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科普灯光的显色性(有图表)

 清风立影 2016-11-11
科普灯光的显色性转自:半导体照明网
   
  导读:生活中,我们经常碰到这样的情景,如苹果在不同光源下呈现颜色的深浅不一;在不同的室内灯光下观察人的皮肤颜色会与真实颜色呈现差异。酒店与餐厅偏向用偏红的灯光营造暖色调的环境,办公室或工厂车间则多用冷色调的蓝色等。实际上,这些例子都跟光源的显色性密切有关。
  本部分,我们希望通过案例的介绍,向读者阐述光源显色性的概念,从而简单地了解显色指数与样品在不同光源下所呈现颜色的关系。 
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  显色性
  在很久以前,人类就已经开始对颜色进行比较,通常是把物体放在一起,然后在自然光(太阳光)底下观察。尽管火把、蜡烛、白炽灯和其他光源都可以用作照明,但人们都习惯在自然光(太阳光)下对颜色进行比较。
  近几年,随着荧光灯和LED(发光二极管)开始作为照明光源渐渐进入人们的眼球,物体在太阳光照射下,会显示它的真实颜色,但当物体在非连续光谱的气体放电灯的照射下,颜色会有不同程度的失真。我们把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的“显色性”。
  “显色性”的意义就在于比较物体在这类新型光源下的颜色与在自然光下的颜色有何不同,以及二者之间的匹配度如何。我们称与自然光(太阳光)色调相近的光源具有好(高)的显色性。
在日常生活,我们能接触到许多不同类型的照明光源,如白炽灯、荧光灯和LED等。此外,荧光灯和LED都出现了'白'和'暖白'等系列产品。我们不难发现,物体在不同的荧光灯和LED(发光二极管)照明光源下颜色会产生差异。
  下面,我们分别用高显色性的D50荧光灯、带有'自然白'标志的荧光灯和LED三个光源照明物体。

  
  在人眼看来,它们都发白光,但自然白荧光灯的色温要稍高一些,看起来略微发蓝。

  在通常情况下,我们衡量光源显色性的普遍方法是计算显色指数。按CIE (国际照明委员会) 的规定,光源的显色指数是待测光源下物体的颜色与参考标准下物体的颜色的符合程度的度量, 并且把普朗克辐射体作为低色温光源(小于5000K)的参考标准, 把标准照明体D 作为高色温光源(大于5000K) 的参考标准。光源的色温(相关色温)和显色性是评价光源的颜色特性的重要参数。
  下面,我们通过用分光辐射亮度计CS-2000上配备一个亮度适配器,对三个光源进行了测量,得到三个点的色坐标和相关色温值。我们在右边的xy色品图上比较测量点,你会发现它们色坐标点很接近,且都在可见光范围内。

(点击图片放大)
  D50荧光灯、 自然白荧光灯和LED 的光谱分布相对强度。
  接下来,我们用这三个光源照明生肉,并观察肉的显色状况。

(点击图片放大)
在D50荧光灯照明下,肉和盘子看起来跟实际情况差不多,但在自然白荧光灯照明下,由于色温略高,肉和盘子看起来稍显苍白。用LED照明时,一切都显得更加昏暗。
(※三个光源在样品表面的照度都调节为大约1600lux。 )
当用这三种不同光源照明样品时,尽管光源色坐标很接近,色温也差别不大,但样品颜色看起来会有所不同。
光源性能差异可以用'显色指数'描述。
  国际照明委员会(CIE)对这个指数的定义是在特定辐射光源照明下,15个规定的测试颜色的视觉显示情况。
  把这15个测试颜色从1到15进行编号,用R1-R15分别表示这15个颜色的显示指数。当把一个光源与规定的参考光源进行比较时,指数值为100是最好的。

  根据柯尼卡美能达高精度的分光辐射亮度计CS-2000测得的光谱分布,再利用CS-2000的数据管理软件CS-s10w很容易计算得到如下显色指数:

(点击图表放大)
  R1 ~ R8称为“典型显示指数”。
  Ra表示'平均显色指数'。它是指数R1 ~ R8的平均值。
  R9 ~ R15称为'特殊显色指数',尤其是R9(深色鲜红)和R15(黄种人的肤色)。
  R9是评价红色复现质量的指标,可以用来评价生肉的显示性。从上述测试数据来看,生肉在这三种类型光源照射下的R9值相差很大,这也就解释了为什么三种光源照明下的生肉颜色会有这么大差别。
  由于显色指数较低,此次使用的LED使肉和盘子看起来比较昏暗,但如果用高显色指数的LED照明,肉和盘子看起来会新鲜一些。
  当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时,会使颜色产生明显的色差程度越大,光源对该色的显色性越差。
  对于超市和商店的肉制品橱窗的照明光源,R9显色指数就显得尤为重要;而对于演播厅、摄影棚等需要真实再现皮肤颜色的场合,照明光源的R15指数绝不能低;博物馆、美术馆等场所则要求对所有的颜色都能高度真实还原,对Ra和R1-R15指数的要求就更为严格。
  针对适用场地的不同,国际照明委员会(CIE)一般把显色指数分成五类:  
  类别 Ra 适用范围   
  1A >90 美术馆、博物馆及印刷等行业及场所  
 
