CN110542941B - 滤镜的色彩感知的优化方法及透射光谱 - Google Patents

Abstract

滤镜的色彩感知的优化方法及透射光谱，包括如下步骤：步骤1：将滤波器的透射率T表达为滤波器光学器件各参数的一个函数t；步骤2：将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数:步骤3：基于步骤2获得的各色感参数表达，在1976CIE L^*a^*b^*色感空间中，根据所需优化的色度，选择优化矢量

将颜色组投影在所需优化的色度平面上的综合色差表达为E_{优化色轴,T}；步骤4：根据优化透射光谱所需的E_{优化色轴,T}、亮度L^*和白点位移进行多目标优化，并选取合适的解即滤波器的透射率T，进而基于函数t优化设计滤波器光学器件的各参数。

Description

滤镜的色彩感知的优化方法及透射光谱

技术领域

本发明涉及光学滤波器的设计方法，尤其是滤镜的色彩感知的一种优化方法及透射光谱。

背景技术

人眼对光信号的辨识是通过三色视锥体信号叠加产生。因此人对可见光色彩的感知并不是可见光波范围内不同波长光线简单的线性叠加。现有光学滤镜的设计中，难以有效满足使用者色彩感知的需求又可以精确的控制所需优化的目标颜色或颜色组的方法。在类似的专利中，如《多频带色觉滤波器和使用线性程序解算器优化的方法》(CN103688145A)；《一种基于着色剂的光学装置及其人工智能的设计方法》(CN106199953A)；《优化人类色觉感知的光学装置设计方法、光谱及亮度测量方法》(CN106326582A)；以及《改善色彩感知和矫正色盲色弱视觉的人工智能透镜及设计方法》(CN106249406A)中，作者只是选取了一组颜色的集合并对颜色集合中感兴趣的对比色，如红色与绿色，在色彩空间中彼此的距离进行了优化从而实现对色差的优化。此种方法的局限性在其对颜色在色彩空间中的距离进行优化的同时不能有效的控制这个所优化的距离是否在其优化目标的颜色或颜色组方向上。不同于以往的专利，本专利对所需优化的颜色及颜色组在色彩空间中的色轴进行了精确的定义和数学表达(即通过该颜色的色相色度矢量)，因此在优化过程中准确的控制了优化目标。也就是说在优化过程中精准的控制了优化是在目标颜色的或颜色组的色轴上进行的。因此实现了对所需优化的具体颜色或颜色组进行了精确的控制。在此基础上，本方法可以根据设计者的需要进行多目标矢量优化，这些矢量可以是严格意义上的对比色，也可以是非对比色。因此相比较以上专利中单一的只针对对比色色差优化的方法，本专利的方法真正实现了多目标的非线性优化特征。

发明内容

本发明的发明目的在于提供滤镜的色彩感知的优化方法及透射光谱，能够有效实现使用者的色彩感知需求。

实现本发明目的的技术方案：

滤镜的色彩感知的优化方法及透射光谱，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将滤波器的透射率T表达为滤波器光学器件各参数的一个函数t；

步骤2：将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数:

步骤3：基于步骤2获得的各色感参数表达，在1976 CIE L^*a^*b^*色感空间中，根据所需优化的色度，选择优化矢量

将颜色组投影在所需优化的色度平面上的综合色差表达为E_{优化色轴,T}；

步骤4：根据优化透射光谱所需的E_{优化色轴,T}、亮度L^*和白点位移进行多目标优化，并选取合适的解即滤波器的透射率T，进而基于函数t优化设计滤波器光学器件的各参数。

进一步地，步骤1中，函数t通过如下方法建立：

将滤波器有效吸光成分的综合吸光表达为A(λ)＝∑_i＝1…N c_i·ε_i·l_i(λ)，其中，N为有效吸光成分总数目，l_i是有效吸光成分i在其所分布的所有介质层有效总厚度，ε_i为有效成分A_i的摩尔吸光系数，c_i为有效成分A_i在其所分布的所有介质层中的平均浓度，λ为可见光波波长；

将滤波器有效反光介面的综合透射率表达为F(λ)＝[1-f₁(λ)]·[1-f₂(λ)]…·[1-f_j(λ)]…·[1-f_M(λ)]，其中，M为有效反光介面总数目，f_j是有效反光介面j的反光率；

