第二章 色彩的物理理论

第一节 光源
 
一、 色与光的关系
  我们生活在一个多彩的世界里。白天,在阳光的照耀下,各种色彩争奇斗艳,并随着照射光的改变而变化无穷。但是,每当黄昏,大地上的景物,无论多么鲜艳,都将被夜幕缓缓吞没。在漆黑的夜晚,我们不但看不见物体的颜色,甚至连物体的外形也分辨不清。同样,在暗室里,我们什么色彩也感觉不到。这些事实告诉我们: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。所以说:光是色的源泉,色是光的表现。
为了了解色彩产生的原因,首先必须对光作进一步的了解。

二、光的本质
  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,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。
  光的物理性质由它的波长和能量来决定。波长决定了光的颜色,能量决定了光的强度。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。
  在电磁波辐射范围内,只有波长380nm到780nm(1nm=10-6mm)的辐射能引起人们的视感觉,这段光波叫做可见光。如图2-1所示。在这段可见光谱内,不同波长的辐射引起人们的不同色彩感觉。英国科学家牛顿在1666年发现,把太阳光经过三棱镜折射,然后投射到白色屏幕上,会显出一条象彩虹一样美丽的色光带谱,从红开始,依次接临的是橙、黄、绿、青、蓝、紫七色。如图2-2所示。这是因为日光中包含有不同波长的辐射能,在它们分别刺激我们的眼睛时,会产生不同的色光,而它们混合在一起并同时刺激我们的眼睛时,则是白光,我们感觉不出它们各自的颜色。但是,当白光经过三棱镜时,由于不同波长的折射系数不同,折射后投影在屏上的位置也不同,所以一束白光通过三棱镜便分解为上述七种不同的颜色,这种现象称为色散。从图2-2中可以看到红色的折射率最小,紫色最大。这条依次排列的彩色光带称为光谱。这种被分解过的色光,即使再一次通过三棱镜也不会再分解为其它的色光。我们把光谱中不能再分解的色光叫做单色光。由单色光混合而成的光叫做复色光,自然界的太阳光,白炽灯和日光灯发出的光都是复色光。色散所产生的各种色光的波长如表2-1所示。

图 2-1电磁波及可见光波长范围 图 2-2色散现象
光色 波长λ(nm) 代表波长
红(Red) 780~630 700
橙(Orange) 630~600 620
黄(Yellow) 600~570 580
绿(Green) 570~500 550
青(Cyan) 500~470 500
蓝(Blue) 470~420 470
紫(Violet) 420~380 420

表2-1
三、相对光谱能量分布
  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。图2-3就是一种用来测量各波长色光的辐射能仪器的简要原理图,这种仪器称为分光辐射度计。
图 2-3 分光辐射度计原理图
  图2-3表明,光源经过左边的隙缝和透镜变成平行光束,投向棱镜的入射平面,当入射光通过棱镜时,由于折射,使不同波长的色光,以不同的角度弯折,从棱镜的入射平面射出。任何一种分解后的光谱色光在离开棱镜时,仍保持为一束平行光,再由右边的透镜聚光,通过隙缝射在光电接收器上转换为电能。如果右边的隙缝是可以移动的,就可以把光谱中任意一种谱色挑选出来,所以,在光电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φe表示光的辐射能,λ表示光谱色的波长,则定义:在以波长λ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。写成数学形式:
  φe(λ)=dφe∕dλ (W/nm)
  光谱密度表示了单位波长区间内辐射能的大小。通常光源中不同波长色光的辐射能是随波长的变化而变化的,因此,光谱密度是波长的函数。光谱密度与波长之间的函数关系称为光谱分布。
  在实用上更多的是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,称为相对光谱能量(功率)分布,记为S(λ)。相对光谱能量分布可用任意值来表示,但通常是取波长λ=555nm处的辐射能量为100,作为参考点,与之进行比较而得出的。若以光谱波长λ为横坐标,相对光谱能量分布S(λ)为纵坐标,就可以绘制出光源相对光谱能量分布曲线。
  知道了光源的相对光谱能量分布,就知道了光源的颜色特性。反过来说,光源的颜色特性,取决于在发出的光线中,不同波长上的相对能量比例,而与光谱密度的绝对值无关。绝对值的大小只反映光的强弱,不会引起光源颜色的变化。从图2-4中可以看到:正午的日光有较高的辐射能,它除在蓝紫色波段能量较低外,在其余波段能量分布均较均匀,基本上是无色或白色的。荧光灯光源在405nm、430nm、540nm和580nm出现四个线状带谱,峰值在615nm,而后在长波段(深红)处能量下降,这表明荧光光源在绿色波段(550nm~560nm)有较高的辐射能,而在红色波段(650nm~700nm)辐射能减弱。对比之下,白炽灯光源,它在短波蓝色波段,辐射能比荧光光源低,而在长波红色区间,有相对高的能量。因此,白炽灯光源,总带有黄红色。红宝石激光器发出的光,其能量完全集中在一个很窄的波段内,大约为694nm,看起来是典型的深红色。在颜色测量计算中,为了使其测量结果标准化,就要采用CIE标准光源(如A、B、C、D65等)。CIE标准光源将在以后介绍。
图 2-4
  根据对图2-4各曲线的分析表明,没有一种实际光源的能量分布是完全均匀一致的,也没有一种完全的白光;然而,尽管这些光源(自然光或人造光)在光谱分布上有很大的不同,在视觉上也有差别,但由于人眼有很大的适应性,因此,习惯上这些光都称为"白光"。但是在色彩的定量研究中,1931年国际照明委员会(缩写CIE)建议,以等能量光谱作为白光的定义,等能白光的意义是:以辐射能作纵坐标,光谱波长为横坐标,则它的光谱能量分布曲线是一条平行横轴的直线。即:S(λ)=C(常数)。等能白光分解后得到的光谱称为等能光谱,每一波长为λ的等能光谱色色光的能量均相等。

