| 色彩的物理理論 第一節(jié) 光源 | |||||||||||||||||||||||||
| 一、 色與光的關系 我們生活在一個多彩的世界里。白天，在陽光的照耀下，各種色彩爭奇斗艷，并隨著照射光的改變而變化無窮。但是，每當黃昏，大地上的景物，無論多么鮮艷，都將被夜幕緩緩吞沒。在漆黑的夜晚，我們不但看不見物體的顏色，甚至連物體的外形也分辨不清。同樣，在暗室里，我們什么色彩也感覺不到。這些事實告訴我們：沒有光就沒有色，光是人們感知色彩的必要條件，色來源于光。所以說：光是色的源泉，色是光的表現(xiàn)。 為了了解色彩產(chǎn)生的原因，首先必須對光作進一步的了解。 二、光的本質 人們對光的本質的認識，最早可以追溯到十七世紀。從牛頓的微粒說到惠更斯的彈性波動說，從麥克斯韋的電磁理論，到愛因斯坦的光量子學說，以至現(xiàn)代的波粒二象性理論。 光按其傳播方式和具有反射、干涉、衍射和偏振等性質來看，有波的特征；但許多現(xiàn)象又表明它是有能量的光量子組成的，如放射、吸收等。在這兩點的基礎上，發(fā)展了現(xiàn)代的波粒二象性理論。 光的物理性質由它的波長和能量來決定。波長決定了光的顏色，能量決定了光的強度。光映射到我們的眼睛時，波長不同決定了光的色相不同。波長相同能量不同，則決定了色彩明暗的不同。 在電磁波輻射范圍內(nèi)，只有波長380nm到780nm（1nm=10-6mm）的輻射能引起人們的視感覺，這段光波叫做可見光。如圖2-1所示。在這段可見光譜內(nèi)，不同波長的輻射引起人們的不同色彩感覺。英國科學家牛頓在1666年發(fā)現(xiàn)，把太陽光經(jīng)過三棱鏡折射，然后投射到白色屏幕上，會顯出一條象彩虹一樣美麗的色光帶譜，從紅開始，依次接臨的是橙、黃、綠、青、藍、紫七色。如圖2-2所示。這是因為日光中包含有不同波長的輻射能，在它們分別刺激我們的眼睛時，會產(chǎn)生不同的色光，而它們混合在一起并同時刺激我們的眼睛時，則是白光，我們感覺不出它們各自的顏色。但是，當白光經(jīng)過三棱鏡時，由于不同波長的折射系數(shù)不同，折射后投影在屏上的位置也不同，所以一束白光通過三棱鏡便分解為上述七種不同的顏色，這種現(xiàn)象稱為色散。從圖2-2中可以看到紅色的折射率最小，紫色最大。這條依次排列的彩色光帶稱為光譜。這種被分解過的色光，即使再一次通過三棱鏡也不會再分解為其它的色光。我們把光譜中不能再分解的色光叫做單色光。由單色光混合而成的光叫做復色光，自然界的太陽光，白熾燈和日光燈發(fā)出的光都是復色光。色散所產(chǎn)生的各種色光的波長如表2-1所示。
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| 圖 2-1電磁波及可見光波長范圍 | 圖 2-2色散現(xiàn)象 | ||||||||||||||||||||||||
表2-1 | |||||||||||||||||||||||||
| 三、相對光譜能量分布 一般的光源是不同波長的色光混合而成的復色光，如果將它的光譜中每種色光的強度用傳感器測量出來，就可以獲得不同波長色光的輻射能的數(shù)值。圖2-3就是一種用來測量各波長色光的輻射能儀器的簡要原理圖，這種儀器稱為分光輻射度計。 | |||||||||||||||||||||||||
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| 圖 2-3 分光輻射度計原理圖 | |||||||||||||||||||||||||
