光源的颜色指标色温和显色性的含义及评价方法

色温和显色性是光源两个重要的颜色指标，影响着光源色彩的还原能力。其中色温是衡量光源色的指标，也就是光源的自身显现的颜色；而显色性是衡量光源视觉质量的指标，也就是光源照射到物体表面时所显现的颜色的逼真程度。本文对光源颜色指标色温和显色性的含义及评价方法做了介绍。

光源颜色指标色温的含义及评价方法：

1.色温的含义

色温（Color temperature）是表示光源光谱质量最通用的指标，当物体的吸收率a=1时，则表示该物体能全部吸收投射来的各种波长的光，这种物体称为绝对黑体，或简称黑体（Black body）。黑体是对光吸收能力最强的一种理想化物体，实际上没有绝对黑体。由黑体规律知，通过黑体辐射发出的光的颜色，可以推断出黑体温度的高低。

当光源在温度T时发呈现的颜色与黑体在某一温度Tc时的颜色相同时，则将黑体的绝对温度就称为该光源的颜色温度，简称色温（color temperature）

对于白炽灯等热辐射源而言由于其光谱分布与黑体比较接近，所以它们的色品坐标点基本处于黑体轨迹上，可见色温的概念能够恰当的描述白炽灯的光色。那么对于白炽灯以外的其他光源，其光谱分布与黑体相差较远，它们的温度T时的相对光谱功率分布所决定的色品坐标不一定准确地落在色品图的黑体温度轨迹上，所以只能用光源与黑体轨迹最近的颜色来确定该光源的色温，称为相关色温（correlated color temperature，简称CCT）。

2.色温的评价方法

随着颜色科学和计算机技术的飞速发展，相关色温的计算方法在各个方面获得改进和创新，其中比较典型的计算方法有：内插法、三角垂足插值法、黑体轨迹法和模拟黑体轨迹法等。下面主要介绍一下内插法：

（1）待测光源的相关色温低于5000K时参照照明体应是普朗克辐射体的光谱功率分布，相对光谱功率分布可根据普朗克辐射定律计算：

其中c2 = 1.4388×10^-2mK。

根据黑体的温度就可以由色度学理论计算出它的色坐标（x，y）。

（2）当待测光源的相关色温高于5000K时，参照照明体应是不同时相日光的光谱功率分布（标准照明体D），标准照明体D则可根据相关色温值，由公式下式求得色坐标（x，y）。

在相关色温Tc已知情况下，可通过下式计算典型日光色度坐标XD：

CIE1931色度图上典型日光（D）的色度坐标满足以下关系：

式中XD的有效范围为0.2500～0.380。

再由相关公式算出按一定10麦勒德间隔等温线在黑体轨迹上和黑体轨迹外的两点色度坐标。麦勒德与绝对色温、相关色温的关系为：麦勒德=1/色温×10⁶。

黑体轨迹与等温线见上图，从图中可以看出，如果各等温线向下延长，则所有等温线都通过临近u= 0.31，v=0.22的色度点。

上图表示光源的u、v色度坐标点位于以麦勒德为单位的相邻两条等温线M1和M2之间，由光源坐标点到等温线M1的距离用d1表示，到等温线M2的距离用d2表示。光源的相关色温近似值由下式计算：

若uv图中的等温线不是以麦勒德单位标定，而是以色温标定，则由下式可计算相关色温：

由于凯莱推荐的黑体等温线（上图）是根据普朗克公式中1948年国际实用温标c2=1.4380x10²m·K绘制的，为了换算成1968年新国际实用温标c2=1.4388x10²m·K，尚须对求得的相关色温作如下换算：Tc =1.4388T（c48）/1.4380。

光源的颜色指标显色性的含义及评价方法：

1.显色性的含义

光源对物体的显色能力称为显色性，是通过与同色温的参考或基准光源（白炽灯或画光）下物体外观颜色的比较。光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由许多，少数甚至仅仅两个单色的光波纵使而成，对各个颜色的显色性亦大不相同。相同光色的光源会有相异的光谱组成，光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差。色差程度愈大，光源对该色的显色性愈差。

2.显色性的评价方法

CIE推荐定量评价光源显色性的“测验色”法规定用黑体或标准照明体D作为参照光源，将其显色指，数定为100，并规定了若干测试用的标准颜色样品；通过在参照光源下和待测光源下对标准样品形成的色差，评定待测光源显色性，用显色指数值来表示。显色指数的计算涉及对原始数据和导出性参数的运用以及很多中间参量的计算，主要有三种方法计算光源的显色指数：标准方法，特征矢量法和沃尔特斯法，下面主要介绍一下标准方法计算显色指数。

评价光源显色指数时采用一套15种检验色样，选定8个色样为一组（I=1，……，8）作为评价一般显色指数用的检验色样，它们分别代表淡灰红色、暗灰黄色、饱和黄绿色、中等黄绿色、淡蓝绿色、淡蓝色、淡紫蓝色、淡红紫色。选定后7个色样（i=9，…，15）分别作为特殊显色指数评价用的检验色样，它们分别代表深红、深黄、深绿、深蓝、白种人肤色、叶绿色、中国人女性肤色。根据在参照光源下和待测光源下各检验色样的色差△Ei，计算出特殊显色指数：

一般显色指数（CIE1～8号颜色样品Ri的平均值）：

通常是在已知待测光源的光谱功率分布的情况下，进行显色性计算，主要步骤如下：

1.通过对待测光源的光谱辐射测量，计算待测光源的色度参数（xk，yk）（uk，vk）、ck dk及CCT（K），然后根据1～15号颜色样品的光谱辐亮度因数ρi（λ）的数据算出在待测光源下各样品的xk,i、yk,i和uk,i、vk,i色度坐标。计算公式如下：

光源色度坐标（u，v）计算：

其中k等于辐射功率的最大光效率Km=683（lm/W），P（λ）为光源光谱功率分布，x（λ）、y（λ）、z（λ）是CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值。在可见光谱内，波长间隔△λ是以入为中心波长，波长范围为380nm至780nm，波长间隔△λ为5nm。色度坐标计算如下：

2.根据CCT选择参照照明体，计算参照照明体的光谱功率分布，然后计算参照照明体的色度参数（xr，yr）、（ur、vr）和cr、dr。

3.适应性色位移的考虑：由于待测光源k和所选用的参照照明体r的色度不完全相同，而使视觉在不同照明下受到颜色适应的影响。为了处理两种照明下的色适应，必须将待测光源的色度坐标uk、vk调整为参照照明体的色度坐标ur、vk，即uk'=ur，Vk'=Vr，这时各颜色样品i的色度坐标uk,i vk,i也要作相应的调整，成为uk,i'、vk,i'。这种色度坐标的调整叫做适应性色位移，用以下系数关系式进行转换：

上式中下标“r”代表参照照明体；“k”代表待测光源；“k,i”代表待测光源照明下第i种标准样品。在计算显色指数时，就用调整后的色度坐标计算。

4.计算在参照照明体r照明下颜色样品的的xr,i、yr,i和ur,i vr,i色度坐标。

5.色差计算公式如下：

6.由△Ei得特殊显色指数Ri和一般显色指数Ra。

光源的一般显色指数越高，其显色性就越好，对颜色的还原性越好。不过最近国外专家研究表明，特殊显色指数也是影响颜色还原性的重要指数。