编辑手记
随着LED在普通照明市场中的份额不断增加,LED所发光的色彩质量也变得日益重要。《理解色彩学使 LED更成功》系列文章将探讨LED技术中所涉及到的色彩科学。
本文首先将解释CIE(国际照明照明委员会)色度图(Chromaticity Diagram)的起源,以及1931年CIE制定色度图标准时所涉及的相关科学原理。
LED业界一直将相当大的精力放在LED色度的分级上,首先保证对LED生产线进行精确测试,然后通过制造工艺的改进减少色度的偏差。这对于白光LED的广泛应用,特别是在普通照明领域,尤其重要。但即使如此,LED仅有色度坐标也是不够的。色度坐标值只能量化地表征LED在被直视时的色彩表现,但并不能很好地体现其他物体被LED照亮时的色彩表现。
图1:蓝色和红色曲线分别为一白炽灯和LED灯的光谱功率分布,二者的色温均为3000K,CIE坐标x=0.437.y=0.404。
实际上如图1所示,有可能两个光源拥有完全相同的色度坐标值,而它们的光谱功率分布(Spectral powerdistributions,SPD)则非常不同。如果我们直接观察二者所发出的光,看起来的颜色也是完全相同的。但如果拿它们去照亮其他具有色彩的物体,被照亮物体则会因为光源不同呈现不同的颜色。
两个具有相同色度坐标值的光源,光谱功率分布的差别越大,同一物体被它们照亮时所呈现的颜色可能差别亦越大。其原因在于物体所呈现出的颜色并不只是决定于其本身的性质。
颜色是光源的光谱特性、被照射物体的光谱反射率以及人眼的光谱敏感度之间复杂相互作用的产物。人类视觉系统进一步调整来自视网膜的信号,以产生最终的色彩感知。日常生活中当我们谈到颜色时,仿佛认为这是各种物体本身所具有的一种性质。
例如苹果是红色的,香蕉是黄色的。实际上,使苹果看上去是红色的固有特性,源于苹果会反射更多的长波长光线,而反射中段和短波长的光线较差。而香蕉的反射光波长集中于580-590nm左右。如果我们用红色LED来照亮香蕉,香蕉就会变红色,因此我们可以很清楚地明白“黄色”或“红色”不仅仅是物体本身的一种固有特性。
视网膜功能
现在你可能感觉你正在读的内容有些抽象。为了更加贴近现实,我们将探究视网膜在实际中如何感受到光线。
视网膜中有两种具有感光性的受体细胞,称为视杆细胞和视锥细胞。视锥细胞负责颜色及高清晰度视觉。而视杆细胞比视锥细胞对光线更敏感,但无法感受色彩。视杆细胞主要负责在夜晚或低亮度情况下的视觉,以及周围区域的运动识别。
图2:归一化后的L、M和S视锥细胞响应曲线,以及可见光谱段各波长对应的颜色。
视锥细胞可细分为三种,每种都具有各自特定的光谱敏感曲线,并有部分相互重叠。图2绘出了每种视锥细胞光谱响应特性。尽管三种视锥细胞的响应范围大致就是红、绿和蓝色光谱区域,但视觉心理学家还是倾向于将其分别称为长波(L)、中波(M)和短波(S)视锥细胞。三种视锥细胞对某一光谱功率分布响应的比例决定了我们所感知到的颜色。
当波长继续增加时,该趋势会继续下去,这时L视锥细胞开始对光刺激产生显著的响应。当M和L视锥细胞响应基本相当时开始出现黄色,之后随着波长的进一步增长,M视锥细胞的响应快速下降,使视觉感知迅速从黄色向橙色甚至红色变化。
当波长达到640nm时,M视锥细胞的响应就非常低了,这时的视觉感知即是深红色,并且几乎不再变化,因为只有L视锥细胞在响应光线的刺激。从上述分析可知,任何波长的颜色严格决定于不同视锥细胞对该波长可见光响应值的相对比。
视锥细胞响应的组合
离开视锥细胞的神经信号经过进一步处理后,再通过视神经传输至位于大脑后部的视觉皮层。L、M和S视锥细胞的响应以不同的编码组合分别进入三个通道,一个表征亮度(光强或照度)信息,另两个则表征颜色信息。图3即是上述处理过程的示意图。
图3:视锥细胞的响应结果从视网膜通过视神经传输至大脑视觉皮层,分为一个亮度通道和两个色彩通道。
目前对于该编码过程的精确细节还存在一些争论,但在基本原理上已达成普遍共识。L和M视锥细胞响应信号相加(L+M)得到加权平均,从而产生亮度信号。S视锥细胞响应信号很少或根本不进入亮度信号通道。
上述进入亮度信号通道的视锥细胞响应组合,即是著名的日光条件下的明视曲线(Photopic curve),V(入)。夜间亮度水平下,视锥细胞的敏感度不足以产生视觉信号。而比视锥细胞更加敏感的视杆细胞开始代替前者开始工作。进入亮度信号通道的视杆细胞响应组合被称为暗视曲线(Scotopic curve),V’(λ)。
所有的光度测量指标如强度(Intensity,单位为candelas)、通量(Flux,单位为lumens)、照度(Illuminance,单位为lux)或亮度(Luminance,单位为nits)都会根据光照水平选择使用V(λ)或V’(λ)来对被测光的SPD进行加权计算。例如光度通量的计算即是SPD(λ)与V(λ)乘积对波长入在可见光谱区间的积分。
其他两个色彩通道分别为L-M和L+M-S。这两个通道也经常被称为红—绿通道和黄—蓝通道,并被广泛认为分别与互斥的红/绿光及黄/蓝光有关,也就是说我们看不到红绿色或者黄蓝色。
至此,我们只讨论了人眼对单波长光的响应。但如果我们看到的不是单波长,而是光谱带呢?当光谱带达到视网膜时,每种视锥细胞的响应是光源SPD()与某种视锥细胞对波长响应的乘积对波长在可见光区间的积分。详细的计算过程可参见以下插图《视锥细胞响应曲线的计算》。
插图:视锥细胞响应曲线的计算
下期预告:光源的SPD
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