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科普燈光的顯色性(有圖表)

 清風立影 2016-11-11
科普燈光的顯色性轉(zhuǎn)自:半導體照明網(wǎng)
   
  導讀:生活中,我們經(jīng)常碰到這樣的情景,如蘋果在不同光源下呈現(xiàn)顏色的深淺不一;在不同的室內(nèi)燈光下觀察人的皮膚顏色會與真實顏色呈現(xiàn)差異。酒店與餐廳偏向用偏紅的燈光營造暖色調(diào)的環(huán)境,辦公室或工廠車間則多用冷色調(diào)的藍色等。實際上,這些例子都跟光源的顯色性密切有關(guān)。
  本部分,我們希望通過案例的介紹,向讀者闡述光源顯色性的概念,從而簡單地了解顯色指數(shù)與樣品在不同光源下所呈現(xiàn)顏色的關(guān)系?!?br>
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  顯色性
  在很久以前,人類就已經(jīng)開始對顏色進行比較,通常是把物體放在一起,然后在自然光(太陽光)底下觀察。盡管火把、蠟燭、白熾燈和其他光源都可以用作照明,但人們都習慣在自然光(太陽光)下對顏色進行比較。
  近幾年,隨著熒光燈和LED(發(fā)光二極管)開始作為照明光源漸漸進入人們的眼球,物體在太陽光照射下,會顯示它的真實顏色,但當物體在非連續(xù)光譜的氣體放電燈的照射下,顏色會有不同程度的失真。我們把光源對物體真實顏色的呈現(xiàn)程度稱為光源的“顯色性”。
  “顯色性”的意義就在于比較物體在這類新型光源下的顏色與在自然光下的顏色有何不同,以及二者之間的匹配度如何。我們稱與自然光(太陽光)色調(diào)相近的光源具有好(高)的顯色性。
在日常生活,我們能接觸到許多不同類型的照明光源,如白熾燈、熒光燈和LED等。此外,熒光燈和LED都出現(xiàn)了'白'和'暖白'等系列產(chǎn)品。我們不難發(fā)現(xiàn),物體在不同的熒光燈和LED(發(fā)光二極管)照明光源下顏色會產(chǎn)生差異。
  下面,我們分別用高顯色性的D50熒光燈、帶有'自然白'標志的熒光燈和LED三個光源照明物體。

  
  在人眼看來,它們都發(fā)白光,但自然白熒光燈的色溫要稍高一些,看起來略微發(fā)藍。

  在通常情況下,我們衡量光源顯色性的普遍方法是計算顯色指數(shù)。按CIE (國際照明委員會) 的規(guī)定,光源的顯色指數(shù)是待測光源下物體的顏色與參考標準下物體的顏色的符合程度的度量, 并且把普朗克輻射體作為低色溫光源(小于5000K)的參考標準, 把標準照明體D 作為高色溫光源(大于5000K) 的參考標準。光源的色溫(相關(guān)色溫)和顯色性是評價光源的顏色特性的重要參數(shù)。
  下面,我們通過用分光輻射亮度計CS-2000上配備一個亮度適配器,對三個光源進行了測量,得到三個點的色坐標和相關(guān)色溫值。我們在右邊的xy色品圖上比較測量點,你會發(fā)現(xiàn)它們色坐標點很接近,且都在可見光范圍內(nèi)。

(點擊圖片放大)
  D50熒光燈、 自然白熒光燈和LED 的光譜分布相對強度。
  接下來,我們用這三個光源照明生肉,并觀察肉的顯色狀況。

(點擊圖片放大)
在D50熒光燈照明下,肉和盤子看起來跟實際情況差不多,但在自然白熒光燈照明下,由于色溫略高,肉和盤子看起來稍顯蒼白。用LED照明時,一切都顯得更加昏暗。
(※三個光源在樣品表面的照度都調(diào)節(jié)為大約1600lux。 )
當用這三種不同光源照明樣品時,盡管光源色坐標很接近,色溫也差別不大,但樣品顏色看起來會有所不同。
光源性能差異可以用'顯色指數(shù)'描述。
  國際照明委員會(CIE)對這個指數(shù)的定義是在特定輻射光源照明下,15個規(guī)定的測試顏色的視覺顯示情況。
  把這15個測試顏色從1到15進行編號,用R1-R15分別表示這15個顏色的顯示指數(shù)。當把一個光源與規(guī)定的參考光源進行比較時,指數(shù)值為100是最好的。

