光源的色度学课件

第二章第二章 光源的色度学光源的色度学1.光的本质2.光与色的关系*3.标准光源*4.光源的色温*5.光源的颜色与视觉的关系1 1.第二章 光源的色度学光的本质1.1.1 光的本质 人们对光的本质的认识，最早可以追人们对光的本质的认识，最早可以追溯到十七世纪。从牛顿的微粒说到惠溯到十七世纪。从牛顿的微粒说到惠更斯的弹性波动说，从麦克斯韦的电更斯的弹性波动说，从麦克斯韦的电磁理论，到爱因斯坦的光量子学说，磁理论，到爱因斯坦的光量子学说，以至现代的波粒二象性理论。以至现代的波粒二象性理论。光按其传播方式和具有反射、干涉、衍射和偏振等性质来看，有波的特征；但许多现象又表明它是有能量的光量子组成的，如放射、吸收等。在这两点的基础上，发展了现代的波粒二象性理论。2 2.1.1 光的本质 人们对光的本质的认识，最早可以追溯到十l l在电磁波辐射范围内，只有波长在电磁波辐射范围内，只有波长380nm380nm到到780nm780nm的辐的辐射能引起人们的视感觉，这段光波叫做可见光。射能引起人们的视感觉，这段光波叫做可见光。l l光的物理性质由它的光的物理性质由它的波长和能量波长和能量波长和能量波长和能量来决定。波长决定了来决定。波长决定了光的颜色，能量决定了光的强度。光的颜色，能量决定了光的强度。l l光映射到我们的眼睛时，波长不同决定了光的色相不光映射到我们的眼睛时，波长不同决定了光的色相不同。波长相同能量不同，则决定了色彩明暗的不同。同。波长相同能量不同，则决定了色彩明暗的不同。3 3.在电磁波辐射范围内，只有波长380nm到780nm的辐射能引1.2 色与光的关系 英国科学家牛顿在英国科学家牛顿在16661666年所做的色散实验年所做的色散实验白光白光棱镜棱镜屏屏可见光谱可见光谱:4 4.1.2 色与光的关系 英国科学家牛顿在1666年所做的颜色是物体对光的选择性吸收后反射或透射出的光进入人眼形成的感觉。没有光就没有色，光是人们感知色彩的必要条件，色来源于光。光是色的源泉，色是光的表现。色与光的关系?物物物物 体体体体光光5 5.颜色是物体对光的选择性吸收后反射或透射出的光进入人眼形成的感光色试验6 6.光色试验6.1.3 标准光源 l l能自行发光的物体叫做能自行发光的物体叫做光源光源光源光源。光源。光源的种类繁多，可以分为自然光源和的种类繁多，可以分为自然光源和人造光源。人造光源。l l自然光源受自然气候条件的限制，自然光源受自然气候条件的限制，光色瞬息万变，不易稳定，如太阳。光色瞬息万变，不易稳定，如太阳。人造光源有各种电光源和热辐射光人造光源有各种电光源和热辐射光源，如电灯光源等。源，如电灯光源等。标准光源工作台标准光源工作台同一物体在不同的光源下呈现的颜色不同,测量颜色 时必须在光谱性能稳定的光源下进行,为了统一测量标准,CIE规定了色度学的标准照明体A、B、C、D,和标准光源A、B、C。7 7.1.3 标准光源 能自行发光的物体叫做光源。光源的种类繁多，一般的光源是不同波长的色光混合而成的复色光，如果将它的光谱中每种色光的强度用传感器测量出来，就可以获得不同波长色光的辐射能的数值。分光辐射度计分光辐射度计8 8.一般的光源是不同波长的色光混合而成的复色光，如果将它在分光辐射度计的接收器上记录的是光谱中各种不同波长色光的辐射能。若以e表示光的辐射能，表示光谱色的波长，则定义：在以波长为中心的微小波长范围内的辐射能与该波长的宽度之比称为光谱密度。e()=ded（W/nm）光谱密度光谱密度9 9.