合颜色的三属性（色调、明度、饱和度）结合颜色的三属性（色调、明度、饱和度）提出了与颜色三属性有关联的一些概念：提出了与颜色三属性有关联的一些概念：n n主波长主波长
24、n n兴奋纯度兴奋纯度n n亮度纯度亮度纯度主波长主波长n n颜色的颜色的主波长主波长大致相当于视神经感觉到的大致相当于视神经感觉到的颜色颜色的色调。的色调。n n在在CIE色度图上色度图上分别标出颜色分别标出颜色样品和光源的样品和光源的色度点（即色度坐标），连接两点做一直色度点（即色度坐标），连接两点做一直线，并线，并从光源向样品色度点的方向延长从光源向样品色度点的方向延长与与光谱轨迹相交，这一交点的波长光谱轨迹相交，这一交点的波长就是该颜就是该颜色样品的主波长。色样品的主波长。如如如如图，图，图，图，MM和和和和OO分别为样品颜色分别为样品颜色分别为样品颜色分别为样品颜色（MM）和）和）和
25、）和CIECIE光光光光源源源源C C的色度点，的色度点，的色度点，的色度点，连接两色度点，连接两色度点，连接两色度点，连接两色度点，其直线的延长线其直线的延长线其直线的延长线其直线的延长线与光谱轨迹相交与光谱轨迹相交与光谱轨迹相交与光谱轨迹相交与与与与519.4nm519.4nm处，处，处，处，519.4nm519.4nm就是就是就是就是样品样品样品样品MM的主波长。的主波长。的主波长。的主波长。n n不是所有的颜色样品都有主波长不是所有的颜色样品都有主波长不是所有的颜色样品都有主波长不是所有的颜色样品都有主波长。n n在色度图上光谱两端与光源色度在色度图上光谱两端与光源色度在色度图上光谱两
26、端与光源色度在色度图上光谱两端与光源色度点形成的三角形区域（紫色区）点形成的三角形区域（紫色区）点形成的三角形区域（紫色区）点形成的三角形区域（紫色区）内的颜色，如图中的内的颜色，如图中的内的颜色，如图中的内的颜色，如图中的NN点，就没点，就没点，就没点，就没有主波长有主波长有主波长有主波长。n nNN和和和和OO点连，由点连，由点连，由点连，由OO端的延长线与端的延长线与端的延长线与端的延长线与光谱的相交点（光谱的相交点（光谱的相交点（光谱的相交点（495.7nm495.7nm）就）就）就）就是颜色（是颜色（是颜色（是颜色（NN）的补色波长）的补色波长）的补色波长）的补色波长。n n为区分主
27、波长和补色波长，在补为区分主波长和补色波长，在补为区分主波长和补色波长，在补为区分主波长和补色波长，在补色波长前加一负号，或后面加色波长前加一负号，或后面加色波长前加一负号，或后面加色波长前加一负号，或后面加“C”“C”来表示，样品来表示，样品来表示，样品来表示，样品NN的主波长可的主波长可的主波长可的主波长可写成写成写成写成“495.7nm”495.7nm”或或或或“495.7“495.7 c nm”c nm”也以写成也以写成也以写成也以写成“c c=495.7nm”495.7nm”。n nBACKBACK兴奋纯度 n n样品的颜色接近主波长光谱色的程度，称样品的颜色接近主波长光谱色的程度，
28、称为该样品颜色的为该样品颜色的纯度纯度。n n色度图上，用光源点到样品色度点的距离色度图上，用光源点到样品色度点的距离与光源点到主波长色度点（与光源点到主波长色度点（或补色波长或补色波长色色度点）的距离的比率来表示纯度（彩色，度点）的距离的比率来表示纯度（彩色，饱和度）时，称饱和度）时，称兴奋纯度兴奋纯度。n n兴奋纯度表示了同一个主波长的光谱色被兴奋纯度表示了同一个主波长的光谱色被光源冲淡后所具有光源冲淡后所具有的饱和度。的饱和度。n n兴奋纯度的引入解决了在不同光源下，将兴奋纯度的引入解决了在不同光源下，将不同颜色样品的饱和度进行比较的问题不同颜色样品的饱和度进行比较的问题。n nO：光源
29、色度点：光源色度点n nM：样品色度点：样品色度点n nL：M的主波长色的主波长色度点度点 兴奋纯度：兴奋纯度：n n例：图中，颜色（例：图中，颜色（例：图中，颜色（例：图中，颜色（MM）的色度坐标）的色度坐标）的色度坐标）的色度坐标为为为为（x=0.223x=0.223、y=0.503y=0.503），光源，光源，光源，光源OO的色度坐标为的色度坐标为的色度坐标为的色度坐标为（x x0 0=0.310=0.310、y y0 0=0.316=0.316），求颜色（，求颜色（，求颜色（，求颜色（MM）在光源）在光源）在光源）在光源OO的照射下的的照射下的的照射下的的照射下的兴奋纯度。兴奋纯度。兴
30、奋纯度。兴奋纯度。样品颜色（样品颜色（M）的主波长）的主波长519.4nm查等能光谱轨迹色度坐标表，查等能光谱轨迹色度坐标表，光谱色光谱色519.4nm的色度坐标值约的色度坐标值约为：为：y=0.834则有：则有：即样品颜色（即样品颜色（M）的兴奋纯度为）的兴奋纯度为36.1BACKBACK亮度纯度n n若样品颜色的纯度用亮度表示，就称其为若样品颜色的纯度用亮度表示，就称其为亮度纯度（亮度纯度（Pc），或称），或称色度纯度。色度纯度。n n亮度纯度亮度纯度表示主波长表示主波长的光谱色在样品颜色的光谱色在样品颜色中所占的亮度比重中所占的亮度比重。n n亮度纯度无法在色度图上表示，但可以通亮度纯度无法在色度图上表示，但可以通过过计算得出：计算得出：