| 圖2-3表明，光源經(jīng)過左邊的隙縫和透鏡變成平行光束，投向棱鏡的入射平面，當入射光通過棱鏡時，由于折射，使不同波長的色光，以不同的角度彎折，從棱鏡的入射平面射出。任何一種分解后的光譜色光在離開棱鏡時，仍保持為一束平行光，再由右邊的透鏡聚光，通過隙縫射在光電接收器上轉換為電能。如果右邊的隙縫是可以移動的，就可以把光譜中任意一種譜色挑選出來，所以，在光電接收器上記錄的是光譜中各種不同波長色光的輻射能。若以φe表示光的輻射能，λ表示光譜色的波長，則定義：在以波長λ為中心的微小波長范圍內(nèi)的輻射能與該波長的寬度之比稱為光譜密度。寫成數(shù)學形式： φe(λ)=dφe∕dλ （W/nm） 光譜密度表示了單位波長區(qū)間內(nèi)輻射能的大小。通常光源中不同波長色光的輻射能是隨波長的變化而變化的，因此，光譜密度是波長的函數(shù)。光譜密度與波長之間的函數(shù)關系稱為光譜分布。 在實用上更多的是以光譜密度的相對值與波長之間的函數(shù)關系來描述光譜分布，稱為相對光譜能量（功率）分布，記為S（λ）。相對光譜能量分布可用任意值來表示，但通常是取波長λ=555nm處的輻射能量為100，作為參考點，與之進行比較而得出的。若以光譜波長λ為橫坐標，相對光譜能量分布S（λ）為縱坐標，就可以繪制出光源相對光譜能量分布曲線。 知道了光源的相對光譜能量分布，就知道了光源的顏色特性。反過來說，光源的顏色特性，取決于在發(fā)出的光線中，不同波長上的相對能量比例，而與光譜密度的絕對值無關。絕對值的大小只反映光的強弱，不會引起光源顏色的變化。從圖2-4中可以看到：正午的日光有較高的輻射能，它除在藍紫色波段能量較低外，在其余波段能量分布均較均勻，基本上是無色或白色的。熒光燈光源在405nm、430nm、540nm和580nm出現(xiàn)四個線狀帶譜，峰值在615nm，而后在長波段（深紅）處能量下降，這表明熒光光源在綠色波段（550nm～560nm）有較高的輻射能，而在紅色波段（650nm～700nm）輻射能減弱。對比之下，白熾燈光源，它在短波藍色波段，輻射能比熒光光源低，而在長波紅色區(qū)間，有相對高的能量。因此，白熾燈光源，總帶有黃紅色。紅寶石激光器發(fā)出的光，其能量完全集中在一個很窄的波段內(nèi)，大約為694nm，看起來是典型的深紅色。在顏色測量計算中，為了使其測量結果標準化，就要采用CIE標準光源（如A、B、C、D65等）。CIE標準光源將在以后介紹。 | |||||||||||||||||||||||||
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| 圖 2-4 | |||||||||||||||||||||||||
| 根據(jù)對圖2-4各曲線的分析表明，沒有一種實際光源的能量分布是完全均勻一致的，也沒有一種完全的白光；然而，盡管這些光源（自然光或人造光）在光譜分布上有很大的不同，在視覺上也有差別，但由于人眼有很大的適應性，因此，習慣上這些光都稱為"白光"。但是在色彩的定量研究中，1931年國際照明委員會（縮寫CIE）建議，以等能量光譜作為白光的定義，等能白光的意義是：以輻射能作縱坐標，光譜波長為橫坐標，則它的光譜能量分布曲線是一條平行橫軸的直線。即：S（λ）=C（常數(shù)）。等能白光分解后得到的光譜稱為等能光譜，每一波長為λ的等能光譜色色光的能量均相等。 四、光源色溫 能自行發(fā)光的物體叫做光源。光源的種類繁多，形狀千差萬別，但大體上可分為自然光源和人造光源。自然光源受自然氣候條件的限制，光色瞬息萬變，不易穩(wěn)定，如最大的自然光源太陽。人造光源有各種電光源和熱輻射光源，如電燈光源等。 不同的光源，由于發(fā)光物質不同，其光譜能量分布也不相同。一定的光譜能量分布表現(xiàn)為一定的光色，對光源的光色變化，我們用色溫來描述。 根據(jù)能量守恒定律：物體吸收的能量越多，加熱時它輻射的本領愈大。黑色物體對光能具有較大的吸收能力。如果一個物體能夠在任何溫度下全部吸收任何波長的輻射，那么這個物體稱為絕對黑體。絕對黑體的吸收本領是一切物體中最大的，加熱時它輻射本領也最大。天然的、理想的絕對黑體是不存在的。人造黑體是用耐火金屬制成的具有小孔的空心容器，如圖2-5所示，進入小孔的光，將在空腔內(nèi)發(fā)生多次反射，每次反射都被容器的內(nèi)表面吸收一部分能量，直到全部能量被吸收為止，這種容器的小孔就是絕對黑體。 | |||||||||||||||||||||||||
