第一节 光与色
若要看到一个物体的颜色，必须满足如下三个条件：
第一个条件，由光源把物体照亮。
第二个条件，物体把照射到其表面的一部分光散射出来。
第三个条件，物体散射出来的光投射到人的眼睛中。
投射到人眼睛中的光信号，通过人的视觉神经，把它传递给大脑，经大脑分析判断后，就产生了视觉（图1-1）。于是，人们就能够根据观察到的结果以及人的记忆和经验，而对物体的颜色、形状、性质等做出判断。由此，我们可以看出，人的颜色视觉，是光、物体和视觉系统共同决定的，它们对颜色视觉都有着决定性的影响。
图1-1 人的颜色视觉
一、光
光是一种电磁波。电磁波包括宇宙射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、雷达波、无线电波、交流电等。电磁波波长短的小于1nm，长的超过103km。一般来说，可见光的波长在380～780nm。由此可见，可见光的波长在整个电磁波中，仅仅占据其中很小的一段。但是，对于可见光实际的可视波长范围，不同的人之间是有差异的。实际检测发现，有些人对于长波一端的光比较敏感，能看到波长更长的光。而有些人则对于短波一侧的光比较敏感，可以看到更短波长的光（图1-2）。但可见光波长的两端，对任何人颜色视觉的贡献都非常小。所以，对于工业生产中的颜色评价，人们也常常把可见光的波长范围确定为400～700nm（图1-3）。实际上，这样的波长范围，对于一般的颜色测量和颜色评价，精度已经足够了。
图1-2 不同人的光谱效率曲线
N—视力正常人的光谱光效率曲线 P、D、T—三种视力有偏差人的光谱光效率曲线
图1-3 电磁波及可见光谱
二、光的色散
图1-4 光的色散
光是由光源发出的，常见的光源有太阳、灯、火焰等。当一束太阳光，通过一个三棱镜时，则可得到如图1-4所示的一个彩色谱带，其中有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等一系列颜色。还可以看到，各种颜色之间并无明显界限，而是一个连续谱带。人们把太阳光等光按波长展开的现象称之为光的色散。
像太阳光那样，色散后可以得到一个谱带，或者说是由不同波长的光混合在一起的光，在物理学中称之为复色光，而把单一波长的光称之为单色光。由光栅、棱镜、滤光片等得到的较窄波长范围的光，虽然理论上仍然是由不同波长的光组成的复色光，但在颜色测量上，通常也将其看成是单色光。
三、物体的颜色
图1-5 各种颜色物体的反射率曲线
物体为什么会显示出各种各样的颜色，其根本原因就是它具有对光选择吸收的特性。太阳光照射在物体上，物体可选择吸收某一波长范围的光，而将其余波长的光反射出来，反映到人的大脑中，就可以得到对这种物体显示什么颜色的印象。例如，一个物体吸收了400～420nm的蓝紫色的光，则该物体即显示黄颜色，而吸收了可见光中560nm左右的绿光，则此物体显示紫颜色。图1-5所示为各种不同颜色的物体，对可见光区不同波长的可见光的吸收和散射情况。而物体颜色的深浅（浓淡），则是由多方面因素决定的。
1.有色物质的浓度 有色物质的浓度对物体颜色的影响与溶液中的情况是相似的。即有色物质的浓度越高，物体的颜色也越浓（深）。反之，有色物质的浓度越低，物体的颜色越淡（浅）。但是物体中，有色物质浓度对颜色影响的规律性，远不如液体中有色物质浓度对溶液颜色的影响。溶液中有色物质的浓度与吸光度之间，在一定浓度范围内，有非常好的线性关系。这可以由比耳定律准确地描述。
I=I0×10-kc
或
式中：I——透射光的光强度；
I0——入射光的光强度；
k——比例常数；
c——溶液的浓度；
T——透光率；
A——吸光度，也称消光度（用E表示）。
但是在固体物质中，有色物质浓度与物体颜色深度之间的关系，无论是库贝尔卡—蒙克（Kubelka-Munk）函数，还是其他的相关的函数，都不像比耳定律有那么好的规律性。因此给以后固体物质中，物体的颜色与有色物质浓度之间关系的评价带来了不小的麻烦。
