1.3 颜色

1.3.1颜色的性质

发光光源的多色化显然可以使照明效果更加丰富多采以及显示的信息量大大增加，而要了解、分析和应用颜色问题，就必须了解色度学。

人眼色觉的确切机理还不是很清楚，但是已经确定色觉的确定是受人眼和大脑共同支配的。三原色理论认为，人眼的视网膜是由三种不同感色物质镶嵌而成的。每种感色物质的响应分别对应于蓝光、绿光和红光的特定波长。这三种感色物质在响应中出现大量的重叠信息，而且都通过神经与大脑沟通。色觉就是这三种感色物质的有关刺激传到大脑，经大脑分析后得到的。人们所感觉到的彩色都是由这些不同程度的刺激所合成的。就是说，任何颜色的光都是由上述三种原色合成的，如红+蓝+绿=白；红+蓝=紫；红+绿=黄；蓝+绿=青，如果用R、G、B来表示三原色，则任意颜色C便可表示为：

X、Y、Z就是某一颜色C的3个分量，采用归一化的办法消去其中一个非独立变量而引入2个新的变量。

只要确定其中的x和y，z即可由式（1-44）求得，因此颜色就可以按图1-9所示的二维图形的某一点来确定，其中x和y都是从0到1。这就是颜色三角形或色度图，又可称舌形曲线或马蹄形曲线。

1.3.2国际照明委员会色度学系统

1.3.2.11931年标准色度观察者

国际照明委员会在1931年采用了一种色度坐标，即CIE色度图，x、y、z即称三色系数。要描述某种颜色，还需知道三原色的标准。国际照明委员会所规定的三原色标准为其光谱分布曲线见图1-10。X、Y、Z又称为三色视觉值。各单色光的三色视觉值见表1-3。

某单色光λ的三色视觉值就是图1-10中该波长分别对应的X（λ）、Y（λ）、Z（λ），这也就是该单色光的3个分量，即：

由表1-3中的各值，以式（1-45）即可计算出各单色光的3个系数X、Y、Z。

例如λ=590nm的单色光，从表1-3可以查得

则

将可见光各波长的x、y值均在CIE色度图上画出来，则得到所有可见光的色坐标轨迹为一舌形曲线，如图1-9所示。自然界中任何一种可能的颜色都在舌形曲线及其下端连线之内，此范围外的点均为不存在的颜色。

1.3.2.21964年补充的标准色度观察者

1931年标准化了的2°视场角数据适用于1°～4°视场。后来，为适应大视场系统的需要，国际照明委员会又于1964年采用10°视场的配色函数。二者的数据存在相当大的差别。许多配色和视觉环境都用2°视场，而1964年推荐的10°数据则用于视场角大于4°的情况。这两个标准已作为一个与国际标准委员会（ISO）（ISO/CIE，1991b）的联合标准文件出版。

1.3.2.3 均匀色度标尺

后来在进行以x、y表示颜色“显著差别”的研究时，发现使用（x、y）图进行颜色辨别工作有严重的缺陷。最小可辨色差的大小，随其在图上的位置和产生色差的方向变化而不同，椭圆表示离开中心点的任何方向上的等色差。这说明（x、y）图是不均匀的，就是说在x、y上有相等的距离并不意味着在视觉上有相同的色差。1960年国际照明委员会推荐了一种变换，使得均匀度得到了一定程度的改善。在6500K完全辐射体轨迹附近的中心位置，最小可辨色差轨迹近乎是个圆。这个系统的坐标可由下式得到：

