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顏色是人的感覺之一,它總是與觀察者個人的主觀體驗有關。每個人看到一種顏色后的感覺,別人難以知曉。所以顏色的研究總是充滿了神秘的想象。同時,顏色又使世界變得五彩繽紛,視覺藝術、圖象顯示與傳輸、紡織品印染、彩色印刷等,都離不開顏色的研究。因此顏色的研究、對顏色進行客觀的定量的描述, 成為許多科學家研究的對象。
牛頓在1664年用棱鏡把白色的太陽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,奠定了三色色度學的基礎。在此基礎上,1931國際照明委員會建立了CIE色度學系統(tǒng),并不斷完善。如今CIE色度系統(tǒng)已廣泛 用于定量地表達光的顏色。
顏色離不開照明,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。同濟大學楊公俠教授已在他的專著視覺與視覺環(huán)境一書的第五章中,作了非常精采的描述。(1) 在不同光源照射下,同一個物體會顯示出不同的顏色。例如綠色的樹葉在綠光照射下,有鮮艷的綠色,在紅光照射下近于黑色。由此可見,光源對被照物體顏色的顯現(xiàn),起著重要的作用。光源在照射物體時,能否充分顯示被照物顏色的能力,稱為光源的顯色性。1965年,國際照明委員會推薦在CIE色度系統(tǒng)中,用一般顯 色指數(shù)Ra來描述光源的顯色性。一般顯色指數(shù)Ra應用得還很成功,已被照明界廣泛接受,但是也存在一些問題,本文將為光源顯色性的評價方法,以及近年來的進展作一介紹。
一、一般顯色指數(shù)Ra
光源顯色性的評價方法,希望能夠既簡單又實用。然而簡單和實用往往是兩個互相矛盾的要求。在CIE顏色系統(tǒng)中,一般顯色指數(shù)Ra就是這樣一個折衷的產物:它比較簡單,只需要一個100以內的數(shù)值,就可以表達光源的顯色性能,Ra=100被認為是理想的顯色性。但是,有時候人們的感覺并非如此。 例如在白熾燈照射下的樹葉,看上去并不太鮮艷。問題在哪里?我們來討論影響什么是一般顯色指數(shù)。
為簡便起見,我們這里只討論一般顯色指數(shù)Ra的主要構成方法,而不討論它的具體計算方法。事實上,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驗,細心的女士在商場買衣服的時候,常常還要到室外日光下再看一看它的顏色。她這樣做,實際上就是在檢驗商場光源的顯色性:看一看同樣 一件衣服,在商場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,需要兩個附加的要素:日光(參考光源)和衣服(有色物 體)。在CIE顏色系統(tǒng)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(tǒng)規(guī) 定,在待測光源的相關色溫低于5000K時,以色溫接近的黑體作為參考光源;當待測光源的相關色溫大于5000K時,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(shù)字式表示、并與色溫有關的日光。
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(tǒng)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(tǒng)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(shù)Ri。Ri=100—4.6ΔEi
對8塊標準色板所測得的特殊顯色指數(shù)Ri取算術平均,就得到了一般顯色指數(shù)Ra??梢姽庠吹囊话泔@色指數(shù)Ra的最大值為100,認為這時光源的顯色性很好。
二、一般顯色指數(shù)Ra的局限性
盡管一般顯色指數(shù)Ra簡單實用,但是它在許多方面表現(xiàn)出嚴重不足。首先,顏色是人們主觀的感覺,不是物體固有的屬性,它與照明條件、觀察者、輻 照度、照度、周圍物體和觀察角度等有關,并不存在什么所謂“真實顏色"。但是由于在CIE系統(tǒng)中,已定義Ra在近似黑體的輻射下達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的顯色性與黑體或日光照射時盡可能相近。這意味著光源的光譜分布與黑體或日光有偏離時,會使顯色指數(shù)下降。 例如用紅、綠、蘭三個單色LED組成的白光LED,當在它的一般顯色指數(shù)Ra較低時,它的顯色性有時并不一定很壞。
但是事實上,許多研究者Judd(2)、Thorntou(3)和Jerome(4) 已證實人們不一定最喜歡CIE所規(guī)定的參考光源照明時的顏色。例如前面已經提到的用色溫很低的白熾燈照射綠色的樹葉,并不一定是好的選擇。規(guī)定在黑體或 日光照射時顯色指數(shù)為最佳值Ra = 100,存在疑問。
CIE規(guī)定的參考光源是與待測光源的相關色溫接近的黑體或日光,它們都是輻射連續(xù)光譜的光源,具有多種顏色的光譜成分。當色溫在6500K 時,其長短波的光譜功率分布較為均衡,作為參考光源應該說較為合理。但當色溫在400K以下時,光譜功率分布嚴重不對稱,蘭色的短波光譜功率遠小于紅色的 長波光譜功率,其顏色偏向紅色,作為參考光源存在疑問。
在CIE顏色系統(tǒng)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(tǒng)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,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。許多學者認為標 色板數(shù)太少,是一般顯色指數(shù)的另一個不足。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(shù)Ra之中。在照明實踐中,人們 熟知的顏色為皮膚、樹葉、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(shù)之外。Seim曾提議用20快標準色板,(5)但由于這會使計算變得太復雜而被拒絕。當前,計算機普遍使用,似乎這個提議又得重新考慮。