关于水温的讨论

关于水温的讨论

颜色包括物体颜色和光源颜色。色温、相关色温、显色指数都是表述光源颜色的参数。本来,由光源的光谱分布就可以得到该光源在x-y色度图的坐标位置,已经很完整地表述了光源的色调、饱和度、等色调波长等特性。但是,它不够“通俗”。从事灯光行业的一般人员,希望用更加简单的参数来表述光源的颜色,因此,产生了“色温”及“显色指数”的概念。1重、轻、轻两重的对比表述光源颜色的方法有多种,用“色温”的概念表述热辐射光源的颜色是一种准确而简单的方法。光源的色温是通过对比其色彩和理论的热黑体辐射体(简称黑体,在任何温度下对任何波长的辐射能的吸收率都等于1的物体,是一种理想的模型,也叫完全辐射体)来确定的。众所周知,热辐射光源发射的光谱是连续而光滑的。对黑体而言,温度不同,颜色也就不一样。黑体发光的颜色与温度存在惟一的对应关系。在表述某光源的颜色时,常常把该光源的颜色与黑体发光的颜色进行比较,如果该光源发出光的颜色与黑体在某一温度下的颜色相同,就把该光源的颜色看作是黑体“在这个温度下的颜色”,应该叫“温度颜色”,简称“温色”。显然,“温色”指的是“颜色”,是黑体在某一温度下的颜色。但是由于长期的约定俗成,现在普遍把这个概念称作“色温”。了解了色度图,就会对“色温”的概念有更加深刻的理解。如图1所示,黑体的色温在x-y色度图上是一条近似弧形的曲线,称作黑体轨迹,也叫黑体曲线或普朗克轨迹。随着黑体温度的升高,其光谱分布的最大功率向波长较短的方向移动,光的颜色向蓝色方向变化。光的颜色变化顺序是红—白—蓝,即低色温发红,高色温发蓝。严格地说,只有黑体才有色温的概念。卤钨灯的钨丝是“灰体”,其与黑体颜色相同时,坐标点与黑体轨迹“非常接近”,因此,钨丝灯光源发光的颜色通常也叫作“色温”。色温还有另一种表示方法,就是“倒度”——即色温的倒数。由于这个单位量值太大,通常都用“微倒度”表示(MicroReciprocalDegree,缩写为Mired,中文可译成“麦瑞德”)。色温与微倒度的关系是:式中:R——用微倒度表示的色温,Mired(麦瑞德);T——用绝对温度表示的色温,K。表1给出了常用色温值与微倒度的对应关系。通过实验可知,按视觉可分辨的颜色差,把黑体轨迹划分为许多视觉可分辨的单位,这就是“微倒度”。事实证明,人眼对色温的感觉,用“微倒度”作单位是均匀的,用“绝对温度”表示是不均匀的。例如,对于微倒度变化5Mired,不管从150Mired变化到155Mired(对应色温较高的光源),还是从300Mired变化到305Mired(对应色温较低的光源),人眼感觉到的变化是一样的。从表1可以看出,从150Mired到155Mired,色温变化215K,平均每变化1Mired,色温变化21.5K;而从300Mired到305Mired,色温只变化了54K,平均每变化1Mired,色温变化5.4K。这之间的差别很大。对摄像机而言,在光源色温为3200K时允许的色温偏差较小,而在光源5600K时允许的色温偏差较大,就是这个道理。在演出中用高色温追光灯时,常常要加滤色片降低色温,滤色片也是用微倒度值标注的,见表2和表3。表2是具有正微倒度值的《雷登》滤色片系列,表3是具有负微倒度值的《雷登》滤色片系列。选择滤色片时,可以这样计算:用变化后的色温微倒度值,减去变化前的色温微倒度值,就是所选滤色片的微倒度值。如果所得数值为正,就选择具有正微倒度值(红色系列,降色温)的滤色片;如果所得数值为负,就选择具有负微倒度值(蓝色系列,升色温)的滤色片。