理解色彩学使 LED更成功（二）-知识-云知光

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随着LED在普通照明市场中的份额不断增加，LED所发光的色彩质量也变得日益重要。《理解色彩学使 LED更成功》系列文章将探讨LED技术中所涉及到的色彩科学。

本文首先将解释CIE（国际照明照明委员会）色度图（Chromaticity Diagram）的起源，以及1931年CIE制定色度图标准时所涉及的相关科学原理。

光源的SPD

图4：(a)和(b)分别为色温为3000K的LED和白炽灯光源的SPD以及各视锥细胞对其的响应。柱状图为各视锥细胞的相对响应值。

色温为3000K的典型暖白光LED光源的SPD与视锥细胞的响应曲线合成在图4a中，并且标明了三种视锥细胞对该LED的响应值。同样在图4b为视锥细胞对色温为3000K的白炽灯光源的响应。

值得注意的是，虽然LED和白炽灯的光谱功率分布SPD差别非常大，但是视锥细胞对二者的的响应是相同的。因为视锥细胞对两种光源的响应是相同的，所以它们的颜色看起也就是一样的。二种SPD不同但看起来颜色相同的光源，被称为同色异谱色对( Metamers)。

同色异谱色对在色彩科学领域非常重要，特别是彩色印刷、彩色显示，摄影印刷匹配和LED照明等。例如当彩色显示器需要复现某种颜色时，显示器并不需要复制产生该颜色最初的SPD。显示器只需要产生它的同色异谱色对。LCD显示器具有红、绿、蓝三种颜色的像素点，通常被称为三原色。当以正确比例进行混合时，三原色能为非常宽范围的SPD及其对应颜色制造出同色异谱色对。三原色复制的SPD只需刺激L、M和S视锥细胞得到与被复制原色对应SPD相同的响应即可。

你可能已经猜到了，为某一绐定SPD寻找LED三原色正确的组合比例来产生同色异谱色对并非易事。色彩科学的历史基本就是一部试图解决上述问题的历史。色彩科学的早期始于20世纪初，视锥细胞的光谱响应还是未知。实际上，人们也并不清楚视锥细胞的种类数量，但假设其为三种，因为三种加法或减法混色就能得到所有的基本颜色。探索的第一步就是需要了解人眼的光谱响应。

James Clerk Maxwell首先经验性的测量了三色光源得到任意颜色的比例。他甚至创造出了麦克斯韦尔色三角，预见了CIE色度图的到来。在此后的70年时间里，若干科学家对麦克斯韦尔的方法进行了改进，为CIE 1931标准的制定打下了基础。

插图：光源CIE色度图的绘制

上述被称为配色实验（或颜色匹配实验）的主要方法为使用单色镜产生一单波长测试光，照亮一块小屏幕的一半，该屏幕在观察者视野中的包角为2度。对700nm至400nm区间内的每一测试光波长，实验者将调节其他三个单色镜或三原色光源的强度，来照亮屏幕的另一半，直到三原色混合光的颜色与测试光想匹配。图5显示了上述配色实验的基本步骤。

图5：典型配色实验的示意图。

色彩空间的转换

配色实验的结果是得到三条曲线或函数，代表匹配可见光谱区间内任一单波长光时三原色各自的相对强度。如果将三原色换成另一组不同的单色光源，那么实验将达到一组相应与之前不同的颜色匹配函数。我们将从一特定配色实验得到的一组颜色匹配函数称为配色函数(CMF)。

接下来的问题从两组不同三原色实验得到的两组配色函数之间有什么关系呢？答案是所有的CMF之间可通过线性变换进行转换。下面的方程使用矩阵表示上述线性变换，将包含a(λ)、b(λ)和c(λ)的一个配色函数变换为由a’(λ)、b’(λ)和c’(λ)组成另一配色函数。

该3x3系数(kij)矩阵常被称为色彩空间转换。如何得到该矩阵并不困难，我们将在后续的文章中详细介绍。现在我们需要知道所有的配色函数(及其相应的色彩空间)之间都可通过线性变换来相互转化。

CIE 1931是一个包含大量可能色彩空间的标准，所有的色彩空间都能从其他任意一组配色曲线通过线性变换得到。CIE 1931标准的制定基于两个独立配色实验的结果数据，分别由w David Wright和John Guild在1920年代获得。每个配色函数都能变换为基于另一组理想三原色的新的色彩空间。经过变换的结果显示Wri曲t和Guild的数据几乎相同，这也符合理论预期，因为任意配色函数之间都是线性变换关系。而存在的偏差则来源与实验误差以及实验中观察者的天然不准确性。

图6：CIE 1931配色函数x(λ)、y(λ)和z(λ)

CIE 1931标准对三原色的选择并不是随意的，而是使配色函数曲线能够具有若干特别的性质。其中之一是三条曲线之一的y-(入)与前面讨论过的明视曲线V(入)相同。CIE 1931标准中的配色函数如图6所示。

图7：CIE 1931色度图。

配色函数曲线与光源或反光体所发光的SPD进行积分就得到了x、Y和z标准三色值，光度特性值(通量、强度、照度和亮度等)，及其CIE色度坐标。《光源CIE色度图的绘制》介绍了对于给定SPD如何计算x、y和z三色值，以及如何在CIE色度图（图7）中如果计算某- SPD的色度坐标值x和y，并在色度图中找到其对应的颜色。

色彩二维坐标

由于一种颜色只需要两个数字就能确定，这使得CIE色度图成为LED普遍采用的确定颜色的标准工具。更重要的是，通过研究CIE 1931标准制定的过程，我们能更好的理解色彩视觉背后的科学原理。

上面介绍的三个基础概念深入阐释了我们是怎样看到色彩的。这三个重要概念是：