2.固体物质中，有色物质物理状态和分布状态对物体颜色的影响 对于纺织品来说，显得尤为重要，因为上染于纤维上的染料，在纤维上产生物理状态的变化是普遍存在的，而且染料不同，在染整加工过程中，物理状态的变化以及对颜色造成的影响也往往有很大的差异。染料在纤维材料中，随着染色过程的进行，发生物理状态的变化，对于每一个印染工作者来说，都是再熟悉不过的事情了。例如，在用还原染料对棉纤维进行染色的过程中，大多数染料在皂煮工艺进行的前后都有不同程度的色相变化。其中还原黄GK是最典型的。未经皂煮处理的染色织物，最大吸收波长为445nm，而经过皂煮处理以后，最大吸收波长则由445nm变成了462nm，两者相差17nm之多。经研究认为，是由于还原黄GK经过皂煮处理后，物理状态发生了变化所致。这在染色理论中已经阐述得非常清楚。
3.物体表面光学性质对颜色的影响 纤维的比表面大小不同、织物的组织结构不同、不同纤维材料以及可以改变织物表面光学性质的加工方法，都会使纤维表面光学性质产生差异。
如常规聚酯纤维及聚酯超细纤维的碱减量加工、合成纤维的低温等离子体加工、纺织品的某些后整理加工等。影响加工的因素很多，各种因素相互关联，与物体颜色之间有着很复杂的关系。如织物比表面积的大小对颜色的影响，从光学角度来分析，可由图1-6来说明。当一束白光（图中的Ⅰ）照射到一束染色纤维上时，通常会出现图1-6所示的结果。一部分光以镜面反射的方式被反射出来（图中的Ⅱ），另一部分光则进入纤维内部，在进入纤维内部的光中，一部分被有选择地吸收，而另一部分则被从内部反射出来，称之为内反射（图中的Ⅲ），还有一部分光在纤维内部经反复折射而被吸收（图中的Ⅳ），也可能有部分的光穿过纤维层而发生透射（图中的Ⅴ）。人们看到的物体颜色，实际上是由镜面反射的白光和内部反射的彩色光等混合后所显示的颜色。在这一混合的反射光中，镜面反射光占的比例越大，颜色显得越淡，也越萎暗。在反射光中，镜面反射光占的比例越小，颜色显得越浓艳。例如聚酯超细纤维的比表面比常规聚酯纤维的比表面大得多。所以，用同一种染料染色，染料的上染量相同的情况下，比表面积比较大的聚酯超细纤维，颜色显得浅而且萎暗。或者说，要想把聚酯超细纤维染成很浓艳的颜色，必须用更多的染料。
图1-6 各向同性彩色薄膜反射、折射、透射模型
纤维材料的折射率，是影响物体表面光学性质的另一个重要因素。它可以改变物体表面对入射光的吸收和反射特性。折射率越大，物体对入射光的吸收越少，而镜面反射光的比例会增大；折射率越小，物体对反射光的吸收越强，而镜面反射光的比例减小。也就是说，折射率越大的物质，越难以染得深浓的颜色，而折射率越小的物质，越容易染得深浓的颜色。如蛋白质纤维，通常比较容易染得比较深浓的颜色。而聚酯纤维，由于折射率很高，所以比较难于染得深浓色。聚酯超细纤维，不但纤维折射率很高，而且，比表面也很大，所以染得深浓的颜色就更加困难。表1-1所示为常见纤维材料的折射率。
表1-1 常见纤维材料的折射率
织物的组织结构对颜色的影响，也是由织物表面的光学性质决定的，因为织物表面的光学性质，决定着织物对入射光吸收和反射的特性。例如平纹织物和绒布，当上染于两种织物上的染料浓度相同时，绒布的颜色总比平纹织物的颜色显得深而且鲜艳。这是因为入射光照射到平纹织物上，平纹织物的镜面反射光相对较强，而对入射光的吸收相对较弱，因而，在平纹织物的反射光中，镜面反射光所占的比例就比较高，因此平纹织物的颜色就显得比较浅，并且颜色鲜艳度也比较差。而绒布由于表面的特殊组织结构，使入射光可以在绒布表面反复、多次地反射和吸收，所以对入射光的吸收增强，而表面反射光的比例大大减小。因而，绒布的颜色看起来不仅深而且鲜艳。
纺织品的后整理加工，也会改变织物表面反射光中镜面光的含量，因为有不少助剂的折射率比较低，如有机硅柔软剂的折射率一般在1.4～1.5。所以经有机硅类柔软剂整理过的织物，特别是具有高折射率的聚酯纤维，由于整理后会在纤维表面形成助剂覆盖层，从而改变了纤维表面的光学性质，降低了折射率，所以，颜色通常会稍微深一些。
4.温度和相对湿度对纺织品颜色的影响 由于纺织品会在自然环境中保持温度和湿度的平衡，在高相对湿度下，纺织品的含水率会增加。含水率的改变，一方面改变了纤维表面的光学性质，同时也使上染于纤维上的染料状态发生了改变，因而织物显示的颜色也会发生不同程度的改变。
