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色度学、色坐标,色温,容差,显色指数

2012-06-13  谁与争feng

  色坐标,色温,容差,显色指数是什么关系?该如何控制?
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  色坐标反映的是被测灯管颜色在色品图中的位置,他是利用数学方法来表示颜色的基本参数。
  色温就是说灯管在某一温度T下所呈现出的颜色与黑体在某一温度T0下的颜色相同时,则把黑体此时的温度T0定义为灯管的色温。
  容差是表征的是光源色品坐标偏离标准坐标点的差异,是光源颜色一致性性能的体现.
  显色指数实际上就是显示物体真实颜色的能力,这里的真实颜色指的是在太阳光下照射所反映出的颜色。显色指数与色温是有关系的,一般而言,色温越低显色指数越高,白炽灯就是100,节能灯通常在75-90之间。显色指数反映了照明体复现颜色的能力,根据人们的生活习惯,认为日光下看到的颜色为物体的真实颜色.
  色坐标和容差\色温是有关系的,坐标确定后容差和色温也就确定.但他们和现色指数无关.控制它们主要是要稳定制灯工艺,特别是粉层厚薄和真空度,充氩量.然后用荧光粉进行调配,不要随意更换荧光粉厂家.
  色坐标与色容差是有关系的,色坐标是根据色标图而算出来的,色差就是实际测出的色坐标与标准的差。色差大从一方面来说也就是你的灯管的稳定性怎么样,以我的经验,你可以去检查一下氩气是否达到工艺要求(氩气适当多一些可增强灯管的一致性),由于T5是自动圆排机,所以也要检查一下系统的真空度是否良好(真空度差也会使颜色产生较大的差异,最后去测一下,圆排机烘箱的上下端温度差是否在40以内。
  白光LED光通量随色坐标增大而增加
  研究了在蓝光芯片加黄色荧光粉制备白光LED方法中,色坐标位置对光通量的影响。在同样蓝光功率条件下,我们对标准白光点(色坐标x=0.33±0.05,y=0.33±0.05)附近不同色坐标位置的光通量进行了计算。
  假设(0.325,0.332)位置流明效率为100 lm/W,计算得出,最大光通量对应的色坐标位置为(0.35,0.38),光通量为112 lm;最小光通量对应的色坐标位置为(0.29,0.28),光通量为93.5 lm。相对于100 lm的变化幅度达到18.5%。通过与实验数据的对比和分析,进一步验证了白光LED光通量随色坐标增大而增加的这一趋势。
  色度学
  色度学确切的讲它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学。每个人的视觉并不是完全一样的。在正常视觉的群体中间,也有一定的差别。目前在色度学上为国际所引用的数据,是由在许多正常视党人群中观测得来的数据而得出的平均结果。就技术应用理论上来说,已具备足够的代表性和可靠的准确性。
  一、颜色的确切含意
  在日常生活中,人们习惯把颜色归属于某一物体的本身,把它作为某一物体所具有的属于自身的基本性质。比如人们所常讲的那是一块红布,那是一张白纸等等。但在实际上,人们在眼中所看到的颜色,除了物体本身的光谱反射特性之外,主要和照明条件所造成的现象有关。如果一个物体对于不同波长的可视光波具有相同的反射特性,我们则称这个物体是白色的。而这物体是白色的结论是在全部可见光同时照射下得出的。同样是这个物体,如果只用单色光照射,那这个物体的颜色就不再是白色的了。同样的道理,一块红布如果是我们在白天日光下得出的结论,那同样是这块布在红光的照射下,在人们眼中反映出的颜色就不再是红色的而是白色的。
  这些现象说明,在人们眼中所反映出的颜色,不单取决于物体本身的特性,而且还与照明光源的光谱成分有着直接的关系。所以说在人们眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果。我们用色度学来评价的结论就是这种综合效果。
