色彩科学中的常用光源，你清楚么？

色彩科学微课堂 · 2016-05-30

光源是影响色彩感知的极其重要一个因素，不同的光源会造成同一物体不同的色彩感知，比如衣服在商店里和在阳光下的色彩感知是不同的。

光本质上是一种电磁波，其包括很多波段。而人眼的感光范围只占整个电磁波谱的很小一段，一般认为可见光波长范围为 380-780nm ，也有一些教科书写为 400-700nm ；本质上这两者的差异很小，因为人眼在 380-400nm 及 700-780nm 的响应很低，对色彩感知的影响极低。

光谱功率分布是光源的“身份”

决定光源色彩特性的核心参数为光谱功率分布（ SpectralPower Distribution ， SPD ），即为光源在不同波长单色光的辐射功率分布，许多其他光品质参数均是从光谱功率分布计算得出，如色温、显色指数、色品坐标等等，这些参数的计算会在以后文章中具体解释。光谱功率分布常用直角坐标系表示，横坐标为波长，纵坐标为单位波长间隔内的辐射功率。卤钨灯的光谱功率分布在长波段较高，其色光偏红；而标准 6500K 日光的光谱功率分布在短波段较高，其色光偏蓝。光源的 SPD 可通过分光辐射度计测量得到，知名的生产厂商有美国的 PhotoResearch 公司、德国的 Jeti 公司、日本的 KonicaMinolta 和 Topcon 公司等，关于光的测量会以后的文章中详述。

CIE照明体

为了统一色彩评价和测量的标准，国际照明委员会 CIE 推荐了几种照明体（ illuminant ），包括标准照明体 A 、标准照明体 D65 、日光 D 系列照明体，照明体 E ；照明体专指一组特定的光谱功率分布数据，其数值已经标准化，具体数值或计算方式可参见参考文献。

标准照明体 A 为绝对温度为 2856K 的普朗克辐射体（也称为“黑体辐射”）。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。只要温度一定，黑体的光谱分布就可以计算出来，如下图。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 。

普朗克辐射体光谱

照明体 D 代表了各时相日光的相对光谱功率分布，也称为典型日光或重组日光，如工业界应用极为广泛的 D65 和 D50 。众所周知，不同地区、不同时间的日光光谱功率分布是不同的。在 1963 年时，一些色彩科学家对不同地区、不同时间的日光光谱功率分布、色温等进行观察和测量，积累了大量日光数据。 1964 年， Judd 和其相关合作者研究发现任何时相的日光 SPD 可通过 3 个基本函数表示。 1967 年， CIE 基于 Judd 的研究成果来定义并计算各个时相的日光 SPD 。

各时相 CIE 定义日光光谱功率分布

CIE在D系列照明体中最常用的为D50、D55、D65、D75，分别代表的相关色温分别为5000K、5500K、6500K和7500K的日光。

照明体 E 代表在可见光波段内的光谱功率为恒定值的照明体，又称为等能光谱或等能白光。这是一种人为规定的相对光谱功率分布，实际中是不存在的。

另外， CIE 还公布了 F 系列照明体，从 F1 到 F12 ，代表荧光灯；其中 F1-F6 为标准荧光灯， F7-F9 为宽带高显色指数荧光灯， F10-F12 为窄带三基色荧光灯。色彩科学中常见的荧光灯照明体为 F2 ， F7 ， F8 ， F11 和 F12 。 F2 为冷白荧光灯（ Cool White Fluorescent ， CWF ）， F7 为模拟 D65 标准照明体的荧光灯， F8 为模拟 D50 标准照明体的荧光灯， F11 为 TL84 或 U40 ， F12 为 TL83 或 U30 。

CIE标准光源

标准光源为能发光的真实物理辐射体，而照明体为 CIE 推荐的一组光谱功率分布数值，标准光源的 CIE 推荐如下：

标准光源 A 是由色温 2856K 的透明玻璃充气钨丝灯作为 A 光源来实现标准照明体 A 。

对于 D 系列照明体， CIE 尚未推荐相应的标准光源，因此 D 系列照明体的模拟成为当前光源研究的重要课题之一。目前研制的模拟 D 系列照明体的人工光源有：荧光灯、带滤光器白炽灯、高压氙灯、 LED 光谱可调模拟器四种；其中 LED 光谱可调模拟 D 系列照明体效果最好，各光品质参数最优，在以后的文章中会专门提到如何评价标准灯箱光源的指标和方法。