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| 圖 2-5絕對黑體示意圖 | |||||||||||||||||||||||||
| 黑體輻射的發(fā)射本領只與溫度有關。嚴格地說，一個黑體若被加熱，其表面按單位面積輻射光譜能量的大小及其分布完全決定于它的溫度。因此我們把任一光源發(fā)出的光的顏色與黑體加熱到一定溫度下發(fā)出的光的顏色相比較，來描述光源的光色。所以色溫可以定義為："當某一種光源的色度與某一溫度下的絕對黑體的色度相同時絕對黑體的溫度。"因此，色溫是以溫度的數(shù)值來表示光源顏色的特征。在人工光源中，只有白熾燈燈絲通電加熱與黑體加熱的情況相似。對白熾燈以外的其它人工光源的光色，其色度不一定準確地與黑體加熱時的色度相同。所以只能用光源的色度與最相接近的黑體的色度的色溫來確定光源的色溫，這樣確定的色溫叫相對色溫。 色溫用絕對溫度"K"表示，絕對溫度等于攝氏溫度加273。如正午的日光具有色溫為6500K，就是說黑體加熱到6500K時發(fā)出的光的顏色與正午的顏色相同。其它如白熾燈色溫約為2600K。表2-2列出了一些常見的光源色溫。 色溫是光源的重要指標，一定的色光具有一定的相對能量分布：當黑體連續(xù)加熱，溫度不斷升高時，其相對光譜能量分布的峰值部位將向短波方向變化，所發(fā)的光帶有一定的顏色，其變化順序是紅-黃-白-藍。 | |||||||||||||||||||||||||
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| 五、光源顯色性 人類在長期的生產(chǎn)生活實踐中，習慣于在日光下辨認顏色。盡管日光的色溫和光譜能量分布隨著自然條件的變化有很大的差異，但人眼的辨認能力依然是準確的。這是人們在自然光下長期實踐對顏色形成了記憶的結果。 隨著照明技術的發(fā)展，許多新光源的開發(fā)利用，人們經(jīng)常在不同的環(huán)境下辨認顏色。有些燈光的顏色與日光很相似如熒光燈、汞燈等，但其光譜能量分布與日光卻有很大的差別。這些光譜中缺少某些波長的單色光成份。人們在這些光源下觀察到的顏色與日光下看到的顏色是不同的，這就涉及到光源的顯色性問題。 什么是光源的顯色性？由于同一個顏色樣品在不同的光源下可能使人眼產(chǎn)生不同的色彩感覺，而在日光下物體顯現(xiàn)的顏色是最準確的。因此，可以用日光標準（參照光源），將白熾燈、熒光燈、鈉燈等人工光源（待測光源）與其比較，顯示同色能力的強弱叫做該人工光源的顯色性。我國國家標準"光源顯色性評價方法GB5702-85"中規(guī)定用普朗克輻射體（色溫低于5000K）和組合日光（色溫高于5000K）做參照光源。為了檢驗物體在待測光源下所顯現(xiàn)的顏色與在參照光源下所顯現(xiàn)的顏色相符的程度，采用"一般顯色性指數(shù)"作為定量評價指標。顯色性指數(shù)最高為100。顯色性指數(shù)的高低，就表示物體在待測光源下"變色"和"失真"的程度。例如，在日光下觀察一副畫，然后拿到高壓汞燈下觀察，就會發(fā)現(xiàn)，某些顏色已變了色。如粉色變成了紫色，藍色變成了藍紫色。因此，在高壓汞燈下，物體失去了"真實"顏色，如果在黃色光的低壓鈉燈底下來觀察，則藍色會變成黑色，顏色失真更厲害，顯色指數(shù)更低。光源的顯色性是由光源的光譜能量分布決定的。日光、白熾燈具有連續(xù)光譜，連續(xù)光譜的光源均有較好的顯色性。 通過對新光源的研究發(fā)現(xiàn)，除連續(xù)光譜的光源具有較好的顯色性外，由幾個特定波長色光組成的混合光源也有很好的顯色效果。如450nm的藍光，540nm的綠光，610nm的桔紅光以適當比例混合所產(chǎn)生的白光，雖然為高度不連續(xù)光譜，但卻具有良好的顯色性。用這樣的白光去照明各色物體，都能得到很好的顯色效果。 