CIE标准色度系统（下）

四、色温与相关色温

根据绝对黑体光谱分布特性的普朗克定律，由普朗克公式可以计算出黑体对应于某一温度的光谱分布,并由此应用CIE标准色度系统可获得该温度下黑体发光的三刺激值和色品坐标,从而在色品图上得到一个对应的色品点。因此,对不同温度的黑体可以计算出一系列色品坐标点,将这些对应点在色品图上连接起来,便形成一条弧形的温度轨迹,称为黑体(温度)轨迹或普朗克轨迹(Planckian locus),如图2-16所示。黑体轨迹上的各点代表不同温度的黑体光色,当温度由1000K左右开始升高时,其颜色由红向蓝变化,所以人们就用黑体的温度来表示其对应的颜色。实际上,理想的黑体是不存在的,而常见的实际辐射体是非黑体,其辐射本领比黑体小,称为灰体。尽管理想的灰体也并不存在,但是在一定的波长范围内、在一定的近似程度下可以满足灰体的条件。非黑体辐射的某些特性常常可以用黑体辐射的相关性质来近似地表示,而为了描述一般光源的颜色特性,引入了分布温度、色温和相关色温等概念,它们的单位均为开尔文(K)。

1、分布温度

当辐射源在温度T时的相对光谱辐射功率分布与黑体在某一温度Ta时的相对光谱辐射功率分布相同时,称该黑体的温度T,为辐射源的分布温度(distribution temperature)。由于光谱分布相同的光其颜色必定相同,所以此时黑体与辐射源在CIE1931色品图上的色品坐标.点一定是重合的。当然,实际的非黑体辐射源的辐射不可能与黑体的相对光谱辐射功率分布完全一致,但当其误差绝对值小于5%或两者的相对光谱辐射功率分布在很大部分上相同时,就可以用黑体的温度T.来表征该辐射源的分布温度。

2、色温与相关色温

当辐射源在温度T时所呈现的颜色与黑体在某一温度T_c时的颜色相同时,则将黑体的温度T_c称为该辐射源的颜色温度,简称色温(color temperature)。例如,某光源的颜色与黑体加热到绝对温度2500K时所呈现的颜色相同,则此光源的色温便为2500K,其在CIE193]色品图上的坐标是x=0.4770, y=0.4137.对于白炽灯等热辐射源而言,由于其光谱分布与黑体比较接近,所以它们的色品坐标点基本处于黑体轨迹上,可见色温的概念能够恰当地描述白炽灯的光色。一般来说,色温高表示蓝、绿光的成分多些,色温低则橙、红光的成分多些。另外,由于分布温度对应于辐射源的光谱分布,而光谱分布相同的光其颜色必定相同,因此分布温度一定是色温。

对于白炽灯以外的某些常用辐射源,其光谱分布与黑体相差较远,它们在温度T时的相对光谱功率分布所决定的色品坐标不一定准确地落在色品图的黑体温度轨迹上,而在该轨迹的附近。这时,不能用色温来描述其颜色,而需要采用相关色温的概念来表征和比较这类辐射源的光色特性。当辐射源的颜色与黑体在某一温度下的颜色最接近时,或者说两者在色品图上的坐标点相距最小时,就用该黑体的温度来表示此辐射源的色温,并称之为该辐射源的相关色温(correlated color temperature),通常用符号T_cp表示。例如,在图2-16中的光源C其色品坐标最接近于黑体加热到6774K时的色品坐标,所以光源C的相关色温为6774K。

另外，为了确定辐射源的相关色温,可把色品图上的黑体轨迹分成许多等(色)温线(isotemperature line),如下图所示,用它来确定辐射源的相关色温比较方便和准确。需要指出的是,色温和相关色温的概念主要用于描述辐射源的光色,所以色温或相关色温相同的辐射源只说明其光色相同,它们的光谱分布可能是不相似的,甚至可以有较大的差异。