例如,追光灯光源的色温为5600K,要把它变成3200K时,计算如下:式中:ΔM——滤色片的微倒度值,Mired;M2——变化后光源的色温微倒度值,Mired;M1——变化前光源的色温微倒度值,Mired;T2——变化后光源的色温绝对温度值,K;T1——变化前光源的色温绝对温度值,K。此例中:将T2=3200K,T1=5600K代入(2)式得:选择接近125Mired的雷登85B滤色片,其值为131Mired。将滤色片的实际微倒度值代入公式,计算变化后的色温实际值:偏离3200K只有61K,远小于标准中规定的允许偏离150K,符合要求。2如何区别流体的染色?对于气体放电灯、高显色LED光源等,其颜色坐标接近黑体轨迹,也可以用“相关色温”表述其颜色。目前应用的气体放电光源,其发光的光谱分布通常呈“梳状”,不光滑,与黑体发光的颜色相同时,坐标位置不在黑体轨迹上,只是比较“接近”,有些“相关”,所以,气体放电灯发光的颜色都叫作“相关色温”;LED光源的光谱分布坐标虽不呈“梳状”,也与黑体辐射的光谱有所不同,也可以用“相关色温”表述它的颜色。因此应该说,所有气体放电灯及LED光源发光的颜色都不是色温的概念,而应用“相关色温”表述,但通常在口语中也将其简称为“色温”。那么,相关色温在色度图上是如何实现“相关”的呢?见图2。相关色温的坐标点不在黑体轨迹上。如图2,在x-y色度图中的M点,与黑体轨迹上的哪点相关呢?按照一般的理解,似乎跟最近点N相关。但实际上,前文介绍过,在x-y色度图上,人眼的颜色感觉是不均匀的,M点实际与M′点相关。在u-v均匀色度图上很清楚,见图3,黑体轨迹外的M点与黑体轨迹的最近点M′相关,N点偏离较远。图2和图3给出了相关色温与黑体轨迹的关系图。图中粗弧线是黑体轨迹,与它相交的细直线是相关色温线,每两条细线的间隔为10微倒度。可以看出,在均匀色度图上,细直线间隔相等,且处处与黑体轨迹垂直;而在x-y色度图上,细直线间隔不等,而且大多数地方与黑体轨迹不垂直。另外,图2和图3中与黑体轨迹相交的细线,表示与各个色温点的微倒度值相对应的绝对温度值。应当指出,色温在色度图上只是一条曲线,相关色温也只是靠近该曲线的一条很窄的“带”(图2和图3中表示微倒度的细直线的长度放大了很多倍)。就如同中国地图上的京沪线,只有离京沪铁路线比较近的地方,才能叫作“京沪线附近”。同理,只有离黑体轨迹比较近的地方才能叫作相关色温,离黑体轨迹远了,有颜色坐标,有它在色度图中的位置,但不能称之为相关色温,更不能叫色温。有些厂家的变色温滤色片是纯黄色,还称之为“降色温滤色片”,这显然是不知道色温的基本概念。3标准照明体色度坐标位置从色度学上讲,物体的颜色既与物体本身的反射特性有关,也与照射它的光源的光谱分布有关。后者正是应该关心的重要问题之一。另外,不同的光源下景物的颜色也不同。例如,日光在一天中随时间的不同,色温也不相同;日出时太阳光发红,中午时太阳光发白,阴天时天空光偏蓝。为了在约定的某些具有代表性的光源下标定物体的颜色,CIE推荐了4种标准照明体(色度坐标位置见本文图1中的实心黑点):(1)标准照明体A:代表的是2856K黑体辐射时的光线,其色度坐标点落在x-y色度图的黑体轨迹上。(2)标准照明体B:代表相关色温大约4874K的直射阳光,其色度坐标点靠近黑体轨迹。(3)标准照明体C:代表相关色温大约为6774K的平均日光,近似于阴天天空的日光,其色度坐标点位于黑体轨迹的下方。(4)标准照明体D65:代表相关色温大约为6504K的日光,其色度坐标点位于黑体轨迹的上方。4种标准照明光源在x-y色度图及u-v均匀色度图的坐标见表4。4气体放电灯及led植物源对色样的对比显色指数是一种表述光源颜色的参数。