在分光辐射度计的接收器上记录的是光谱中各种不同波长色光的辐射l l光谱密度表示了单位波长区间内辐射能的大小光谱密度表示了单位波长区间内辐射能的大小,光光谱密度与波长之间的函数关系称为谱密度与波长之间的函数关系称为光谱分布光谱分布。l l在实用上以光谱密度的相对值与波长之间的函数关在实用上以光谱密度的相对值与波长之间的函数关系来描述光谱分布，称为系来描述光谱分布，称为相对光谱能量（功率）分相对光谱能量（功率）分布布，记为，记为S S（）。）。l l相对光谱能量分布通常是取波长相对光谱能量分布通常是取波长=555nm=555nm处的辐射处的辐射能量为能量为100100，作为参考点，与之进行比较而得出的。，作为参考点，与之进行比较而得出的。若以光谱波长若以光谱波长 为横坐标，相对光谱能量分布为横坐标，相对光谱能量分布S S（）为）为纵坐标，就可以绘制出光源相对光谱能量纵坐标，就可以绘制出光源相对光谱能量纵坐标，就可以绘制出光源相对光谱能量纵坐标，就可以绘制出光源相对光谱能量分布曲线。分布曲线。分布曲线。分布曲线。相对光谱能量分布相对光谱能量分布1010.光谱密度表示了单位波长区间内辐射能的大小,光谱密度与波长之GB/T3978-94:l l照明体：在影响物体颜色视觉的整个波长范围内所定义的相对光谱功率分布l l标准照明体：由CIE用相对光谱功率分布定义的照明体A、B、C、D。l l标准光源：由CIE规定的人工光源，他们的辐射近似标准照明体。标准照明体与标准光源1111.GB/T3978-94:标准照明体与标准光源11.标准照明体l l标准照明体标准照明体A A：代表完全辐射体在：代表完全辐射体在2856K2856K发出的光发出的光（X=109.87X=109.87，Y=100.00Y=100.00，Z=35.59Z=35.59）；）；l l标准照明体标准照明体B B：代表相关色温约为：代表相关色温约为4874K4874K的直射阳的直射阳光（光（X=99.09X=99.09，Y=100.00Y=100.00，Z=85.32Z=85.32）；）；l l标准照明体标准照明体C C：代表相关色温大约为：代表相关色温大约为6774K6774K的平均的平均日光，光色近似阴天天空的日光（日光，光色近似阴天天空的日光（X=98.07X=98.07，Y=100.00Y=100.00，Z=118.18Z=118.18）；）；l l标准照明体标准照明体D65D65：代表相关色温大约为：代表相关色温大约为6504K6504K的的日光（日光（X=95.05X=95.05，Y=100.00Y=100.00，Z=108.91Z=108.91）；）；l l标准照明体标准照明体D D：代表标准照明体：代表标准照明体D65D65以外的其它日以外的其它日光光D50D50、D55 D55、D75 D75（5003K,5503K,7504K)5003K,5503K,7504K)。1212.标准照明体标准照明体A：代表完全辐射体在2856K发出的光（标准光源CIECIE推荐下列人造光源实现标准照明体推荐下列人造光源实现标准照明体 ：l l标准光源标准光源A A：色温为：色温为2856K2856K的充气螺旋钨丝灯，其光色的充气螺旋钨丝灯，其光色偏黄。偏黄。l l标准光源标准光源B B：色温为：色温为4874K4874K，由，由A A光源加罩光源加罩B B型型D-GD-G液体液体滤光器组成。光色相当于中午日光。滤光器组成。光色相当于中午日光。l l标准光源标准光源C C：色温为：色温为6774K6774K，由，由A A光源加罩光源加罩C C型型D-GD-G液液体滤光器组成，光色相当于有云的天空光。