  根據(jù)柯尼卡美能達高精度的分光輻射亮度計CS-2000測得的光譜分布,再利用CS-2000的數(shù)據(jù)管理軟件CS-s10w很容易計算得到如下顯色指數(shù):

(點擊圖表放大)
  R1 ~ R8稱為“典型顯示指數(shù)”。
  Ra表示'平均顯色指數(shù)'。它是指數(shù)R1 ~ R8的平均值。
  R9 ~ R15稱為'特殊顯色指數(shù)',尤其是R9(深色鮮紅)和R15(黃種人的膚色)。
  R9是評價紅色復現(xiàn)質(zhì)量的指標,可以用來評價生肉的顯示性。從上述測試數(shù)據(jù)來看,生肉在這三種類型光源照射下的R9值相差很大,這也就解釋了為什么三種光源照明下的生肉顏色會有這么大差別。
  由于顯色指數(shù)較低,此次使用的LED使肉和盤子看起來比較昏暗,但如果用高顯色指數(shù)的LED照明,肉和盤子看起來會新鮮一些。
  當光源光譜中很少或缺乏物體在基準光源下所反射的主波時,會使顏色產(chǎn)生明顯的色差程度越大,光源對該色的顯色性越差。
  對于超市和商店的肉制品櫥窗的照明光源,R9顯色指數(shù)就顯得尤為重要;而對于演播廳、攝影棚等需要真實再現(xiàn)皮膚顏色的場合,照明光源的R15指數(shù)絕不能低;博物館、美術(shù)館等場所則要求對所有的顏色都能高度真實還原,對Ra和R1-R15指數(shù)的要求就更為嚴格。
  針對適用場地的不同,國際照明委員會(CIE)一般把顯色指數(shù)分成五類:  
  類別 Ra 適用范圍   
  1A >90 美術(shù)館、博物館及印刷等行業(yè)及場所  
 
