第3章光源色度学ppt课件.ppt
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1、第三章,光源色度学,3-1 光源的光谱功率分布(1)光谱功率分布:一种光源所发射的光谱往往不是单一的波长,而是由许多不同波长的混合辐射所组成。光源的光谱辐射按波长顺序和各波长功率分布称为光源的光谱功率分布。(2)绝对光谱功率分布曲线和相对光谱功率分布曲线:前者指以光谱辐射的各种波长光能量绝对值所作的曲线;后者指将光源辐射光谱的各种波长的能量进行相互比较,作归一化处理后使辐射功率仅在规定的范围内变化的光谱功率分布曲线。,(3)连续光谱、线状光谱、混合光谱:由红到蓝各种色光在内的连续彩色光带称连续光谱;在整个光谱区域中某几个波长处发生狭窄的光谱称为线状光谱;在连续光谱中附上一些突出的线光谱称为混合
2、光谱。,(4)绝对黑体和全辐射体:能够完全吸收入射在其上的辐射能并产生辐射的理想物体。(5)黑体的色度轨迹黑体的光谱功率分布是温度与波长的函数,如果已知黑体的绝对温度,其光谱功率分布可有普朗克辐射定律算出。由光谱功率分布可算出各种温度黑体相应的CIE l931色度坐标,这些坐标在CIE l931色度图上形成的弧形轨迹,称为黑体的色度轨迹。,3-1 光源的色温和相关色温:,光源的色温:某光源的色度与绝对黑体在某一温度下 的色度一样,则这一黑体的温度称为该光源的 色温。相关色温:对于色坐标不能准确地落在绝 对黑体轨迹上的光 源,用黑体轨迹上色度坐标与该光源最为相近的黑 体的温度表示光源的色温,称为
3、相 关色温。色温与相关色温主要描述光源发出的光色,并不表 示光源的实际温度例如:色温高说明蓝 绿光成分多,色温低说明黄红光成分 多,,光源色温、相关色温的确定,在CIE l931色度图上,黑体轨迹上各温度点不是按等距分布的;同时由于CIE l931色度图的空间是不均匀的,即在色度图上两处相同的距离不代表视觉上等量的颜色差别,所以就很难确定一个在黑体轨迹附近的光源的相关色温,因此,凯莱利用CIE l960 UCS图,按视觉恰可分辨的最小颜色差别,把黑体轨迹划分为许多视觉分辨的单位,叫做麦勒德(mrd)。麦勒德与色温、相关色温的关系为:l 麦勒德=(l/色温)106,落在黑体轨迹上的色坐标,可根据
4、mrd的划分用内插法算出对应的色温。例如图中D65点在mrd 150155之间,对应的色温约为:T(1/153)106=6535K 在1960UCS色度图上,按mrd划分与黑体轨迹正交的直线称为等相关色温线,根据等相关色温线可以计算任意色坐标在黑体轨迹以外的光源的相关色温。Mc=M1+(M2-M1)d1/(d1+d2)或转换成1968国际温标:,TC=1.4388 TC48/1.4380,2.8.2 CIE 标准照明体A、B、C、D,为了给颜色的观察与测量建立统一的标准,CIE推荐了五种标准照明体A、B、C、D、E和三种标准光源A、B、C。1、CIE标准照明体标准照明体:指一定的光谱功率分布,
5、这种标准的光谱功率分布并不是必须由一个光源直接提供,也不一定能用一个光源来实现。标准照明体A:相当于绝对黑体在加温到2856 K时所辐射出来的光,它的相对光谱功率分布可根据普朗克辐射定律计算:标准照明体A色度点正好落在CIE l931色度图的黑体轨迹上。,1、CIE 标准照明体,标准照明体B:相当于相关色温4874 K的直射阳光,光色相当于中午阳光,其色度点紧靠黑体轨迹 由于不准确,现已废除。标准照明体C:相当于相关色温为6774 K的平均阳光,光色近似阴天天空的日光,其色度点在黑体轨迹上方。标准照明体D65:相当于色温约为6504K的日光,其色度点在黑体轨迹的上方。标准照明体D:代表标准照明
6、体D65以外的其他日光。标准照明体E:(人为规定)可见光区内光谱辐射功率恒定的光-称等能光谱、或等能白光。(其光谱光度分布于视见函数相符)现在最常用的标准照明体是A和D 查表可得常用标准照明体的光谱功率分布,B:T cp=4874 K;C:T cp=6774 K,CIE 标准照明体的光谱功率分布曲线,2、CIE 标准光源,标准光源:指用来实现标准照明体光谱功率分布的光 源,CIE规定用下述人工光源来实现标准照明体。标准光源A:熔凝石英壳或玻璃壳带石英窗口的充气钨 丝灯,以产生色温为2856 K的辐射。标准光源B:在A光源前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的辐射。
