色彩科学中的常用光源

本文来自“色彩科学微课堂”，作者王彬宇，文章对于光源的讲解非常全面，转载在这里，并增加部分图片和文字注释，以括号和灰色字体区分。——编者

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。

（不同时间、不同阴晴日光下的颜色也是不同的，如下图。—-魔咔色域）

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。
（关于电磁波中可见光范围到底是多少，编者曾经写过一篇微信，结论是不确定，哈哈，有兴趣可以补充阅读：—-魔咔色域）

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。

（以下配图应该是相对光谱功率分布，就是是以光谱密度的相对值与波长之间的函数关系来描述光谱分布，相对光谱能量分布可用任意值来表示，下图采用的就是以最大辐射能量为100绘制的，A光源的在780nm，D65在480nm左右。—-魔咔色域）                                                                        

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、B、C、D、E、F都有发布过，标准照明体B代表相关色温约为4874的直射日光，它的光色相当于中午的日光，其色品坐标紧靠黑体轨迹。标准照明体C代表相关色温约为6774K的平均昼光。它的光色近似于阴天的天空光，其色品坐标位于黑体轨迹下方。实践表明B、C都无法正确代表相对应的正确昼光，B光源已经被淘汰。但是在某些领域还有使用，比如：罗维朋比色计依然使用B光源，Munsell色标仅用于C光源—-魔咔色域）

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：

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。

（正如作者说的原因，如果使用荧光灯D65对色，最好看清楚使用的是哪家公司生产的D65灯管，客户使用哪种，生产商最好使用相同的灯管，以免对色带来困扰—–魔咔色域）
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。

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

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