体滤光器组成，光色相当于有云的天空光。滤光器由无色光学玻璃做成溶液池滤光器由无色光学玻璃做成溶液池 溶液溶液C1:C1:硫酸铜硫酸铜3.412g 3.412g 甘露糖醇甘露糖醇 3.412g 3.412g 吡啶吡啶mlml 加蒸馏水配成加蒸馏水配成mlml1313.标准光源CIE推荐下列人造光源实现标准照明体：13.标准照明体与标准光源l l标准照明体与标准光源有何不同标准照明体与标准光源有何不同 CIE标准照明体标准照明体A、B、C由标准光源由标准光源A、B、C来产来产生生 CIE标准照明体标准照明体D（D50,D55,D65,D75)称为典型日称为典型日光，光谱功率分布与实测日光接近。光，光谱功率分布与实测日光接近。模拟标准照明体的人工光源，根本问题是复制它的模拟标准照明体的人工光源，根本问题是复制它的光谱功率分布。光谱功率分布。完全模拟非常困难，标准光源完全模拟非常困难，标准光源A与标准照明体与标准照明体A的光的光谱分布仍存在差别，标准照明体谱分布仍存在差别，标准照明体D目前还不能由真实目前还不能由真实光源准确再现。（国际上正在研究）光源准确再现。（国际上正在研究）1414.标准照明体与标准光源标准照明体与标准光源有何不同 CIE标CIE标准光源A、B、C的相对光谱能量分布曲线1515.CIE标准光源A、B、C的相对光谱能量分布曲线15.1.4 光源的色温 不同的光源，由于发光物质不同的光源，由于发光物质不同，其不同，其光谱能量分布光谱能量分布也不也不相同。一定的光谱能量分布相同。一定的光谱能量分布表现为一定的光色，对光源表现为一定的光色，对光源的光色变化，我们用的光色变化，我们用色温色温来来描述描述(定量定量)。1616.1.4 光源的色温 不同的光源，由于发光物质不同，其光谱l l根据能量守恒定律：物体吸收的能根据能量守恒定律：物体吸收的能量越多，加热时它辐射的本领愈大。量越多，加热时它辐射的本领愈大。黑色物体对光能具有较大的吸收能黑色物体对光能具有较大的吸收能力。力。如果一个物体能够在任何温度如果一个物体能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射，那么下全部吸收任何波长的辐射，那么这个物体称为绝对黑体。这个物体称为绝对黑体。l l绝对黑体的吸收本领是一切物体中绝对黑体的吸收本领是一切物体中最大的，加热时它辐射本领也最大。最大的，加热时它辐射本领也最大。天然的、理想的绝对黑体是不存在天然的、理想的绝对黑体是不存在的。的。人造黑体人造黑体是用耐火金属制成的是用耐火金属制成的具有小孔的空心容器，如图所示具有小孔的空心容器，如图所示进入小孔的光，将在空腔内进入小孔的光，将在空腔内发生多次反射，每次反射都发生多次反射，每次反射都被容器的内表面吸收一部分被容器的内表面吸收一部分能量，直到全部能量被吸收能量，直到全部能量被吸收为止，这种容器的小孔就是为止，这种容器的小孔就是绝对黑体。绝对黑体。绝对黑体绝对黑体1717.根据能量守恒定律：物体吸收的能量越多，加热时它辐射的本领愈大色温定义l l黑体辐射的发射本领只与温度有关。严格地说，黑体辐射的发射本领只与温度有关。严格地说，一个黑体若被加热，其表面按单位面积辐射光谱一个黑体若被加热，其表面按单位面积辐射光谱能量的大小及其分布完全决定于它的温度。因此能量的大小及其分布完全决定于它的温度。因此我们把任一光源发出的光的颜色与黑体加热到一我们把任一光源发出的光的颜色与黑体加热到一定温度下发出的光的颜色相比较，来描述光源的定温度下发出的光的颜色相比较，来描述光源的光色。