  二、色彩三要素
  任何色彩的显示,实际上都是色光刺激人们的视觉神经而产生感觉,我们把这种感觉称之为色觉。色别、明度和饱合度是色彩的三个特征,也是色觉的三个属性,通常将色别、色彩明度和色饱合度称为“色彩三要素”。
  1.色别
  色彩所具有的最显著特征就是色别,也称色相。它是指各种颜色之间的差别。从表面现象来讲,例如一束平行的白光透过一个三棱镜时,这束白光因折射而被分散成一条彩色的光带,形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色,就是不同的色别。从物理光学的角度上来讲,各种色别是由射入人眼中光线的光谱成分所决定的,色别即色相的形成取决于该光谱成分的波长。我们所讲的光是电磁波谱中的一小部分,波长范围大约为400~700纳米,在这个范围内各种波长的光呈现出各种不同的色彩。在自然界中所呈现出的各种色彩大都是由不同波长和强度的光波混合在一起而显示出来的,有的则是某个单一波长的固有特性色彩。总之,色别就是指不同颜色之间质的差别,它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有标志。
  2.明度
  明度是指色彩的明暗程度。每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别,我们知道,物体的各种颜色,必须在光线的照射下,才能显示出来。这是因为物体所呈现的颜色,取决于物体表面对光线中各种色光的吸收和反射性能。前面提到的红布之所以呈现红色,是由于它只反射红光,吸收了红光之外的其余色光。白色的纸之所以呈现白光,是由于它将照射在它表面上的光的全部成分完全反射出来。如果物体表面将光线中各色光等量的吸收或全部吸收,物体的表现将呈现出灰色或黑色。同一物体由于照射在它表面的光的能量不同,反射出的能量也不相同,因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射下呈现出明暗的差别。白颜料属于高反射率物质,无论什么颜色掺入白颜料,可以提高自身的明度。黑颜料属于反射率极低的物质,因此在各种颜色的同一颜色中(黑除外)掺黑越多明度越低。在摄影中,正确处理色彩的明度很重要,如果只有色别而没有明度的变化,就没有纵深感和节奏感,也就是我们常说的没层次。
  3.饱和度
  饱和度是指构成颜色的纯度,它表示颜色中所含彩色成分的比例。彩色比例越大,该色彩的饱和度越高,反之则饱和度越低。从实质上讲,饱和度的程度就是颜色与相同明度有消色的相差程度,所包含消色成分越多,颜色越不饱和。色彩饱和度与被摄物体的表面结构和光线照射情况有着直接的关系。同一颜色的物体,表面光滑的物体比表面粗糙的物体饱和度大;强光下比阴暗的光线下饱和度高。
  不同的色别在视觉上也有不同的饱和度,红色的饱和度最高,绿色的饱和度最低,其余的颜色饱和度适中。在照片中,高饱和度的色彩能使人产生强烈、艳丽亲切的感觉;饱和度低的色彩则易使人感到淡雅中包含着丰富。
  三、三原色和三补色之间的关系
  自然界中各种物体所表现出的不同色彩,都是由蓝色、绿色和红色光线按适当比例混合起来即作用不同的吸收或反射而呈现在人们眼中的。所以,蓝色、绿色和红色就是组成各种色彩的基本成分。因此我们把这三个感色单元称为三原色。
  三原色的光谱波长如下:
  435.8Nm 波长约400~500 纳米的范围属蓝光范围;
  546.1Nm 波长约500~600 纳米的范围属绿光范围;
  700Nm 波长约600~700 纳米的范围属红光范围。
  这三个原色的光波在可见光光谱中各占三分之一。三个原色中的一个与另外两个原色或其中一个原色等量相加,就可得到其它的色彩,其规律可用下式表示:
  红光绿光黄光
  红光蓝光品红光
  绿光蓝光青光
  红光绿光蓝光白光