  1B 80—90 家庭、飯館、高級紡織工藝及相近行業(yè)   
  2 60—80 辦公室、學校、室外街道照明  
 
  3 40—60 重工業(yè)工廠、室外街道照明  
 
  4 20—40 室外道路照明及一些要求不高的地方
  隨著LED照明的普及,尤其是室內(nèi)照明的快速發(fā)展,對LED照明的顯色性的研究將越來越得到科研機構(gòu)和企業(yè)多方的重視。(PS:目前普通LED的顯色性較差)
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俺的學習總結(jié):簡單滴說就是RA和R1-R15的數(shù)值越高,顯色性越好~其中R9針對紅色~單純的色溫指數(shù)不能代表顯色性的高低~D50規(guī)格的光源被稱為對色燈(標準校色燈)~
按該理論,水族光源顯色性的相對重要區(qū)域在于R9至R15~可惜,俺們購買的光源一般都不會標明這些指標的~
氙氣燈、金鹵燈的實測數(shù)據(jù)未知。。。。。。
簡單理解就是我們應該選擇RA和R1到R15的數(shù)值(越大越好)都接近或大于90的燈,您缸里的魚、草、蝦的色彩就更容易顯得光彩奪目的意思~
什么是顯色性?
人造光線應與自然光線相同,使人的肉眼能正確辨別事物的顏色,當然,這要根據(jù)照明的位置和目的而定。光源對于物體顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性。通常叫做\'顯色指數(shù)\'(Ra)。顯色性是指事物的真實顏色(其自身的色澤)與某一標準光源下所顯示的顏色關(guān)系。Ra值的確定,是將DIN6169標準中定義的8種測試顏色在標準光源和被測試光源下做比較,色差越小則表明被測光源顏色的顯色性越好。Ra值為100的光源表示,事物在其燈光下顯示出來的顏色與在標準光源下一致。
光源顯色性的評價方法顏色是人的感覺之一,它總是與觀察者個人的主觀體驗有關(guān)。每個人看到一種顏色后的感覺,別人難以知曉。所以顏色的研究總是充滿了神秘的想象。同時,顏色又使世界變得五彩繽紛,視覺藝術(shù)、圖象顯示與傳輸、紡織品印染、彩色印刷等都離不開顏色的研究。因此顏色的研究、對顏色進行客觀的定量的描述,成為許多科學家研究的對象。
牛頓在1664年用棱鏡把白色的太陽光色散成不同色調(diào)的光譜,奠定了光顏色的物理基礎(chǔ)。1860年麥克斯韋用不同強度的紅、黃、綠三色光配出了從白光一直到各種顏色的光,奠定了三色色度學的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,1931國際照明委員會建立了CIE色度學系統(tǒng),并不斷完善。如今CIE色度系統(tǒng)已廣泛用于定量地表達光的顏色。
顏色離不開照明,只有在光照下物體才有可能顯示出顏色,而且光的顏色對人們的心理有非常大的影響。同濟大學楊公俠教授已在他的專著《視覺與視覺環(huán)境》一書的第五章中,作了非常精彩的描述。在不同光源照射下,同一個物體會顯示出不同的顏色。例如綠色的樹葉在綠光照射下,有鮮艷的綠色,在紅光照射下近于黑色。
由此可見,光源對被照物體顏色的顯現(xiàn)起著重要的作用。光源在照射物體時,能否充分顯示被照物顏色的能力,稱為光源的顯色性。1965年,國際照明委員會推薦在CIE色度系統(tǒng)中,用一般顯色指數(shù)Ra來描述光源的顯色性。一般顯色指數(shù)Ra應用得很成功,已被照明界廣泛接受,但是也存在一些問題,本文將對電光源顯色性的評價方法以及近年來的進展作一介紹。
一、一般顯色指數(shù)Ra光源顯色性的評價方法,希望能夠既簡單又實用。然而簡單和實用往往是兩個互相矛盾的要求。在CIE顏色系統(tǒng)中,一般顯色指數(shù)Ra就是這樣一個折衷的產(chǎn)物:它比較簡單,只需要一個100以內(nèi)的數(shù)值,就可以表達光源的顯色性能,Ra=100被認為是最理想的顯色性。但是,有時候人們的感覺并非如此。例如在白熾燈照射下的樹葉,看上去并不太鮮艷。問題在哪里?我們來討論影響什么是一般顯色指數(shù)。
