白光LED光谱调制对纺织品照明显色能力的影响

孔 荀，居家奇

(1.上海大学数码艺术学院，上海 200444；2.上海应用技术大学理学院，上海 200418)

引言

同色异谱的重要性在纺织、印刷、绘画、摄影、彩色电视等行业中，经常会遇到匹配色问题，要匹配出与已有色样颜色相同的色彩。而匹配颜色要达到相同光谱属性是很困难的，一般情况下都是同色异谱色，即看起来感觉是一样的。而实际上同色异谱现象应用得当的话，可以让光源呈现的光色和照射物体的效果都按预设想法去进行。同样地，在进行纺织品色样研究时，同色异谱现象也具有重要作用，合理利用这个现象，对纺织品照明设计有很大的帮助。

为了研究同色异谱LED光源对纺织品颜色表达的作用，我们设计了两项实验：实验一为FM-100色棋实验，主要探究同色异谱现象对于色彩识别带来的显色问题；实验二为纺织品色样显色实验，通过不同光源和不同色样的显色对比，得到不同光源(相同色温，不同光谱组成)对于纺织品的显色能力和色差比较。两个实验均选择在暗室中操作，目的是为避免环境光干扰，环境温度控制在25 ℃，相对湿度为65%。每个实验的受测者人均测试时长都约为20 min从而保证测试中不会产生视疲劳状态。被试者年龄范围在18～24岁之间，5男5女共10名，平均年龄为22岁。所有被试者的校正视力或本体视力正常，没有出现色盲或色弱的视觉测试者。在整个实验过程中，所有被测试的心理和生理状态稳定。

1 FM-100色棋实验

色棋实验选取十种光源，均为同色异谱，色温均为6 500 K，误差控制在±200 K，其中一种模拟D65日光，其他九种为同色异谱光源，基本信息如表1所示，十种光源的光谱能量分布如图1所示。

表1 实验用光源显色性

图1 光源光谱能量分布曲线Fig.1 The spectral power distribution of the light sources

由图1可以清晰地看到每种光源的光谱特点，除了光源7以外，其他光源的光谱各有缺失。光源1光谱组成中缺失黄光波段，蓝光波段较弱。光源2的光谱同样缺失黄光波段，青、蓝光较弱。光源3则是缺少青色、红光波段，其他部分较完整。光源4光谱缺失红光波段，同时绿光、紫光部分较弱。光源5与光源4相近似，但紫光部分完整。光源6光谱缺失黄光和紫光波段。光源8光谱较为完整，绿光波段稍差。光源9蓝绿波段与红光波段比例大，黄光部分相对缺失。光源10光谱的青色和红色波段有所缺失。所有光源光谱在特别短和特别长波长部分。

本实验中使用的孟塞尔色棋FM 100 Hue Test色觉测试系统，测试系统包括4盒共85个横跨可见光谱的可移动式色棋(色相渐变)，此测试系统提供了易于管理、而又有效的测试方法。在实验前，已经对被试人员在模拟D65光源下进行色觉测试，确认各被试视觉正常。被试人员在指定光源下根据色相排列色棋顺序。由于实验中研究的是同色异谱光源对于色彩辨识的影响，因此整个实验中其他参数为控制变量，保持不变。

整个实验在暗室中进行。在单个灯箱下，选择一种光谱光源，进行色棋辨识实验。通过改变光源，被试人员将在不同光源下分别对不同色系的色棋进行排序，将排序结果，评分软件根据不同的排序自动打分，称为错误得分。完全排序正确，错误得分为0；排序错误越大，则得分越高。由此能够评价被测各不同光源的显色性性能。实验过程中，被试者全程独立完成排序，不受他人干扰。

根据色棋测试软件系统的自动评分，将实验中十位被试人员的十种同色异谱光源的色棋得分做了归纳统计，分别计算出每种光源十位被试人员的平均错误得分和标准差。色棋颜色对应的序号如图2所示，正确排序时，得分为0，当排序与相应序号不对应时，产生错误得分。

