光源的顏色特性之分布溫度、顏色溫度和相關色溫

? DOHO標準光源箱 ????|???? ?2024-03-07

我們在談到光源的顏色特性,特別是色溫時,常常會涉及到分布溫度、顏色溫度和相關色溫等幾個概念。對這些概念的含義,許多的朋友不是很清楚。本文對分布溫度、顏色溫度和相關色溫的含義及區別做了介紹。

標準光源

光源有哪些顏色特性?

根據描述絕對黑體光譜分布特性的普朗克定律,可以計算出黑體對應于某一溫度的光譜分布,并由此應用 CIE 標準色度系統,獲得該溫度下黑體發光的三刺激值和色品坐標,從而在色品圖上找到一個對應的色品點。因此,對不同溫度的黑體,可以計算出一系列色品坐標點,將這些對應點在色品圖上連接起來,便形成一條弧形的溫度軌跡,稱為黑體(溫度)軌跡或普朗克軌跡(Planckian locus),如下圖所示。黑體軌跡上的各點代表不同溫度的黑體光色,當溫度由1000K左右開始升高時,其顏色由紅向藍變化,所以人們就用黑體的溫度來表示其對應的顏色。

普朗克軌跡

實際上,理想的黑體是不存在的,而常見的實際輻射體并非黑體,其輻射本領比黑體小,稱為灰體。盡管理想的灰體也并不存在,但是在一定波長范圍內,在一定近似程度下可以滿足灰體的條件。非黑體輻射的某些特性常??梢杂煤隗w,輻射的相關性質來近似地表示,而為了描述一般光源的顏色特性,引入了分布溫度、色溫和相關色溫等概念,它們的單位均為開爾文(K)。


光源的分布溫度(Td):

當輻射源在溫度T時的相對光譜輻射功率分布,與黑體在某一溫度Td時的相對光譜輻射功率分布相同時,稱該黑體的溫度Td為輻射源的分布溫度。由于光譜分布相同的光其顏色必定相同,所以,此時黑體與輻射源在CIE1931色品圖上的色品坐標點一定是重合的。

當然,實際的非黑體輻射源的輻射不可能與黑體的相對光譜輻射功率分布完全一致,但當其誤差小于±5%或兩者的相對光譜輻射功率分布在很大部分上相同時,就可以用黑體的溫度T來表征該輻射源的分布溫度。


光源的顏色溫度(Tc):

當輻射源在溫度T時所呈現的顏色與黑體在某一溫度Tc時的顏色相同時,則將黑體的溫度Tc稱為該輻射源的顏色溫度(簡稱色溫)。

對于白熾燈等熱輻射源而言,由于其光譜分布與黑體比較接近,所以它們的色品坐標點基本處于黑體軌跡上,可見色溫的概念能夠恰當地描述白熾燈的光色。一般,色溫高,表示藍、綠光的組分多些;色溫低,則橙、紅光的成分多些。另外,由于分布溫度對應于輻射源的光譜分布,而光譜分布相同的光其顏色必定相同,因此分布溫度一定是色溫。


光源的相關色溫(Tcp):

對于白熾燈以外的某些常用輻射源,其光譜分布與黑體相差較遠,它們在溫度T時的相對光譜功率分布所決定的色品坐標不一定準確地落在色品圖的黑體溫度軌跡上,而在該軌跡的附近。這時,不能用前述的色溫來描述其顏色,而需要采用相關色溫的概念來表征和比較這類輻射源的光色特性。當輻射源的顏色與黑體在某一溫度下的顏色最接近時,或者說兩者在色品圖上的坐標點相距最小時,就可用該黑體的溫度來表示此輻射源的色溫,并稱之為該輻射源的相關色溫,通常用符號Tcp表示。


光源色溫和分布溫度的關系:

光源的色溫和分布溫度實際上是兩個完全不同的概念。對于分布溫度,不僅在可見光區,而對紅外區,紫外區也可能有意義,對色溫則只在可見光區有意義。一般地講,光源的色溫和可見光區的分布溫度在數值上是不同的,下文列出了幾種典型光源的相關色溫和分布溫度值:

鎢帶燈:相關色溫2060K;分布溫度2055K;

螺旋鎢絲燈:相關色溫2032K;分布溫度2030K;

碘鎢燈:相關色溫3048K;分布溫度3089K;

B光源:相關色溫4874K;分布溫度4651K;

C光源:相關色溫6774K;分布溫度6215K;

D65晝光:相關色溫6504K;分布溫度6205K;

E光源:相關色溫5455K;分布溫度5512K;

氙?。合嚓P色溫5689K;分布溫度5493K;

碳?。合嚓P色溫6344K;分布溫度6512K。

從上可以看出,CIE標準光源B,C,E,D65、氙弧,碳弧等,它們的相關色溫和分布溫度值有相當大的區別、這是因為它們的相對光譜能量分布與黑體的有較大的差異。然而象白熾鎢絲燈這樣一類的光源,由于它的相對光譜能量分布與黑體的相差很小,因而它的相關色溫值與可見區的分布溫度相差也很?。ㄌ?,鎢燈除外),一般差別在2——5K左右。事實上,由于光譜能量分布測量誤差的存在,要區分這個差別也是沒有意義的。


光源色溫和相關色溫的關系:

光源的色溫是光源的顏色(即光色)與某一溫度下的黑體發射光的顏色相同,此時黑體的絕對溫度值。但當光源發射光的顏色和黑體不同時,色溫的概念被擴大到更一般的“相關色溫”的概念。在色溫和相關色溫的定義中,必須是對標準的色覺觀察者而言。因為不同的色覺觀察者。特別是具有色覺缺陷的觀察者在評價時,將可能收到不同的結果。在相關色溫的定義中、必須規定出一個最合適的,為大家所公認的均勻色度圖。對同一光源,由依據的均勻色度圖的不同,所求出的相關色溫也不同?,F規定用CIE1960UCS色度圖。在上述定義中,都包括了人眼的色覺特性,因此,色溫和相關色溫實際上是一個心理物理量。