7、标准光源C:A光源另加一组戴维斯-吉伯逊液体滤光 器,以产生相关色温6774 K的辐射。戴维斯-吉伯逊滤色液系用硫酸钠、甘露醇吡啶、蒸 馏水,或硫酸钻铵、硫酸钠、硫酸、蒸馏水等不同 的分量配合而成。,3、标准照明体D(重组日光)的确定和模拟,(1)典型日光色度轨迹 为了统一时相与空相引起的日光变化,CIE规定的标准照明体D也叫做典型日光或重组日光它是由在CIE l931色度图上的一条位于普朗克(黑体)轨迹上方的典型日光色度轨迹来代表的。这条轨迹是根据CIE l931色度图上许多实测的日光色度点的分布定出的,它包括400040000 K典型日光的色度点。典型日光轨迹也就是标准照明体D的轨迹。典型
8、日光色度轨迹是根据实验材料定出的。,典型日光色度的色度坐标,CIE规定典型日光(D)的色度坐标满足以下关系:yD=-3.000 xD2+2.870 xD 0.275式中xD的有效范围为0.25000.380。在相关色温T已知情况下,可通过下式计算典型日光色度坐标xD:,(4000 KTC7000 K),(7000 KTC25000 K),(2)典型日光相对光谱功率分布的计算,贾德、麦克亚当和威泽斯基对上述康狄特等人测量的622例光谱分析进行了统计学的特征矢量分析,得出一组公式,用以计算一定相关色温的典型日光的相对光谱功率分布。也就是说,用数理统计手段重新组合出该相关色温的典型日光光谱功率分布。
9、这就是“重组日光”的含意。分析结论:日光光谱分布由平均曲线So+偏离平均曲线的特征矢量S1和S2,日光光谱分布的平均曲线So及第1、第2特征矢量曲线 S1、S2,典型日光的相对功率分布的公式:,S()=So()+M1 S1()+M2 S2()式中S()为某一相关色温典型日光波长 的相对光谱功率。在已知典型日光的色度坐标情况下,M1和M2可用下式求得:,(3)标准照明体D的模拟,目前,CIE还没有正式推荐人工光源来实现标准照明体D,这主要是因为日光具有独特的锯齿形光谱功率分布,而人工光源不具有这种光谱功率分布。在色度学的实际应用中,不一定要求对日光光谱功率分布做出完善的模拟。人工光源与标准照明体
10、光谱功率分布具有一定程度的偏离应该是允许的。为了评价模拟日光的光谱功率分布与标准照明体D55、D65、D75其中之一的符合程度,CIE 推荐了用于色度学目的的评价方法。,第四章 颜色评价,4.1 显色性评价4.1.1 光源显色性 我们认为在白炽灯和日光光源下看到的颜色是物体的“真实”颜色。人们在光源下所看到的物体颜色与在白炽灯和日光下所看到的颜色是不同的。例如,在日光下观察一块花布,再把它拿到高压汞灯下观察,就会发现,某些颜色已变了色,如粉色变成了紫色,蓝色变成了蓝紫色。因此,我们说,在高压汞灯下,物体失去了“真实”颜色,或颜色有所失真。,4.1.1 光源显色性,按CIE的规定,我们把普朗克辐
11、射体作为低色温光源的参照标准,把标准照明体D作为高色温光源的参照标准,用以衡量在其它各种光源照明下的颜色效果。光源的显色性:指与参照标准下相比较,一个光源对物体颜色外貌所产生的效果。光源的光谱功率分布决定了光源的显色性。日光、白炽灯都是连续光谱,具有与白炽灯和日光相似的连续光谱的光源均有较好的显色性。,三基色荧光灯,研究发现,用光谱430 nm(蓝),540 nm(绿),610 nm(红)的辐射以适当的比例混合所产生的白光,与连续光谱的日光或白炽灯具有同样优良的显色性。三基色荧光灯就是根据上述原理研制的光源,它不仅显色性好,而且光效高,是一种新型节能灯。实验发现:在不连续光谱的光源中,含有50
12、0 nm 和580 nm波长附近的光谱对颜色显现有不利影响,一些颜色会失真,称为干扰波长。另外,在消除450 nm,540 nm,616 nm波长功率时,显色性明显下降。,三基色荧光灯光谱功率分布,4.1.2 CIE 光源显色指数计算方法,CIE规定14块测验用的标准颜色样品,CIE规定用普朗克辐射体或标准照明体D作为参照光源,并将其显色指数定为100;CIE规定以这些样品在参照光源下和另一色温为3000 K 标准荧光灯下的颜色色差E为尺度,约定标准荧光灯的显色指数为50。CIE根据在参照光源下和待测光源下颜色样品的色差,导出计算光源显色指数的公式。光源对某一颜色样品的显色指数称为特殊显色指数
13、Ri,光源对特定8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra。,1、参照照明体,待测光源的相关色温低于5000 K 时,参照照明体应是普朗克辐射体的光谱功率分布,高于5000 K时应是不同时相日光的光谱功率分布(标准照明体D)。待测光源(色度坐标 uk,vk)与参照照明体(色度坐标 ur,vr)之间的色度差为C=(uk-ur)2+(vk-vr)2 1/2 所选用的参照照明体应与待测光源的色度相同或接近相同,它们的色度差C应小于 5.410-3。,2、颜色样品,计算光源显色指数用的14块孟塞尔颜色样品,2、颜色样品,计算光源显色指数用的14块孟塞尔颜色样品,1号:淡灰红色,2号:暗灰黄色,3号
