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灯具设计之光色研究

灯具设计之光色研究

许东旭1,俞伟民2,虞世鸣1,王香娟1

(1. 上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072;

2. 上海澳星照明电器制造有限公司,上海 201318);

摘要:本文基于CIE1931色度观察者,分别在常见标准照明光源、荧光灯、高压灯及5种色温的白光(二基色荧光粉)LED光源下,测定不同“光谱反射系数比”与“光谱透射系数比”的17种材料的色度坐标、主波长、兴奋纯度、色纯度和明度,并对计算结果进行分析研究,得出灯具光色中色相、饱和度、明度与光源光谱功率、材料反射比(透射比)的影响规律,最后用计算机仿真软件实现光色模拟验证,利用色彩构成中的色彩心理学得出灯具设计光色的语义特征,提出灯具设计原则。

关键词:灯具设计;LED;光色;光谱功率;色度;色彩构成;产品语义

The Photochromic Research Of Lamp Design

Xu Dongxu1, Yu Weiming2, Yu Shiming1, Wang Xiangjuan1

(1. School of Mechatronics Engineering and Automation,Shanghai University,ShangHai 200072;

2. Shanghai Austar Lighting Electrical Industry CO.,LTD.,ShangHai 201318); Abstract: This article is based on CIE1931 STANDARD COLORMETRIC OBSERVER, the chromaticity coordinates, dominate wave length, excitation purity, color purity and lightness of 17 materials with different “spectral reflection factor rate” and “spectral transmission factor rate” are tested under normal standard lighting source, fluorescent lamp, high pressure lamp and white lighted with 5 different color temperatures (two color primaries’ phosphor powder) from LED lighting source, and after analyzing the test results, the influencing regularity of the hue, saturation, lightness, lighting source’s spectral powder distribution and the material’s reflectance ratio (transmittance) of the lamps’ photochromism could be concluded. Finally, achieve a verification of the simulation of photochromism by using computer simulation software, followed by reaching the semantic features of the photochromism design for the lamps by adopting color psychology from color composition, and propose the principles for lamp designing.

Keywords:Lampdesigning;LED;Photochromism;Spectralpowderdistribution;Colormetric;Colorcompo sition;Product semantics.

0引言

灯具设计与光色的关系非常密切,不仅要考虑光源光色的选择与设计,还需要对灯具器件光色进行选择和设计,这两者具有很强的关联性,直接决定了灯具的功能性、指示性与象征性三大语义系统,只有关联性的整体设计才能使产品设计首尾兼顾。本文基于CIE1931色度观察者,分析研究灯具光色中色相、饱和度、明度与光源光谱功率、材料反射比(透射比)的影响规律,最后用计算机仿真软件实现光色模拟验证,利用色彩构成中的色彩心理学得出灯具设计光色的语义特征,提出灯具设计原则。

1灯具设计的光色计算分析

1.1灯源的光色分析

光分为单色光和复色光,日常生活中的人造照明光源一般都是复色光,其基本属性是色温与显色性,但色温只能大致表示其冷暖程度,而显色性也只能大致描述对色彩的显现程度,

作者简介:许东旭(1985-),男,上海大学硕士研究生,研究方向工业设计. E-mail: xudongxu123@https://www.wendangku.net/doc/0f800096.html,

两者很难在光色对材料的色品影响上进行具体的描述[1]。色温和显色性受到光谱功率因素的直接作用,所以直接从光源的光谱功率因素进行分析能够准确把握复色光光色性能对材料色品的影响。为了方便起见,我们把380-780nm 的可见光分为8段(不存在严格的界限):紫色380-430nm ,蓝色430-470nm ,青色470-500nm ,绿色500-530nm ,黄绿色530-560nm ,黄色560-590nm,橙色590-620nm ,红色620-770nm 。

实验选取8种不同色温的复色光(白光)光源,光源1-8依次为1959K 标准高压放电灯HP1、 3000K 的LED1、4150K 标准荧光灯FL6、 4200K 的LED2、5000K 的LED3、CIE 标准照明体D65、6700K 的LED4、8000K 的LED5。通过光谱辐射光度计,可以测得不同光源的相对光谱功率分布,从而计算出色品坐标[2]。如图1分别为实验测出的8种不同色温白光光源的相对光谱功率分布图。

