光電測試技術

哈爾濱工業大學第2章色度和光度測試技術2/4/20231概述

色度學是研究人的顏色視覺規律、顏色測量理論與技術的學科。顏色感覺與聽覺、嗅覺、味覺等一樣都是外界刺激使人的感覺器官產生的感覺。

色度學是研究顏色度量和評價方法的學科，是以光學、視覺生理、視覺心理、心理物理等學科為基礎的綜合性科學。現代色度學，是一門實驗性非常強的學科。

2/4/20232§2-1色度學的基本概念和實驗定律

2/4/20233§2-1色度學的基本概念和實驗定律

1．格拉斯曼(H.Grassman)顏色混合定律格拉斯曼在總結以往顏色混合實驗現象的基礎上，于1854年歸納總結出幾條實驗規律，它是建立現代色度學的基礎。1．1顏色的屬性明度是指人眼對物體的明暗感覺。色調是指彩色彼此相互區分的特性。可見光譜中不同波長的輻射在視覺上表現為各種色調，如紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等。彩度表示物體顏色的濃淡程度或顏色的純潔性，又稱飽和度。物體色的彩度決定于物體表面反射光譜輻射的選擇性程度。2/4/20234§2-1色度學的基本概念和實驗定律

1．格拉斯曼(H.Grassman)顏色混合定律1.2補色律和中間色律

在由兩個成分組成的混合色中，如果一個成分連續變化，混合色的外貌也連續地變化。由此導出兩個定律：補色律和中間色律。補色律每種顏色都有一個相應的補色；某一顏色與其補色以適當比例混合，便產生白色或灰色；以其它比例混合，便產生近似比重大的顏色成分的中間色。中間色律任何兩個非補色混合，便產生中間色，其色調決定于兩個顏色的相對數量，其彩度主要決定于兩者在色調順序上的遠近。2/4/20235§2-1色度學的基本概念和實驗定律

1．格拉斯曼(H.Grassman)顏色混合定律1.3代替律代替律相似色（即外貌相同的顏色）混合后仍相似。如果顏色A=顏色B，顏色C＝顏色D，那么顏色A＋顏色C=顏色B+顏色D根據代替律，可以利用顏色混合的方法來產生或代替所需要的各種顏色。它是一條非常重要的定律。1.4亮度相加律亮度相加律混合色的總亮度等于組成混合色的各顏色光亮度的總和。以上所說的格拉斯曼顏色混合定律是色度學的一般規律，適用于各種顏色的相加混合，但是這些規律不適用于染料或涂料的混合，因為染料和涂料的混合是顏色光的相減過程。2/4/20236§2-1色度學的基本概念和實驗定律

2．色度學中的基本概念2．1三原色把兩個顏色調節到視覺上相同或相等的方法叫顏色匹配。在顏色匹配實驗中，為匹配得到某一種顏色，一般需要三種顏色就可以達到匹配目的。通常稱在顏色匹配實驗中選取的三種顏色為三原色。三原色可以任意選定；但是三原色中任何一種原色不能由另外兩種原色相加混合得到；最常用的是紅、綠、藍三原色。由三原色混合而成的新的顏色只表示了被匹配顏色的外貌，而不能表示它的光譜組成。例如，由紅、綠、藍三色光混合而成的白光與連續光譜的白光在視覺上一樣，但是它們的光譜組成成分卻不一樣，這種情況稱之為同色異譜。2/4/20237§2-1色度學的基本概念和實驗定律

2．色度學中的基本概念2.2三刺激值色度學中是用三原色來表示顏色的。匹配某種顏色所需的三原色的量，稱為顏色的三刺激值。三刺激值不是用物理單位來量度的，而是用色度學的單位來量度。具體規定為：在380～780nm的可見光波長范圍內，各種波長的輻射能量均相等時，稱為等能光譜色。由其構成的白光稱等能白光，簡稱E光源。等能白光的三刺激值是相等的，且均定為一個單位。假定用紅、綠、藍作為三原色，匹配等能白光所需的三原色的光通量分別為lR、lG、lB，則紅、綠、藍三種原色的各為1個單位刺激值分別對應于lR、lG、lB流明的紅、綠、藍三原色的光通量。又例如：用FR流明的紅光（R）、FG流明的綠光（G）和FB流明的藍光（B）匹配出FC流明的色光（C），其能量方程為FC（C）＝FR（R）＋FG（G）＋FB（B）其顏色方程為C（C）＝R（R）＋G（G）＋B（B）上式的含義是用R個單位的紅原色、G個單位的綠原色、B個單位的藍原色混合相加可匹配出C個（C）單位的C顏色。它們就是C的三刺激值2/4/20238§2-1色度學的基本概念和實驗定律