光色。l l所以色温可以定义为：所以色温可以定义为：“当某一种光源的色度当某一种光源的色度(色品）色品）与某一温度下的绝对黑体的色度相同时绝对黑体与某一温度下的绝对黑体的色度相同时绝对黑体的温度。的温度。1818.色温定义黑体辐射的发射本领只与温度有关。严格地说，一个黑体若常见光源色温l l色温用绝对温度色温用绝对温度“K”“K”表表示，绝对温度等于摄示，绝对温度等于摄氏温度加氏温度加273273。l l如正午的日光具有色如正午的日光具有色温为温为6500K6500K，就是说，就是说黑体加热到黑体加热到6500K6500K时时发出的光的颜色与正发出的光的颜色与正午的颜色相同。其它午的颜色相同。其它如白炽灯色温约为如白炽灯色温约为2600K2600K。表表2-2 2-2 常见光源色温常见光源色温光源光源光源光源色温（色温（色温（色温（K K）晴天室外光晴天室外光13000 13000 全阴天室外光全阴天室外光65006500白天直射日光白天直射日光555055504545斜射日光斜射日光48004800昼光色、荧光昼光色、荧光灯灯65006500氙灯氙灯56005600炭精灯炭精灯55005500650065001919.常见光源色温色温用绝对温度“K”表示，绝对温度等于摄氏温度加色温的连续变化l l色温是光源的重要指标，一定的色光具有一定的色温是光源的重要指标，一定的色光具有一定的相对能量分布：当相对能量分布：当黑体连续加热黑体连续加热，温度不断升高，温度不断升高时，其相对光谱能量分布的时，其相对光谱能量分布的峰值部位峰值部位将向短波方将向短波方向变化，所发的光带有一定的颜色，其变化顺序向变化，所发的光带有一定的颜色，其变化顺序是红是红-黄黄-白白-蓝。蓝。2020.色温的连续变化色温是光源的重要指标，一定的色光具有一定的相对色温的应用(一)根据色光的舒适感选择色温根据色光的舒适感选择色温l l在漫长进化过程中在漫长进化过程中,长期处于自然光环境长期处于自然光环境,清晨黄昏清晨黄昏,色温色温2000-4500,2000-4500,中午中午5000-7000K5000-7000K研究结果表明研究结果表明:人对光源的舒适感接近自然光对人产生的生理效果人对光源的舒适感接近自然光对人产生的生理效果,在很低的照度下采用接近火焰的低色温的光源较在很低的照度下采用接近火焰的低色温的光源较舒适舒适,在中等照度下采用接近或略高于黎明和黄昏在中等照度下采用接近或略高于黎明和黄昏的色温的光源较舒适的色温的光源较舒适,在高的照度条件下采用接近在高的照度条件下采用接近中午阳光的色光较舒适中午阳光的色光较舒适.2121.色温的应用(一)根据色光的舒适感选择色温21.照度水平与色光舒适感的程度(示意)2 10 50 200 1000 照明度照明度(lx)色色温温700060005000400030002000舒适区舒适区2222.照度水平与色光舒适感的程度(示意)2 色温的应用(二)各种光源的不同色温的色光对人有一定的生理和心理效应各种光源的不同色温的色光对人有一定的生理和心理效应,根据人的生理心理需求合理运用色温根据人的生理心理需求合理运用色温生理方面生理方面:红色使人兴奋红色使人兴奋,蓝色使人沉静蓝色使人沉静;红黄光使人有近感红黄光使人有近感,蓝蓝青光有远感青光有远感.心理方面心理方面:红系光可以增加食欲红系光可以增加食欲,蓝系光降低食欲蓝系光降低食欲;彩度高的比彩度高的比彩度低的更能使人产生激情彩度低的更能使人产生激情;低色温光给人温暖的感觉低色温光给人温暖的感觉,称称暖色光暖色光,高色温光给人以冷的感觉高色温光给人以冷的感觉,称冷色光称冷色光.