图1 光源相对光谱功率分布

Picture 1: Relative spectral power distribution of lighting source

首先计算出颜色的三刺激值,计算公式如式(1)[3]:

_'()()X k x λ

?λλλ=Δ∑ _'()()Y k y λ?λλλ=Δ∑ (1)

_'()()Z k z λ

?λλλ=Δ∑ 由三刺激值后计算出物体的色品坐标(x,y,z ),由于x+y+z=1,所以在色度观察者上只表示为(x,y )。

图2是测量的几种常见光源的色品坐标,与前文光色的大致分析吻合。

图2 几种常见光源的色品坐标

Picture 2:Chromaticity coordinates of several common lighting sources

'k ——将Y 值调整到100的因素, ()?λ——光源的相对光谱功率分布数据

_()x λ _()y λ _()z λ ——1931CIE—XYZ 色度系统的标准色观察者光谱三刺激值

λΔ=10nm

从图1和图2可以看出,1号光源(HP1)的光谱基本属于带状,主要集中在黄色和橙色两个部分,所以显色性较差,光色知觉为橙黄色,感觉较暖;2号光源光谱集中在黄绿色、黄色和橙色,光色较暖;3号光源(FL6)的相对光谱功率普遍偏低,光谱集中在黄绿色、黄色、橙色,光色知觉较为缓和;4、5、7、8号光源光谱都集中在蓝色、青色、绿色、黄绿色、黄色、橙色区,在紫色和红色区较为薄弱,但整体光谱为线性,显色性较高;6号光源(D65)属于线性光谱,光谱功率较平均,在各色段均有较高值,显色性较高,在本文中将其作为参考标准。

1.2 材料的光色分析(色相)

日常生活中,我们对各种材料的反射和透射特性都会有一个大致的了解,图3是按照人们的直观感受,根据其反射比平均值从大到小对17种材料进行排序,依次命名材料:1-Ag ,2-Al ,3-瓷板,4-上釉的陶瓷板,5-雪,6-铜,7-金,8、9-麦克白6号蓝绿色、15号红色色卡,10-干沙地,11-绿草,12、13、14-麦克白10号紫色、3号天空色、1号色暗肤色色卡,15、16、17-透射材料石英玻璃、火石玻璃和窗玻璃。各种不同材料的反射比(透射比)的平均值是不能等同于光谱反射比与透射比的。

事实上,材料反射比或透射比的平均值只能大致反映材料的光色特性。对于不同光谱段,材料的光色特性实际上是错综复杂的[4]。依据其光谱反射比或透射比系数,计算数据进行分析。式(2)为计算材料三刺激值公式[5], 再计算出材料色品坐标。

_()()()X k x λ?λρλλλ′=Δ∑

_

()()()Y k y λ?λρλλλ′=Δ∑ (2)

_()()()Z k z λ?λρλλλ′=Δ∑

基于CIE1931色度观察者[6]和EXCEL 图表工具,将1-17号材料在1-8号光源下的色品坐标绘制成图3,图中为各曲线表示单个材料的在8种光源下的色品坐标。

图3单个材料的在8种光源下的色品坐标

Picture 3:Chromaticity coordinates of single material under 8 different lighting sources

由图3可知,以6号光源为标准,1-17号材料的光色都直接受到了其它7种光源的影响,在低色温的光源下色品向黄色区域(右)移动,在高色温的光源下向蓝色区域(左)移动,这是由物体表面的漫反射光或透射光决定的;1-5号材料的光谱反射比较高,15-16号材料的光谱透射比较高,由于吸收的光谱较少,受光源色影响较大,其色品坐标直接类同于8种光源的色品坐标;6-14号材料中,大部分材料由于其光谱反射比的差异,色品坐标在光源色品基础上发生了整体变化,其中8、12、13号各光源下色品坐标变得松散,材料在7种光源下的色品坐标与6号光源下的色品坐标差距变大,材料受7种光源的影响变大,而9、11号色品坐标变得紧凑,其它7种光源的色品接近于6号光源下的色品,材料受光源的影