2．色度學中的基本概念2.3光譜三刺激值或顏色匹配函數用三刺激值可以表示各種顏色，對于各種波長的光譜色也不例外。匹配等能光譜色所需三原色的量叫作光譜三刺激值，也叫作顏色的匹配函數。對于不同波長的光譜色，其三刺激值顯然是波長的函數。用紅、綠、藍作為三原色時，光譜三刺激值或顏色匹配函數用來表示。由于任何顏色的光都可以看成是由不同單色光混合而成，所以光譜三刺激值是顏色色度計算的基礎。2/4/20239§2-1色度學的基本概念和實驗定律

2．色度學中的基本概念2.4色品坐標三原色確定后，一種顏色的三刺激值是唯一的，因此，可以用三刺激值表示顏色。但是，由于準確測量三刺激值存在著技術上的困難，而且用三刺激值表示顏色很不直觀，因而一般不直接用其表示顏色，而是用其在三刺激值總和中所占的比例來表示顏色。這三個比例值叫作色品坐標。假定某顏色的三刺激值分別為R、G、B，色品坐標為r、g、b，則有顯然因此，有顏色的色品坐標實際上代表了某一顏色的色調和彩度兩個屬性特征。當某一個顏色的三刺激值按照統一比率增加或減小時，該顏色的色調和彩度保持不變，所改變的只是明度。這就是說當以相同的比例改變某一顏色的三刺激值時，該顏色的色品保持不變。2/4/202310§2-1色度學的基本概念和實驗定律

2．色度學中的基本概念2.5光源色和物體色的三刺激值顏色刺激表示作用于人眼引起顏色感覺的物理輻通量。顏色刺激函數表示某顏色刺激與波長的關系函數，以表示。無論光源色或物體色（自發光、透射、漫反射等）都是可見輻射作用于人眼所成顏色刺激的結果。也可看成是波長范圍在380~780nm內的各光譜色以不同的比例混合的產物。對于波長為λ的光譜色，其三刺激值R、G和B應分別和其光譜三刺激值以及顏色刺激函數成正比。故有式中，k為常數，稱為顏色調節因子。，，2/4/202311§2-1色度學的基本概念和實驗定律

2．色度學中的基本概念2.5光源色和物體色的三刺激值當波長范圍趨向于無限小時，光譜色的三刺激值為380~780nm內所有光譜色對應的三刺激值總和就應當是被考慮顏色的三刺激值，即2/4/202312§2-1色度學的基本概念和實驗定律

2．色度學中的基本概念2.5光源色和物體色的三刺激值對于光源色，顏色刺激函數就是光源的光譜功率分布，即故有

物體色既和照明光源的光譜功率分布有關，也和物體的光學性質有關。對于透射物體對于反射物體2/4/202313§2-1色度學的基本概念和實驗定律

3．CIE標準表色度系統國際照明委員會（英文縮寫CIE）曾推薦了幾種色度學系統，以統一顏色的表示方法和測量條件。國際照明委員會在1931年同時推薦了兩套色度學系統：1931CIE-RGB系統和1931CIE-XYZ系統，1964年又推薦了CIE1964補充標準色度學系統。表色系統一般包括：三原色三原色的單位光譜三刺激值等2/4/202314§2-1色度學的基本概念和實驗定律

3．CIE標準表色度系統3.11931CIE-RGB系統三原色：紅(R)(λ＝700nm)、綠(G)(λ＝546.1nm)、藍(B)(λ＝435.8nm)三原色單位：三原色光（R）、（G）、（B）單位刺激值的光亮度比為1.0000：4.5907：0.0601；輻亮度比為72.0962：1.3791：1.0000。光譜三刺激值：1931CIE-RGB系統標準色度觀察者光譜三刺激值波長變化曲線1931CIE-RGB系統色品圖2/4/202315§2-1色度學的基本概念和實驗定律

3．CIE標準表色度系統3.21931CIE-XYZ系統三原色：1931CIE-XYZ系統的三原色選擇的要求是：第一，用三原色匹配等能的光譜色時，三刺激值均為正；第二，色品圖上表示的實際不存在的顏色所占的面積盡量小；第三，用Y刺激值表示顏色的亮度。（X）、（Y）、（Z）作為色度學系統的三原色是有意義的，但實際上并不存在這三種顏色。XYZ系統的光譜三刺激值也無法通過顏色匹配實驗直接得到，而是以1931CIE－RGB系統光譜色品坐標值換算求得。

