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。从这篇文章我们将推出一个专门的系列来探讨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。以后我们将讨论自然和人工光源的色彩渲染特性，还有如何通过利用色彩学理论来进一步提高LED光源的色彩质量及色彩渲染特性。

　　LED业界一直将相当大的精力放在LED色度的分级上，首先保证对LED生产线进行精确测试，然后通过制造工艺的改进减少色度的偏差。这对于白光LED的广泛应用，特别是在普通照明领域，尤其重要。但即使如此，LED仅有色度坐标也是不够的。色度坐标值只能量化地表征LED在被直视时的色彩表现，但并不能很好地体现其他物体被LED照亮时的色彩表现。

　　实际上如图l所示，有可能两个光源拥有完全相同的色度坐标值，而它们的光谱功率分布(Spectral powerdistributions，SPD)则非常不同。如果我们直接观察二者所发出的光，看起来的颜色也是完全相同的。但如果拿它们去照亮其他具有色彩的物体，被照亮物体则会因为光源不同呈现不同的颜色。两个具有相同色度坐标值的光源，光谱功率分布的差别越大，同一物体被它们照亮时所呈现的颜色可能差别亦越大。

　　其原因在于物体所呈现出的颜色并不只是决定于其本身的性质。颜色是光源的光谱特性、被照射物体的光谱反射率以及人眼的光谱敏感度之间复杂相互作用的产物。人类视觉系统进一步调整来自视网膜的信号，以产生最终的色彩感知。日常生活中当我们谈到颜色时，仿佛认为这是各种物体本身所具有的一种性质。例如苹果是红色的，香蕉是黄色的。实际上，使苹果看上去是红色的固有特性，源于苹果会反射更多的长波长光线，而反射中段和短波长的光线较差。而香蕉的反射光波长集中于580-590nm左右。如果我们用红色LED来照亮香蕉，香蕉就会变红色，因此我们可以很清楚地明白“黄色”或“红色”不仅仅是物体本身的一种固有特性。

图1、蓝色和红色曲线分别为一白炽灯和LED灯的光谱功率分布，二者的色温均为3000K，CIE坐标x=0.437.y=0.404。

图2、归一化后的L、M和S视锥细胞响应曲线，以及可见光谱段各波长对应的颜色。

　　视网膜功能

　　现在你可能感觉你正在读的内容有些抽象。为了更加贴近现实，我们将探究视网膜在实际中如何感受到光线。视网膜中有两种具有感光性的受体细胞，称为视杆细胞和视锥细胞。视锥细胞负责颜色及高清晰度视觉。而视杆细胞比视锥细胞对光线更敏感，但无法感受色彩。视杆细胞主要负责在夜晚或低亮度情况下的视觉，以及周围区域的运动识别。

　　视锥细胞可细分为三种，每种都具有各自特定的光谱敏感曲线，并有部分相互重叠。图2绘出了每种视锥细胞光谱响应特性。尽管三种视锥细胞的响应范围大致就是红、绿和蓝色光谱区域，但视觉心理学家还是倾向于将其分别称为长波(L)、中波(M)和短波(S)视锥细胞。三种视锥细胞对某一光谱功率分布响应的比例决定了我们所感知到的颜色。

　　通过图2中的细节我们能更好地理解上述过程，图中表示出了各种波长对应的颜色。当波长最短且只有S视锥细胞被激活时，我们看的是紫色。随着波长的增加，除了S视锥细胞之外，M视锥细胞也开始产生响应，从而紫色开始变成深蓝色。当M视锥细胞的响应超过S视锥细胞时，我们感知到的颜色会往绿蓝色( greenish-blue)和蓝绿色(bluish-green)方向变化，而当M视锥细胞的响应值相比L和S视锥细胞的响应值达到最大时，则呈现为纯绿色。

　　当波长继续增加时，该趋势会继续下去，这时L视锥细胞开始对光刺激产生显著的响应。当M和L视锥细胞响应基本相当时开始出现黄色，之后随着波长的进一步增长，M视锥细胞的响应快速下降，使视觉感知迅速从黄色向橙色甚至红色变化。当波长达到640nm时，M视锥细胞的响应就非常低了，这时的视觉感知即是深红色，并且几乎不再变化，因为只有L视锥细胞在响应光线的刺激。从上述分析可知，任何波长的颜色严格决定于不同视锥细胞对该波长可见光响应值的相对比。

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　　视锥细胞响应的组合

　　离开视锥细胞的神经信号经过进一步处理后，再通过视神经传输至位于大脑后部的视觉皮层。L、M和S视锥细胞的响应以不同的编码组合分别进入三个通道，一个表征亮度(光强或照度)信息，另两个则表征颜色信息。图3即是上述处理过程的示意图。目前对于该编码过程的精确细节还存在一些争论，但在基本原理上已达成普遍共识。L和M视锥细胞响应信号相加(L+M)得到加权平均，从而产生亮度信号。S视锥细胞响应信号很少或根本不进入亮度信号通道。

　　上述进入亮度信号通道的视锥细胞响应组合，即是著名的日光条件下的明视曲线(Photopic curve)，V(入)。夜间亮度水平下，视锥细胞的敏感度不足以产生视觉信号。而比视锥细胞更加敏感的视杆细胞开始代替前者开始工作。进入亮度信号通道的视杆细胞响应组合被称为暗视曲线(Scotopic curve)，V’(入)。所有的光度测量指标如强度(Intensity，单位为candelas)、通量(Flux，单位为lumens)、照度(Illuminance，单位为lux)或亮度(Luminance，单位为nits)都会根据光照水平选择使用V(入)或V’(入)来对被测光的SPD进行加权计算。例如光度通量的计算即是SPD(入)与V(入)乘积对波长入在可见光谱区间的积分。

图3、视锥细胞的响应结果从视网膜通过视神经传输至大脑视觉皮层，分为一个亮度通道和两个色彩通道。

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。

　　其他两个色彩通道分别为L-M和L+M-S。这两个通道也经常被称为红—绿通道和黄—蓝通道，并被广泛认为分别与互斥的红/绿光及黄/蓝光有关，也就是说我们看不到红绿色或者黄蓝色。

　　至此，我们只讨论了人眼对单波长光的响应。但如果我们看到的不是单波长，而是光谱带呢?当光谱带达到视网膜时，每种视锥细胞的响应是光源SPD(入)与某种视锥细胞对波长响应的乘积对波长在可见光区间的积分。详细的计算过程可参见《视锥细胞响应曲线的计算》。

　　光源的SPD

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　　光源的SPD

　　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。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。

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图6、CIE 1931配色函数x(λ)、y(λ)和z(λ)。

图7、CIE 1931色度图。

　　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。

　　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。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：

　　1) 颜色与人眼中视锥细胞的相对响应有关;

　　2) 同色异谱色对;

　　3) 所有的配色函数之间都可通过线性变换得到。

　　当我们能很好地理解这三个概念时，它们能在LED工程师面临的诸如问题中派上用场。在本杂志的后续几期中，我们将使用这三个概念以及CIE1931标准来探讨LED业界当前与色彩相关的几个热点话题，如色彩渲染和色彩混合等。