'k ——将Y 值调整到100的因素, ()?λ——光源的相对光谱功率分布数据

()ρλ为光谱反射系数比

_()x λ _()y λ _()z λ ——1931CIE—XYZ 色度系统的标准色观察者光谱三刺激值 λ

Δ

响变小,10、14号材料色品坐标受光源的影响大致不变。

图4单个光源下17种材料的色坐标

Picture 4:Chromaticity coordinates of 17 materials under single lighting source

再分析单个光源下17种材料的色坐标, 由图4可知,以6号光源为标准,材料色品坐标在1-5号光源下整体偏右(黄),在7、8号光源下偏左(蓝);1、2号光源对材料色品坐标影响较大,4、5、7、8号LED 类光源对材料色品影响相对来说都较小。

1.3 主波长、兴奋程度、色纯度和亮度分析(饱和度、明度)

颜色的主波长和色纯度大致相当于颜色知觉中的颜色色调和饱和度(不能完全等同起来),Y 值相当于颜色知觉中的明度。为了从视知觉分析颜色,本文基于CIE-1931色度观察者,计算出不同材料在各种光源下的主波长、兴奋纯度与色纯度、明度的理论数值。 文中采用的是非标准光源,利用作图法在EXCEL 中利用平滑线散点作图法做出CIE1931色度观察者色品图,再采用趋势线作图法求得光源色品坐标和材料色品坐标所在直线的函数解析式,并得出与光谱轨迹相交点临近的光谱波长点,从而计算两光谱波长点的直线方程,最后求得两直线交点坐标后利用线性差值计算出主波长[5]。 n e d n x x P x x ?=? 或 n e d n

y y P y y ?=? (3)

兴奋纯度实质上是表示了主波长的光谱色的三刺激值在材料三刺激值中所占的比值,可

用色品坐标进行计算,如式(3)[3]。 由于主波长并不能形象的表示光源和材料的色调,还有可能出现相减色补色主波长,而兴奋纯度只是表示主波长的光谱色被白光(光源色)冲淡的程度,所以本文只是利用兴奋纯度进行下一步计算,直接采用色品坐标表示材料和光源的色调。

当材料颜色的纯度用亮度的比例来表示时成为色度纯度,它是指主波长的光谱色在材料中所占的亮度比值。用色品坐标来计算直接引用e P ,计算公式如式(4)[3]。 d c e y P P y

=

(4) x ,y ——材料色品坐标;

n x ,n y ——光源(参照白点)的色品坐标; d x ,d y ——光谱轨迹上(主波长时)或连接光谱两端的直线紫红轨迹上(补色波长时)的色品坐标

图5材料色纯度

Picture 5:Material’s color purity

图6材料亮度

Picture 6:Material’s lightness

色纯度大致相当于颜色知觉中的色饱和度,但并不完全相同,因为色品图上色纯度相等的点的色知觉并不完全对应于饱和度相等的点的色知觉,图5为材料色纯度图。

在图5中光谱反射比与透射比高的材料的色纯度较低,其它材料色纯度较高。以6号光源为标准,在LED 光源下8、12、13号材料的色纯度变高,15、16、17号材料则变低,其它材料色纯度基本保持不变。

由图6可知,光谱反射比或透射比较高的1-7号、15-17号材料的亮度较大;6、7号材料亮度随色温升高而降低。但总整体上来说,影响基本不大。

2 光色仿真

用主波长和色纯度来表示颜色色品,可以给人以具体的印象,能表明一种颜色的色调及饱和度的大致情况,亮度则用Y 值表示。在计算过程中,Y 值被调整到100,为了能够直观的表示光源的亮度和材料的明度,将常数k ′归一化为最大光谱光视效率m k =683/lm W ,则三刺激值Y 的单位为lx 或2/cd m [6]。

图7 光色仿真

Picture 7:Simulation of photochromism

利用photopia软件可以对光源和材料的色品进行模拟仿真。利用色品坐标和Y值将光源和材料定义为“自发光物体”,单独模拟光源射出光线和材料表面漫反射光线直接进入眼球所引起的视觉感受。图7光色仿真中光源和材料的光色影响与我们上述分析较为吻合。

3灯具设计光色语义研究

灯具设计是灯源与材料的整体设计,在产品体验过程中,灯具的光源会对其本身或者相邻灯具产生照射效应[7]。由于不同种光源与材料的色品差别,照射过程中会导致材料的色调、饱和度与明度的相应变化。根据这种变化规律,利用色彩构成与产品语义学理论可以将光色规律总结应用于灯具设计原则之中。下面从光源和材料的色相、饱和度和明度语义系统进行分析。