光譜三刺激值：*在1931CIE-XYZ系統，顏色的亮度完全由Y刺激值表示，則等能光譜色相對亮度也應由光譜三刺激值中的來代表。這樣，值就同光度學中明視覺（光譜光視效率或視見函數）V(λ)具有相同的含義。CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激值曲線1931CIE－XYZ系統色品圖這段不是光譜色，而是770nm（紅）和380nm（紫）兩光譜色混合色的色品軌跡。

2/4/202316§2-1色度學的基本概念和實驗定律

3．CIE標準表色度系統3.3CIE1964補充標準色度學系統前面討論的1931CIE-RGB標準色度學系統和1931CIE-XYZ標準色度學系統的基本數據都是從萊特和吉爾德實驗數據換算求得的，因此，它們只適用于小視場角（＜4°）的情況下的顏色標定。為適應大視場情況下顏色的測量和標定，CIE在1964公布了CIE1964補充色度學系統。它規定了適合于10°視場使用的CIE1964補充色度觀察者光譜三刺激值和色品圖。其計算方法與1931CIE-XYZ系統的三刺激值和色品坐標的計算方法完全相同，只不過要用本系統所規定的基本數據。為了與1931CIE-XYZ系統相區別，所用的符號要加下標“10”。例如，三刺激值表示為X10、Y10、Z10等。2/4/202317§2-1色度學的基本概念和實驗定律

3．CIE標準表色度系統總結起來，用該色度學系統表示顏色的方法有以下兩種：1）三刺激值表示顏色。最常用的是1931CIE-XYZ標準色度學系統中所規定的三刺激值X、Y、Z。該方法表示顏色的困難是三刺激值由于難于定標而難于準確測量。2）色品坐標x、y以及Y刺激值表示顏色。

用x、y和Y表示顏色是常用的方法。2/4/202318§2-1色度學的基本概念和實驗定律

4．CIE標準照明體和標準光源在測量光學系統的光度和色度性能時，必須在統一規定的照明光源下，測量結果才可以互相比較。為了統一測量標準，國際照明委員會（CIE）規定了標準照明體和標準光源。4.1色溫和相關色溫當某種光源的色品與某一溫度下的黑體色品相同時，則將黑體的溫度稱為光源的顏色溫度，簡稱色溫。相關色溫

700nm490500380nm5505806005204800.80.60.40.200.20.40.60.8xyCIE1931-XYZ色品圖上的黑體軌跡∞C2/4/202319§2-1色度學的基本概念和實驗定律

4．CIE標準照明體和標準光源4.2CIE標準照明體和標準光源CIE對“光源”和“照明體”的定義分別為：“光源”是指能發光的物理輻射體，如燈、太陽等。“照明體”是指特定的相對光譜功率分布，這種相對光譜功率分布不一定能用一個具體的光源來實現，而是以數據表格給出。CIE規定了“標準光源”和“標準照明體”的光譜分布。（1）CIE標準照明體A、B、C、E、D標準照明體A

代表絕對溫度2856K（1990年國際實用溫標）的完全輻射體的輻射。它的色品坐標落在CIE1931色品圖的黑體軌跡上。標準照明體B

代表相關色溫約為4874K的直射日光，它的光色相當于中午的日光，其色品坐標緊靠黑體軌跡。標準照明體C

代表相關色溫約為6774K的平均晝光。它的光色近似于陰天的天空光，其色品坐標位于黑體軌跡下方。2/4/202320§2-1色度學的基本概念和實驗定律

4．CIE標準照明體和標準光源4.2CIE標準照明體和標準光源標準照明體E

在可見光波段內的相對光譜功率為恒定值的照明體。又稱為等能光譜或等能白光。這是一種人為規定的相對光譜功率分布，實際中是不存在的。標準照明體D

代表各時相（不同時間、季節和氣候條件）日光的相對光譜功率分布，這種光也叫典型日光或重組日光。對于任意相關色溫的D照明體的光譜功率分布都可以由公式求得;CIE在標準照明體D中推薦了幾種特定的相對光譜功率分布，作為在光度、色度計算和測量中的標準日光。它們分別稱為CIE標準照明體D65、D55、D75。2/4/202321§2-1色度學的基本概念和實驗定律

4．CIE標準照明體和標準光源4.2CIE標準照明體和標準光源（2）CIE標準光源A、B、C、D65標準光源A

由色溫2856K的透明玻璃充氣鎢絲燈作為A光源來實現標準照明體A。如果要求準確地模擬紫外部分的相對光譜功率分布，則推薦使用熔融石英玻璃殼或者帶石英窗口的燈泡。標準光源B、C