需要热烈激昂的气氛时选用需要热烈激昂的气氛时选用-需要冷静沉稳的气氛时选用需要冷静沉稳的气氛时选用-温度高的时候温度高的时候.温度低的时候温度低的时候.2323.色温的应用(二)各种光源的不同色温的色光对人有一定的生理和心色温的应用(三)根据不同的被照场所使用色温根据不同的被照场所使用色温,如如在餐厅在餐厅:选用红黄为主的色光选用红黄为主的色光,给人金碧辉煌的感觉给人金碧辉煌的感觉,食欲增强食欲增强;在繁忙的车间在繁忙的车间:红选用高色温的冷色光源红选用高色温的冷色光源,缓解紧张情绪缓解紧张情绪在卧室或者宾馆客房在卧室或者宾馆客房:采用低色温光源采用低色温光源,使人具有休闲使人具有休闲 安逸安逸 温温馨感觉馨感觉在商店在商店.2424.色温的应用(三)根据不同的被照场所使用色温,如24.色温的应用(四)印刷行业对光源色温的要求印刷行业对光源色温的要求:原稿拍摄原稿拍摄:彩色胶片有日光型和灯光型彩色胶片有日光型和灯光型,日光型用于室外拍摄日光型用于室外拍摄,要求色温要求色温5500K,5500K,室内拍易发黄室内拍易发黄;灯光型用于室内拍摄灯光型用于室内拍摄,要求要求色温色温2800-3200K,2800-3200K,在室外易发蓝在室外易发蓝.制版光源制版光源:色温色温5500K5500K制版车间和印刷车间制版车间和印刷车间:观察透射样品观察透射样品,光源的相关色温光源的相关色温5003K,5003K,观察反射样品观察反射样品,光源的相关色温光源的相关色温6504K.6504K.标准光源标准光源观察箱观察箱透反射两用标透反射两用标准光源工作台准光源工作台2525.色温的应用(四)印刷行业对光源色温的要求:标准光源观察箱透1.5 光源颜色与视觉的关系光源颜色与视觉的关系n n1 光源的颜色光源的颜色n n2 光源的显色性光源的显色性n n3 光源的显色指数光源的显色指数及定量评价及定量评价2626.1.5 光源颜色与视觉的关系1 光源的颜色26.1.光源的颜色光源颜色的两个含义：光源颜色的两个含义：l l人眼直接看到的光源的颜人眼直接看到的光源的颜色，即光源的表色，如白色，即光源的表色，如白炽灯的颜色黄红色。炽灯的颜色黄红色。l l光源照射到物体上物体所光源照射到物体上物体所产生的客观的颜色效果，产生的客观的颜色效果，称为光源的显色性。同一称为光源的显色性。同一物体在不同的光源下颜色物体在不同的光源下颜色效果不相同。效果不相同。在制版、印刷过程中光源的颜色是决定印刷复制质量的在制版、印刷过程中光源的颜色是决定印刷复制质量的一个重要因素。一个重要因素。2727.1.光源的颜色光源颜色的两个含义：在制版、印刷过程中光源的2.光源的显色性 显色性显色性l l由于同一个颜色样品在不同的光源下可能使人眼产生不由于同一个颜色样品在不同的光源下可能使人眼产生不同的色彩感觉，而在日光下物体显现的颜色是最准确的。同的色彩感觉，而在日光下物体显现的颜色是最准确的。因此，可以用日光标准（参照光源），将白炽灯、荧光因此，可以用日光标准（参照光源），将白炽灯、荧光灯、钠灯等人工光源（待测光源）与其比较，灯、钠灯等人工光源（待测光源）与其比较，显示同色显示同色能力的强弱叫做该人工光源的显色性能力的强弱叫做该人工光源的显色性。l l光源的显色性是由光源的光源的显色性是由光源的光谱能量分布光谱能量分布决定的。日光、决定的。日光、白炽灯具有连续光谱，连续光谱的光源均有较好的显色白炽灯具有连续光谱，连续光谱的光源均有较好的显色性。性。