颜色视觉原理

色是光作用于人眼引起除形象以 外的视觉特性。
颜色是一种作用于人眼视觉的物理 刺激，而人的视觉又是受大脑支配的， 也是一种心理反应。所以，色彩感觉 不仅与物体本来的颜色特性有关，而 且还受时间、空间、外表状态以及该 物体的周围环境的影响，同时还受各 人的经历、记忆力、看法和视觉灵敏 度等各种因素的影响。
四、物体的光谱特性
物体在光线照射下呈现不同颜色，是因为物体具 有对落在其表面的光谱成分有选择地透射、吸收 和反射的特性，这种特性称为物体的光谱特性。 光谱特性是物体对光的特性 ，而非其他特性。 透明体的颜色（滤色片，胶片）主要由透过的光 谱组成决定。 不透明体的颜色主要由反射的光谱组成决定。
光谱分布
组成复色光的各单色光的比例不同。 复色光的辐射能量取决于各单色光的辐 射能量。 复色光的辐射能量随单色光的变化而变 化，即复色光的辐射能量随其组成的波 长而变化，这一变化关系可以用函数关 系来表示。 复色光辐射能量按波长分布的规律称光 谱分布 。
分光辐射度计原理图
光谱密度φ e(λ )
光谱密度与波长之间的函数关系称为光 谱分布函数或光谱分布。
相对光谱能量分布
令光谱分布函数的最大值为“1”，将函数的其 他值与最大值进行归一化处理，经归一化处理后 的光谱密度相对值与波长之间的函数关系称为相 对光谱能量（功率）分布。 以光谱波长λ为横坐标，相对光谱能量分布S（λ ） 为纵坐标，就可以绘制出光源相对光谱能量分布 曲线 。
可见光谱的颜色感觉
红色 649～750nm 黄色 550～600nm 蓝色 450～480nm
橙色 600～640nm 绿色 480～550nm 紫色 400～450nm
三、光谱分布
单色光
任一单色光射入人眼，都将产生特定的颜 色感觉，不同波长的单色光将产生不同的 颜色感觉。 在牛顿的分光实验中，看到的某一种单一 颜色的光，严格地讲并非是单色光，而是 一个波长范围极小的复色光。
0
光学密度
入射光辐射能
0 1 A lg lg lg
非选择性吸收
若一个表面对投射到它上面的光辐射在各波段内 做等比例吸收，则保持照明光原来的颜色，仅改 变照明光的反射强度。此现象称为非选择性吸收。 当反射率由0→1变化时，物体表面呈现出黑、灰 （由深到浅）直至白色。当反射率<10%时，物 体看上去为黑色；反射率10%～70%时为不同深 浅的灰色；反射率>70%的物体感觉是白色。
中间视觉或介视觉(mesopic vision)：
• 亮度介于明视觉与暗视觉所对应的亮度水平之间 • 视网膜中的锥体细胞和杆体细胞将同时起作用

人眼是由高灵敏度的黑白胶片和中等灵敏度的 彩色胶片组成
视网膜上的视细胞分布如图所示。其中锥体细胞集中在 视轴近旁(中央凹)。中央凹是直径约为1.5 mm的极小区域， 这里锥体细胞的分布非常密集，约有10-15万个，分辨能力 最高；与此相反，杆体细胞在视轴近旁数量极少，而广泛分 布在此区以外的部分。
爱因斯坦的光子理论
光是一束以光速运动的粒子流,这些 粒子称为光量子,现在称为光子,每一 光子的能量为ε =hγ。 光的能流密度决定于单位时间内通 过单位面积的光子数。
“光电子”学说对光电效应现象的解释
物体内部的电子吸收了光子的能量后，电子 就会从物体内部脱离出来，可利用这种脱离 出来的电子，使它转化为电能，即物体的光 电效应 。
视网膜是一层透明的薄膜， 厚度约0.1～0.5mm，其 上分布着视觉感光细胞 。
感光系统
人眼的感光系统由视网膜组成，视网膜上 分布着视觉感光细胞（按细胞的形状而命 名为视锥细胞和视杆细胞），相当于相机 内的感光片，是眼球的最里层，位于眼球 后极的中央部分。
杆体细胞 Cornea 感绿锥体细胞 Macula