光源的顯色性以一般顯色性指數(shù)Ra值區(qū)分： Ra值為100～75 顯色優(yōu)良 75～50 顯色一般 50以下 顯色性差 光源顯色性和色溫是光源的兩個重要的顏色指標。色溫是衡量光源色的指標，而顯色性是衡量光源視覺質量的指標。假若光源色處于人們所習慣的色溫范圍內(nèi)，則顯色性應是光源質量的更為重要的指標。這是因為顯色性直接影響著人們所觀察到的物體的顏色。 六、光源三刺激值 在定量研究中我們發(fā)現(xiàn)，某種光源所發(fā)出的光，可以通過紅、綠、藍三種單色光按不同比例混合匹配產(chǎn)生。這種用來匹配某一特定光源所需要的紅、綠、藍三原色的量叫做該光源三刺激值。光源的紅、綠、藍三刺激值分別用X0、Y0、Z0來表示。關于三刺激值的相關內(nèi)容，可參看第五章。 七、標準光源 我們知道，照明光源對物體的顏色影響很大。不同的光源，有著各自的光譜能量分布及顏色，在它們的照射下物體表面呈現(xiàn)的顏色也隨之變化。為了統(tǒng)一對顏色的認識，首先必須要規(guī)定標準的照明光源。因為光源的顏色與光源的色溫密切相關，所以CIE規(guī)定了四種標準照明體的色溫標準： 標準照明體A：代表完全輻射體在2856K發(fā)出的光（X0=109.87，Y0=100.00，Z0=35.59）； 標準照明體B：代表相關色溫約為4874K的直射陽光（X0=99.09，Y0=100.00，Z0=85.32）； 標準照明體C：代表相關色溫大約為6774K的平均日光，光色近似陰天天空的日光（X0=98.07，Y0=100.00，Z0=118.18）； 標準照明體D65：代表相關色溫大約為6504K的日光（X0=95.05，Y0=100.00，Z0=108.91）； 標準照明體D：代表標準照明體D65以外的其它日光。 CIE規(guī)定的標準照明體是指特定的光譜能量分布，是規(guī)定的光源顏色標準。它并不是必須由一個光源直接提供，也并不一定用某一光源來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)CIE規(guī)定的標準照明體的要求，還必須規(guī)定標準光源，以具體實現(xiàn)標準照明體所要求的光譜能量分布。CIE推薦下列人造光源來實現(xiàn)標準照明體的規(guī)定： 標準光源A：色溫為2856K的充氣螺旋鎢絲燈，其光色偏黃。 標準光源B：色溫為4874K，由A光源加罩B型D-G液體濾光器組成。光色相當于中午日光。 標準光源C：色溫為6774K，由A光源加罩C型D-G液體濾光器組成，光色相當于有云的天空光。 CIE標準光源A、B、C的相對光譜能量分布曲線如圖2-6所示。 | |||||||||||||||||||||||||
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| 圖2-6 標準光源相對光譜能量分布 | |||||||||||||||||||||||||
| CIE標準照明體A、B、C由標準光源A、B、C實現(xiàn)，但對于模擬典型日光的標準照明體D65，目前CIE還沒有推薦相應的標準光源。因為它的光譜能量分布在目前還不能由真實的光源準確地實現(xiàn)。當前國際上正在進行著與標準照明體D65相對應的標準光源的研制工作。 現(xiàn)在研制的三種模擬D65人造光源分別為：帶濾光器的高壓氙弧燈、帶濾光器的白熾燈和熒光燈。它們的相對光譜能量分布與D65有所符合，帶濾光器的高壓氙弧燈提供了最好的模擬，帶濾光器的白熾燈在紫外區(qū)的模擬尚不太理想，熒光燈的模擬較差。為了滿足精細辨色生產(chǎn)活動的需要，還有采用熒光燈和帶濾器的白熾燈組成的混光光源，稱為D75光源。其色溫可達7500K。主要運用在原棉評級等精細辨色工作中。 | |||||||||||||||||||||||||
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