由標準光源A加上各自相應的一組特定的戴維斯—一吉伯遜（Davis-Gib-son）液體濾光器組成，用來實現標準照明體B和C。標準照明體D

對應于標準照明體D，CIE尚未推薦出相應的標準光源，因此標準照明體D的模擬成為當前光源研究的重要課題之一。目前研制的模擬似D65標準照明體的人工光源有：帶濾光器的高壓氙燈、帶濾光器的白熾燈和帶濾光器的熒光燈三種。2/4/202322§2-1色度學的基本概念和實驗定律

小結:1．格拉斯曼(H.Grassman)顏色混合定律顏色的屬性：明度、色調、彩度補色律和中間色律代替律亮度相加律2．色度學中的基本概念顏色匹配、三原色、同色異譜等能光譜色、等能白光、顏色的三刺激值、光譜三刺激值、色品坐標顏色刺激、顏色刺激函數3．CIE標準表色度系統1931CIE-RGB系統、1931CIE-XYZ系統、CIE1964補充標準色度學系統4．CIE標準照明體和標準光源色溫、相關色溫光源、照明體2/4/202323§2-2CIE色度計算方法2/4/202324§2-2CIE色度計算方法CIE除了推薦標準色度系統外，還推薦了一系列的計算方法。如：色品坐標的計算顏色相加計算主波長和色純度計算色差計算同色異譜程度的計算等2/4/202325§2-2CIE色度計算方法1色品坐標計算已知某顏色的刺激函數，要計算顏色的色品坐標，必須先求得顏色的三刺激值。計算公式為：k叫做歸化系數，它是將照明物體（或光源）的Y值歸一化為100時得出的為波長λ的光譜三刺激值自發光物體色：透射物體色：反射物體色：

2/4/202326§2-2CIE色度計算方法1色品坐標計算計算出物體的三刺激值后，由下式計算其色品度坐標注意式中的Y是被測色的光通量2/4/202327§2-2CIE色度計算方法2顏色相加計算已知兩種顏色各自的色品度坐標計算x1、y1、亮度Y1，x2、y2、亮度Y2。①計算法原則：混合色的三刺激值為各個混合色的三刺激值的和；可以推廣到更多種顏色相加混合。可以表示為2/4/202328§2-2CIE色度計算方法2顏色相加計算計算步驟：由可得于是

混合色的色品坐標和亮度為

2/4/202329§2-2CIE色度計算方法2顏色相加計算②作圖法在CIE1931色品圖上應用重力中心定律的原理用作圖法求出混合色的色品點。

700nm490500400nm550580600520480KC2KC1M(P+Q)Q(C2)P(C1)(x1y1)(x2y2)0.80.60.40.200.20.40.60.8xy顏色相加作圖法圖示2/4/202330§2-2CIE色度計算方法3主波長和色純度計算①主波長用某一光譜色按照一定比例與一特定的參照光源（如等能白光E，CIE標準光源A、C，標準照明體D65）相混合匹配出某種顏色，則該光譜色的波長就是該顏色的主波長λd。但是，在色品圖上光譜軌跡兩端（400nm和700nm）與參照光源的色品點組成的三角區域內的顏色沒有主波長，因而引入補色波長概念，用-λd表示。已知某顏色的色品坐標（x，y）和參照光源的坐標（x0，y0），可以方便地用作圖法確定某顏色的主波長或補色波長。

700nm490500400nm550580600520480O(x0,y0)L(x,y)0.80.60.40.200.20.40.60.8xy確定顏色的主波長和補色波長M(x,y)N(x,y)495.4519.42/4/202331§2-2CIE色度計算方法3主波長和色純度計算②色純度色純度是指樣品顏色同主波長光譜色接近的程度，色純度有興奮純度和亮度純度兩種。