将滤波器的综合透射率表达为T(λ)＝F(λ)10^-A(λ)，即T＝t(λ,f_j,c_i,ε_i,l_i)。

进一步地，步骤2中，将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数，通过如下方法实现：

使用滤波器时，任意颜色U在光源D照射下光谱表示为，

U_k,T(λ)＝D(λ)·T·MC_k(λ)；

即，U_k,T(λ)＝D(λ)·t(λ,f_j,c_i,ε_i,l_i)·MC_k(λ)

其中

其中，MC为所选择的颜色反光率，

为观察者颜色匹配函数；

在CIE L^*a^*b^*色彩空间中，L^*标识明度或亮度坐标，a^*和b^*为两个对比色度上的彩度坐标，X_k，Y_k，Z_k为颜色U_k的三色刺激值；k标注所选择颜色组中不同的颜色。

进一步地，步骤2中，光源D通过滤波器后的白点位移表达通过如下方法获得，

X_n，Y_n，Z_n为标准照明体在全满反射体的三色刺激值，客观白点在光源D照射下光谱表示为U_0,T(λ)＝D(λ)·T，使用滤波器后白点三色刺激值表示为X_n,T，Y_n,T，Z_n,T；

未使用滤波器时，标准照明体在全满反射体通过滤光器的亮度表示为L^* ₀；

使用滤波器后综合亮度，即标准照明体在全满反射体通过滤光器的亮度表示为L^* _0,T；

使用滤波器后白点位移表达为：

或

或

进一步地，步骤3中，E_{优化色轴,T}通过如下方法获得：

使用滤波器时，观察者色感参数表达如下：

颜色U_k,T色相色度矢量

优化矢量

其中0°≤α≤360°；

所选择颜色在所需优化的色度平面上的色差为

所选择颜色组在所需优化的色度平面上的综合色差为

进一步地，步骤4中，多目标优化通过如下方法实现：

综合目标＝w₀·L^* _0,T+w₁·E_{优化色轴1,T}+w₂·E_{优化色轴2,T}+…+w_n·E_{优化色轴n,T}+w_n+1·白点位移，其中，权重变量w的取值范围为0≤w≤1,且w₀+w₁+w₂+…w_n+1＝1。

进一步地，步骤4中，所说滤波器光学器件的各参数是指f，ε，c和l。

进一步地，滤波器为光学目镜，或薄膜，或多层薄膜的叠加，或光学目镜与薄膜的叠加。

本发明具有的有益效果：

本发明将滤波器的透射率T表达为滤波器光学器件各参数的一个函数t；将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数:在1976CIE L^*a^*b^*色感空间中，根据所需优化的色度，选择优化矢量

将颜色组投影在所需优化的色度平面上的综合色差表达为E_{优化色轴,T}；根据优化透射光谱所需的E_{优化色轴,T}、亮度L^*和白点位移进行多目标优化，并选取合适的解即滤波器的透射率T，进而基于函数t优化设计滤波器光学器件的各参数。即本发明根据设定的色彩感知需求，最终求解滤波器的透射率T，进而优化设计出滤波器光学部件的各参数，能够有效满足使用者的色彩感知需求。

本发明采用色感空间1976 CIE L^*a^*b^*来表达本方法数学模型对色感参数的改变。在CIE L^*a^*b^*中，L^*代表明度或亮度(lightness)，a^*和b^*为两个对比色度上的彩度(chroma)坐标，此处简称色度彩度坐标。CIE L^*a^*b^*客观白色的坐标在任意指定亮度条件下为(0,0)。优化矢量

是在a^*b^*平面，以(0，0)为起点，与a^*>0坐标轴的夹角为α的矢量，其中0≤α≤360。当对任一组相反色对或多组相反色对进行优化时，通过优化矢量将该颜色组投影在所需优化的色度平面上进行数学操作。本方法可以明确指向所需优化的色度，因此优化的结果不依赖于优化对象颜色组的选取。

本发明的另一特征为多目标优化，如本发明可以根据使用者的需求选择性的改变人们对一组或多组光波或颜色的色彩感知。实现这种色彩感知改变的同时又可以独立调控使用者其他一种或多种色觉感知参数，包括某些特定光波的光学亮度，光源透射光的整体光学亮度，视觉白点的位置，一组或多组特定颜色对的色差和色域范围等。