l l通过对新光源的研究发现，由几个特定波长色光组成的通过对新光源的研究发现，由几个特定波长色光组成的混合光源混合光源也有很好的显色效果。如也有很好的显色效果。如450nm450nm的蓝光，的蓝光，540nm540nm的绿光，的绿光，610nm610nm的桔红光以适当比例混合所产生的桔红光以适当比例混合所产生的白光。的白光。2828.2.光源的显色性 显色性28.3.光源显色性评价l l为了检验物体在待测光源下所显现的颜色与在参为了检验物体在待测光源下所显现的颜色与在参照光源下所显现的颜色相符的程度，采用照光源下所显现的颜色相符的程度，采用“一般显一般显色性指数色性指数”作为定量评价指标。作为定量评价指标。l l显色性指数最高为显色性指数最高为100100。显色性指数的高低，就表。显色性指数的高低，就表示物体在待测光源下示物体在待测光源下“变色变色”和和“失真失真”的程度。的程度。l l光源的显色性以一般显色性指数光源的显色性以一般显色性指数RaRa值值区分：区分：RaRa值为值为10010075 75 显色优良显色优良 75 7550 50 显色一般显色一般 50 50以下以下 显色性差显色性差2929.3.光源显色性评价为了检验物体在待测光源下所显现的颜色与在n19641964年，年，CIECIE制定了光源显色性评价方法；制定了光源显色性评价方法；n19741974年，经修订向世界推荐；年，经修订向世界推荐；n19841984年，我国采用了年，我国采用了CIECIE推荐的评价方法；推荐的评价方法；n19861986年，我国正式实施了自己的光源显色性评价方法；年，我国正式实施了自己的光源显色性评价方法；我国光源显色性评价方法我国光源显色性评价方法3030.1964年，CIE制定了光源显色性评价方法；我国光源显色性评定量评价任一光源显色性的方法1 1、选定标准光源；、选定标准光源；我国国家标准我国国家标准“光源显色性评价方光源显色性评价方法法GB5702-85”GB5702-85”中规定用普朗克辐射体（色温低于中规定用普朗克辐射体（色温低于5000K5000K）和组合日光（色温高于）和组合日光（色温高于5000K5000K）做参照光源。）做参照光源。规定参考光源的显色指数为规定参考光源的显色指数为100100。2 2、选定色样、选定色样（1515块）块）7.5R6/4,5Y6/4,7.5R6/4,5Y6/4,5GY6/85GY6/83 3、计算各自色差、计算各自色差4 4、特殊显色指数、特殊显色指数Ri=100-4.6*Ri=100-4.6*色差色差5 5、取前、取前8 8个色样的个色样的特殊显色指数的算术平均特殊显色指数的算术平均，即一，即一般显色指数般显色指数RaRa3131.定量评价任一光源显色性的方法1、选定标准光源；我国国家标准“常见光源的显色性指数 光源光源 显色性指数显色性指数白炽灯（白炽灯（500W)95-100500W)95-100碘钨灯（碘钨灯（500W)95-100500W)95-100溴钨灯（溴钨灯（500W)95-100500W)95-100荧光灯（日光色荧光灯（日光色40W)70-8040W)70-80外镇高压汞灯（外镇高压汞灯（400W)30-40400W)30-40镝灯（镝灯（1000W)85-951000W)85-95高压钠灯（高压钠灯（400W)20-25400W)20-253232.常见光源的显色性指数 光源 分组讨论:光源显色性的应用？3333.分组讨论:光源显色性的应用？33.个人观点供参考，欢迎讨论！个人观点供参考，欢迎讨论！