四、光源色温
  能自行发光的物体叫做光源。光源的种类繁多,形状千差万别,但大体上可分为自然光源和人造光源。自然光源受自然气候条件的限制,光色瞬息万变,不易稳定,如最大的自然光源太阳。人造光源有各种电光源和热辐射光源,如电灯光源等。
  不同的光源,由于发光物质不同,其光谱能量分布也不相同。一定的光谱能量分布表现为一定的光色,对光源的光色变化,我们用色温来描述。
  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。黑色物体对光能具有较大的吸收能力。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,那么这个物体称为绝对黑体。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。天然的、理想的绝对黑体是不存在的。人造黑体是用耐火金属制成的具有小孔的空心容器,如图2-5所示,进入小孔的光,将在空腔内发生多次反射,每次反射都被容器的内表面吸收一部分能量,直到全部能量被吸收为止,这种容器的小孔就是绝对黑体。
图 2-5绝对黑体示意图
  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定温度下发出的光的颜色相比较,来描述光源的光色。所以色温可以定义为:"当某一种光源的色度与某一温度下的绝对黑体的色度相同时绝对黑体的温度。"因此,色温是以温度的数值来表示光源颜色的特征。在人工光源中,只有白炽灯灯丝通电加热与黑体加热的情况相似。对白炽灯以外的其它人工光源的光色,其色度不一定准确地与黑体加热时的色度相同。所以只能用光源的色度与最相接近的黑体的色度的色温来确定光源的色温,这样确定的色温叫相对色温。
  色温用绝对温度"K"表示,绝对温度等于摄氏温度加273。如正午的日光具有色温为6500K,就是说黑体加热到6500K时发出的光的颜色与正午的颜色相同。其它如白炽灯色温约为2600K。表2-2列出了一些常见的光源色温。
  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:当黑体连续加热,温度不断升高时,其相对光谱能量分布的峰值部位将向短波方向变化,所发的光带有一定的颜色,其变化顺序是红-黄-白-蓝。
表2-2 常见光源色温
光源 色温(K
晴天室外光 13000
全阴天室外光 6500
白天直射日光 5550
45°斜射日光 4800
昼光色、荧光灯 6500
氙灯 5600
炭精灯 5500~6500
五、光源显色性
  人类在长期的生产生活实践中,习惯于在日光下辨认颜色。尽管日光的色温和光谱能量分布随着自然条件的变化有很大的差异,但人眼的辨认能力依然是准确的。这是人们在自然光下长期实践对颜色形成了记忆的结果。
  随着照明技术的发展,许多新光源的开发利用,人们经常在不同的环境下辨认颜色。有些灯光的颜色与日光很相似如荧光灯、汞灯等,但其光谱能量分布与日光却有很大的差别。这些光谱中缺少某些波长的单色光成份。人们在这些光源下观察到的颜色与日光下看到的颜色是不同的,这就涉及到光源的显色性问题。
  什么是光源的显色性?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。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,显示同色能力的强弱叫做该人工光源的显色性。我国国家标准"光源显色性评价方法GB5702-85"中规定用普朗克辐射体(色温低于5000K)和组合日光(色温高于5000K)做参照光源。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"一般显色性指数"作为定量评价指标。显色性指数最高为100。显色性指数的高低,就表示物体在待测光源下"变色"和"失真"的程度。例如,在日光下观察一副画,然后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,在高压汞灯下,物体失去了"真实"颜色,如果在黄色光的低压钠灯底下来观察,则蓝色会变成黑色,颜色失真更厉害,显色指数更低。光源的显色性是由光源的光谱能量分布决定的。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性。
  通过对新光源的研究发现,除连续光谱的光源具有较好的显色性外,由几个特定波长色光组成的混合光源也有很好的显色效果。如450nm的蓝光,540nm的绿光,610nm的桔红光以适当比例混合所产生的白光,虽然为高度不连续光谱,但却具有良好的显色性。用这样的白光去照明各色物体,都能得到很好的显色效果。
光源的显色性以一般显色性指数Ra值区分:
  Ra值为100~75 显色优良
  75~50 显色一般
  50以下 显色性差
  光源显色性和色温是光源的两个重要的颜色指标。色温是衡量光源色的指标,而显色性是衡量光源视觉质量的指标。假若光源色处于人们所习惯的色温范围内,则显色性应是光源质量的更为重要的指标。这是因为显色性直接影响着人们所观察到的物体的颜色。
六、光源三刺激值
在定量研究中我们发现,某种光源所发出的光,可以通过红、绿、蓝三种单色光按不同比例混合匹配产生。这种用来匹配某一特定光源所需要的红、绿、蓝三原色的量叫做该光源三刺激值。光源的红、绿、蓝三刺激值分别用X0、Y0、Z0来表示。关于三刺激值的相关内容,可参看第五章。

