包装色彩学

第二章色彩的物理理论

第三节彩色物体

一、物体对光的透射、吸收和反射
　　在我们周围，每一种物体都呈现一定的颜色。这些颜色是由于光作用于物体才产生的。如果没有光，我们就无法看到任何物体的颜色。因此，有光的存在，才有物体颜色的体现。
　　从颜色角度来看，所有物体可以分成两类：一类是能向周围空间辐射光能量的自发光体，即光源。其颜色决定于它所发出光的光谱成份；另一类是不发光体，其本身不能辐射光能量，但能不同程度地吸收、反射或透射投射其上的光能量而呈现颜色。这里，我们主要讨论不发光体颜色的形成问题。
　　无论哪一种物体，只要受到外来光波的照射，光就会和组成物体的物质微粒发生作用。由于组成物质的分子和分子间的结构不同，使入射的光分成几个部分：一部分被物体吸收，一部分被物体反射，再一部分穿透物体，继续传播（图2-18）。图中

为入射光通量；

为透射光通量；

为反射光通量；

为物体吸收的光通量。
（一）、透射
　　透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体或半透明体，如玻璃，滤色片等。若透明体是无色的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。为了表示透明体透过光的程度，通常用入射光通量

（见图2-18）与透过后的光通量

之比τ来表征物体的透光性质，τ称为光透射率。

图2-18

表示为

从色彩的观点来说，每一个透明体都能够用光谱透射率分布曲线来描述，此光谱透射率分布曲线为一相对值分布。所谓光谱透射率定义为从物体透射出的波长λ的光通量

与入射于物体上的波长λ的光通量

之比。表示为

通常在测量透射样品的光谱透射率时，还应以与样品相同厚度的空气层或参比液作为标准进行比较测量。
　　（二）、吸收
　　物体对光的吸收有两种形式：如果物体对入射白光中所有波长的光都等量吸收，称为非选择性吸收。例如白光通过灰色滤色片时，一部分白光被等量吸收，使白光能量减弱而变暗。如果物体对入射光中某些色光比其它波长的色光吸收程度大，或者对某些色光根本不吸收，这种不等量地吸收入射光称为选择性吸收。例如白光通过黄色滤色片时，蓝光被吸收，其余色光均可透过。
　　物体表面的物质之所以能吸收一定波长的光，这是由物质的化学结构所决定的。可见光的频率为

不同物体由于其分子和原子结构不同，就具有不同的本征频率，因此，当入射光照射在物体上，某一光波的频率与物体的本征频率相匹配时，物体就吸收这一波长（频率）光的辐射能，使电子的能级跃迁到高能级的轨道上，这就是光吸收。
　　在光的照射下，光粒子与物质的微粒作用，这些物质吸收某些波长的光粒子，而不吸收另外一些波长的光粒子，使得不同物质具有不同的颜色。例如，油墨的颜色是颜料的分子结构所决定的。分子结构的某些基团吸收某种波长的光，而不吸收另外波长的光，从而使人觉得好像这一物质"发出颜色"似的，因此把这些基团称为"发色基团"。例如，无机颜料结构中有发色团，如铬酸盐颜料是

（重铬酸根），呈黄色；氧化铁颜料的发色团是

呈红色；铁蓝颜料的发色团是

呈蓝色。这些不同的分子结构对光波有选择性的吸收，反射出不同波长的光。
　　表面覆盖了涂料的物体，对于不透明的涂料来说，颜料颗粒反射回的光还受到颜料连结料性质的影响；如果涂料是透明的，物体的颜色不仅取决于涂料的颜色，还很大程度上决定于涂料层下物体的颜色。
　　白光投射到非选择性吸收物体上时，各种波长的光被吸收的程度一样，所以，从物体上反射或透射出来的光谱成份不变，即这类物体对于各种波长的光的吸收是均等的，产生消色的效果。
　　光照射到非选择性吸收的物体上，反射或透射出来的光与入射光的强度相比，有不同程度的减少。反射率不到10%的非选择性吸收的物体的颜色称为黑色。反射率在75%以上的非选择性吸收的物体的颜色称为白色。非选择性吸收的物体对白光反射率的大小标志着物体的黑白的程度。
　　（三）、反射
　　这里所说的反射是指选择反射，非透明体受到光照射后，由于其表面分子结构差异而形成选择性吸收，从而将可见光谱中某一部分波长的辐射能吸收了，而将剩余的色光反射出来，这种物体称为非透过体或反射体。
　　图2-19（A）表示了入射光通量