本发明可应用于色彩学领域，如使使用者感知到更强的色彩度；本发明可应用于医学领域,如帮助改变和矫正色弱色盲者色觉感知；本发明也可以应用于提高交通中或所需领域的安全性，如通过增强或减低某些特殊颜色；本发明的滤波器还可以协同其他材料来达到包括改变色彩感知在内的复杂功能，比如可以应用本发明的方法结合光学聚焦以应用于可以帮助矫正色弱色盲的近视眼镜等。本发明滤波器可以是一种光学目镜，透镜，镜片；可以是一种薄膜；也可以是通过各种方法实现的多层薄膜的叠加或镜片与薄膜的叠加：如物理或气相沉积法，如有机或无机材料涂层方法等。如应用于改善红绿色盲色弱的眼镜时，可以结合于有特定聚光作用的材料或形状的镜片以近视镜的形式所使用；也可以结合于没有聚光作用的材料或形状的镜片以无度数墨镜或平光眼镜的形式使用；还可以直接结合于高分子材料中以隐形眼镜的形式使用。

附图说明

图1是本发明滤波器设计方法的流程图；

图2是透射光谱一的示意图；

图3是透射光谱二的示意图；

图4是透射光谱三的示意图；

图5是透射光谱四的示意图。

具体实施方式

实施时，本发明使用用于色盲色弱测试的15个法斯沃斯颜色和另外5个孟塞尔柔和色：10B5/4，10Y5/4，10R5/4，10RP5/4和10PB5/4所组成的20个颜色的色彩组，此处简称为“20色彩组”。由于本发明优化的过程并不依赖于所选取的颜色，因此选取了分别代表红绿黄蓝的简易“8色彩组”其中包括10B5/4，5B5/4，10G5/4，5G5/4，10Y5/4，5Y5/4，10R5/4，5R5/4。

参照图1，本发明滤波器设计包括如下步骤：

步骤1：将滤波器的透射率T表达为滤波器光学器件各参数的一个函数t；

步骤2：将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数:

步骤3：基于步骤2获得的各色感参数表达，在1976 CIE L^*a^*b^*色感空间中，根据所需优化的色度，选择优化矢量

将颜色组投影在所需优化的色度平面上的综合色差表达为E_{优化色轴,T}；

步骤4：根据优化透射光谱所需的E_{优化色轴,T}、亮度L^*和白点位移进行多目标优化，并选取合适的解即滤波器的透射率T，进而基于函数t优化设计滤波器光学器件的各参数。

步骤1中，函数t通过如下方法建立：

当选择具有N层具有吸光染料和M层反光介质层的滤波器时，

A(λ)＝∑_i＝1…Nc_i·ε_i·l_i(λ)

F(λ)＝[1-f₁(λ)]·[1-f₂(λ)]…·[1-f_j(λ)]…·[1-f_M(λ)]

T(λ)＝F(λ)10^-A(λ)

T＝t(λ,f_j,c_i,ε_i,l_i)

其中指定λ为380纳米到780纳米的可见光的波长。N为有效吸光成分总数目。M为有效反光介质层总数目。l_i是有效吸光成分i在其所分布的所有介质层有效总厚度。ε_i为有效成分A_i的摩尔吸光系数。c_i为有效成分A_i在其所分布的所有介质层中的平均浓度。f_j是有效反光介面j的反光率。F(λ)为滤波器所有反射光介面的综合透射率对于可见光λ的数学表达。T(λ)是所设计的光学滤波器的综合透射率对于可见光λ的数学表达。由此可以认为光学过滤器的综合透射光T(λ)是关于f_j,c_i,ε_i,l_i的在不同光波λ下的一个非线性方程。也就是说光学过滤器的综合透射光谱T是由不同光波下t(f_j,c_i,ε_i,l_i)的矩阵。

步骤2中，将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数，通过如下方法实现：

在未使用光学滤波器时,任意颜色U在光源D照射下光谱可表示为

U_k(λ)＝D(λ)·MC_k(λ)

在使用滤波器T时，任意颜色U在光源D照射下光谱可表示为

U_k,T(λ)＝D(λ)·T·MC_k(λ)

即U_k,T(λ)＝D(λ)·t(λ,f_j,c_i,ε_i,l_i)·MC_k(λ)