七、标准光源
  我们知道,照明光源对物体的颜色影响很大。不同的光源,有着各自的光谱能量分布及颜色,在它们的照射下物体表面呈现的颜色也随之变化。为了统一对颜色的认识,首先必须要规定标准的照明光源。因为光源的颜色与光源的色温密切相关,所以CIE规定了四种标准照明体的色温标准:
  标准照明体A:代表完全辐射体在2856K发出的光(X0=109.87,Y0=100.00,Z0=35.59);
  标准照明体B:代表相关色温约为4874K的直射阳光(X0=99.09,Y0=100.00,Z0=85.32);
  标准照明体C:代表相关色温大约为6774K的平均日光,光色近似阴天天空的日光(X0=98.07,Y0=100.00,Z0=118.18);
  标准照明体D65:代表相关色温大约为6504K的日光(X0=95.05,Y0=100.00,Z0=108.91);
  标准照明体D:代表标准照明体D65以外的其它日光。
  CIE规定的标准照明体是指特定的光谱能量分布,是规定的光源颜色标准。它并不是必须由一个光源直接提供,也并不一定用某一光源来实现。为了实现CIE规定的标准照明体的要求,还必须规定标准光源,以具体实现标准照明体所要求的光谱能量分布。CIE推荐下列人造光源来实现标准照明体的规定:
  标准光源A:色温为2856K的充气螺旋钨丝灯,其光色偏黄。
  标准光源B:色温为4874K,由A光源加罩B型D-G液体滤光器组成。光色相当于中午日光。
  标准光源C:色温为6774K,由A光源加罩C型D-G液体滤光器组成,光色相当于有云的天空光。
  CIE标准光源A、B、C的相对光谱能量分布曲线如图2-6所示。
图2-6 标准光源相对光谱能量分布
  CIE标准照明体A、B、C由标准光源A、B、C实现,但对于模拟典型日光的标准照明体D65,目前CIE还没有推荐相应的标准光源。因为它的光谱能量分布在目前还不能由真实的光源准确地实现。当前国际上正在进行着与标准照明体D65相对应的标准光源的研制工作。
  现在研制的三种模拟D65人造光源分别为:带滤光器的高压氙弧灯、带滤光器的白炽灯和荧光灯。它们的相对光谱能量分布与D65有所符合,带滤光器的高压氙弧灯提供了最好的模拟,带滤光器的白炽灯在紫外区的模拟尚不太理想,荧光灯的模拟较差。为了满足精细辨色生产活动的需要,还有采用荧光灯和带滤器的白炽灯组成的混光光源,称为D75光源。其色温可达7500K。主要运用在原棉评级等精细辨色工作中。
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2002.3.22