与反射光通量

。不透明体反射光的程度，可用光反射率ρ来表示。光反射率可以定义为"被物体表面反射的光通量

与入射到物体表面的光通量

之比。"可表示为

　　从色彩的观点来说，每一个反射物体对光的反射效应，能够以光谱反射率分布曲线来描述。光谱反射率

定义为"在波长λ的光照射下，样品表面反射的光通量

与入射光通量

之比。表示为

　　对图2-19（A）,若用光谱反射率来分析，则可以说在入射白光光谱中，蓝色光和绿色光部分被吸收，

值接近于零；只有红色光部分的辐射能被反射，具有较大的

值，故该物体表面呈红色。图2-19（B）是该物体表面的光谱反射率分布曲线，习惯上称为分光反射曲线或简称分光曲线。分光反射曲线可以精确地描述物体的颜色，对色彩的定量描述有重要意义。

图 2-19

　　物体对光的反射有三种形式，理想镜面的全反射，粗糙表面的漫反射，及半光泽表面的吸收反射。
　　理想的镜面能够反射全部的入射光，但以镜面反射角的方向定向反射（图2-20a）。完全漫反射体朝各个方向反射光的亮度是相等的（图2-20b）。
　　实际生活中绝大多数彩色物体表面，既不是理想镜面，也不是完全漫反射体,而是居二者之中，称为半光泽表面。这种性质可以用变角光度计测量其表面反射率因数的分布状况，从而得到图2-21所示的分布曲线。图中从测试样中心到曲线的半径距离，表示在该方向上反射率因数的大小；曲线a是一个半圆，表示完全漫反射体的反射率因数分布；曲线b是半光泽表面反射率因数分布，这表示在镜面反射方向有较强的反射能力。
　　对于印刷用纸，其表面应属于半光泽表面，图2-22所示是两种纸张，入射角为45°，观察者在0o位置，图2-22（a）是涂料纸，图2-22（b）是非涂料纸。

图 2-20

图2-21

图2-22

　　在彩色印品中，通常是将透明油墨印在纸张上，当入射光以45°照射在印刷墨层表面上时，大约有4%的入射光在墨层表面被反射，称为首层表面反射光；若印刷墨层表面光泽较强，则这4%的首层表面反射光作定向反射，因此不易进入人的眼睛；其余入射光穿过油墨层，经过油墨的选择性吸收后，再透射出来，这就是我们观察到的主色光。如图2-23（a）所示。如果印刷表面粗糙，则这4%的首层表面反射光，将朝各个方面作漫反射，如图2-23（b）所示，此时我们观察到的色光，就是主色光与首层表面反射光的混合光。因为这里有白光的掺和，就降低了主色光的饱和度。所以，同一种油墨印刷在不同的纸上，如果提高印刷表面光泽度，就可以使观察到的色光中，减少首层表面反射的白光，从而提高了色彩的饱和度，促使颜色鲜艳。