14、:饱和黄绿色,4号:中等黄绿色,5号:淡蓝绿色,6号:淡蓝色,7号:淡紫蓝色,8号:淡红紫色,9号:饱和红色,10号:饱和黄色,11号:饱和绿色,12号:饱和蓝色,13号:人的肤色,14号:树叶,3、待测光源及颜色样品色度坐标的计算,通过对待测光源的光谱辐射测量,计算待测光源的 xk、yk 和 uk、vk 色度坐标。然后算出在待测光源下14 块样品的 xk,I、yk,I 和 uk,I、vk,I 色度坐标。对色度坐标应给出小数点后四位数。4、适应性色位移的考虑 由于待测光源 k 和所选用的参照照明体 r 的色度不完全相同,而使视觉在不同照明下受到颜色适应的影响。为了处理两种照明下的色适应,必须将
15、待测光源的色度坐标 uk,vk调整为参照照明体的色度坐标 ur、vr,即 uk=ur,vk=vr,这时各颜色样品i的色度坐标 uk,i,vk,i也要作相应的调整,成为 uk,i、vk,i。这种色度坐标的调整叫做适应性色位移。,适应性色位移,用以下系数关系式进行转换:,式中各c、d由下式计算:c=(4 u 10v)/v,d=(1.708 v+0.404 1.481u)/v上两式中下标“r”代表参照照明体;“k”代表待测光源;“k,i”代表待测光源照明下第i种标准样品。在计算显色指数时,就用调整后的色度坐标计算。,5、颜色样品的总色位移,CIE规定用CIE l964色差公式计算在待测光源k 和参照
16、照明体r 照明下同一颜色样品i 的色差。CIE l964 颜色空间坐标:,式中uk=ur,vk=vr。,6、显色指数的计算,特殊显色指数:Ri=100-4.6 Ei一般显色指数:Ra=(Ri)/8(i=1,2,8)由于一般显色指数 Ra 是 8 个颜色样品 Ri 的平均值,所以即使两个光源有完全相同的 Ra,两光源下同一颜色样品的 Ri 之间也可能有较大差别。只有当两个光源的Ra都接近100 时,两光源下颜色样品的 Ri 差别才可能很小。,CIE光源显色指数是基于颜色样品的色差矢量长度的比较,即基于样品的色位移量的比较。应承认色位移的方向也是重要的,但CIE显色指数不包括色位移方向的度量。基于
17、上述原因,即使两个具有相同 Ri 的光源,如颜色样品i 的色位移方向不同,这一样品的颜色在视觉上也不会相同。同理,在两个具有相同Ra的灯下观察颜色,也不保证它们有同样的颜色视觉效果。因此,在要求精确辨别颜色的实践中应该注意到,虽然不同的光源可能具有相同的特殊显色指数或一般显色指数,但这并不表明各种灯之间可以互相代替使用。,CIE第13号颜色样品是欧美妇女的面部皮肤色,人眼对肤色特别敏感,稍有失真便能察觉出来,而使人物的形象受到歪曲。我们应在显色指数的计算中补充中国人的面部肤色样品。,7、常用光源的一般显色指数 光源显色性的质量分类,常用光源的相关色温和一般显色指数,4.2 同色异谱评价,4.2
18、.1 颜色的同色异谱概念同色同谱色:两个物体具有完全相同的光谱分布曲线。同色异谱色:对于特定标准观察者和特定照明体,具有不同光谱分布而有相同三刺激值的颜色。,一对同色异谱颜色应满足以下条件:,1、改变观察者,CIE l964 补充标准观察者,CIE l931 标准观察者,2、改变照明体,两种光源下均同色的异谱样品的光谱反射率因数曲线,4.2.2 颜色的同色异谱程度的评价,定性描述:如果样品间的光谱反射率因数曲线形状很不同、交叉点很少,那么同色异谱的程度就高;相反,样品间的光谱反射率因数曲线形状相似,或交叉点很多,就表明同色异谱程度低。1、CIE“照明体同色异谱指数”对于特定参照照明体和观察者具
19、有相同的三刺激值的两个同色异谱样品,用具有不同相对光谱功率分布的测试照明体所造成的两样品间的色差(E)作为照明体同色异谱指数Mi。CIE推荐:参照照明体:CIE标准照明体D65 测试照明体:A、F1、F2、F3,举例:三种颜色样品,其光谱反射率因数曲线分别为(0)()、(1)()、(2)(),它们对于CIE标准照明体D65和CIE 1931标准观察者是同色异谱刺激,有相同的三刺激值。,三种同色异谱样品的色差计算,2、观察者同色异谱指数,CIE 推荐的模拟日光的色度学评价方法,紫外光的同色异谱指数:3 对荧光样品在标准照明体D下,每对也是匹配的。但在模拟日光照明下,一般也就不匹配。它们的色差平均
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