图2 用于实验的色棋和色棋序号Fig.2 Hue test button and the sequence number of hue test button

图3 十种光源色棋测试各色棋辨识平均错误得分Fig.3 The average score for hue test under the ten lighting condition

实验统计结果如图3所示，通过对比十名被测者的色棋辨识实验中十种光源的测试平均分，可以得出这些光源的显色效果。光源7表现最好，平均错误得分最低；光源8、光源10、光源3都表现较好；而光源1、光源4、光源6则表现较差，在几个相对集中的区域都有很大偏差。绿色部分的色棋排序在除光源7外的九种光源下都出现了较大偏差，而黄色部分则相反，错误较少，在所有光源下几乎都有较好表现。

通过分析单个光源下的十名被测者的平均得分表明，光源1中，与色棋序号颜色相对应，出现偏差较大的色棋序号对应的颜色为绿色和青色。光源2中，与色棋序号颜色相对应，出现偏差较大的色棋序号对应的颜色为黄绿色和绿色。在光源3中，与色棋序号颜色相对应，普遍表现较好，黄绿色部分偏差相对较大。在光源4中，与色棋序号颜色相对应，出现偏差较大的色棋序号对应的颜色为橙红色、橙黄色、青色和蓝色，有偏差的颜色较多，显色效果不理想。在光源5中，与色棋序号颜色相对应，出现偏差较大的色棋序号对应的颜色为绿色和青色和红色。绿色部分相对偏差的更大。在光源6中，与色棋序号颜色相对应，出现偏差较大的色棋序号对应的颜色为绿色和青色。在光源7中，与色棋序号颜色相对应，整体表现较好，以平均分来看，并无明显集中的偏差序号。在光源8中，与光源7相类似，除青绿色部分稍有偏差外，整体较好。在光源9中，与色棋序号颜色相对应，出现偏差较大的色棋序号对应的颜色为绿色和青色。在光源10中，与色棋序号颜色相对应，出现较大偏差的色棋序号对应的颜色为黄绿色。

2 纺织品显色实验

实验采用了CAC-600-六光源标准光源对色灯箱，使用六种光源中的两种D65和TL84作为实验光源。实验中采用的纺织品色样均为非镜面反射材料，因此可采用直接光照模型，将不会影响实验效果。并且，实验材料将采用使用广泛的棉麻制品，色样之间具有相同的透射、反射、吸收率。

纺织品显色实验中，针对纺织品颜色，设置不同色样，包括红、橙、黄、绿、蓝、紫在内的约数十种纺织品标准色样。实验前用蒸汽对色样进行熏制，使其充分发色。发色能够使纺织品颜色更加均匀，更快的达到实验所需的温度和湿度条件，减短适应时间，避免色差选取4 000 K和6 500 K两种色温下的八种光源进行实验，包括两种荧光灯(TL84及D65)和两种色温下的各四种同色异谱LED灯。实验中这全部10种光源光谱如图4所示。

实验中，两灯箱中的纺织品色样采用的是同一批次的布料，经过同样时间的发色处理，在同样的环境温湿度下进行实验。因此，用来作为参考的色样与被测色样之间，不会影响被测者的主观判断。

图4 实验用光源光谱能量分布曲线Fig.4 The SPD of 6 500 K and 4 000 K light sources

实验在暗室内进行，分两个灯箱操作。其中一个灯箱为参考光源(标准光源对色灯箱模拟的D65和TL84)，另外一个灯箱选用这两种光源同色温下的同色异谱光源，分别对纺织品色样进行照射。参考灯箱如图5所示，采用了11通道的LED，各LED具有不同峰值波长，覆盖整个可见光光谱范围，可分别对11通道多芯片LED进行控制；软件控制显示模块可灵活控制模拟灯箱任意光源光色，精确呈现多种高品质光源，提供多种光色配比设计方案。

