关于光源的光谱、色温和显色性

光谱

光,特别是『白光』,都是由各种波长的光混合而成,不同的波长对应不同的颜色;一种光中有哪些成分、强度各多少,反映在有横轴、纵轴的图表上,便是所谓的『光谱』。

光谱就像是光的素描,一种光有啥特点,大致能在光谱上得到反映,若我们只关注这几个参数,那么可以简单粗暴的说:光谱决定一切,它一变,其他各项必然改变;其中一项有个高低增减,光谱也随之上下左右,可谓牵一发而动全身。

灯泡的光谱

下面便是太阳和各种灯泡的光谱,上排从左至右是:阳光、白炽灯和荧光灯,下排从左到右分别是:卤素灯、冷色 LED 灯(高色温)和暖色 LED 灯(低色温)。

阳光和各种灯泡的光谱

其中光谱最『饱满』的便是阳光,各波长的分布『连续』而『均匀』;其次是白炽灯、卤素灯和暖色 LED 灯,之后便是冷色 LED 灯,光谱最『瘦小』的是荧光灯,波长分布断断续续。需要提醒大家的是,上图只是各式灯泡的典型光谱,荧光灯和 LED 种类繁多,非上面几张图所能概括。本文所谓的『红色』、『黄色』和『蓝色』实际上只是一种笼统的描述,颜色的变化,不是像换挡那样切换。

色温

我们已经知道,冷色就是高色温的颜色,直观的感受就是看起来白而亮,给人冰冷的感觉;暖色就是低色温的颜色,看起来黄而暗,给人温暖的感觉。

灯泡色温对比,左边低,右边高

你可能会感到奇怪,颜色就是颜色,温度就是温度,色温是什么鬼?想象一下,你加热一块不知道哪弄来的金属,点火,升温,开始是什么颜色,过会儿是什么颜色,然后是什么颜色?

加热金属

是不是一般这么变化的,先红色、橙色,再黄白色、白色,最后蓝白色。

金属颜色随温度而变化

很明显,物体的颜色和温度存在一种对应的关系,我们把某一物体(黑体,能够完全吸收各种方向、各种辐射的物体)的这种对应关系作为标准,用其他颜色与之对照,就有了『色温』(Color temperature)这一概念。

黑体色温变化和与之对应的光谱

色温的单位是开尔文(Kelvin),符号为 K,把它减去『273.15』 就是摄氏温度 °C 。当某光源与黑体的颜色相同(即光谱相同)时,黑体当时的温度就是该光源之色温。

问题是很多光源的颜色和黑体不一样啊,没关系,我们还有『相关色温』的概念,光源和黑体的哪个颜色最接近,那个颜色的色温就是该光源的色温。实际上,我们平常所说的『色温』,基本上都是相关色温。

各种颜色可以用『色度图』来表示,不同温度下,黑体有对应的色度坐标,全部画于色度图上,就是中间那条又粗又黑的曲线。

黑体的轨迹线

如果光源的颜色在那条黑线上,那么光源的颜色就它所在的点对应的色温,如果光源的颜色不在黑线上,那么它的『相关色温』就是黑线上离它『最近』的那个点的色温。

灯泡的色温

不求严谨的话,我们还可以这么认为:色温高表示蓝光多,红光少;色温低表示蓝光少,红光多。

色温对比图

阳光的色温从早变到晚,这点不用我说大家也感受得到,蓝天的色温通常在4000K 到 40000K之间,其中 7500K 最为常见,云的色温从 5000K 到 8000K 变化, 也可以说大致为 6000K 。

阳光的色温

白炽灯的色温通常不高,常见的一般为 2400K 左右 – 3400K 左右;荧光灯的色温浮动较大,常见的一般为 2700K 左右 – 6500K 左右;LED 灯色温有高有低,常见的一般为 3000K 左右 – 7000K 左右;

色温 6000K 和 3000K 的荧光灯

什么色温才合适?

选什么色温的灯泡,既要看照度、场合,也与个人的喜好有关,其中照度和色温的配合,一般有以下参考:

色温和照度的关系

此外,对于冷暖色温的划分,以及适用场合,国标中也有建议:

《GB 50034-2013 建筑照明设计标准》 – 国家质检总局

显色性

一样东西看起来什么颜色,和打在它身上的光有关,更和它选择反射的光有关。『显色』又称『演色』、『现色』,灯泡的显色性,就是灯泡让物体呈现『真实颜色』的能力。通常用一般显色指数(general colour rendering index)来表征,符号是 Ra。

同一物品在不用显色性光源下的表现

那么问题来了,什么是『真实的颜色』?我们日常所见的事物,多是阳光下的状况,所谓的『真实颜色』,就是日光之下的色彩。日光的光谱是连续的,可见光的所有波长都有所体现,打在物体上的光,光谱越是连续而均匀,物体选择反射的范围就越大,呈现出来的颜色就越『真实』。

灯泡的显色性

国际照明委员会把太阳光的显色指数定为 100,这意味着,灯泡的光谱越接近阳光,显色指数越高。阳光的光谱有啥特性呢?最大的特点就是『连续』。

从上往下是阳光、LED、白炽灯和荧光灯的光谱

白炽灯通过热辐射发光,产生的是连续光谱,显色指数最高,显色性 Ra 90 – 100,接近 Ra 100;荧光灯利用气体放电发光,发光具有选择性,显色性差异较大,多数不高,一般在 Ra 50 – 95 之间(另一说为 Ra 74 – 90);LED 灯种类较多,显色性有高有低,常见的一般为 Ra 60 – 90+ 。

多高的显色性才够?

国际照明委员会按用途不同列出显色性的推荐标准,作为一般照明来说, Ra 达到 80 – 90 就足够了;国标的建议与之类似:长期工作或停留的房间或场所,照明光源的显色指数(Ra) 不应小于 80 。

灯泡的显色性和用途

文章来自《器物于我》

关于显色性测量,详见《BabelColor CRI显色性测量功能》

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