对于 F 系列照明体，虽然 CIE 未推荐出相应的标准光源，但色彩工业从业者一定对相对应的商用光源名称不陌生，会在本文下表中提到。

标准灯箱常用光源

从事色彩工业的同行，应该对标准灯箱不陌生，标准灯箱的作用是模拟各种常见的照明场景，用于视觉判断样品颜色是否符合要求；灯箱中常见的照明体和对应商用光源名总结如下：

照明体

描述

色温

显色指数

色品坐标 xy

商用光源名称

D75

北窗天空日光，偏深蓝，工业使用较少

7500K

100

0.2990, 0.3149

四类日光模拟器人工光源，不同品牌不同称呼

D65

平均日光，偏蓝，广泛应用的塑料、油漆、油墨、纺织等行业

6500K

100

0.3127, 0.3290

四类日光模拟器人工光源，不同品牌不同称呼

D50

日光，白，常用于摄影和印刷行业

5000K

100

0.3457, 0.3585

四类日光模拟器人工光源，不同品牌不同称呼

常用于家庭照明

2856K

100

0.4476, 0.4075

卤钨灯、白炽灯

Horizon

水平日光，工业使用较少

2300K

100

0.4830, 0.3976

卤钨灯

标准荧光灯，常用于北美商店照明

4230K

0.3721, 0.3751

CWF

宽带高显指荧光灯，用于荧光灯 D65 日光模拟器

6500K

0.3129, 0.3292

各大品牌模拟 D65 荧光灯管

宽带高显指荧光灯，用于荧光灯 D50 日光模拟器

5000K

0.3458, 0.3586

各大品牌模拟 D50 荧光灯管

F11

窄带三基色荧光灯，用于商店照明

4000K

0.3805, 0.3769

TL84, U40

F12

窄带三基色荧光灯，用于商店照明

3000K

0.4370, 0.4042

TL83, U30

用于检测荧光增白剂或荧光着色剂的存在

有几点需要说明：

1. F7 、 F8 与 D65 、 D50 的 SPD 差异较大；以 F7 与 D65 的 SPD 对比为例如下，市面上所有的 D65 荧光灯与标准 D65 的 SPD 差异较大，即使 D65 荧光灯完美复现 F7 的 SPD ，也会导致在 D65 荧光灯下观察色样与在标准 D65 观察或测量设备测得的 CIELAB 值之间是存在较大差异的。另，所有的标准灯箱中的日光模拟器均应以标准日光 SPD 为复现目标，而非 F7 或 F8 的 SPD 。

2. 上述表格中的色温、显色指数、色品坐标 xy 为理论标准值，不代表商用光源的真实数据；且商用光源的实测数据与理论标准值相差较大；以标准灯箱中的 D65 荧光灯管为例，一般情况下，实测色温差异离标准值在 200-300K 之间，实测显色指数在 90-95 之间。

3. 色彩评价要在标准统一的照明环境下观察；若在真实日光下直接观察，是无法保证照明条件的一致性；因为真实日光是随时间、随环境变化的。

4. 随着 LED 技术不断发展，目前已经广泛的应用于人们的日常工作生活中，相信不久的将来荧光灯标准灯箱会被 LED 标准灯箱所取代，需要 LED 光源模拟日常工作生活中的 LED 照明场景，且光谱可调 LED 技术可以更好的模拟标准日光 SPD 。

今天就到此为止，下篇文章会讲讲一些文中提到光品质参数，如色温、色品坐标等，有什么想了解的话题也可以直接微信我。

参考文献：

1. CIE S 014-2 / ISO 11664-2, Colorimetry – Part 2: CIE Standard Illuminant

2. CIE 15:2004, COLORIMETRY

3. Judd DB, MacAdam DL, Wyszecki G, Spectral distribution of typicaldaylight as function of correlated color temperature. 1964, J. Opt. Soc. Amer.

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