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光源显色性的评价方法

更新时间:2023-08-09  点击次数:461次

颜色是人的感觉之一,它总是与观察者个人的主观体验有关。每个人看到一种颜色后的感觉,别人难以知晓。所以颜色的研究总是充满了神秘的想象。同时,颜色又使世界变得五彩缤纷,视觉艺术、图象显示与传输、纺织品印染、彩色印刷等,都离不开颜色的研究。因此颜色的研究、对颜色进行客观的定量的描述, 成为许多科学家研究的对象。

  牛顿在1664年用棱镜把白色的太阳光色散成不同色调的光谱,奠定了光颜色的物理基础。1860年麦克斯韦用不同强度的红、黄、绿三色光配出了 从白光一直到各种颜色的光,奠定了三色色度学的基础。在此基础上,1931国际照明委员会建立了CIE色度学系统,并不断完善。如今CIE色度系统已广泛 用于定量地表达光的颜色。

  颜色离不开照明,只有在光照下物体才有可能显示出颜色,而且光的颜色对人们的心理有非常大的影响。同济大学杨公侠教授已在他的专著视觉与视觉环境一书的第五章中,作了非常精采的描述。(1) 在不同光源照射下,同一个物体会显示出不同的颜色。例如绿色的树叶在绿光照射下,有鲜艳的绿色,在红光照射下近于黑色。由此可见,光源对被照物体颜色的显现,起着重要的作用。光源在照射物体时,能否充分显示被照物颜色的能力,称为光源的显色性。1965年,国际照明委员会推荐在CIE色度系统中,用一般显 色指数Ra来描述光源的显色性。一般显色指数Ra应用得还很成功,已被照明界广泛接受,但是也存在一些问题,本文将为光源显色性的评价方法,以及近年来的进展作一介绍。

一、一般显色指数Ra

  光源显色性的评价方法,希望能够既简单又实用。然而简单和实用往往是两个互相矛盾的要求。在CIE颜色系统中,一般显色指数Ra就是这样一个折衷的产物:它比较简单,只需要一个100以内的数值,就可以表达光源的显色性能,Ra=100被认为是理想的显色性。但是,有时候人们的感觉并非如此。 例如在白炽灯照射下的树叶,看上去并不太鲜艳。问题在哪里?我们来讨论影响什么是一般显色指数。

  为简便起见,我们这里只讨论一般显色指数Ra的主要构成方法,而不讨论它的具体计算方法。事实上,我们在日常生活里,常常在检验光源的显色性。 许多人都有这样的经验,细心的女士在商场买衣服的时候,常常还要到室外日光下再看一看它的颜色。她这样做,实际上就是在检验商场光源的显色性:看一看同样 一件衣服,在商场光源的照明下和在日光的照明下,衣服的颜色有什么不同。所以描述光源的显色性,需要两个附加的要素:日光(参考光源)和衣服(有色物 体)。在CIE颜色系统中,为确定待测光源的显色性,首先要选择参考光源,并认为在参考光源照射下,被照物体的颜色能够最完善的显示。CIE颜色系统规 定,在待测光源的相关色温低于5000K时,以色温接近的黑体作为参考光源;当待测光源的相关色温大于5000K时,用色温最相近的D光源作为参改光源。这里D光源是一系列色坐标可用数字式表示、并与色温有关的日光。

  在选定参考光源后,还需要选定有色物体。由于颜色的多样性,需要选择一组标准颜色,使它们能充分代表常用的颜色。CIE颜色系统选择了8种颜 色,它们既有多种色调,又具有中等明度值和彩度。在u-v颜色系统中,测定每一块标准色板,在待测光源照射下和在参考光源照射下色坐标的差别,即色位移 ΔEi,就可得到该色板的特殊显色指数Ri。Ri=100—4.6ΔEi

  对8块标准色板所测得的特殊显色指数Ri取算术平均,就得到了一般显色指数Ra。可见光源的一般显色指数Ra的最大值为100,认为这时光源的显色性很好。

二、一般显色指数Ra的局限性

  尽管一般显色指数Ra简单实用,但是它在许多方面表现出严重不足。首先,颜色是人们主观的感觉,不是物体固有的属性,它与照明条件、观察者、辐 照度、照度、周围物体和观察角度等有关,并不存在什么所谓“真实颜色"。但是由于在CIE系统中,已定义Ra在近似黑体的辐射下达100,所以灯泡 制造商都有意识地设计灯泡,使在用它照射物体时的显色性与黑体或日光照射时尽可能相近。这意味着光源的光谱分布与黑体或日光有偏离时,会使显色指数下降。 例如用红、绿、兰三个单色LED组成的白光LED,当在它的一般显色指数Ra较低时,它的显色性有时并不一定很坏。

  但是事实上,许多研究者Judd(2)、Thorntou(3)和Jerome(4) 已证实人们不一定最喜欢CIE所规定的参考光源照明时的颜色。例如前面已经提到的用色温很低的白炽灯照射绿色的树叶,并不一定是好的选择。规定在黑体或 日光照射时显色指数为最佳值Ra = 100,存在疑问。

  CIE规定的参考光源是与待测光源的相关色温接近的黑体或日光,它们都是辐射连续光谱的光源,具有多种颜色的光谱成分。当色温在6500K 时,其长短波的光谱功率分布较为均衡,作为参考光源应该说较为合理。但当色温在400K以下时,光谱功率分布严重不对称,兰色的短波光谱功率远小于红色的 长波光谱功率,其颜色偏向红色,作为参考光源存在疑问。

  在CIE颜色系统中,8块标准色板都是处在中等明度和色饱和度,在u~v 系统中为等距离间隔。它们对于室内照明,可认为已能充分代表各种常用颜色。但在室外照明时,往往存在一些色饱和度较高的颜色,这8块标准色板已不能充分代 表常用颜色。许多学者认为标 色板数太少,是一般显色指数的另一个不足。虽然CIE还有9—14号色饱和度较高的6块色板,但它们并不包含在一般显色指数Ra之中。在照明实践中,人们 熟知的颜色为皮肤、树叶、食品等,它们的颜色极为重要,但它们都被排除在一般显色指数之外。Seim曾提议用20快标准色板,(5)但由于这会使计算变得太复杂而被拒绝。当前,计算机普遍使用,似乎这个提议又得重新考虑。

  




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