园林夜景照明表达植物色彩的研究

汪幼江，刘庭风

(1.天津大学建筑学院，天津 300072； 2.上海同音照明设计有限公司，上海 200092)

引言

孔子说，朴素为天下大美。树木本身色彩就很美，景观灯光若能把植物本身的色彩表达出来就是最美的。中国地大物博，北方园林与南方园林在色彩上是有区别的[1-5]。南方园林，讲究的是小阁临流，粉墙黛瓦，黑白两色加上郁郁葱葱树木构成优美的图画，宛如一幅水墨画。白本非色，而色自生，从无色当中求有色。此时树木的颜色在夜晚中清淡典雅为上品，投射植物的光源光色应能准确表现植物本色[6-8]。对于北方园林，翠松、朱廊再加上蓝天、白云，一幅金碧辉煌的大青绿山水画。因此，景观树木灯光应有金碧辉煌的效果。照射植物的光源光色在准确表现植物本色的基础上，适当增加彩色光源烘托气氛[5]。

1 园林夜景照明表达植物色彩的现状

图1～图4分别为金卤灯、荧光灯、高压钠灯、LED灯照射植物的实际效果图。

金卤灯白光照射植物，植物形体可以很好展现，树干、绿叶颜色变浅，有些地方发白，植物照明效果不够理想。采用金卤灯绿光照射植物，树木是绿的，真树变成了假树。尤其在公园里，整体环境较暗，曲径通幽，采用很多冷色调照射树木，整体环境更加冷飕飕的，绿的树木阴森森的很吓人(如图1所示)。

图1 金卤灯照射植物的色彩效果(自制)Fig.1 Color effect of plants irradiated by metal halide lamp

荧光灯色温很高，照射在树木上，树木看上去像罩了一层白雾一样(见图2)。

图2 荧光灯照射植物的色彩效果(自制)Fig.2 Color effect of plants irradiated by fluorescent lamps

采用高压钠灯投射树木，树木一片金灿灿的。尤其在北方城市到了冬天，树叶落了，枝条形态很美，用白光照射显得很冷，用黄光折射效果很好。但在正常情况下，如图4所示，树木就像着了火一样。如图3所示。

图3 高压钠灯照射植物的色彩效果(自制)Fig.3 Color effect of plants irradiated by high pressure sodium lamp

LED灯红色照树，把树染成了一片红，跟我们印象中的枫叶红相差很远。LED绿色灯光与传统光源照树效果差不多。见图4。

在园林及广场的夜景照明设计中，对植物色彩的表现一直是个难题[8-10]。

图4 LED灯照射植物的色彩效果(自制)Fig.4 Color effect of plants irradiated by LED lights

2 园林夜景照明用光源的光谱特性

我们知道不同的光源，其发光原理不同，发出来的光色给人感觉不同，下面我们来比较一下荧光灯、金卤灯、高压钠灯、LED灯等光源的光谱特性。

荧光灯：如图5(a)所示，全光谱，当色温位于5 800 K左右时，以544 nm的绿光为主，以430 nm的蓝光以及600 nm的橘黄光为辅。

金卤灯：如图5(b)所示，250 W，全光谱，当色温位于8 000 K左右时，光谱以绿、蓝光为主，黄光为绿、蓝光的一半。波长λ=538 nm(绿光)；λ=450 nm(蓝光)；λ=450 nm(黄光)。

高压钠灯：如图5(c)所示，250 W，当色温位于2 200 K左右时，光谱为全光谱，以λ=598 nm以橘黄光为主，红光、绿光为辅。

白光LED光源：如图5(d)所示，光谱为全光谱。以λ=441 nm为蓝主，其他，绿、黄、红次之。从λ=450～500 nm光谱缺失。

图5 荧光灯、金卤灯、高压钠灯、LED灯的光谱Fig.5 Fluorescence，metal halide lamp，high pressure sodium lamp and white LED spectrum

我们知道树木在日光下，色彩最真实。日光的光谱如图6所示，各种光谱都很饱满。

图6 日光光谱(自制)Fig.6 Sunlight LED spectrum (homemade)