其中

其中D为光源，如CIE标准发光体D65。MC为所选择的颜色反光率。U可以表达为特定光源D照射下，该颜色摄入人眼或检测器中的反射光，即光源D和该颜色在不同波长λ下的反光率MC对于波长λ的一种数学表达。

为观察者颜色匹配函数，可以使用CIE标准观察者的颜色匹配函数，也可以根据特定群体或个人使用其个体颜色匹配函数。在CIE L^*a^*b^*色彩空间中，L^*标识明度或亮度(lightness)坐标。a^*和b^*为色度彩度坐标。X_k，Y_k，Z_k为颜色U_k的三色刺激值。经由上述公式组，任意特定光源下颜色U都可以通过经典方程表达在CIE L^*a^*b^*色彩空间中。其参数U_k，X_k，Y_k，Z_k，L^* _k，a^* _k，b^* _k分别可以表示为任意颜色反光率MC，光源D的一个函数。当使用光学滤光器时，其参数U_k,T，X_k,T，Y_k,T，Z_k,T，L^* _k,T，a^* _k,T，b^* _k,T即可表达在给定颜色和光源的条件下波长λ,光学过滤器有效反光介质层反光率f,光学过滤器有效吸光成分在其所分布的所有介质层中的的摩尔吸光系数ε和平均浓度c及其有效总厚度l的一个函数。此处使用k标注所选择颜色组中不同的颜色。因为本发明使用20色彩组或8色彩组。此处使用k标注所选择的不同的颜色，如在20色彩组中k＝1，2，3，，20；在8色彩组中k＝1，2，3，，8。

步骤2中，光源D通过滤波器后的白点位移表达通过如下方法获得，

X_n，Y_n，Z_n为CIE标准照明体在全满反射体的三色刺激值。在使用滤波器T时，客观白点在光源D照射下光谱可表示为U_0,T(λ)＝D(λ)·T。因此使用滤波器后白点三色刺激值可表示为X_n,T，Y_n,T，Z_n,T。

未使用滤波器T时，标准照明体在全满反射体通过滤光器的亮度可以表示为：L^* ₀；

使用滤波器T后综合亮度，即标准照明体在全满反射体通过滤光器的亮度可以表示为：L^* _0,T；

使用滤波器T后白点位移可以通过多种方式表达:

一种白点位移的表达为

一种白点位移的表达为

一种白点位移的表达为

步骤3中，E_{优化色轴,T}通过如下方法获得：

当使用光学滤光器T，观察者色感参数可表示为以下：

颜色U_k,T色相色度矢量

优化矢量

其中0°≤α≤360°；

所选择颜色在所需优化的色度平面上的色差为

所选择颜色组在所需优化的色度平面上的综合色差为

由上所述,客观白色和任意选择的颜色在色彩空间中的色感参数都可以表示为这个颜色U和所使用的光学滤光器透射光谱T的函数，也即可以表示为这个颜色基于有效吸光成分的浓度C_i和有效反光介质层的反光率f_j的数学表达。使用本发明可以对如上光学滤光器的参数进行调整以达到所需的色感参数。

步骤4中，多目标优化通过如下方法实现：

综合目标＝w₀·L^* _0,T+w₁·E_{优化色轴1,T}+w₂·E_{优化色轴2,T}+…+w_n·E_{优化色轴n,T}+w_n+1·白点位移，其中，权重变量w的取值范围为0≤w≤1,且w₀+w₁+w₂+…w_n+1＝1。

实施时，在一些优化调整中，以D65为光源，以“20色彩组”中的颜色为色彩组，可以通过对光学滤光器参数进行优化以得到透射光谱来实现如下要求：D65光源的白点位移d'_0,T≤0.01并使其亮度L^* _0,T为不小于43的同时最大化红绿色色差，即优化色轴1选取α＝0°。选取权重w₀＝0.2；w₁＝0.4；w₂＝0.4。所得透射光谱如图2,在430nm到620nm的区间中，同时存在并只存在两条平均透射率低于10％的光学阻带，第一条光学阻带在430nm到510nm的波长区间内；第二条光学阻带在550nm到610nm的波长区间内。

