園林夜景照明表達植物色彩的研究

汪幼江，劉庭風

(1.天津大學建筑學院，天津 300072； 2.上海同音照明設計有限公司，上海 200092)

引言

孔子說，樸素為天下大美。樹木本身色彩就很美，景觀燈光若能把植物本身的色彩表達出來就是最美的。中國地大物博，北方園林與南方園林在色彩上是有區別的[1-5]。南方園林，講究的是小閣臨流，粉墻黛瓦，黑白兩色加上郁郁蔥蔥樹木構成優美的圖畫，宛如一幅水墨畫。白本非色，而色自生，從無色當中求有色。此時樹木的顏色在夜晚中清淡典雅為上品，投射植物的光源光色應能準確表現植物本色[6-8]。對于北方園林，翠松、朱廊再加上藍天、白云，一幅金碧輝煌的大青綠山水畫。因此，景觀樹木燈光應有金碧輝煌的效果。照射植物的光源光色在準確表現植物本色的基礎上，適當增加彩色光源烘托氣氛[5]。

1 園林夜景照明表達植物色彩的現狀

圖1～圖4分別為金鹵燈、熒光燈、高壓鈉燈、LED燈照射植物的實際效果圖。

金鹵燈白光照射植物，植物形體可以很好展現，樹干、綠葉顏色變淺，有些地方發白，植物照明效果不夠理想。采用金鹵燈綠光照射植物，樹木是綠的，真樹變成了假樹。尤其在公園里，整體環境較暗，曲徑通幽，采用很多冷色調照射樹木，整體環境更加冷颼颼的，綠的樹木陰森森的很嚇人(如圖1所示)。

圖1 金鹵燈照射植物的色彩效果(自制)Fig.1 Color effect of plants irradiated by metal halide lamp

熒光燈色溫很高，照射在樹木上，樹木看上去像罩了一層白霧一樣(見圖2)。

圖2 熒光燈照射植物的色彩效果(自制)Fig.2 Color effect of plants irradiated by fluorescent lamps

采用高壓鈉燈投射樹木，樹木一片金燦燦的。尤其在北方城市到了冬天，樹葉落了，枝條形態很美，用白光照射顯得很冷，用黃光折射效果很好。但在正常情況下，如圖4所示，樹木就像著了火一樣。如圖3所示。

圖3 高壓鈉燈照射植物的色彩效果(自制)Fig.3 Color effect of plants irradiated by high pressure sodium lamp

LED燈紅色照樹，把樹染成了一片紅，跟我們印象中的楓葉紅相差很遠。LED綠色燈光與傳統光源照樹效果差不多。見圖4。

在園林及廣場的夜景照明設計中，對植物色彩的表現一直是個難題[8-10]。

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

2 園林夜景照明用光源的光譜特性

我們知道不同的光源，其發光原理不同，發出來的光色給人感覺不同，下面我們來比較一下熒光燈、金鹵燈、高壓鈉燈、LED燈等光源的光譜特性。

熒光燈：如圖5(a)所示，全光譜，當色溫位于5 800 K左右時，以544 nm的綠光為主，以430 nm的藍光以及600 nm的橘黃光為輔。

金鹵燈：如圖5(b)所示，250 W，全光譜，當色溫位于8 000 K左右時，光譜以綠、藍光為主，黃光為綠、藍光的一半。波長λ=538 nm(綠光)；λ=450 nm(藍光)；λ=450 nm(黃光)。

高壓鈉燈：如圖5(c)所示，250 W，當色溫位于2 200 K左右時，光譜為全光譜，以λ=598 nm以橘黃光為主，紅光、綠光為輔。

白光LED光源：如圖5(d)所示，光譜為全光譜。以λ=441 nm為藍主，其他，綠、黃、紅次之。從λ=450～500 nm光譜缺失。

圖5 熒光燈、金鹵燈、高壓鈉燈、LED燈的光譜Fig.5 Fluorescence，metal halide lamp，high pressure sodium lamp and white LED spectrum

