色彩科学中的常用光源,你清楚么?

   2016-06-20 色彩科学微课堂21371
核心提示:光源是影响色彩感知的极其重要一个因素,不同的光源会造成同一物体不同的色彩感知,比如衣服在商店里和在阳光下的色彩感知是不同的。

光源是影响色彩感知的极其重要一个因素,不同的光源会造成同一物体不同的色彩感知,比如衣服在商店里和在阳光下的色彩感知是不同的。

光本质上是一种电磁波,其包括很多波段。而人眼的感光范围只占整个电磁波谱的很小一段,一般认为可见光波长范围为380-780nm,也有一些教科书写为400-700nm;本质上这两者的差异很小,因为人眼在380-400nm及700-780nm的响应很低,对色彩感知的影响极低。


光谱功率分布是光源的“身份”

决定光源色彩特性的核心参数为光谱功率分布(SpectralPower Distribution,SPD),即为光源在不同波长单色光的辐射功率分布,许多其他光品质参数均是从光谱功率分布计算得出,如色温、显色指数、色品坐标等等,这些参数的计算会在以后文章中具体解释。光谱功率分布常用直角坐标系表示,横坐标为波长,纵坐标为单位波长间隔内的辐射功率。卤钨灯的光谱功率分布在长波段较高,其色光偏红;而标准6500K日光的光谱功率分布在短波段较高,其色光偏蓝。光源的SPD可通过分光辐射度计测量得到,知名的生产厂商有美国的PhotoResearch公司、德国的Jeti公司、日本的KonicaMinolta和Topcon公司等,关于光的测量会以后的文章中详述。


CIE照明体

为了统一色彩评价和测量的标准,国际照明委员会CIE推荐了几种照明体(illuminant),包括标准照明体A、标准照明体D65、日光D系列照明体,照明体E;照明体专指一组特定的光谱功率分布数据,其数值已经标准化,具体数值或计算方式可参见参考文献。

标准照明体A为绝对温度为2856K的普朗克辐射体(也称为“黑体辐射”)。普朗克辐射体,属于热辐射,能完全吸收任意波长的入射辐射,并且具有最大发射率的物体称为绝对黑体,黑体辐射的光谱分布完全取决于它的温度。只要温度一定,黑体的光谱分布就可以计算出来,如下图。黑体在辐射度学、光度学和色度学中具有十分重要的意义。在光辐射测量中,常用黑体作为原始标准来标定其他的辐射体,以用作测量标准,如国际照明委员会(CIE)规定的以色温为2856K的钨丝白炽灯,即标准光源A。

普朗克辐射体光谱

照明体D代表了各时相日光的相对光谱功率分布,也称为典型日光或重组日光,如工业界应用极为广泛的D65和D50。众所周知,不同地区、不同时间的日光光谱功率分布是不同的。在1963年时,一些色彩科学家对不同地区、不同时间的日光光谱功率分布、色温等进行观察和测量,积累了大量日光数据。1964年,Judd和其相关合作者研究发现任何时相的日光SPD可通过3个基本函数表示。1967年,CIE基于Judd的研究成果来定义并计算各个时相的日光SPD。

各时相CIE定义日光光谱功率分布

CIE在D系列照明体中最常用的为D50、D55、D65、D75,分别代表的相关色温分别为5000K、5500K、6500K和7500K的日光。

照明体E代表在可见光波段内的光谱功率为恒定值的照明体,又称为等能光谱或等能白光。这是一种人为规定的相对光谱功率分布,实际中是不存在的。

另外,CIE还公布了F系列照明体,从F1到F12,代表荧光灯;其中F1-F6为标准荧光灯,F7-F9为宽带高显色指数荧光灯,F10-F12为窄带三基色荧光灯。色彩科学中常见的荧光灯照明体为F2,F7,F8,F11和F12。F2为冷白荧光灯(Cool White Fluorescent, CWF),F7为模拟D65标准照明体的荧光灯,F8为模拟D50标准照明体的荧光灯,F11为TL84或U40,F12为TL83或U30。


CIE标准光源

标准光源为能发光的真实物理辐射体,而照明体为CIE推荐的一组光谱功率分布数值,标准光源的CIE推荐如下:

标准光源A是由色温2856K的透明玻璃充气钨丝灯作为A光源来实现标准照明体A。

对于D系列照明体,CIE尚未推荐相应的标准光源,因此D系列照明体的模拟成为当前光源研究的重要课题之一。目前研制的模拟D系列照明体的人工光源有:荧光灯、带滤光器白炽灯、高压氙灯、LED光谱可调模拟器四种;其中LED光谱可调模拟D系列照明体效果最好,各光品质参数最优,在以后的文章中会专门提到如何评价标准灯箱光源的指标和方法。

对于F系列照明体,虽然CIE未推荐出相应的标准光源,但色彩工业从业者一定对相对应的商用光源名称不陌生,会在本文下表中提到。


标准灯箱常用光源

从事色彩工业的同行,应该对标准灯箱不陌生,标准灯箱的作用是模拟各种常见的照明场景,用于视觉判断样品颜色是否符合要求;灯箱中常见的照明体和对应商用光源名总结如下:












有几点需要说明:

1. F7、F8与D65、D50的SPD差异较大;以F7与D65的SPD对比为例如下,市面上所有的D65荧光灯与标准D65的SPD差异较大,即使D65荧光灯完美复现F7的SPD,也会导致在D65荧光灯下观察色样与在标准D65观察或测量设备测得的CIELAB值之间是存在较大差异的。另,所有的标准灯箱中的日光模拟器均应以标准日光SPD为复现目标,而非F7或F8的SPD。

2. 上述表格中的色温、显色指数、色品坐标xy为理论标准值,不代表商用光源的真实数据;且商用光源的实测数据与理论标准值相差较大;以标准灯箱中的D65荧光灯管为例,一般情况下,实测色温差异离标准值在200-300K之间,实测显色指数在90-95之间。

3. 色彩评价要在标准统一的照明环境下观察;若在真实日光下直接观察,是无法保证照明条件的一致性;因为真实日光是随时间、随环境变化的。

4. 随着LED技术不断发展,目前已经广泛的应用于人们的日常工作生活中,相信不久的将来荧光灯标准灯箱会被LED标准灯箱所取代,需要LED光源模拟日常工作生活中的LED照明场景,且光谱可调LED技术可以更好的模拟标准日光SPD。

 
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