為簡便起見,這里只討論一般顯色指數(shù)Ra的主要構(gòu)成方法,而不討論它的具體計算方法。事實上,我們在日常生活里常常在檢驗光源的顯色性。許多人都有這樣的經(jīng)驗,細心的女士在商場買衣服的時候,常常還要到室外日光下再看一看它的顏色。她這樣做,實際上就是在檢驗商場光源的顯色性:看一看同樣一件衣服,在商場光源的照明下和在日光的照明下,衣服的顏色有什么不同。所以描述光源的顯色性,需要兩個附加的要素:日光(參考光源)和衣服(有色物體)。在CIE顏色系統(tǒng)中,為確定待測光源的顯色性,首先要選擇參考光源,并認為在參考光源照射下,被照物體的顏色能夠最完善地顯示。CIE顏色系統(tǒng)規(guī)定,在待測光源的相關(guān)色溫低于5000K時,以色溫最接近的黑體作為參考光源;當待測光源的相關(guān)色溫大于5000K時,用色溫最相近的D光源作為參考光源。這里D光源是一系列色坐標,可用數(shù)字式表示、并與色溫有關(guān)的日光。
在選定參考光源后,還需要選定有色物體。由于顏色的多樣性,需要選擇一組標準顏色,使它們能充分代表常用的顏色。CIE顏色系統(tǒng)選擇了8種顏色,它們既有多種色調(diào),又具有中等明度值和彩度。在u-v顏色系統(tǒng)中,測定每一塊標準色板,在待測光源照射下和在參考光源照射下色坐標的差別,即色位移ΔEi,就可得到該色板的特殊顯色指數(shù)Ri。Ri=100—4.6ΔEi對8塊標準色板所測得的特殊顯色指數(shù)Ri取算術(shù)平均,就得到了一般顯色指數(shù)Ra。可見光源的一般顯色指數(shù)Ra的最大值為100,認為這時光源的顯色性最好。
二、一般顯色指數(shù)Ra的局限性
盡管一般顯色指數(shù)Ra簡單實用,但是它在許多方面表現(xiàn)出嚴重不足。首先,顏色是人們主觀的感覺,不是物體固有的屬性,它與照明條件、觀察者、輻照度、照度、周圍物體和觀察角度等有關(guān),并不存在什么所謂“真實顏色”。但是由于在CIE系統(tǒng)中,已定義Ra在近似黑體的輻射下達最高值100,所以燈泡制造商都有意識地設(shè)計燈泡,使在用它照射物體時的顯色性與黑體或日光照射時盡可能相近。這意味著光源的光譜分布與黑體或日光有偏離時,會使顯色指數(shù)下降。例如用紅、綠、藍三個單色LED組成的白光LED,當在它的一般顯色指數(shù)Ra較低時,它的顯色性有時并不一定很壞。
但是事實上,許多研究者已證實人們不一定最喜歡CIE所規(guī)定的參考光源照明時的顏色。例如前面已經(jīng)提到的用色溫很低的白熾燈照射綠色的樹葉,并不一定是最好的選擇。規(guī)定在黑體或日光照射時顯色指數(shù)為最佳值Ra=100,存在疑問。
CIE規(guī)定的參考光源是與待測光源相關(guān)色溫最接近的黑體或日光,它們都是輻射連續(xù)光譜的光源,具有多種顏色的光譜成份。當色溫在6500K時,其長短波的光譜功率分布較為均衡,作為參考光源應該說較為合理。但當色溫在400K以下時,光譜功率分布嚴重不對稱,藍色的短波光譜功率遠小于紅色的長波光譜功率,其顏色偏向紅色,作為參考光源存在疑問。
在CIE顏色系統(tǒng)中,8塊標準色板都是處在中等明度和色飽和度,在u~v系統(tǒng)中為等距離間隔。它們對于室內(nèi)照明,可認為已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時,往往存在一些色飽和度較高的顏色,這8塊標準色板已不能充分代表常用顏色。許多學者認為標色板數(shù)太少,是一般顯色指數(shù)的另一個不足。雖然CIE還有9—14號色飽和度較高的6塊色板,但它們并不包含在一般顯色指數(shù)Ra之中。在照明實踐中,人們熟知的顏色為皮膚、樹葉、食品等,它們的顏色極為重要,但它們都被排除在一般顯色指數(shù)之外。Seim曾提議用20快標準色板,但由于這會使計算變得太復雜而被拒絕。當前,計算機普遍使用,似乎這個提議得重新考慮。
由于光源的顯色性評價存在這兩大問題,許多其它的評價方法引起業(yè)界廣泛興趣,本文將就作者所知作一簡要介紹。
三、夫勒特利指數(shù)Rf
