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    LED照明光源顯色性的評判標準和方法

    :2018-01-17    :333
            顏色是人的感覺(jué)之一,它總是與觀(guān)察者個(gè)人的主觀(guān)體驗有關(guān)。每個(gè)人看到一種顏色后的感覺(jué),別人難以知曉。所以顏色的研究總是充滿(mǎn)了神秘的想象。同時(shí),顏色又使世界變得五彩繽紛,視覺(jué)藝術(shù)、圖象顯...  發(fā)光二極管 
     
            顏色是人的感覺(jué)之一,它總是與觀(guān)察者個(gè)人的主觀(guān)體驗有關(guān)。每個(gè)人看到一種顏色后的感覺(jué),別人難以知曉。所以顏色的研究總是充滿(mǎn)了神秘的想象。同時(shí),顏色又使世界變得五彩繽紛,視覺(jué)藝術(shù)、圖象顯示與傳輸、紡織品印染、彩色印刷等,都離不開(kāi)顏色的研究。因此顏色的研究、對顏色進(jìn)行客觀(guān)的定量的描述,成為許多科學(xué)家研究的對象。
     
            牛頓在1664年用棱鏡把白色的太陽(yáng)光色散成不同色調的光譜,奠定了光顏色的物理基礎。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(xué)的基礎。在此基礎上,1931國際照明委員會(huì )建立了CIE色度學(xué)系統,并不斷完善。如今CIE色度系統已廣泛用于定量地表達光的顏色。
     
            顏色離不開(kāi)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(xué)楊公俠教授已在他的專(zhuān)著(zhù)《視覺(jué)與視覺(jué)環(huán)境》一書(shū)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(gè)物體會(huì )顯示出不同的顏色。例如綠色的樹(shù)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(jiàn),光源對被照物體顏色的顯現,起著(zhù)重要的作用。光源在照射物體時(shí),能否充分顯示被照物顏色的能力,稱(chēng)為光源的顯色性。
     
            1965年,國際照明委員會(huì )推薦在CIE色度系統中,用一般顯色指數Ra來(lái)描述光源的顯色性。一般顯色指數Ra應用得還很成功,已被照明界廣泛接受,但是也存在一些問(wèn)題,本文將為光源顯色性的評價(jià)方法,以及近年來(lái)的進(jìn)展作一介紹。
     
            1、一般顯色指數Ra
            光源顯色性的評價(jià)方法,希望能夠既簡(jiǎn)單又實(shí)用。然而簡(jiǎn)單和實(shí)用往往是兩個(gè)互相矛盾的要求。在CIE顏色系統中,一般顯色指數Ra就是這樣一個(gè)折衷的產(chǎn)物:它比較簡(jiǎn)單,只需要一個(gè)100以?xún)鹊臄抵?,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(shí)候人們的感覺(jué)并非如此。例如在白熾燈照射下的樹(shù)葉,看上去并不太鮮艷。問(wèn)題在哪里?我們來(lái)討論一下什么是一般顯色指數。
            為簡(jiǎn)便起見(jiàn),我們這里只討論一般顯色指數Ra的主要構成方法,而不討論它的具體計算方法。
     
            事實(shí)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(chǎng)買(mǎi)衣服的時(shí)候,常常還要到室外日光下再看一看它的顏色。她這樣做,實(shí)際上就是在檢驗商場(chǎng)光源的顯色性:看一看同樣一件衣服,在商場(chǎng)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(gè)附加的要素:日光和衣服。
     
            小編舉個(gè)栗子:我一位朋友,家里裝修要買(mǎi)木地板。
            她在店里看到的木地板顏色是這樣子的:
            送到家里安裝的時(shí)候,太陽(yáng)光照進(jìn)來(lái),發(fā)現是這樣子的:
            她不由感慨:原來(lái)展示廳里的燈光猶如女人化妝一樣,卸了妝之后根本不是原來(lái)的那個(gè)面目!
            在CIE顏色系統中,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的顯示。CIE顏色系統規定:在待測光源的相關(guān)色溫低于5000K時(shí),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(shí),用色溫最相近的D光源作為參改光源。這里D光源是一系列色坐標可用數字式表示、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顏色系統選擇了8種顏色,它們既有多種色調,又具有中等明度值和彩度。
            在u-v顏色系統中,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Ri。
            Ri=100—4.6ΔEi
     
            對8塊標準色板所測得的特殊顯色指數Ri取算術(shù)平均,就得到了一般顯色指數Ra??梢?jiàn)光源的一般顯色指數Ra的最大值為100,認為這時(shí)光源的顯色性最好。
     
            2、一般顯色指數Ra的局限性
     
            盡管一般顯色指數Ra簡(jiǎn)單實(shí)用,但是它在許多方面表現出嚴重不足。
     
            首先,顏色是人們主觀(guān)的感覺(jué),不是物體固有的屬性,它與照明條件、觀(guān)察者、輻照度、照度、周?chē)矬w和觀(guān)察角度等有關(guān),并不存在什么所謂“真實(shí)顏色”。但是由于在CIE系統中,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計燈泡,使在用它照射物體時(shí)的顯色性與黑體或日光照射時(shí)盡可能相近。這意味著(zhù)光源的光譜分布與黑體或日光有偏離時(shí),會(huì )使顯色指數下降。例如用紅、綠、藍三個(gè)單色LED組成的白光LED,當在它的一般顯色指數Ra較低時(shí),它的顯色性有時(shí)并不一定很壞。
     