  R +G = Y 1
  R + B = M 2
  G + B = 3
  R +G + B = W 4

  由此可见,三原色的构成和叠加可以概括为以下四点:
  1.自然界的色彩是由三原色为基本色构成的,三原色按不同的比例相混合可以合成出自然界中的任何颜色。
  2.蓝、绿、红这三种原色是互相独立的,它们中的任何一种颜色都不能用另外两种颜色混合得到。
  3.三种原色的混合比例决定色别。
  4.混合色光的亮度等于各原色光的亮度和。根据上述色光叠加的规律,我们分别将(1)(2)(3)式代入到(4)式中。可得
  由R+G=Y
  得R=Y-G(5)
  (5)代入(4)得
  Y-G+G+B=W
  Y+B=W 黄光+蓝光=白光
  由R+B=M
  得R=M-B(6)
  (6)代入(4)得
  M-B+G=B=W
  M+G=W 品红光+绿光=白光
  由G+B=C 得
  G=C-B(7)
  (7)代入(4)得
  R+C-B+B=W
  R+C=W 红光+青光=白光
  黄光蓝光白光
  品红光绿光白光
  青光红光白光
  Y + B = W
  M +G = W
  C + R = W

  两种色光相加后如果得到白光,则该两色光互为补色。与蓝光、绿光和红光互为补色的三色光分别为黄色、品红光和青光。我们通常称这三色光为“三补色”。这三个补色,在可见光谱中,各约占三分之二。
  基本色度学2008-09-27
  色度学是—门研究彩色计量的科学,其任务在于研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及应用。彩色视觉是人眼的—种明视觉。彩色光的基本参数有:明亮度、色调和饱和度。明亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说,彩色光能量大则显得亮,反之则暗。色调反映颜色的类别,如红色、绿色、蓝色等。彩色物体的色调决定于在光照明下所反射光的光谱成分。例如,某物体在日光下呈现绿色是因为它反射的光中绿色成分占有优势,而其它成分被吸收掉了。对于透射光,其色调则由透射光的波长分布或光谱所决定。饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光,其饱和度越高,颜色就越深,或越纯;而饱和度越小,颜色就越浅,或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅,变成低饱和度的色光。因而饱和度是色光纯度的反映。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光阴纯色光。色调与饱和度又合称为色度,它即说明彩色光的颜色类别,又说明颜色的深浅程度。
  应强调指出,虽然不同波长的色光会引起不同的彩色感觉,但相同的彩色感觉却可来自不同的光谱成分组合。例如,适当比例的红光和绿光混合后,可产生与单色黄光相同的彩色视觉效果。事实上,自然界中所有彩色都可以由三种基本彩色混合而成,这就是三基色原理。
  基于以上事实,有人提出了一种假设,认为视网膜上的视锥细胞有三种类型,即红视锥细胞、绿视锥细胞和蓝视锥细胞。黄光既能激励红视锥细胞,又能激励绿视锥细胞。由此可推论,当红光和绿光同时到达视网膜时,这两种视锥细胞同时受到激励,所造成的视觉效果与单色黄光没有区别。