但后来1964年又发现在估算小色差时并未得到改善。于是，又推荐了一个1976年均匀色度标尺（UCS）图，它将标度v扩大了，其变换如下：

图1-12给出了1976年的均匀色度标度（u′，v′）图，图中各种放大10倍的最小可辨色差椭圆的长轴和短轴的比值要比图1-11上的相应比值更均匀。

1.3.2.4 颜色空间和色差方程

1964年国际照明委员会决定把1960年的均匀色度系统扩大到颜色空间，但简单地作为亮度系数又不够满意，所以又定义了另一个明度函数W*：

通常用un，vn表示发光体的色坐标。另两个变量由下式决定：

两个样品的色差由下式得出：

实际上，一个单位的ΔE约等于在最佳实验条件下能觉察的最小颜色差异的5倍。后研究发现，计算和实际的主观判断不是符合得很好，所以进一步修正。

1976年国际照明委员会推荐修订的色空间，定义了明度L*的修正函数：

式中Y/Yn＞0.008856，Yn是非彩色（白）刺激的亮度系数，另两个变量是

式中u′和v′由式（1-49）得出，u′n和v′n是白点或发光体的色坐标。这就是CIELUV色空间。

国际照明委员会在1976年还推荐了另一个色空间CIELAB，L*确定同上，并确定下述量：

式中，X/Xn，Y/Yn和Z/Zn都大于0.008856，X，Y，Z和Xn，Yn，Zn分别是样品和白点的三刺激值。纺织和染料工业等涉及混色工作的人员偏爱使用此色差方程。

两样品的颜色差异由下式算出：

或

如按术语叙述，则两样品之间的色差由色调差ΔH*、明度差ΔL*和彩度差ΔC*组成。由此色差公式也可写成：

量C*由国际照明委员会在1976年规定为：

和

ΔC*、ΔL*和ΔE*都可以从测量所得的颜色参量中得到。因此，也有可能从式（1-61）中算出ΔH*的值。

1.3.3色度学及其测量

CIE 1931—XYZ色度系统是色度学基础。颜色感觉是光辐射作用于人眼的结果。因此颜色不仅取决于光刺激，也取决于人眼的视觉特性。任何一种颜色均可以用CIE1931色度图中它的色度坐标X，Y和刺激值Y来表示，色度图见图1-9。

如果已知光源的光谱功率（能量）分布P（λ），则可按下式计算它的色度坐标及其他参数：

由于实际上很难用数学表达式来写出P（λ），因此常用求和来近似积分。这里的Y是光源的亮度。K称为调整系数，它是将光源的Y值调整为100时得出，即：

因为P（λ）的绝对单位是已知的，且Y（λ）= V（λ），所以光源的光通量可以根据式（1-19）算出。式中Km是辐射的最大发光效率，等于683lm/W。

光谱发射功率最大的波长称峰值发射波长λp。而光谱辐射功率等于最大值一半的波长间隔称为光谱带宽。

另一种用色度图确定颜色的方法是应用主波长和纯度的概念。它给出了色调和饱和度主观属性的大致关系。实际存在的最饱和色是那些光谱波长色，当颜色移向色度图的中心时，就变得欠饱和了。色调就是表示颜色相互区分的属性。可见光谱中不同波长的光辐射在视觉上表现为不同的色调，如红、绿、蓝和黄等。光源的色调取决于人眼对其辐射的光谱构成产生的感觉，物体的色调则取决于人眼对光源光谱组成和物体表面反射（或透射）的各波长辐射的比例所产生的感觉。饱和度就是指颜色的纯度。可见光谱中各单色光的饱和度最高，当单色光中掺入的白光越多时，则饱和度越低。在图1-19上给出色坐标点为F的光源在色度图上的位置。从白点W向F作一直线，与单色光轨迹线交于G，距离WF占总长WG的百分数即为F的饱和度。

图中F点的饱和度为75%，则G点饱和度为100%。并定义G处的波长为光源F的主波长λD，如图1-9所示，F点的主波长为600nm。如果F与W连线的交点落在直线PQ上时，则其主波长数值以其补偿波长来代表，而在其补偿波长下附以注脚“C”来表示。例如对光源H，从W向 H作直线的交点在 PQ上，将此线延长并与轨迹线相交于 I，H的主波长即为502nm，而H点的饱和度仍以502nm的I点为准，与F点饱和度求法相同。

色度图中的W（1/3，1/3）点代表白色光，称白点。由于互补色的定义是它们之和组成白光，故通过W点而与舌形轨迹线相交的λ1和λ2两点所代表的颜色便是互补色。

1.3.3.1 色温和相关色温

光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度Tc为光源的色温，用绝对温度K表示。当光源新发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体温度就称为该光源的相关色温。图1-2给出了在不同温度下的完全辐射体（或黑体）的光谱功率分布曲线，将由这些曲线计算出的色坐标画在色度图上，就构成了一条称为完全辐射体色度轨迹的光滑曲线（图1-9）。对照两图，如果光源的色度位于完全辐射体的色度轨迹上，即使它们之间的光谱功率分布有所不同，我们也说它和该特定的完全辐射体有相同的色温。如果不落在完全辐射体的色度轨迹上，也可以用相关色温来描述，也就是说，当一个完全辐射体被人感知的颜色和光源的颜色最相近时，该完全辐射体的温度称为该光源的相关色温。确定某光源相关色温的方法如下：找出具有光源色度的等温线和完全辐射体色度轨迹交点的色温。在等温线上所有的色度都具有相同的相关色温，在（u，v）或色度图上，等温线和完全辐射体色度轨迹通常是垂直的，如图1-13所示。