研究表明人們傾向于記住比較熟悉的物體顏色,而且是記住生動的、飽和度較高時的顏色。這種記憶色與喜愛色往往相一致,而且傾向于向飽和度高方向偏移。如人們膚色的記憶色,傾向于向紅方向偏移,樹葉色向綠色方向偏移。顯然與CIE中的Ra方法不同。Rf事實上是對Ra的修正,這個修正包括二個方面:第一,在參考光源的照明下定義Rf= 90,只有在假想的“完美光源”照明下,才有Rf =100。第二,選擇10塊標準色板,即除了原來1-8號標準色板外,還加上13號14號二塊色板,相應于皮膚色和樹葉色。這時,“完美光源”就是指在它的照射下,能把10塊標準色板的顏色向喜愛方向偏移的光源。由此可見,對每塊標準色板來說,相應的“完美光源”的色坐標是各不相同的,可以由實驗確定。這也說明了這樣的“完美光源”只能是假想的。Rf的計標方法與Ra相似,但有二點不同:1.對于每塊標準色板,參考光源的色坐標都需要調(diào)整,即根據(jù)實驗確定的“完美光源”色坐標。然后,在待測光源照明時,每塊色板的色差是與其相應的“完美光源”相比較后得到。2.在計算Rf時,取10塊色板的色差平均值,但是每塊色板的權(quán)重不同。13號色板是膚色,權(quán)重是35%%、2號是15%%、14號是15%%、其余是每塊5%%。這里特別強調(diào)了膚色的重要性。所以待測光源的Rf可以高于參考光源Rf= 90,但小于100。
四、顏色偏愛指數(shù)(CPI)
顏色偏愛指數(shù)CPI(colour prefer-enceindex)利用上節(jié)提出的喜愛色概念,定義在D65光源照明下,顏色偏愛指數(shù)CPI=100。于是待測光源的CPI可以這樣得到:在待測光源照射下,計算8塊標準色板的色坐標與最喜愛色的色坐標之差,并求其矢量和的
平均值(△E):CPI=156-7.18(△E)以上計算都是在CIE的UV色度系統(tǒng)中進行。
雖然CPI與Rf都利用了最喜愛色這一概念,但兩者有很大差別:
1.在計算Rf時,用1—8號和13、14共10塊標準色板,而CPI只用1—8塊標準色板。
2.技術(shù)Rf時,色差(ΔE)取實驗值的1/5,而CPI取原始實驗值。
3.計算Rf時,各塊色板的權(quán)重不同,而CPI取相同權(quán)重。
4.根據(jù)定義Rf的最大值為100,而CPI的最大值為156。
最后要指出,提出Rf與CPI兩個指數(shù)的研究人員都用實驗確定喜愛色,而在實驗中采用的是日光色照明?,F(xiàn)在有證據(jù)表明喜愛色與光源的相關(guān)色溫有關(guān)。所以在使用Rf和CPI來恒量顯色性時,僅僅適用高色溫的光源。
五、色分辨指數(shù)(CDI)
用Ra、Rf或CPI來描述光源的顯色性,參考光源必須與待測光源有相同的色溫。顏色分辨指數(shù)CDI(colourdiscrimination index)克服了這個局限性。
該指數(shù)的提出,基于這樣一個假定:在某種光源的照明下,能區(qū)別顏色的能力愈強,則此光源的顯色性愈好。在某個光源照明時,8塊標準色板在CIE的UV色度圖中,所包圍的面積為:
GA =0.5Σ(UiVj-UjVi)i,j=1,2,…8; i≠j
在C光源照明下,該面積GA=0.005,定義這時CDI=100,于是在待測光源的照明下,其色分辨指數(shù)為:
CDI=(GA/0.005)×100 六、結(jié)束語
由上述討論可知,光源顯色性的評價方法很多,而且在不斷發(fā)展和完善之中,本文介紹的僅僅是其中的一部分,它們各有優(yōu)缺點。即使目前廣為采用的一般顯色指數(shù)Ra,也還有許多缺點。它最主要的缺點,是參考光源的選擇:參考光源是一個光譜連續(xù)的光源,用它作為標準來衡量光譜不連續(xù)的光源,不很合適。參考光源的色溫必須與待測光源的相關(guān)色溫相近,而事實上,對于一定的照明作業(yè),色溫本身對顯色性就有很大的影響,這個方法限制了只能在光源色溫已經(jīng)確定的條件下使用。它的第二個缺點是標準色板的選擇:對于室內(nèi)照明,可認為8塊標準色板已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時,對一些色飽和度較高的顏色,不能充分代表常用顏色。
光色光色實際上就是色溫,大致分三類:暖色<3300k 中間色3300至5300k 日光色>5300K 由于光線中光譜的組成有差別,因此即使光色相同,光的顯色性也可能不同
顯色性原則上,人造光線應與自然光相同,使用的肉眼能正確辨別事物的顏色。當然,這要根據(jù)照明的位置和目的而定。光源對于物體顏色呈現(xiàn)的程度成為顯色性,通常叫做“顯色指數(shù)”(Ra)
燈具效率燈具效率(也叫光輸出系數(shù))是衡量燈具利用能量效率的重要標準,它是燈具輸出的光通量與燈具內(nèi)光源輸出的光通量之間的比例

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