光和色彩:基本概念之色度测定-知识-云知光

编辑手记:光的测量，尤其是光谱的测量，在LED时代变得特别重要。不管是厂家研发人员、还是技术和销售人员，或是设计师、业主，测量和了解灯具的光谱构成，已经是一件必须做的事情。这一系列文章，我们就来说说光和颜色那些事儿。了解上一期内容，请输入“照明护照”或 “zmhz”查阅相关文章。

2.4 色度测定

颜色是由亮度和色度共同表示的，而色度则是不包括亮度在内的颜色的性质，它反映的是颜色的色调和饱和度。

2.4.1 色彩

色彩是光的一种特性，决定光的光谱成份和人眼的交互作用。因此，色彩是一种与心理紧密联系的物理现象，对于色彩的感知是主观的。

2.4.2 色彩感知

眼睛工作的时候象一架照相机，晶状体在视网膜上形成景物的图象。

在视网膜上有两种感光细胞，分别为视杆和视锥细胞。视锥细胞可分为三类，每类细胞感知特定的光谱段，其中最敏感的是红、绿、蓝波段。这三类细胞的相互作用形成的刺激，被大脑解释为色彩。这种被普遍接受的视觉色彩理论称作三原色理论。

图:人眼结构。

2.4.3 色彩的混合

伊萨克 • 牛顿通过棱镜将白光折射为光谱色彩带，首次证实并解释了白光的组成。如果彩色光线增加了，意味着不同的光谱成分也增加了。这种增加的色彩在大脑中的影响可以是可视光谱中的任何色彩，例如，黄色;也可以是非光谱色(光谱色的混合物)，例如，紫色。彩色光线的增加引起色彩的增加，这称为加色法。人们发现，眼睛对色彩的感觉，是三种视锥细胞共同作用的产物。

左图:加色法;右图:减色法。

左图显示了混合红、绿、蓝三种色彩后的视觉效果。红、绿、蓝称为三原色，青、品红、黄称为三间色(三补色)。一般物体的色彩取决颜料。颜料通过减去入射光的部分光谱来呈现出另一种色彩，剩余的光线反射后进入眼睛，人就感觉到了物体的色彩。

混合颜料来制造色从的方法可以概括为减色法(见右图)，每种颜料都在入射光谱内吸收特定的光谱成份，反射剩余的光谱。下面是一些例子(入射光线为白光):

2.4.4 光源色彩的描述

过去，人们发明了很多方法来度量色彩，以使得色彩的交流变得简单和准确。这些方法尝试着将色彩数字化，就如同表述长度和重量一样。

光源色彩的描述和测量可以分为三种主要的色度测定方法，分别是三刺激值色度测定、色温以及光谱辐射测定。

2.4.4.1三刺激值色度测定

三刺激值色度测定是基于人眼对色彩感应的三原色理论。这种理论认为人的眼睛只对三原色(红、绿、蓝)敏感，而其他所见到的色彩均为三原色混合而成。这方面，最重要的标准1931 CIE系统，它定义了符合配色函数x(λ), y(λ), 和 z(λ) 的标准观察者(见图2.4.4.1)。 XYZ三刺激值是利用这三个标准观察者配色函数计算得来的。 XYZ三刺激值和相关联的Yxy色空间构成了当前的CIE色空间的基础。

图:配色函数

2.4.4.1.1 CIE 1931 Yxy色度图

XYZ三刺激值对定义一种颜色是非常有用的，但结果却不是很容易理解。因此，1931年，CIE在两维方向上定义了一个独立于亮度的色空间，这就是Yxy色空间。Yxy色空间中，Y表示亮度，x和y是从三刺激值XYZ中计算出的色度值。计算公式如下:

1931系统的缺点是图表上相等的距离，不表示相同的色彩感知差别，因为人眼的感知是非线性的。

2.4.4.1.2 CIE 1976 UCS色度图

均匀色度等级(Uniform Chromaticity Scale)的出现弥补了1931系统的缺点。它尝试提供一种在大致相同的亮度下，人的感知更统一、更均匀的色空间。 1976 CIE UCS色度图使用u’和v’，这两个符号的使用，是为了与相类似但存在时间短暂的1960 CIE-USC系统的u、v符号相区别。 u’和v’的值也是从XYZ三刺激值计算得到的，计算公式如下:

2.4.4.1.3 亥姆霍兹坐标

在CIE系统中，另一种可选的坐标系统是特征波长和纯度(也称为亥姆霍兹坐标)，它们与色调和饱和度密切相关。色彩的特征波长(DW)也是光谱的波长，它的色度值落在样品点(S)和白点(N)的连线上(测量光源时，白点是x=0.333，y=0.333)。纯度，也称为激发初度，计算公式为白点(N)和样品点(S)距离除以白点(N)和光谱点(DW)之间的距离。

纯度=(N-S)/(N-DW)

上述方法只适用于出现在光谱中的色彩，对于非光谱色彩，即由光谱色混合而成的色彩，且落在N、R和B组成的三角形内的色彩，要适用到补充主波长(CDW)，这是因为被设想为特征波长的截点P没有相对应的波长，为了确定补充主波长(CDW)，要反向延长N到P的连线
。非光谱色彩的纯度计算公式为:

纯度=(N-S’)/(N-P)

特征波长和纯度通常用于LED的色彩规格中。

2.4.4.2 色温

图:CIE xy色度图上的普朗克轨迹。

色温的概念是起源于物体被加热至不同温度时，它会表现出相对应的不同颜色，这样，颜色和温度之间就有了一种联系。当温度升高时，物体的辐射会改变，导致了颜色的变化。某类特殊的遇热发光物体，当被加热时，它会以100%的效率辐射的效率辐射，

科学家将这类理想的完全辐射称作黑体辐射，这种辐射体称为黑体。理想黑体辐射的颜色根据特定的温度而已，色相的范围可在CIE色度图上显示为一条曲线，这条线称作黑体辐射轨迹(或叫普朗克轨迹)。当温度上升时，颜色会从深红色转为橙色、黄色、白色直至最终的略带蓝色的白色。大多数的自然光源，例如太阳光、星光、和火的色彩温度特性，都非常接近普朗克轨迹。

当一个完全辐射体处在特定温度下时，某些光源的色彩与它的色彩相对应，对于某些特定的应用，引入色温的概念来对这样一类光源进行区分是非常方便的(测量单位为开尔文)，色温曲线经过1，500K至10，000K。如果被测量的光源和一个黑体相类似，测量结果就会非常精确。因此，这条轨迹在对白色分类时非常有用，在灯及显示设备制造领域的应用也很广泛。

2.4.4.2.1 相关色温

图:xy色度图，其中标有黑体轨迹、等温线以及等△uv线。

当光源的特性与完全辐射体的特性完全吻合时，色温的概念是非常适用的。

当光源发出的光接近但不吻合于黑体辐射时，色温的概念就需要被延伸出去，这时如果要来描述这样一类光源发射的光，就要用相关色温(CCT)的概念。黑体辐射的色温与这样一类光源发射光的色温是相接近的，相关色温是由光源色彩所在点的等温线计算所得的。等温线是一些直线，同一线上各点的颜色看起来是相似的，而△uv表示该颜色与黑体轨迹上同色温点的色差，最大的色差大小△uv为±0.02。

CCT对于具有窄带光谱辐射轨迹特性的光源是不适用的，因为它们与黑体辐射轨迹不接近(例如LED)。

2.4.4.3 光谱辐射测定

许多光谱能量分布曲线不同的光源，能够产生出相同的视觉效果，相同的色彩; 也就是说，光源的色彩并不能告诉人们，它的光谱能量分布是怎么样的。通常情况下，两种不同的光源，即使有相同的xy值，或者是相同的色温，它们的光谱能量分布也可能是不一样的。因此，了解光谱能量分布，能使我们更精确、更容易地了解颜色、描述颜色。 (参见图2.4.4.3 几种常见CIE光源的光谱能量分布曲线)

因此，光谱辐射测定方法是目前最精确，也是最完整的描述色彩的方法。光谱能量分布曲线可以用来作简单的目测分析，也可以和另一种光源的曲线数据作比较。然而，最好的应用是将光谱数据和CIE的配色函数曲线一起作积分，得到CIE三刺激值。然后将三刺激值通过公式转换，计算得出各种CIE色度坐标和亮度值，也就是我们通常所接触到的色空间。