图5 实验用调光灯箱Fig.5 Light box for experiment

将在参考光源下织品的显色效果作为100分，让测试者对其他同色异谱光源的显色性进行主观评价，被试人员依据与标准光源的对比效果进行打分，测试全程独立评价，无相关干扰，评分标准如表2所示，而实验色样如图6所示(在参考光源D65下拍摄)。采用的4 000 K和6 500 K色温同色异谱光源对应的GAI面积如图7、图8所示。

表2 主观评价标准

纺织品色样分为全色系、红色系、黄色系以及蓝色系。被测者将分别依次进行评分，每位被测者的实验观察顺序完全相同。红色系和蓝色系布料分开测评，在实验时，测试一种色系时用白纸遮挡另一组，避免不同色系的颜色相互干扰。由于标准光源对色灯箱模拟的D65和TL84都是荧光灯，因此有些情况下，对比光源效果有可能比参考光源更好一些，因此另外设置了一档评分100～110分。

图6 红、蓝色系布料，全色系布料，黄色系布料Fig.6 Red and blue, the whole color, yellow and brown

图7 4 000 K同色异谱光源和6 500 K同色异谱光源下GAI计算Fig.7 The GAI of 4 000 K and 6 500 K metamerism light sources

图8 4 000 K同色异谱光源和6 500 K同色异谱光源下GAI绝对面积值Fig.8 The GAI area for 4 000 K and 65 000 K metamerism light sources

实验光源分为两组，标准光源对色灯箱模拟的D65和其它6 500 K色温下的四种同色异谱光源为一组，标准光源对色灯箱模拟的TL84和其他4 000 K色温下的四种同色异谱光源为另一组。6 500 K色温组四种同色异谱光源显色性的主观评价实验统计结果如图9所示，4 000 K色温组同色异谱光源显色性的主观评价实验统计结果如图10所示(线段长度表示分值标准差，中点表示平均分)。

图9 6 500 K同色异谱光源对不同色系布料的光源显色性评价Fig.9 6 500 K metamerism light sources for different cloth color rendering evaluation

图10 4 000 K同色异谱光源不同色系布料下的光源显色性评价Fig.10 Color rendering evaluation of 4 000 K metamerism light sources for different cloth

主观评价结果显示，同种光源对不同色系的布料显色性呈现出较大差异，而在相同条件下的同色异谱光源之间显色评价更是相差甚远。如图9，在色温6 500 K组，光源1与光源2两种光源显色表现普遍较好，光源3显色效果最差。其中，光源1在不同色系的彩色布料下显色表现更均匀，对红色系布料更为敏感；光源2则在蓝色系布料的显色效果上有突出表现。综合评价，这四种光源相较而言光源2显色效果更好。如图10所示，在色温4 000 K组，光源1显色效果最好且对不同色系布料显色性非常均匀。其他三种光源都存在各自的优缺点，普遍红、蓝色系显色效果好，黄色系显色效果较差。

以布料色系为参照，对两组光源显色性进行纵向比较，实验结果分别如图11、图12所示。

图11 4 000 K组四种光源对同一色系布料的显色性评价Fig.11 The color rendering properties of 4 000 K metamerism in four different light-sources to the same color series cloth

图12 6 500 K组四种光源对同一色系布料的显色性评价Fig.12 The color rendering properties of 6 500 K metamerism in four different light-sources to the same color series cloth

实验表明，在4 000 K这组中，四种光源在红色系、蓝色系的显色效果上相差不大，而光源1在全色系中的显色效果明显优于其他三种光源，从统计结果分析，原因在于光源1对黄色系的显色效果好。现在需要找出光源1与其他三种光源根本的差异，并分析它对黄色系布料显色效果的影响。这组实验中的光源均为同色异谱，色温相同，实验条件一致，那么唯一的对其显色性可能造成影响的变量因素是光源的光谱组成，接下来将进一步通过光谱成分的分析对实验结果进行验证。