锥细胞和杆细胞
在锥体细胞中又含有分别对红、绿、蓝光 有响应的三种细胞，其数量之比大约为32:16:1。
二、视觉器官的两重功能
视觉器官的两重功能： 视觉对色彩和光线数量的感觉功能。 人对能量相同但波长不同的光线，所引起 的亮度感觉是不同的。 人眼在一定光照条件下对光线的感觉称明 视觉；而在黑暗条件下对光线的感觉称暗
视觉。
锥体视觉或明视觉(photopic vision)：
• 锥体细胞的感光灵敏度低 • 在亮度为3cd/m2 (坎德拉/平方米)以上的光亮条件下起作 用 • 能够分辨颜色和物体的细节
杆体视觉或暗视觉(scotopic vision)：
• 杆体细胞感光灵敏度高 • 只能在亮度为0.001cd/m2 以下的黑暗条件下起作用 • 仅能感知明暗，不能分辨颜色和物体的细节
感红锥体细胞 Lens 感蓝锥体细胞 Optic Nerve
Fovea
Retina
视网膜的组成
入射光沿图中箭头方向射入，到达具有感光性 能的视细胞；视细胞层的表侧是视神经层，它由水 平细胞、双极细胞、无长突神经细胞、神经节细胞 等组成，由视神经层处理来自视细胞的信号。因此， 入射光是通过透明的视神经层后才到达视细胞层的。 具有感光性能的视细胞相当于照相胶片上具有 感光性能的卤化银(AgCl、AgBr )微粒。 视细胞包括锥体细胞(cone)和杆体细胞(rod)两 种视觉感光细胞，它们所含的感光物质不同，所以 执行的视觉功能也不同。 锥体细胞和杆体细胞分别是因其形状为圆锥状 和棒状而命名的。 锥体细胞的总数约为700万个，杆体细胞的总数 约有1亿个。这些视细胞的前端称为外节，它含有 感光性的视物质。
光谱密度φ e(λ )：在以波长λ 为中心的微 小波长范围内的辐射能与该波长的宽度之 比,其化学表示式为： d e φ e(λ ) = （W/nm） d φ e----光的辐射能 λ -----光谱色的波长
光谱密度表示了单位波长区间内辐射能 的大小。 光源中不同波长色光的辐射能随波长的 变化而变化，因此，光谱密度是波长的 函数。
1. 外层
外层前部的透明部分称为 角膜，占整个眼球表面的 1/6左右，起到保护眼球内 部和透光的作用。角膜的 厚度约0.8～1.1mm，折射 率为1.336，具有屈光的作 用。 外层后部约5/6的眼球表面 是一层坚固的白色不透明 膜，称为巩膜，巩膜的厚 度为0.4～1.1mm，起保护 眼球的作用 。
吸收系数（假设透明体厚度为d ）

A d D d
（二）反射物体的光谱特性
光照射在非透明体上时，由于其表面分子 结构差异，而形成选择性吸收，将可见光 中某些波长的辐射能吸收了，将其余波长 的光反射出来。
光谱反射率与光学密度 反射率
0
光谱反射率
反射光辐射能
二、可见光
能量决定了光的强度，波长决定了光的颜。 光的波长决定了人眼所能看到的颜色。相同 波长的光，如果辐射能量不同，则人眼将看 到不同明暗程度的色彩。
麦克斯韦（Maxwell,1831—1879年）
认为光是一种电磁波， 是振动方向与传播方向 相垂直的横波 。
可见光谱
波长（nm）
波长（nm）
常用光源的光谱分布
线状光谱（激光低压钠灯、红宝石激光） 带状光谱（碳弧和高压汞灯） 连续光谱（一切热辐射光源如太阳、白炽灯光） 混合光谱（前三种的组合，如荧光灯）
相对光谱能量分布可用任意值来表示。 由相对光谱能量分布，就可知道光源的 颜色特性。 光源的颜色特性，取决于所发出的光线 中，不同波长光的相对能量比例，而与 光谱辐射能量的绝对值无关。 绝对值的大小只反映光的强度，产生明 暗的感觉，不会引起光源颜色的变化。
2.中间层
中间层是血管膜，含有丰富 的血管、神经和色素细胞。 它又分为三层： （1）脉络膜 吸收眼球内的杂散光线，消 除光线在眼球内的漫反射。 （2）睫状体 调节晶状体的凸度（曲率）。 （3）虹膜 控制进入眼球内的光线量。
3.内层
内层是视网膜，贴在脉络 膜的内表面，是眼球的 最里层，是眼球的感光 部分。
第二章 颜色视觉原理
第一节 光的颜色特性
一、 颜色的光本质
牛顿（Newton,1642—1772年）的三棱镜分光实验
自然光通过三棱镜分光
光的本质及光现象
1.光的本质
牛顿的“粒子说” ： 光是光源发出的粒子的流动。 可对光线的直线传播、折射，反射等现象进 行合理的解释。但无法解释光的干涉、衍射 及偏光等现象。

x x0 I
d D
o
对“波动说”提供了有力的支持
干涉图
杨氏干涉纹
爱因斯坦（ Einstein,1879—1955年）提出 “光电子”的假说
当光被物体吸收后变为具有一 定能量的粒子。各种单色光的 振动次数不相同，所以粒子的 能量也不相同，但具有一定能 量的各种粒子在真空中传播的 速度（即光速）是相同，这种 粒子就称为光子（亦称光量 子）。
在颜色科学中，所研究的光是为眼睛所 能感受到的，因此在颜色科学中所谓的 光是指，能作用于人眼，并能引起明亮 视觉及颜色感觉（色觉）的一种电磁辐 射，即可见光。 白光经色散后按波长顺序排。
单色光与复色光
单色光： 光谱中不能再分解的色光即单一波长的光. 任一单色光射入人眼，都将产生特定的颜色感觉，不同 波长的单色光将产生不同的颜色感觉。 在牛顿的分光实验中，看到的某一种单一颜色的光，严格 地讲并非是单色光，而是一个波长范围极小的复色光。 复色光： 由单色光混合而成的光。 自然界中绝大多数的光（如：太 阳光，白炽灯和日光灯发 出的光）都是复色光 。
（一）透明物体的光谱特性
光照射在透明物体上，一部分光透过物体， 另一部分光被物体吸收。
透明物体的光谱透射率

透明物体的光谱透射率
0

o
由物体投射出的波长为λ的光 辐射能
入射于物体上的波长为λ的光 辐射能
透明物体的光谱吸收度与吸收系数