興奮純度興奮純度與前述的彩度含義相同。

它表明主波長的光譜色在樣品顏色中所占亮度比重亮度純度2/4/202332§2-3色度的測試方法和應用2/4/202333§2-3色度的測試方法和應用1積分球及其應用在色度與光度測量裝置中廣泛使用積分球部件。結構特點積分球是一個中空的金屬球體；球壁上開有一個或幾個窗孔，用于進光和放置光接收器件；球內壁上應涂以理想的漫反射材料，也就是漫反射系數接近1的材料。常用的材料是氧化鎂（或硫酸鋇）。性能特點與要求可以證明，進入積分球的光經過吸收很小的內壁涂層的多次反射，最后可達到內壁上具有均勻分布的照度。并且該照度較入射光通量除以球內壁面積的照度值大得多（可提高信噪比）。積分球上的總開孔面積應盡可能小，把積分球的直徑做得比較大。2/4/202334§2-3色度的測試方法和應用1積分球及其應用用途：12345a）光接收器b）均勻亮物面c）球形平行光管1-硒光電池2-光源3-開孔塞子4-牛角形消光管5-準直物鏡帶有準直物鏡、燈泡和黑、白塞子的積分球體稱為球形平行光管2/4/202335§2-3色度的測試方法和應用2顏色的測量方法和儀器**顏色的測量必須建立在現代色度學的基礎之上。任何測色儀器只要能給出與CIE推薦的標準完全一致的三刺激值，該儀器就認為是準確的，而不論它是否能真正給出物體呈現在觀察者眼里的色刺激外貌。測色的方法分類：2/4/202336§2-3色度的測試方法和應用2顏色的測量方法和儀器①色度計光電色度計可以由儀器的響應值直接得到顏色的三刺激值。光電色度計由照明光源、校正濾光器、探測器組成。關鍵問題是設計修正照明光源和探測器光譜特性的校正濾光器。為了模擬標準觀測者在標準照明體下觀察物體顏色特性，色度儀器的總光譜靈敏度必須符合盧瑟條件。盧瑟條件是校正濾光器設計的基礎，以公式表示如下儀器內部光源的光譜功率分布為比例常數校正濾光器的光譜透射比探測器的光譜靈敏度選定CIE推薦的標準照明體的光譜功率分布標準色度觀察者的光譜三刺激值比對下式：知道：儀器的各個探測器所測得的電信號值就正比例于物體顏色的三刺激值。核心問題：濾光器的設計2/4/202337§2-3色度的測試方法和應用2顏色的測量方法和儀器①色度計光電色度計有四個探測器和三個探測器之分。因為

CIE1931標準色度觀察者光譜三刺激值曲線2/4/202338§2-3色度的測試方法和應用2顏色的測量方法和儀器①色度計基本結構：特點：方便現場使用準確度不高常用于比較兩種顏色積分球XYZ透射樣品平衡用光電管反射樣品Y光源光電色度計的光學系統圖2/4/202339§2-3色度的測試方法和應用2顏色的測量方法和儀器②測色分光光度計利用測色分光光度計可以測量物體的透射色和反射色。原理：這類儀器不是直接測量顏色的三刺激值，而是測量物體的光譜反射率或光譜透射特性，再用前述的CIE推薦的標準照明體和標準色度觀察者的光譜三刺激值，利用公式計算求得被測顏色的三刺激值。與色度計方式測色比較，其特點：測量準確度高，儀器復雜和昂貴，數據處理也較復雜

2/4/202340§2-3色度的測試方法和應用M6M1D2WICHS1M3G1G2M2M4M5M7M8M10M9M11M12M13M15M14M16PbSPMT試樣室U-3400型分光光度計的光學系統原理圖AS2S3PWI-碘鎢燈D2－重氫燈

CH－機械遮光器S1,S2,S3-狹縫M－反射鏡（M7,M9－柱面鏡，M8－玻璃調制盤）

P－色散棱鏡G1,G2－光柵PbS－硫化鉛探測器PMT－光電倍增管2/4/202341§2-3色度的測試方法和應用3測色應用例——有色光學玻璃的色度測量首先應測量出它的光譜透射比數據；

根據前面介紹的CIE色度計算方法，計算出在某種光源照射下的顏色三刺激值和色品坐標；并進一步地可以得到描述顏色的色品特征的兩個指標，即主波長和色純度。計算例參見書上的例子。2/4/202342§2-5光學系統透過率測試技術2/4/202343§2-5光學系統透過率測試技術概述光學系統的透過率反映了經過該系統之后光能量的損失程度，是系統成像質量的重要指標之一。光能量損失，亮度將降低；光譜特性變壞；產生雜散光；彩色還原效果變差。2/4/202344§2-5光學系統透過率測試技術定義：光學系統的透過率

光學系統的光譜透過率光學系統的白光透過率考慮照明光源、光學系統、接收器的總的透過率出射的光通量

入射的光通量

2/4/202345§2-5光學系統透過率測試技術1．望遠系統透過率的測量1234561-小孔光闌2-平行光管3-可變光闌4-被測望遠鏡5-檢流計6-積分球望遠系統透過率測量光路圖望遠系統的白光透過率為“實測”讀數“空測”讀數測望遠鏡系統的光譜透過率，將照明光源換成單色光即可，并在規定波長范圍內按一定波長間隔逐點進行透過率測量2/4/2