对于LED光源来说,显色指数显得格外重要。(编者注:可参考本刊2010年11期《解析显色指数CRI》和2010年12期《显色指数CRI与色质指数CQS》两文。)人们通常认为日光下物体的颜色“最正”,在定义显色指数的时候,就把日光的显色指数定为100,其他光源则是与日光比较。拿什么比较呢?当然要拿几种典型的物体色进行比较。最初,用图4中上面的8种色样确定显色指数。首先用日光照射“色样1”,然后再用待测光源照射“色样1”,看是否一样,如果一样,没有色差,两种光源的显色指数一样,用100(注意:不是百分数)表示;如果不一样,根据待测光源与日光色差的大小,确定一个数值,例如95、90或50,表示待测光源与日光的色差大小,等等。“色样1”的显色指数叫作“特殊显色指数”,用R1表示。用同样的方法得到R2至R8的这7个数值。然后取8个数的算术平均值,叫做“综合显色指数”或“一般显色指数”,即CRI,数值用Ra表示,即:色样1至色样8是具有中等饱和度的颜色。为增加CRI的准确性,后来又增加了饱和度更高的6种色样,即图4中下面的6种色样。然后取14种色样的算术平均值。如果取14种色样,公式(3)变为:这里存在一个问题,以公式(4)为例,如果某光源对于色样9(红色)的显色性很差,如Ra=20。把Ra=20和其他特殊显色指数均为100代入(4)式得:而另外一个光源对于色样12(蓝色)显色性很差,如R12=20、其他特殊显色指数均为100代入(4)式,得到的结果也是94.3。如果有第三个光源,R9=60、R12=60,其他12个特殊显色指数都是100,得到的结果也是94.3。与日光相比,显色指数越高,说明待测光源光谱越接近日光;显色指数越低,说明待测光源比日光缺少的光谱越多。很显然,显色指数告诉我们,与日光相比,这些光源缺少的光谱成分及缺少的量多还是少,但却不能显示缺少的成分。如果把光源的显色指数与光源的相关色温“捆绑”在一起看就会发现,第一个光源(缺红光)相关色温较高,第二个光源(缺蓝光)相关色温较低,第三个光源的相关色温介于二者之间。由此可见,对于气体放电灯及LED光源,把显色指数与相关色温“捆绑”在一起使用,能对光源的颜色做出更准确的判断。经测试可以发现,光源对于中等饱和度的颜色显色指数很高,不代表高饱和度的颜色显色指数也高;反之,光源对高饱和度的颜色显色指数高,对于中、低等饱和度的颜色显色指数肯定高。基于这种情况,美国国家标准与技术研究所提出了“色质指数”(CQS)的概念。在计算色质指数的时候,另选了15种高饱和度的色样,如图5所示。与CRI的计算方法略有不同,CQS取的是15个特殊显色指数的均方根值,即:如果某光源的15个特殊显色指数中有2个为50,其他13个是100,取算术平均值为93.3,取均方根值为94.9;另一个光源有3个特殊显色指数为50,其他12个是100,取算术平均值为90,取均方根值为92.2。取算术平均值和取均方根值,只有量的差别,没有本质差别。由此可见,有的光源CRI很高,CQS却很低;另有一些光源CRI较低,CQS却较高,这不是计算方法的原因,而是特殊显色指数“数值的差异”造成的。在上面的计算中,假设2个或3个特殊显色指数为50,不管是哪2个或哪3个特殊显色指数,计算结果都是一样的。色质指数同样只能回答缺少的光谱成分,而不能回答缺少哪些光谱的问题。同理,把色质指数与相关色温“捆绑”使用效果会更好一些。事实上,如何表达光源的显色性能,国际上还有不同看法。今年7月在南非太阳城举行的第27届CIE大会上,有关委员提出了表述显色指数的9个不同提案。可见,要在短期内建