图2-23

　　二、物体呈色机理及影响因素
　　（一）、物体色
　　物体对光的选择性吸收是物体呈色的主要原因。我们说"花是红色的"，是因为它吸收了白色光中400～500nm的蓝色光和500～600nm的绿色光，仅仅反射了600～700nm的红色光。花本身没有色彩，光才是色彩的源泉。如果红色表面用绿光来照射，那么就呈现黑色，因为绿光波长的辐射能被全部吸收了，它不包含可反射的红光波长。可见，物体在不同的光谱组成的光的照射下，会呈现出不同的色彩。所以，"色彩"并不是物质本身的物理性实体，只有光波波长才是物理性现实存在，物体的固有性质只是它对可见光谱中某些波段吸收或反射的能力。从这个意义上讲，世界上一切物体本身都是无色的，只是由于它们对光谱中不同波长的光的选择性吸收，才决定了它的颜色。无光则无色，是光赋予了自然界丰富多彩的颜色。
　　显然，物体颜色是受光源的光谱组成（光源光谱能量分布）所决定的，所以物体的颜色可以这样解释：该物体本身不发光，而是从被照射的光里选择性吸收了一部分光谱波长的色光，而反射（或透过）剩余的色光，我们所看到的色彩是剩余的色光，这就是物体的颜色，简称物体色。
　　（二）、固有色
　　长期以来，人们习惯于在日光下辨认物体的颜色。人们对物体呈现的颜色记忆和称呼随着历史的发展而固定下来。因此，我们把物体在标准日光下的颜色，称为固有色。
自然界中的一切物体都有其固有的本征频率，对入射的白光都有固定的选择吸收特性，也就具有固定的反射率和透射率。因此人们在标准日光下看到的物体颜色是稳定的。固有色给人的印象最深刻，形成了记忆，又称为记忆色。
　　（三）、光源色对物体颜色的影响
　　光源所呈现的颜色为光源色。各种光源都有其特定的光谱能量分布，可以发出不同颜色的色光。光源色是影响物体颜色的重要因素。光源色的变化，势必影响物体的颜色。由于光源自身结构和传播空间的影响，使光源色时常在变化着。表现在以下几方面：
　　1、亮度的变化
　　自然光源受气候条件的影响，时刻发生亮度的变化，很不稳定。如晴天和阴天的太阳光强度相差很大。人造光源比自然光源稳定，但也有亮度的变化。例如白炽灯，亮度增大时，颜色趋向于白；亮度减弱时，颜色趋向于红。光源的亮度变化对物体颜色有直接的影响。物体的固有色在入射光亮度适中的时候表现最充分。太亮的强光会使固有色变浅，太暗则会使固有色灰暗乃至消失。
　　2、距离的变化
光源与观察者距离的变化，会使光源色发生改变。如白炽灯光，随着距离的推远，其颜色由黄逐渐向橙、橙红、红色变化。
　　3、传播媒质的变化
　　光传播媒质的变化也会改变光源色。由于大气厚度不断改变，太阳光的颜色也时刻在变化着。早晨、傍晚太阳光投射角度为15°左右，阳光要穿透较厚的大气层才能到达地面，由于光的散射，使光谱中红、橙光透过较多，此时光源色为橙红色；白天太阳光投射角度为60°～90°，太阳光的散射作用比较均匀，透到地面的光源色为白色。
　　物体表面的色彩与光源的光谱成份有极大的关系。用于照明的光源色往往是极复杂的。可能是单色光，也可能是复色光。就复色光而言，其光谱成份也可能不相同。物体对入射光的吸收、反射、透射的光学特性虽然不受光源的影响，但当光源的光谱成份发生变化时，必然影响到物体的反射或透射光的光谱成份，从而使物体的表面颜色随着光源色的变化而变化。消色物体在彩色光源的照射下，会呈现彩色。白色物体，在红光照射下呈现红色；在红光和蓝光的同时照射下呈现品红色。彩色物体在特定光源照射下，会呈现消色。例如，在白光下为绿色的物体，在暗室的红灯照射下就几乎成为黑色的物体了，因为绿色物体只反射绿光，而红灯中没有绿光的成份，物体表面在红光照射下不能反射出绿色的光来，红光又都被吸收了，因此显出黑色，如图2-24所示。

图2-24 同一物体在不同光源下呈现不同颜色

　　同理，在自然光或接近日光光谱的人造光源下观察一张黄色的印样，能很清楚地看出墨色深浅和层次的传递情况。因为在标准照明条件下，黄色的图文容易与白纸区分开。如果在普通白炽灯下观察这张印样，白纸上的黄墨层就看不太清楚了，很难判别油墨的深浅和层次的好坏。这是因为白炽灯的光谱中蓝色成份较缺乏，而使灯光偏黄，在这样的灯光照明下，黄色图文和白色纸张不容易分清，因此，图文的深浅，层次很难看清。
　　光源色对物体色的影响主要表现在物体的光亮部位。不同的光源色对物体色彩变化的影响程度各不相同，大致以红光最强﹑白光次之﹑再次为绿、蓝、青、紫等。
　　4、环境色对物体颜色的影响
　　一般地讲，物体的固有色是不变的。但是任何物体若放在其它有色物体中间，必然会受到周围邻近物体的颜色（即环境色）的影响。
　　环境色对物体色的影响在物体的暗部表现得比较明显。环境色对物体的颜色的影响取决于环境色的强弱，邻近物体与被观视物体的距离，被观视物体表面粗糙程度和颜色等性质。一般地说，邻近物体与被观视物体靠得越近，被观视物体表面越光滑，反射光线越强，则环境对被观视物体的颜色所施加的影响也越大。反之，与邻近物体距离越远，表面越粗糙，颜色越浅，物体受环境色的影响越小。
　　环境对颜色的影响还有另一种形式，如图2-25所示，中央的小方块都具有同样的灰度，但由于受到周围的颜色的影响，使人对每一块色块有的不同感受。因此，如果不把观视条件确定下来，无法把同一色块的物理性质和它所引起的视觉感受统一起来的。为此国际标准照明委员会（CIE）推荐了一套标准观视条件。

图2-25 背景对颜色的影响

　　综上所述，物体的基本颜色特征是固有色，但由于光源色与环境色的影响使物体表面的色彩丰富多变。在特定的光源与环境下物体呈现的颜色称为条件色。每一物体的颜色都是物体的固有色与条件色的综合体现。
　　一般说来，物体的固有色很容易确认，而条件色却很复杂，一幅好的艺术作品，恰恰是通过条件色来充分体现其复杂的空间关系的。因此，包装设计和色彩复制工作者，应更好地掌握条件色的变化规律，才能更真实、更准确地作好包装色彩的设计和复制工作。