  1B 80—90 家庭、饭馆、高级纺织工艺及相近行业   
  2 60—80 办公室、学校、室外街道照明  
 
  3 40—60 重工业工厂、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
  随着LED照明的普及,尤其是室内照明的快速发展,对LED照明的显色性的研究将越来越得到科研机构和企业多方的重视。(PS:目前普通LED的显色性较差)
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俺的学习总结:简单滴说就是RA和R1-R15的数值越高,显色性越好~其中R9针对红色~单纯的色温指数不能代表显色性的高低~D50规格的光源被称为对色灯(标准校色灯)~
按该理论,水族光源显色性的相对重要区域在于R9至R15~可惜,俺们购买的光源一般都不会标明这些指标的~
氙气灯、金卤灯的实测数据未知。。。。。。
简单理解就是我们应该选择RA和R1到R15的数值(越大越好)都接近或大于90的灯,您缸里的鱼、草、虾的色彩就更容易显得光彩夺目的意思~
什么是显色性?
人造光线应与自然光线相同,使人的肉眼能正确辨别事物的颜色,当然,这要根据照明的位置和目的而定。光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。通常叫做\'显色指数\'(Ra)。显色性是指事物的真实颜色(其自身的色泽)与某一标准光源下所显示的颜色关系。Ra值的确定,是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较,色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。Ra值为100的光源表示,事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。
光源显色性的评价方法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,作了非常精彩的描述。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应用得很成功,已被照明界广泛接受,但是也存在一些问题,本文将对电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被认为是最理想的显色性。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,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地显示。CIE颜色系统规定,在待测光源的相关色温低于5000K时,以色温最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光源作为参考光源。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最好。
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最高值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、蓝三个单色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,并不一定是最好的选择。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相关色温最接近的黑体或日光,它们都是辐射连续光谱的光源,具有多种颜色的光谱成份。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,蓝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,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,似乎这个提议得重新考虑。
由于光源的显色性评价存在这两大问题,许多其它的评价方法引起业界广泛兴趣,本文将就作者所知作一简要介绍。
三、夫勒特利指数Rf
研究表明人们倾向于记住比较熟悉的物体颜色,而且是记住生动的、饱和度较高时的颜色。这种记忆色与喜爱色往往相一致,而且倾向于向饱和度高方向偏移。如人们肤色的记忆色,倾向于向红方向偏移,树叶色向绿色方向偏移。显然与CIE中的Ra方法不同。Rf事实上是对Ra的修正,这个修正包括二个方面:第一,在参考光源的照明下定义Rf= 90,只有在假想的“完美光源”照明下,才有Rf =100。第二,选择10块标准色板,即除了原来1-8号标准色板外,还加上13号14号二块色板,相应于皮肤色和树叶色。这时,“完美光源”就是指在它的照射下,能把10块标准色板的颜色向喜爱方向偏移的光源。由此可见,对每块标准色板来说,相应的“完美光源”的色坐标是各不相同的,可以由实验确定。这也说明了这样的“完美光源”只能是假想的。Rf的计标方法与Ra相似,但有二点不同:1.对于每块标准色板,参考光源的色坐标都需要调整,即根据实验确定的“完美光源”色坐标。然后,在待测光源照明时,每块色板的色差是与其相应的“完美光源”相比较后得到。2.在计算Rf时,取10块色板的色差平均值,但是每块色板的权重不同。13号色板是肤色,权重是35%%、2号是15%%、14号是15%%、其余是每块5%%。这里特别强调了肤色的重要性。所以待测光源的Rf可以高于参考光源Rf= 90,但小于100。
四、颜色偏爱指数(CPI)
颜色偏爱指数CPI(colour prefer-enceindex)利用上节提出的喜爱色概念,定义在D65光源照明下,颜色偏爱指数CPI=100。于是待测光源的CPI可以这样得到:在待测光源照射下,计算8块标准色板的色坐标与最喜爱色的色坐标之差,并求其矢量和的
平均值(△E):CPI=156-7.18(△E)以上计算都是在CIE的UV色度系统中进行。
虽然CPI与Rf都利用了最喜爱色这一概念,但两者有很大差别:
1.在计算Rf时,用1—8号和13、14共10块标准色板,而CPI只用1—8块标准色板。
2.技术Rf时,色差(ΔE)取实验值的1/5,而CPI取原始实验值。
3.计算Rf时,各块色板的权重不同,而CPI取相同权重。
4.根据定义Rf的最大值为100,而CPI的最大值为156。
最后要指出,提出Rf与CPI两个指数的研究人员都用实验确定喜爱色,而在实验中采用的是日光色照明。现在有证据表明喜爱色与光源的相关色温有关。所以在使用Rf和CPI来恒量显色性时,仅仅适用高色温的光源。
五、色分辨指数(CDI)
用Ra、Rf或CPI来描述光源的显色性,参考光源必须与待测光源有相同的色温。颜色分辨指数CDI(colourdiscrimination index)克服了这个局限性。
该指数的提出,基于这样一个假定:在某种光源的照明下,能区别颜色的能力愈强,则此光源的显色性愈好。在某个光源照明时,8块标准色板在CIE的UV色度图中,所包围的面积为:
GA =0.5Σ(UiVj-UjVi)i,j=1,2,…8; i≠j
在C光源照明下,该面积GA=0.005,定义这时CDI=100,于是在待测光源的照明下,其色分辨指数为:
CDI=(GA/0.005)×100 六、结束语
由上述讨论可知,光源显色性的评价方法很多,而且在不断发展和完善之中,本文介绍的仅仅是其中的一部分,它们各有优缺点。即使目前广为采用的一般显色指数Ra,也还有许多缺点。它最主要的缺点,是参考光源的选择:参考光源是一个光谱连续的光源,用它作为标准来衡量光谱不连续的光源,不很合适。参考光源的色温必须与待测光源的相关色温相近,而事实上,对于一定的照明作业,色温本身对显色性就有很大的影响,这个方法限制了只能在光源色温已经确定的条件下使用。它的第二个缺点是标准色板的选择:对于室内照明,可认为8块标准色板已能充分代表各种常用颜色。但在室外照明时,对一些色饱和度较高的颜色,不能充分代表常用颜色。
光色光色实际上就是色温,大致分三类:暖色<3300k 中间色3300至5300k 日光色>5300K 由于光线中光谱的组成有差别,因此即使光色相同,光的显色性也可能不同
显色性原则上,人造光线应与自然光相同,使用的肉眼能正确辨别事物的颜色。当然,这要根据照明的位置和目的而定。光源对于物体颜色呈现的程度成为显色性,通常叫做“显色指数”(Ra)
灯具效率灯具效率(也叫光输出系数)是衡量灯具利用能量效率的重要标准,它是灯具输出的光通量与灯具内光源输出的光通量之间的比例

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