            但是事實(shí)上,研究者Judd、Thorntou和Jerome已證實(shí)人們不一定最喜歡CIE所規定的參考光源照明時(shí)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(shù)葉,并不一定是最好的選擇。規定在黑體或日光照射時(shí)顯色指數為最佳值Ra=100,存在疑問(wèn)。
            CIE規定的參考光源是與待測光源的相關(guān)色溫最接近的黑體或日光,它們都是輻射連續光譜的光源,具有多種顏色的光譜成分。當色溫在6500K時(shí),其長(cháng)短波的光譜功率分布較為均衡,作為參考光源應該說(shuō)較為合理。但當色溫在400K以下時(shí),光譜功率分布嚴重不對稱(chēng),蘭色的短波光譜功率遠小于紅色的長(cháng)波光譜功率,其顏色偏向紅色,作為參考光源存在疑問(wèn)。
            文件移動(dòng)到本地文件夾就會(huì )刪除郵件在CIE顏色系統中,8塊標準色板都是處在中等明度和色飽和度,在u~v系統中為等距離間隔。它們對于室內照明,可認為已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時(shí),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。
    文件移動(dòng)到本地文件夾就會(huì )刪除郵件
    許多學(xué)者認為標準色板數太少,是一般顯色指數的另一個(gè)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Ra之中。在照明實(shí)踐中,人們熟知的顏色為皮膚、樹(shù)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之外。
     
            Seim曾提議用20塊標準色板,但由于這會(huì )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(gè)提議又得重新考慮。
     
            由于光源的顯色性評價(jià)存在這兩大問(wèn)題、許多其它的評價(jià)方法引起廣泛興趣,本文將就作者所知作一簡(jiǎn)要介紹。
     
            3、夫勒特利指數Rf
     
            研究表明人們傾向于記住比較熟悉的物體的顏色,而且是記住它的生動(dòng)的、飽和度較高時(shí)的顏色。這種記憶色與喜愛(ài)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(shù)葉色向綠色方向偏移。顯然與CIE中的Ra方法不同。
     
            Rf事實(shí)上是對Ra的修正,這個(gè)修正包括二個(gè)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(lái)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(shù)葉色。
           
            這時(shí),“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(ài)方向偏移的光源。
     
            由此可見(jiàn),對每塊標準色板來(lái)說(shuō),相應的“完美光源”的色坐標是各不相同的,可以由實(shí)驗確定。這也說(shuō)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(diǎn)不同:
            1、對于每塊標準色板,參考光源的色坐標都需要調整,即根據實(shí)驗確定的“完美光源”色坐標。然后,在待測光源照明時(shí),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(shí),取10塊色板的色差平均值,但是每塊色板的權重不同。13號色板是膚色,權重是35%、2號是15%、14號是15%、其余是每塊5%。這里特別強調了膚色的重要性。所以待測光源的Rf可以高于參考光源Rf=90,但小于100。
     
            4、顏色偏愛(ài)指數
     
            顏色偏愛(ài)指數CPI利用上節提出的喜愛(ài)色概念,定義在D65光源照明下,顏色偏愛(ài)指數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(ài)色的色坐標之差,并求其矢量和的平均值:CPI=156-7.18
     
            以上計算都是在CIE的UV色度系統中進(jìn)行。
     
            雖然CPI與Rf都利用了最喜愛(ài)色這一概念,但兩者有很大差別:
     
            1、在計算Rf時(shí),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(shí),色差取實(shí)驗值的1/5,而CPI取原始實(shí)驗值
           
            3、計算Rf時(shí),各塊色板的權重不同,而CPI取相同權重
     
            4、根據定義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(gè)指數的研究人員,都用實(shí)驗確定喜愛(ài)色,而在實(shí)驗中采用的是日光色照明?,F在有證據表明喜愛(ài)色與光源的相關(guān)色溫有關(guān)。所以在使用Rf和CPI來(lái)恒量顯色性時(shí),僅僅適用高色溫的光源。
     
            5、色分辯指數
            用Ra、Rf或CPI來(lái)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。顏色分辯指數CDI克服了這個(gè)局限性。
     
            該指數的提出,基于這樣一個(gè)假定:在某種光源的照明下,能區別顏色的能力愈強,則此光源的顯色性愈好。在某個(gè)光源照明時(shí),8塊標準色板在CIE的UV色度圖中,所包圍的面積為:
            GA=0.5Σi,j=1,2,…8;i≠j
     
            在C光源照明下,該面積GA=0.005,定義這時(shí)CDI=100,于是在待測光源的照明下,其色分辯指數為:
            CDI=×100
     
            6、結束語(yǔ)
            由上述討論可知,光源顯色性的評價(jià)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(diǎn)。
            即使目前廣為采用的一般顯色指數Ra,也還有許多缺點(diǎn)。
     
            它最主要的缺點(diǎn),是參考光源的選擇:參考光源是一個(gè)光譜連續的光源,用它作為標準來(lái)衡量光譜不連續的光源,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(shí)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(gè)方法限制了只能用在光源色溫已經(jīng)確定的條件下使用。
            它的第二個(gè)缺點(diǎn)是標準色板的選擇:對于室內照明,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(shí),對一些色飽和度較高的顏色,不能充分代表常用顏色。

     




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