在6 500 K组的这四种光源，在不同的色系布料中显色效果有不同的表现，每种光源都有不同的特点，与4 000 K的那组光源一起，可以进一步佐证光源的光谱组成与其显色性的对应关系。

这4种光源的光谱能量分布图表明，光谱的完整性、光谱组成成分以及波长所对应的颜色在组成中的占比与该光源在相应色系的显色性正相关。在4 000 K色温光源组中，在光源2、3、4的三种光源光谱中，黄绿波段相对光源1缺失，导致在黄色系布料的显色性对比中，光源1占有明显优势。同样在6 500 K色温光源组中，光源1和光源2在光谱完整性上明显优于光源3和光源4，与之对应的显色效果也优于光源3和光源4；光源3光谱中蓝光波段相对较多，在显色效果上也是蓝色布料表现最好；光源4则红光部分波长较多，主观评价显色效果上同样是红色布料最好。从光源光谱角度对光源的显色性进行分析，使得光源的显色性更可控，帮助我们有针对性的选择有利于布料显色效果的光源。

3 结论

本研究通过两个不同类型的辨色实验，充分论证了同色异谱现象对光源显色性的影响，可以根据使用者的需求，通过对光源光谱成分的有机选择，调制出适宜的光源，达到对其显色效果的优化。也就是说，光源将不再是由工厂统一的标准化生产，可以根据使用者的个性化需求进行定制，在不同的人工照明领域达到各自优良的显色效果。

在实验二中，色温6 500 K的四种光源的显色指数CRI分别为93、77、61、56，色温4 000 K四种光源的显色指数CRI分别为96、65、82、69。由此可见，显色指数在一定程度上与光源显色性正相关，但并不是绝对的，LED灯的显色指数测试结果与显色能力主观评价结果存在一定出入。因此，不能单纯依靠光源显色指数来评价光源显色性。

将每种光源的光谱能量曲线图与这种光源对不同色系彩色布料的显色效果主观评价分值进行比较，光源光谱组成中哪种波长的颜色居多，该光源对这种颜色的显色性主观评价就较好。被测者的主观评分中，红、黄、蓝这三个色系均表现出这种趋势，反映了不同颜色的光对该种颜色有加强效果，即使其更加鲜亮，在一定范围内可以让人的视觉感受更好，主观评价分值就更高。这种现象给我们提出一种思考，在评价光源的显色效果时，是否只需要关注它的显色性好坏即颜色的逼真程度。光源对物体颜色的适当加强效果，在事实上影响着人们对光源显色效果的评价，而且是正面的评价，所以对光源显色效果进行评价时，显色性不应该作为唯一标准，而应该根据该光源光谱组成和被测物体的固有色进行综合评价。对待测光源的光谱分析让实验从简单的现象评价到实验结果的成因推测得以证实。为进一步研究光源的优化方案找到了可行性的方法。

综上所述，影响白光LED视觉功效的关键因素在于色温与显色性，而归结为一点，即相对光谱功率分布(SPD)。对于工业照明而言，宜选择6 500 K高色温白光LED照明，而该白光的光谱在中长波段却不应缺失。以等能白光作为基准谱线以满足实际颜色能力的分辨，在此基础上增加短波峰值能力，提升视亮度效果，如实验光谱7便是一例成功的调制案例。

由于在不同色温下同色异谱现象的存在，使得光谱可能存在极大的差异，也具有不同的性能，具体来说，是对应不同的光效和显色性。因此在具体的照明设计中要综合考虑不同性能的作用。对于纺织厂照明而言，由于工人需要保持一定工作的警觉性，因此选择高色温光源会相对好一些，而具有连续性光谱的光源由于在各方面都具有更好的性能，是相对更好的照明光源。一般情况下，当光谱不是很连续时，则要综合考虑光谱功率分布、光效、显色性等具体性能，以此来判断是否适合相应场所的应用。