构成纺织品的纤维材料不同，回潮率会有很大差异，不同纺织品之间，在相对湿度发生变化时，造成的纺织品含水率的变化也不相同，从而使纺织品显示出的颜色变化，受其所处环境相对湿度的影响也就大不相同。显然，纺织品所处的温度和环境的相对湿度，对其颜色是有很大影响的，是不容忽视的。
测量颜色时，必须在规定的条件下，才能够得到正确和稳定的结果。这种现象已经引起了广大颜色工作者的重视。如沃尔玛公司规定，对纺织品进行颜色测量时，必须把被测织物置于温度为22℃±2℃、相对湿度（65± 5）%的条件下，并且有模拟D65光源照明，放置2～4h，然后再进行测量。或者在温度为22℃±2℃、相对湿度为（65±5）%，并且在模拟的D65光源照明下的环境箱中放置30min，取出后应在5min内测试完毕。
德塔（Datacolor）公司的技术人员，曾经对用各种不同类型染料染得的不同纤维材料纺织品试样的颜色，在不同相对湿度条件下进行过全面测试，以判断相对湿度对这些试样颜色的影响。测试结果见表1-2和表1-3。
表1-2 不同相对湿度下对不同材料染色织物色差的影响
表1-3 不同相对湿度对直接染料染棉织物色差的影响
从表1-2和表1-3可以看出，相对湿度对不同纤维材料颜色的影响，是与纤维材料的亲水性成正比的，即亲水性越强，颜色变化越大。而用直接染料染得的纯棉织物，颜色不同，受环境相对湿度的影响也不相同，出现这样的结果，应该主要是由于染料的结构不同造成的，而与织物是什么颜色并无直接关系。
影响织物颜色实际上还有入射光的角度和观察方向等因素。国际照明委员会（CIE）在这方面也有相应的规定。这些都是进行纺织品颜色评价时应该注意的。
四、人的视觉系统
人的眼睛主要是由角膜、晶状体和感光细胞组成的（图1-7）。物体只要有光反射出来，投射到人的眼睛里，则物体的像将呈现于视网膜上，通过视网膜上的感光细胞，把信号传递给大脑，经过大脑的综合判断，就产生了视觉。对颜色的研究，正是在对人眼睛的视觉特性进行深入研究的基础上进行的。广大科技工作者，通过长时间的艰苦努力，对于人眼睛的视觉特性已经有了深入的了解，并且对与其相关的生理基础也进行了非常深入的研究。
1.视角 视角为被观察对象的大小对人眼睛形成的张角。视角的大小，决定于视网膜上物体投影（物体在视网膜上的像）的大小。与人的眼睛距离一定的物体，若物体面积较大，则与眼睛形成的张角也大，物体在视网膜上的像就大。同一个物体，越远离人的眼睛，与眼睛形成的张角就越小，因而在视网膜上，形成的像也越小（图1-8）。因此，视角的大小，既取决于物体本身的大小，又取决于物体与眼睛之间的距离。但是，我们用眼睛直接对纺织品的颜色进行评价时，通常是在比较适宜观察距离下（约33cm）进行的，此时视角的大小主要是由试样的大小决定的。颜色是由人眼睛视觉系统的结构所决定的，视角的大小对颜色视觉也有重要的影响。
图1-7 人眼睛的解剖图
图1-8 视角计算示意图
视角的大小可由式（1-2）计算：
式中：α——视角；
D——物体与眼睛之间的距离；
A——物体面积的大小。
2.明视觉、暗视觉 人的眼睛在明亮的条件下，可以分辨物体的细节和颜色，但是在黑暗的条件下，则只能分辨物体的大致轮廓，却分辨不出物体的细节和颜色。人们经过长期研究发现，人眼睛的视网膜中，有两种不同的感光细胞，这两种感光细胞分别在不同条件下执行着不同的视觉功能。这就是人们通常所说的视觉二重性，也称之为明视觉、暗视觉特性，这种理论是得到医学解剖学证明的。这两种感光细胞分别被称为锥体细胞和杆体细胞。锥体细胞在明亮的条件下，可以分辨物体的细节和颜色，杆体细胞在黑暗的条件下可以分辨物体的轮廓，而不能分辨物体的细节和颜色。介于明视觉和暗视觉之间的视觉状态，称为微明视觉。此时人的视觉功能最差。也有人把这种视觉状态称之为间视觉，此时锥体细胞和杆体细胞都只有很微弱的视觉功能。动物中有很多夜视动物，如猫头鹰等，它们眼睛的感光细胞中，只有杆体细胞而没有锥体细胞，所以，它们看到的物体都是明暗不同的灰色。
锥体细胞和杆体细胞，在人的视网膜上的分布是不均匀的，锥体细胞主要分布在中央凹的附近，杆体细胞则分布于中央凹的外围。其分布如图1-9所示。
图1-9 锥体细胞与杆体细胞的分布
视网膜上的中央凹是锥体细胞分布最密集的区域，其直径为2～3mm。眼球的前后径大约为23mm，当视角为2°时，物体的像恰好落在视网膜的中心锥体细胞最密集的区域。