在一些优化调整中，以D65为光源，以“8色彩组”中的颜色为色彩组，可以通过对光学滤光器参数进行优化以得到透射光谱来实现如下要求：D65光源的白点位移d'_0,T≤0.01并使其亮度L^* _0,T为不小于40的同时最大化红绿色色差，即优化色轴1选取α＝0°选取权重w0＝0.2；w1＝0.4；w2＝0.4。所得透射光谱如图3,在430nm到620nm的区间中，同时存在并只存在三条平均透射率低于10％的光学阻带，第一条光学阻带在430nm到462nm的波长区间内；第二条光学阻带在462nm到510nm的波长区间内；第三条光学阻带在540nm-610nm的波长区间内。

在一些优化调整中，以D65为光源，以“8色彩组”中的颜色为色彩组，可以通过对光学滤光器参数进行优化以得到透射光谱来实现如下要求：D65光源的白点位移d'_0,T≤0.02并使其亮度L^* _0,T为不小于75的同时最大化红绿色色差，即优化色轴1选取α＝0°。选取权重w0＝0.3；w1＝0.3；w2＝0.4。所得透射光谱如图4,在430nm到620nm的区间中，同时存在并只存在两条平均透射率低于40％的光学阻带，第一条光学阻带在430nm到470nm的波长区间内；第二条光学阻带在550nm到620nm的波长区间内。

在一些优化调整中，以D65为光源，以“20色彩组”中的颜色为色彩组，可以通过对光学滤光器参数进行优化以得到透射光谱来实现如下要求：D65光源的白点位移d'_0,T≤0.04并使其亮度L^* _0,T为不小于75的同时最大化红绿色色差，即优化色轴1选取α＝0°。选取权重w0＝0.3；w1＝0.3；w2＝0.4。所得透射光谱如图5,在430nm到620nm的区间中，同时存在并只存在一条平均透射率低于40％的光学阻带在550nm-620nm的波长区间内。

Claims (5)

1.滤镜的色彩感知的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将滤波器的透射率T表达为滤波器光学器件各参数的一个函数t；

步骤2：将所需优化的颜色或颜色组的各色感参数表达为包括光源D和滤波器透射率T的函数:

步骤3：基于步骤2获得的各色感参数表达，在1976 CIE L^*a^*b^*色感空间中，根据所需优化的色度，选择优化矢量

将颜色组投影在所需优化的色度平面上的综合色差表达为E_{优化色轴,T}；

步骤4：根据优化透射光谱所需的E_{优化色轴,T}、亮度L^*和白点位移进行多目标优化，并选取合适的解即滤波器的透射率T，进而基于函数t优化设计滤波器光学器件的各参数；

步骤1中，函数t通过如下方法建立：

将滤波器有效吸光成分的综合吸光表达为A(λ)＝∑_i＝1…N c_i·ε_i·l_i(λ)，其中，N为有效吸光成分总数目，l_i是有效吸光成分i在其所分布的所有介质层有效总厚度，ε_i为有效吸光成分i的摩尔吸光系数，c_i为有效吸光成分i在其所分布的所有介质层中的平均浓度，λ为可见光波波长；

将滤波器有效反光介面的综合透射率表达为F(λ)＝[1-f₁(λ)]·[1-f₂(λ)]…·[1-f_j(λ)]…·[1-f_M(λ)]，其中，M为有效反光介面总数目，f_j是有效反光介面j的反光率；

将滤波器的综合透射率表达为T(λ)＝F(λ)10^-A(λ)，即T＝t(λ,f_j,c_i,ε_i,l_i)，滤波器为光学目镜，或薄膜，或多层薄膜的叠加，或光学目镜与薄膜的叠加。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化后的透射光谱满足以下要求：

在430nm到620nm的区间中，同时存在并只存在两条平均透射率低于10％的光学阻带，第一条光学阻带在430nm到510nm的波长区间内；第二条光学阻带在550nm到610nm的波长区间内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化后的透射光谱满足以下要求：

在430nm到620nm的区间中，同时存在并只存在三条平均透射率低于10％的光学阻带，第一条光学阻带在430nm到462nm的波长区间内；第二条光学阻带在462nm到510nm的波长区间内；第三条光学阻带在540nm-610nm的波长区间内。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化后的透射光谱满足以下要求：

在430nm到620nm的区间中，同时存在并只存在两条平均透射率低于40％的光学阻带，第一条光学阻带在430nm到470nm的波长区间内；第二条光学阻带在550nm到620nm的波长区间内。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化后的透射光谱满足以下要求：

在430nm到620nm的区间中，同时存在并只存在一条平均透射率低于40％的光学阻带在550nm-620nm的波长区间内。

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