1.3.3.2 显色指数

表明光源发射的光对被照物颜色正确反映的量称为显色指数。光源显色指数通常用一般显色指数Ra表示。Ra是光源对8个色样显色指数的算术平均值。

Ri是光源对8个色样中任一种的显色指数，该显色指数Ri，由下式计算得到：

式中Ei，为色样在被测光源与参照光源下该样品的色差。计算中所有数值除了其中涉及被测光源光谱功率分布外，包括坐标变换公式及样品分光反射率和参照灯的参量均可从有关书中查得。

显色指数是光源质量的重要参量，它决定着光源的应用范围，提高白光LED的显色指数是LED照明研发的重要任务之一。

1.3.3.3 峰值波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布

单色仪的波长分辨率和带宽应该使测试有合适的精度。辐射探测系统的光谱响应应进行校准。单色仪的光谱透过率和辐射探测系统的光谱灵敏度如果不是常数，记录的测量数据应该进行修正。探测元件如采用光电二极管阵列或CCD，则可进行瞬态测量，时间可大大缩短。这对随时间增加而因发热或其他因素致使上述光学参数变化的则必须采用瞬态测量，在需要获得上述参数因时间变化而改变时，则可进行分时瞬态测量。当然如需获得平衡后即变化停止时的参数，则可在平衡后进行瞬态测量。所以瞬态测量是更灵活并能反映实际情况的测试方法。

在需要的光谱范围内调整单色仪的波长直到辐射测量系统获得最大读数，相应的波长就是峰值波长λp。然后往λp的两边调整单色仪的波长直到峰值波长读数的一半，获得相对应的波长λ1和λ2，两者之差就是光谱辐射带宽。按照要求的波长间隔分别测量记录每个波长时的光谱功率数值，即为光谱功率分布。

1.3.3.4 色度坐标测量

有分光光度和光电积分两种方法。

分光光度法是采用分光光度计测量被测光源的CIE标准色度系统色度坐标。用1.3.3.3节所述方法测得光谱功率分布P（λ）。按式（1-64）到式（1-67）可计算出X、Y、Z，再根据式（1-43）和式（1-44）可计算出色度坐标x、y。

光电积分法又称三刺激值法。本质上讲，是采用3个分别具有三种原色的相对光谱灵敏度函数的检出器，即x（λ），y（λ），z（λ），在实际工作中采用硅光电池，配以多层有色玻璃滤色片，可以很好地相符。光电池产生的光电流Ix、Iy和Iz正比于三刺激值X、Y、Z。用电流/电压转换器转成电压再积分放大，色度值x和y可以在数字电压表上显示出来。

1.3.3.5 主波长测量

先按1.3.3.4节的方法测得光源的色度坐标。在CIE 1931色度图上作白点W与被测光源色度坐标点的连线，并延长交光谱轨迹线于坐标点（xd，yd），相应的波长即为λd。

1.3.3.6 色温和相关色温测量

先按1.3.3.5节的方法测得光源的色度坐标，CIE 1960 UCS均匀色度图色度坐标（u，v）。查色温表得到坐标（u，v）两边等色温线有关数据。如果被测光源的色度坐标（u，v）位于黑体轨迹线上或位于相关色温线上，则相应的黑体的温度或相关色温即为被测光源的色温或相关色温。如果被测光源的色度坐标（u，v）位于两相关色温线之间，如图1-14所示，则运用内插法，在图上求出Q1和Q2，再按下式计算相关色温。

1.3.3.7 色差测量

先按1.3.3.5节的方法测得被测光源的CIE 1931色度系统色度坐标（xi，yi）和亮度Yi，转换成CIE 1964均匀颜色空间，再按色差公式（1-53）求得色差值。