3.光谱光视效率函数 人的眼睛对于波长不同的光有不同的感受性，即相同能量不同波长的光，人的眼睛会有不同明亮程度的感觉。人眼睛的这种特性，对于两种感光细胞来说都是存在的，只是规律有些不同。其基本规律如图1-10所示。图中的曲线称明视觉、暗视觉光谱光视效率函数曲线，图中的实线为明视觉光谱光视效率函数曲线，虚线为暗视觉光谱光视效率函数曲线。明视觉的最高感受波长为555nm的绿光，最低感受波长为可见光谱的两端，即小于400nm和大于700nm的区域。暗视觉的最高感受波长为507nm，而最低感受波长为大于700nm的红色区域。图中纵坐标为明视觉光谱光视效率函数和暗视觉光谱光视效率函数的相对值，其中明视觉光谱光视效率函数值，以波长555nm的单色光明度为1，暗视觉以波长为507nm的单色光明度为1。图中的曲线表示的是单位能量的相对明度，曲线中最突出的部分对应的波长，就是人的眼睛感觉最明亮的波长。而曲线较低部分对应的波长，则是人眼睛感觉较暗的波长。
4.颜色视觉（1）颜色辨认：凡视力正常的人，都可以分辨380～780nm整个可见光范围内的红、橙、黄、绿、蓝、紫等各种颜色以及大量的中间色。但是，在颜色辨认中，人的视觉对不同波长范围光的颜色辨认精度却有很大的不同。也就是说，人的视觉对有些波长范围内的颜色分辨能力强，而对另外一些波长范围的颜色分辨能力较差，如图1-11所示。
图1-10 明视觉与暗视觉的光谱光视效率函数曲线
图1-11 人眼对光谱变化的分辨能力
图1-12 各个波长领域的恒定颜色线
贝措德—布吕克（Bezold—Brücke）效应，揭示了除黄（572nm）、绿（503nm）和蓝（478nm）三个波长外，其余波长光的颜色都会随光的强度而变化，如图1-12所示。
（2）颜色对比：在视场中，相邻区域两个不同颜色的互相影响叫作颜色对比。在一块红色背景上，放一块白色或灰色的纸，当我们注视白纸几分钟后，白纸会出现绿色。当照明光源比较强、背景的红色比较浓艳时，这种作用更强烈。如果背景是黄色，白纸会出现蓝色。红色和绿色是互补色，黄色和蓝色也是互补色。每一种颜色都可以在其周围诱导出其补色。如果在一块彩色的背景上，放上另一种颜色，由于颜色对比，两颜色会互相影响，使两颜色的色相各自向另一颜色的补色方向变化。如果两颜色互为补色，则彼此加强饱和度，在两颜色的边界，对比现象明显。因此，进行颜色观察时，应尽量避免环境中对比效应的干扰。
图1-13 彩色光阴影产生的对比现象
用彩色灯泡演示颜色对比现象，会得到非常明显的效果。如图1-13所示，用一个红色灯光照到白色墙壁上，在红色灯光和白色墙壁之间放一张普通纸片，则在白色墙壁上的阴影部分，会出现红色的补色，也就是绿色。如果旁边放一个白炽灯，效果会更好。同样，用其他任何彩色灯光也可以非常方便地演示颜色对比现象。
（3）颜色适应：在日光下观察物体的颜色，然后突然在室内白炽灯下观察，开始时，室内照明看起来会带有白炽灯的黄色。物体的颜色也会带有黄色，几分钟后，当视觉适应了白炽灯的颜色后，原来感觉到的黄色将慢慢消失，室内照明也将慢慢趋向白色。人的眼睛在颜色刺激的作用下，所造成的颜色视觉变化称为颜色适应。对某一颜色光适应以后，再观察另一颜色时，后者的颜色会发生变化。在一块暗背景下，投射一小块面积的黄光，在观察者看来，无疑它一定是黄色的。但是，当眼睛注视一大块面积强烈的红光一段时间后，再看原来的黄色，这时黄光会显示绿色。再经过一段时间，眼睛又从红光的适应中，慢慢恢复过来，绿色会逐渐变淡，最后又变成为原来的黄色。同样，对绿光适应以后，会使黄光变红。一般对某一颜色的光适应以后，再观察其他颜色，则其明度会降低，饱和度通常也会降低。
因此，在直接以人的眼睛对颜色进行的判定中，如果先后在两种不同光源的照明下进行，就必须考虑到前面一种光源对人视觉的颜色适应的影响。如果在某一光源下观察颜色时，周围还有其他颜色光的干扰，通常也应该考虑这一部分光对视觉产生的颜色适应的影响。
但是，在眼睛看来完全相同的两个颜色，即两个相匹配的颜色，即使在不同的颜色适应状态下观察，两个颜色仍然始终是匹配的，这种现象叫作颜色匹配的恒定性。