从以上金卤灯(包含彩色金卤灯)、高压钠灯、荧光灯、白光LED可知，它们都是多光谱构成，改变它们之间的元素成分比例以达到我们想要的色标是非常困难的(制造工艺、每个人对色彩的要求不同)，这也说明了很多年以来，照树光源色彩一直没有改进的原因，导致园林色彩饱和度很高，色彩艳丽达不到设计师的要求。

关于LED光源，前面已研究了白光光谱特性，它是多光谱组合。由于LED白光的生成原理是基本采用蓝光激发荧光粉发出白光，因此白光不可能为单一光谱。我们再来研究一下LED其它各种色彩光谱特性。

红光LED灯光源，如图7(a)所示，从光谱图可知为单一光谱，λ=627 nm。黄光LED灯光源，如图7(b)所示，从光谱图可知为单一光谱，λ=597 nm。蓝光LED灯光源，如图7(c)所示，从光谱图可知为单一光谱，λ=459 nm。

绿光LED灯光源，如图7(d)所示，从光谱图可知为单一光谱，λ=519 nm。

图7 红光、黄光、蓝光和绿光LED光谱Fig.7 Red，yellow，blue and green lights LED spectrum

以上红、黄、蓝、绿LED光源则表现出单一光谱，这给我们的研究带来了希望，由于LED光源的芯片很小(单颗芯片尺寸40 mil×40 mil，40 mil=1 mm)，把几种光源的芯片合成为一个点光源是很方便的(其他传统光源无法这样合成)。我们希望通过红、绿、蓝光源的组合、光谱含量的组合，最终达到我们需要的色标。当然，仅仅通过红、绿、蓝三种光源组合，能达到日光全光谱特性吗？答案是否定的：三种光谱组合是不可能达到日光光谱特性的，由日光光谱特性可知，其光谱是连续的，而红、绿、蓝三种光源组合，其光谱一定是不连续的。

红绿蓝三种光谱组合，能否形成照射植物的色标呢?下面我们通过红、黄、蓝光谱的级配，看看试验结果告诉了我们什么。

首先，在灯具制造厂家定制一款实验用灯具，灯具由红光、绿光、蓝光三个芯片组成，简称RGB光源，另外，设置控制系统可以任意控制RGB的配比(如图8所示)。在键盘上选择红光、绿光、蓝光任一键，如选择红光，把键往上推，上方有一显示窗口显示红光数值；然后再选择绿光，在窗口需要数值确定；最后选择蓝光确定数值。红光、绿光、蓝光数值组合有N种组合。

图8 光谱组合控制台、光源(自制)Fig.8 Spectral combination console,light source

在实验室墙上我们放置了一块50 cm大小的红颜色板材，当用单一黄光投光时，红色板材颜色变成了深灰色接近黑色；在做了大量RGB组合实验以后，我们发现当R为255、G为148、B为30时，红颜色得到真实画面(如图9所示)。

走出实验室，根据实验数据对实物进行光照检验，如图10所示。在秋天，几株灌木树叶变红了，我们采用RGB组合分别为255∶148∶30时，照射树木，我们惊喜的发现树叶固有色可以很好的表达。从光谱图可以看出，光谱是不连续的，仅仅三色光的光谱组合。

同理通过大量RGB组合试验，当RGB组合比例为253∶121∶91时，可以很好的表达植物绿叶固有颜色，如图11、图12所示。植物的枝叶绿油油的，很真实。

图9 RGB 255∶148∶30合成光谱(自制)Fig.9 The synthetic spectrum when RGB combination is 255∶148∶30

图10 RGB255∶148∶30合成光谱表现植物(自制)Fig.10 Expression of plants irradiated by RGB 255∶148∶30 synthetic spectrum

图11 RGB分别为253∶121∶91合成光谱表现植物(自制)Fig.11 Expression of plants irradiated by RGB 253∶121∶91 synthetic spectrum

图12 RGB分别为253∶121∶91合成光谱(自制)Fig.12 The synthetic spectrum when RGB combination is 255∶148∶30

3 结束语

我们对园林夜景照明中使用的光源的光谱特性进行了分析，通过单色LED光源组合光谱照射植物的色彩表现的实验研究，我们发现通过三原色红、绿、蓝单色光谱合适比例的组合，可以满足园林植物各种色彩夜晚表现的要求。本文的研究成果对于优化园林夜景照明，提升照明设计水平具有一定的帮助。