  三基色是这样的三种颜色,它们相互独立,其中任一色均不能由其它二色混合产生。它们又是完备的,即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到。有两种基色系统,一种是加色系统,其基色是红、绿、蓝;另一种是减色系统,其三基色是黄、青、紫(或品红)。不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色,其规律为:
  红+绿=黄
  红+蓝=紫
  蓝+绿=青
  红+蓝+绿=白
  彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染料来配出,这就是相减混色。因为颜料能吸收入射光光谱中的某些成分,未吸收的部分被反射,从而形成了该颜料特有的彩色。当不同比例的颜料混合在一起的时候,它们吸收光谱的成分也随之改变,从而得到不同的彩色。其规律为:
  黄=白-蓝
  紫=白-绿
  青=白-红
  黄+紫=白-蓝-绿=红
  黄+青=白-蓝-红=绿
  紫+青=白-绿-红=蓝
  黄+紫+青=白-蓝-绿-红=黑
  相减混色主要用于美术、印刷、纺织等,我们讨论的图象系统用的是相加混色,注意不要将二者混淆。
  根据人眼上述的彩色视觉特征,就可以选择三种基色,将它们按不同的比例组合而引起各种不同的彩色视觉。这就是三基色原理的主要内容。
  原则上可采用各种不同的三色组,为标准化起见,国际照明委员会(CIE)作了统一规定。选水银光谱中波长为 546.1 纳米的绿光为绿基色光;波长为 435.8 纳米的蓝光为蓝基色光。
  实验发现,人眼的视觉响应应取决于红、绿、蓝三分量的代数和,即它们的比例决定了彩色视觉,而其亮度在数量上等于三基色的总和。这个规律称为 Grassman 定律。由于人眼的这一特性,就有可能在色度学中应用代数法则。
  白光(W)可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色相加而得,它们的光通量比例为
  ΦR:ΦG:ΦB = 1:4.5907:0.0601
  通常,取光通量为1光瓦的红基色光为基准,于是要配出白光,就需要4.5907光瓦的绿光和 0.0601光瓦的蓝光,而白光的光通量则为
  Φw =1 + 4.5907 + 0.0601=5.6508光瓦
  为简化计算,使用了三基色单位制,记作[R]、[G]、[B],它规定白光是由各为1个单位的三基色光组成,即
  M
  W = 1[R] + 1[G] + 1
  符号M的含义是“可由…混合配出”。由此可知,
  =
  1个单位[R]=1光瓦(红基色光)
  1个单位[G]=4.5907光瓦(绿基色光)
  1个单位[B]=O.0601光瓦(蓝基色光)
  选定上述单位以后,对于任意给出的彩色光C,其配色方程可写成
  C=r1[R] + g1[G] + b1[B]
  该色的光通量为
  Φc=(r1+4.5907g1+0.0601b1)光瓦
  =680(r1+4.5907g1+0.0601b1)流明
  其中,r1、g1、b1为三个色系数。在只考虑色光色度时,起决定作用的是r1、g1、b1的相对比例,而不是其数值大小,于是可进一步规格化。令
  m = r1 + g1 + b1
  r = r1/m
  g = g1/m
  b = b1/m
  显然, r+g+b=1式中, m称为色模,它代表某彩色光所含三基色单位的总量。 r、 g、 b称为 RGB制的色度座标或相对色系数,它们分别表示:当规定所用三基色单位总量为 1 时,为配出某种给定色度的色光所需的[R]、[G]、[B]数值。这样C=m{r[R]+g[G]+b[B]}。