五、标准照明体和标准光源

物体的颜色除了与该物体本身的光谱反射(或透射)特性以及观察条件有关之外,还和照明体或光源的光谱功率分布密切相关。同一物体在不同的照明体或光源的照明下呈现不同的颜色,这一因素给颜色测量与国际交流带来极大的困难。实际的照明光源种类繁多,其中最重要的是日光和灯光。日光随着天空云层、季节、时相、地点等的不同,其光谱分布会有显著的差别;灯光属于人工光源,不同的品种具有很大差异的光谱分布。因此,为了统一颜色评价的标准,便于比较和传递,国际照明委员会(CIE)针对颜色的测量和计算推荐了几种标准照明体和标准光源,包括标准照明体A、B、C、D、E和标准光源A、B、C等。

CIE对“光源”和“照明体”作出了不同的定义:“光源”是指能发光的物理辐射体,如灯、太阳等:“照明体”具有特定的光谱功率分布,而这种光谱功率分布不是必须由一个具体的光源直接提供,也不一定要某种光源来实现,它可以由表格的形式给出。 

七、CIE色度计算方法

为了计算颜色的三刺激值和色品坐标,首先必须知道光源发出(光源色)或者光源经物体·反射或透射后(物体色)进入人眼产生颜色感觉的光谱能量,并称之为颜色刺激函数,以符号φ(λ)表示。根据CIE的规定,由该颜色刺激函数φ(λ)引起的CIE三刺激值为（求和形式）：

如果被测颜色是光源色,即光源发出的光谱能量直接射人观察者的眼睛,则颜色刺激函数φ(λ)应为光源辐射的相对光谱功率分布P(λ),即：φ(λ)=P(λ)。

如果被测颜色是非自发光的物体色,则由于物体色与照明条件和物体本身的光谱特性有关,所以实际进入人眼的颜色刺激函数φ(λ)应该是照明体的相对光谱功率分布与物体本身的光谱特性函数的乘积，即:

在计算三刺激值的式中,常数k和k₁₀称为归化系数,其计算公式为:

另外,在上述三刺激值的计算中,波长间隔Δλ的选取应视被测颜色的光谱特性和所要求的计算精度来决定,一般可以选择的波长间隔有10nm、5nm、1nm等。在大多数情况下采用5nm可以给出精确的结果,如果要求的计算精度不高则采用10nm就够了,但是当需要很精确的计算时则可以取1nm。在获得颜色的三刺激值之后,可计算出该颜色在CIE1931或CIE1964色度系统中的色品坐标，其公式为：

八、主波长和色纯度

为了表示一种颜色的色度特性,可以采用三刺激值X、Y、Z或者色品坐标x、y,但是,由于颜色是三维量,所以在用色品坐标表述时需要增加一个光度量信息,通常采用亮度Y,即可以(x, y, Y)来表示一个颜色。除此之外,CIE还推荐采用主波长和色纯度来表示颜色的色度参数,即采用对特定的非彩色刺激(achromatic stimulus,指在通常的观察条件下感觉为无色的颜色刺激)的色品点W(称为参照白点, white point)的距离和方向来表示颜色。

1、主波长

如图2-29所示,一种颜色F₁的主波长(dominant wavelength)是指某一种光谱色的波长,用符号λ_d表示。如果将这种光谱色按一定比例与选定的参照白光W相加混合,便能匹配出该颜色F₁。但是,如果某个颜色F₂处于色品图中连接白点和光谱轨迹两端点所形成的三角形区城内(图2-29中虚线所围部分,称为紫色区城),则它没有主波长,而只有补色波长。一种颜色F₂的补色波长(complementary wavelength)也是指某一种光谱色的波长,用符号λ_c表示。如果将这种光谱色按一定比例与颜色F₂相加混合,便能匹配出所选定的参照白光W。

一般来说,将非彩色刺激和光谱色(单色光)刺激通过相加混合而与某颜色刺激进行匹配时的混合比称为该颜色刺激的纯度(purity)。换言之,色纯度是指样品的颜色与所对应主地长光谱色的接近程度,通常有兴奋纯度和色度纯度两种表示色纯度的基本方法。

至此，我们对于颜色表述的方法就包括了：

1.三刺激值

2.色品坐标和亮度

3.主波长、色纯度和亮度

参考文献：

徐海松. 颜色信息工程.第2版[M]. 浙江大学出版社, 2015.