1 光与视觉的基础知识介绍

光与视觉的基础知识

郭奉杰

杭州浙大三色仪器有限公司

人眼的视觉特性

•光是一种电磁波，广义上它的波长从几个纳米至一毫米左右，而人眼所能看见的只是一小部分，通常波长范围为380nm至780nm，我们把这部分光称为可见光。

•可见光的波长不同，引起人眼的颜色感觉就不同。

单色光波长由长至短，对应的颜色感觉由红到紫。

一般认为:

•红色780nm～620nm 橙色620nm～590nm 黄色590nm～560nm

•黄绿色560nm～530nm 绿色530nm～500nm 青色550nm～470nm

•蓝色470nm～430nm 紫色430nm～380nm

•上述的范围只是根据人们的习惯大致划分。实际

上随着波长的变化，颜色是连续渐变的，没有严

格的界限。

•物体分为发光体和不发光体。

•发光体的颜色由它本身发出的光谱所确定，如白炽灯发黄和日光灯发白。

•不发光体的颜色与照射光的光谱和不发光体对照射光的反射、透射特性有关。如绿叶反射绿色的光、吸收其他颜色的光而呈现绿色；绿叶拿到暗室的红灯下观察成了黑色。

•由此可见，光是一种客观存在的物质，而色是人眼对这种物质的视觉反应

白炽灯卤粉荧光灯低压汞灯

三基色荧光灯三基色绿粉蓝色LED

色温与标准光源

•照明光源的作用非常重要，其光谱功率分布情况会直接影响被照物体的颜色。通常的照明光源，如太阳光、日光等发的光虽然都是白光，但它们的光谱成分相差很大，用它们照射相同物体时，呈现的颜色则相差较大。根据CIE

（国际照明委员会）的规定，使用的标准光源主要有A、B、

C、D

、E五种，并以“色温”来表征。

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• 1. 色温

•光源的色温是用来描述光源的光谱分布的物理量。在色度学上，它通常用光源的光与绝对黑体发出的光相比较，并用绝对黑体的绝对温度来表征。

•绝对黑体是指既不反射也不透射光线，而能完全吸收入射光的物体。当绝对黑体被加热时，能以电磁波形式向外辐射能量，其光谱能量的分布只与加热的温度有关，温度低时光谱能量偏重于长波长区，温度升高时光谱能量逐渐偏重到短波长区。

•光源的色温:当光源的可见光谱与某温度的绝对黑体的辐射的可见光谱相同或接近时,就将此时绝对黑体的绝对温度称为该白光源的色温。例如，一个温度为2800K的钨丝灯泡所发出的光色与绝对黑体在温度为2856K时的光谱相同，则该灯泡所发出的光的色温就是2856K。

•要注意的是，色温用来表示光源的光谱特性，并非光源的实际温度。引入“色温”的概念，是为了进行色度的计算和白光的比较。

标准白光源

•使用的标准光源主要有A 、B 、C 、D 65、E 五种，其光谱功率分布曲线如图几种标准光源的光谱分布所示。

•

•A 光源: 色温为2856K ，相当于2800K 钨丝灯所发的光。•

•B 光源: 色温为4874K ，相当于中午直射的太阳光。•

•C 光源: 色温为6774K ，相当于白天的自然光•

•D 65光源: 色温为6504K ，相当于白天平均照明光

••E 光源: 色温为5500K ，是一种理想的等能量的白光（E 白），实际并不存在，它的采用可简化色度学的计算。

几种标准光源的光谱分布

光谱光视效率

•视神经细胞分为杆状细胞和锥状细胞。杆状细胞主要决定人眼对弱暗光的视觉反应，锥状细胞产要决定人眼对明亮光的视觉反应。视神经细胞对不同波长的感光灵敏度不一样，对绿光的灵敏度最高，而对蓝光和红光的灵敏度则低得多。图为CIE推荐的人眼的相对光谱光视效率函数曲线，分别称为“明视觉光谱光视效率V(λ)”和“暗视觉光谱光视效率V’(λ)”。

•人眼对颜色的感觉主要由锥体细胞起作用，而且锥体细胞只有当亮度大于几个cd/M2以上时才起作用。根据三色学说及多年来的大量实验证明，人眼视网膜上含有三种不同类型的锥体细胞，分别含有三种不同的视色素，这三种不同光谱敏感性的视色素的光谱吸收峰值分别约在440-450nm；530-540nm；560-570nm处，分别称为亲蓝、亲绿、亲红视色素。外界光辐射进入人眼时被三种锥体细胞按它们各自的吸收特性吸收，细胞色素吸收光子后引起光化学反应，视色素被分解漂白，同时触发生物能，引起神经活动，将视觉信息通过双极细胞和神经节细胞传至神经中枢，引起颜色刺激。

•光通量(Luminous flux)

•光通量是光源在单位时间内发出的光量，也即为辐射通量（或辐射功率）能够被人眼视觉系统所感受的那部分有效当量。•单位是流明(lumen)，简写为lm 。

•当λ=555nm时的单色光辐射功率为1W时，产生的光通量为683 lm，或称1光瓦。在其它波长时，由于相对视敏函数下降，相同辐射功率产生的光通量随之下降。

彩色三要素

•彩色三要素指的是彩色光的亮度、色调、饱和度这三个量。

•亮度：指彩色光作用于人眼而引起的视觉上的明亮程度。光源的辐射能量越大，亮度就越高；不发光体的反射能力越强，亮度越高。

•复合光的亮度等于各个分量光的亮度之和。•另外，亮度还和波长有关，能量相同而波长不同的光对视觉引起的亮度感觉也不相同，这就是已经介绍过的视敏特性。

•色调：指彩色的颜色类别。我们通常所说的红、绿、蓝等指的就是色调。前面讲到不同波长的光颜色不同，也是指的色调不同。

•饱和度是指彩色的深浅、浓淡程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越高，颜色就越深、越浓。各种谱色光都是饱和度最高的彩色。饱和度与彩色光中掺入的白光比例有关，掺入的白光越多，饱和度就越小。因此，饱和度也称为色纯度。

•饱和度的大小用百分制衡量，100％的饱和度表示彩色光中没有白光成分，所有谱色光的饱和度都是100％；饱和度为零表示全是白光，没有任何色调。

•色调和饱和度合称为色度，它既说明了彩色光的颜色类别，又说明了颜色的深浅程度