三基色单位的总量

  除了数学表达式以外,描述色彩的还有色度图,色度图能把选定的三基色与它们混合后得到的各种彩色之间的关系简单而方便地描述出来。图1 表示一个以三基色顶点的等边三角形。三角形内任意一点 P到三边的距离分别为r、g、b。若规定顶点到对应边的垂线长度为1,则不难证明关系r+g+b=1成立,因此r、 g、 b就是这一色三角形的色度座标。显然,白色色度对应于色三角形的重心,记为 W,因为该点 r=1/3,g=1/3,b=1/3 沿 RG边表示由红色和绿色合成的彩色,此边的正中点为黄色,其色度座标为 r=1/2, g=1/2, b=0.橙色在黄色与红色之间(r=3/4,g=1/4,b=O)。同样,品红色(也称紫色,但与谱色紫不一样)在RB边的中点(r=1/2,g=0,b=1/2),青色在 BG边的中点 (r=0,g=1/2,b=1/2)。穿过 W点的任一条直线连接三角形上的两点,该两点所代表的颜色相加均得到白色。通常把相加后形成白色的两种颜色称为互补色。例如图中的红与青、绿与品红、蓝与黄皆为互补色。从三角形边线上任一点(如R点)沿着此点与W的连线 (如RW)移向 W点,则其颜色(如100%饱和度的纯红色)逐渐变淡,到达W点后颜色就完全消失。上述色三角形称为 Maxwell色三角形,使用起来有所不便。如果我们用类似直角三角形的形式直接标度,就方便多了。基于r+g+b=l,故在直角三角形中只需标出 r和g的单位,由 b=1-r-g即可知道b。如色度Q,位于座标r=0.5, g=0.2处,说明色度Q包含0.5单位[R]、0.2单位[G]和0.3单位[B]。虽然RGB色度图的物理概念清晰,但还有不足之处。譬如在色度图上不能表示亮度,且相对色系数出现负值等。下面介绍一种确定彩色的标准坐标系统,称为 CIE色度图。 CIE是法文 Commission International del'Eclairage(国际照明委员会)的缩写词。
  CIE 色度图所用的三基色单位为 [X]、[Y]、[Z],而任何一种彩色均可由此三基色单位来表示,即
  C=x1[X]+y1[Y]+z1[Z]
  式中,x1、y1、z1为三个色系数。在选择三基色单位[X]、[Y]、[Z]时,必须满足下列三个条件以克服 RGB 色度图的弊病。
  (1)当它们配出实际色彩时,三个色系数均应为正值;
  (2)为方便计算,使合成彩色光的亮度仅由y1[Y]一项确定,并且规定1[Y]光通量为1 光瓦。换句话说,另外两个基色光不构成混合色光的亮度,但合成光的色度仍然由[X]、 [Y]、[Z]的比值确定;
  (3)x1[X]=y1[Y]=z1[Z]时,混合得到是白光。
  根据上述三个条件求得XYZ色度图中的三基色为任意色彩C在XYZ空间中可以表示为
  |[X]| |[R]|
  |[Y]| = A |[G]|
  |[Z]| |[B]|
  其中 | 0.4185 -0.0912 0.0009 |
  A = |-0.1587 0.2524 -0.025 |
  |-0.0828 0.0157 0.1786 |
  任意色彩 C 在 XYZ 空间中可以表示为
  C = m’{x[X] + y[Y] + z[Z]}
  其中 m’= x1+y1+z1, x=x1/m’,y=y1/m’,z=z1/m’ 显然, x+y+z=1
  我们称 x、 y、 z为 XYZ制的色度座标或相对色系数。上式说明,三个色度座标中有一个是不独立的,因而可以用 x,y直角座标系来表示各种色度,这样的平面图形就是 CIE色度图,如图2所示。由图可见,所有的色谱(可见光谱中包含的一系列单色)都位于马蹄形曲线上,曲线上加注了毫微米标记,以便能根据它们的波长而辨别其单色。在马蹄形内部包含了用物理方法能实现的所有彩色。马蹄形的底部没有给予标记,因为那里是非谱色(各种紫红色,这些彩色不能作为单色出现在光谱上),对于这些非谱色,波长当然是没有意义的。

XYZ制的色度座标


  最后着重指出,[X]、[Y]、 [Z]只是计算量,是一种假想的三基色,不能用物理方法直接得到。
  三色理论的基本要点是,任意彩色可由适当比例的三种基本彩色匹配出来。在加性系统,如彩色电视中, 三基色是红、绿和蓝,把适当比例的三基色投射到同一区域,则该区域会产生一个混合彩色。而匹配这个混合色的三基色并不是唯一的。CIE为适应不同的需要,建立了一系列标准基色参考系。例如谱色基色系中,三基色是三个谱色,其波长分别为:红=700纳米,绿=546.1纳米,蓝=435.8纳米。匹配一个混合色的三刺激值的各个份额叫三刺激值,它们的单位是这样确定的:匹配一个可见光谱中的等能白色时,三刺激值恰好相等。匹配同一个混合色,采用不同的参考系得到的三刺激值就不同。于是就存在一个不同三刺激值之间的转换问题。这里我们简单地给出几种常见的变换关系:
  均匀色度空间坐标系
  4x 6y
  u = -------------- , v = --------------
  -2x + 12y +3 -2x + 12y +3
  S-θ-W 坐标系
  ____________ _____________
  / * 2 * 2 * / 2 2
  S=√(U ) +(V ) =13W √(u-u0)+(V-V0)
  *
  -1 V -1 v-v0
  θ=tan ---- = tan ------
  * u-u0
  U
  L-a-b 坐标系
  1/3
  L=25 (100*Y/Y0) -16
  1/3 1/3
  a=500 [(X/X0) - (Y/Y0) ]
  1/3 1/3
  b=200 [(Y/Y0) - (Z/Z0) ]

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