表1 光源语义系统

Table 1 Semantic System of lighting source

光源语义

色温低温暖、距离感近、积极、乐观

色相

色温高寒冷、距离感远、平淡、冷漠

亮度低轻快、积极、勤劳

明度

亮度高笨重、忧郁、懒散

纯度低坚硬、牢固、光滑

饱和度

纯度高柔软、散漫、粗糙

对于白光光源来说,光源的色相给人最直观的感觉是色温。色温低的给人感觉暖,颜色偏黄色、橙色,色温高的给人感觉冷,颜色偏蓝色、紫色。所以,光源的色相语义实际上是一种心理效应——冷与暖;此文论及的光源都是白光光源,暂不讨论其饱和度;光源的明度感觉与亮度直接相关,所以其明度语义是明亮、光明、正直、伟大、安全和忧郁、黑暗、危险。其具体的语义系统如表1为光源语义系统[8]:

灯具材料色品语义分为两个部分,第一部分是为天然照明条件下材料的色品语义,例如白天日光色下的灯具材料色品语义;第二部分为照明条件下的材料色品语义,此语义是光源色品与材料色品双重作用下产生的语义。

根据分析,当采用不同的照明光源照射不同种类材料的时候,材料的语义系统会发生相应的改变。表2为光色系统变化规律。根据表2提供的数据和上文的分析结论可以得出,大部分材料在低色温的光源下距离感会变得较近,前进感变强,体积开始膨胀;在高色温的光源下,材料的距离感变远,后退感加强,体积开始收缩,其中反射比较高的材料变化明显,其余只是稍有变化。饱和度的语义不尽相同,随着光源和材料有着复杂的变化,从上述可以看出,反射比较高的材料受到的影响不大。反射比较弱的材料中,色彩较暖的物体在低色温光源下饱和度语义变高,硬感加强,华丽和明快感也增强;色彩较冷的物体在在高色温光源下在原先的基础上便有少许降低,如硬感减弱,华丽感和明快感没有正常标准照明条件下充

足。在高色温的光源照射下,材料的饱和度语义变化不大。

表2 光色系统变化

Table 2 Changes of the color system

4结论

本论文通过对光色材料的色坐标计算,分析出不同材料在不同光源的光色变化,并总结到产品语义学中。

(1)色温和显色性是一种概括性叙述,只能大致描述光源的冷暖和显色能力。对于不同特性的材料和不同种类的光源来说,只有从光谱功率出发,才能从根本上分析材料与光源的光色影响规律。

(2)不同材料和光源的光谱功率分布是不一样的,本文将8种光源和17种材料的计算数据进行关联分析,得出的了较为详尽的理论数据。

(3)基于理论数据的详细分析得出材料的光色是受到光源影响的,其主要原因是因为光源和材料光谱功率的异同。

(4)光源影响到材料的色相、明度和饱和度,进而改变了材料的光色语义,从而使得材料的距离感、前进感、体积感、华丽感、软硬感、冷暖感等发生了规律性变化。

(5)本文基于材料光色的影响分析,提出了光色语义的变化规律,对提出灯具设计原则和指导灯具设计实践有着借鉴意义。

[参考文献] (References)

[1] 杨春宇,李毅,何正军,何荥.视觉空间的光色作用分析[D].灯与照明,2002年4月:9-10

[2] 李有桢.白光LED光源光度色度特性测量与评价[D].中国海洋大学,2006年:32-34

[3] 周太明,周详,蔡伟新.光源原理与设计(第二版)[M].复旦大学出版社,2006年12月:487-488

[4] 伍洪标.材料色度的测定与解析计算法[D].玻璃,2003年第4期:25-27

[5] 王晓博.现代颜色技术原理及应用[M].北京理工大学出版社,2007年10月:6-12

[6] 陆艳山,鲍丽.基于CIE_xyz系统的反射光色度的研究[D].光散射学报,2007年12月:400-401

[7] 钟丁初.工业设计与灯具[J].维普资讯,2002年:25-27

[8] 黄群、陆江艳.色彩构成[M].清华大学出版社,2008年:24-27

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