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光源常用光品质参数(一):色品坐标、色温和色偏差值

2016-8-10 10:11:46      点击:

今年的光亚展上,品牌企业更加关注光的品质和设计,更加关注显色指数CRI、R9、色彩逼真度Rf、色彩饱和度Rg等上的提升。今天给大家介绍下常见的光品质参数。




光品质参数是衡量光源好坏极为重要的指标,常见的光品质参数有色温、显色指数、照度、眩光指数、光型控制、照明均匀性、光亮度等,下一篇文章会分别介绍基于光谱功率分布(SPD)得到的各光品质参数,使大家对光源有更进一步的理解。今天介绍的是色品坐标、色温和色偏差值。


黑体辐射

提到光源,就不得不介绍黑体辐射,上一期也有所提到。黑体又称为普朗克辐射体,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,其光谱辐射出射度见下列公式和图。只要温度一定,黑体的光谱分布就可以计算出来。由下图可知,①在温度下,黑体的辐射出射度存在一个最大值,且此最大值随温度往短波方向移动,而短波的颜色为蓝色,故其光色偏蓝、偏冷;②在任一波长处,高温黑体辐射亮度绝对大于低温黑体谱辐射亮度,不论这个波长是否是光谱最大辐射亮度处。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。  


  


其中,c1=2×π×h×c2=3.74183×10-16W/m2,c2=h×c/k=1.4388×10-2m·K,λ为波长,T为黑体绝对温度(单位K,T=t+273),c为光速,h为普朗克尝试,K为玻尔兹曼常数。


0.1-100μm黑体光谱辐射出射度


380-780nm可见光范围内黑体光谱辐射出射度

色品坐标

色品坐标xy表示一个光源的色光,其计算公式如下    




其中,k为归一化系数使得最终计算的Y值为100;P(λ)为光源的SPD,可通过相关的测量设备可得;x(λ)、y(λ)、z(λ)为CIE标准色度观察者色匹配曲线(Color Matching Function, CMF),分为2°与10°视场,其为标准化数据,具体数值可参阅参考文献。熟悉X-Rite公司的朋友应该对三条曲线很熟悉,因为其就是原先美国X-Rite公司的logo。由于CIExy色品图是不均匀的,即CIExy图上不同区域内的相同色距离不表示相同的色光差异。为改进CIE xy色品图的不均匀性,1960年CIE正式推荐了CIE1960均匀色品标尺图(Uniform Color Space,UCS),即uv色品图,计算公式如下;




为进一步改善色品图的均匀性,CIE于1976年又发布了1976UCS图,即u’v’图,计算如下:





CIE标准色度观察者色匹配曲线


X-Rite logo


将所有黑体每个色温下的色品坐标连接成线即为黑体轨迹(Blackbody Locus),其可以在CIE xy、CIE uv或CIE u’v’色品图上,见下图。



CIE xy色品图中的黑体辐射轨迹

色温和色偏差

当光源在温度T时所呈现的颜色与黑体在某一温度Tc时的颜色相同时,则将黑体的温度Tc称为该光源的颜色温度,即色温。对于白炽灯等热辐射源而言,由于其光谱功率分布为连续谱,且与黑体比较接近,所以它们的色品坐标点基本位于黑体轨迹上,色温的概念能够很好地描述白炽灯的光色。对于其他光源如荧光灯,其光谱功率分布与黑体相差较远,其色品坐标不一定落在黑体温度轨迹线上,这时需要采用相关色温(Correlated ColorTemperature, CCT)来表征光源的色光特性,其定义为当光源的颜色与黑体在某一温度下的颜色最接近时,即色品图上两者的距离最小时,就用该黑体的温度表示该光源的色温;该最小距离定义为色偏差Duv,‘+’表示该光源颜色在色度图上位置处于黑体轨迹上方,即偏黄绿,‘-’表示光源颜色在色度图上位置处于黑体轨迹下方,即偏紫红。ANSIC78.377-2008,Specifications for the Chromaticity ofSolid State Lighting Products标准关于LED光源色温的定义,以及很多LED datasheet中的分bin的意义也在于此。



CIE uv色品图中的等色温线


ANSI C78.377-2008标准在CIE xy色品图中的名义色温定义


若同一个相关色温的不同光源,其Duv差异较大,则对应的光源色光差异也较大,见下图。


3500K  Duv=0


3500K  Duv=0.02 


3500K  Duv=-0.02

日常常用光源色温

日常生活中常见的光源色温见下图,烛光1800-2000K,偏红偏暖;白炽灯大致为2800K,偏黄;日落或日出时的日光为3000K;中午晴空的日光大致为5500K;蓝天的天空为7500K等。



下面给出几组常见光源的SPD、色温、Duv和色品坐标参数,希望大家有个概念 


日光-色温5988K,xy(0.3221,0.3345),Duv(0.0014)


办公室照明-色温6145K, xy(0.3188,0.3367),Duv(0.0041)


商场照明-色温2942K, xy(0.4430,0.4094),Duv(0.0013)


商场照明-色温5754K, xy(0.3261,0.3631),Duv(0.0136)

个人建议:家具照明一般卧室可以选用低色温偏暖的光,色温大致在3000K左右;客厅、走廊、餐厅等可选用4000-5000K的中性白;而需要集中精力的办公室、会议室或台灯则推荐使用高色温照明,如6500K,至于原因嘛,先埋个伏笔,待下回再讲。

不知大家有注意到?在买灯时,所有的灯具外包装上都有标注色温这一参数,以后就可以根据需要选择适合自己的色温了。


 

参考文献:

1. CIE15:2004, COLORIMETRY

2. J.Schanda, COLORIMETRY-Understanding the CIE System,Wiley, 2007