我們知道樹木在日光下，色彩最真實。日光的光譜如圖6所示，各種光譜都很飽滿。

圖6 日光光譜(自制)Fig.6 Sunlight LED spectrum (homemade)

從以上金鹵燈(包含彩色金鹵燈)、高壓鈉燈、熒光燈、白光LED可知，它們都是多光譜構成，改變它們之間的元素成分比例以達到我們想要的色標是非常困難的(制造工藝、每個人對色彩的要求不同)，這也說明了很多年以來，照樹光源色彩一直沒有改進的原因，導致園林色彩飽和度很高，色彩艷麗達不到設計師的要求。

關于LED光源，前面已研究了白光光譜特性，它是多光譜組合。由于LED白光的生成原理是基本采用藍光激發熒光粉發出白光，因此白光不可能為單一光譜。我們再來研究一下LED其它各種色彩光譜特性。

紅光LED燈光源，如圖7(a)所示，從光譜圖可知為單一光譜，λ=627 nm。黃光LED燈光源，如圖7(b)所示，從光譜圖可知為單一光譜，λ=597 nm。藍光LED燈光源，如圖7(c)所示，從光譜圖可知為單一光譜，λ=459 nm。

綠光LED燈光源，如圖7(d)所示，從光譜圖可知為單一光譜，λ=519 nm。

圖7 紅光、黃光、藍光和綠光LED光譜Fig.7 Red，yellow，blue and green lights LED spectrum

以上紅、黃、藍、綠LED光源則表現出單一光譜，這給我們的研究帶來了希望，由于LED光源的芯片很小(單顆芯片尺寸40 mil×40 mil，40 mil=1 mm)，把幾種光源的芯片合成為一個點光源是很方便的(其他傳統光源無法這樣合成)。我們希望通過紅、綠、藍光源的組合、光譜含量的組合，最終達到我們需要的色標。當然，僅僅通過紅、綠、藍三種光源組合，能達到日光全光譜特性嗎？答案是否定的：三種光譜組合是不可能達到日光光譜特性的，由日光光譜特性可知，其光譜是連續的，而紅、綠、藍三種光源組合，其光譜一定是不連續的。

紅綠藍三種光譜組合，能否形成照射植物的色標呢?下面我們通過紅、黃、藍光譜的級配，看看試驗結果告訴了我們什么。

首先，在燈具制造廠家定制一款實驗用燈具，燈具由紅光、綠光、藍光三個芯片組成，簡稱RGB光源，另外，設置控制系統可以任意控制RGB的配比(如圖8所示)。在鍵盤上選擇紅光、綠光、藍光任一鍵，如選擇紅光，把鍵往上推，上方有一顯示窗口顯示紅光數值；然后再選擇綠光，在窗口需要數值確定；最后選擇藍光確定數值。紅光、綠光、藍光數值組合有N種組合。

圖8 光譜組合控制臺、光源(自制)Fig.8 Spectral combination console,light source

在實驗室墻上我們放置了一塊50 cm大小的紅顏色板材，當用單一黃光投光時，紅色板材顏色變成了深灰色接近黑色；在做了大量RGB組合實驗以后，我們發現當R為255、G為148、B為30時，紅顏色得到真實畫面(如圖9所示)。

走出實驗室，根據實驗數據對實物進行光照檢驗，如圖10所示。在秋天，幾株灌木樹葉變紅了，我們采用RGB組合分別為255∶148∶30時，照射樹木，我們驚喜的發現樹葉固有色可以很好的表達。從光譜圖可以看出，光譜是不連續的，僅僅三色光的光譜組合。

同理通過大量RGB組合試驗，當RGB組合比例為253∶121∶91時，可以很好的表達植物綠葉固有顏色，如圖11、圖12所示。植物的枝葉綠油油的，很真實。

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

圖10 RGB255∶148∶30合成光譜表現植物(自制)Fig.10 Expression of plants irradiated by RGB 255∶148∶30 synthetic spectrum

圖11 RGB分別為253∶121∶91合成光譜表現植物(自制)Fig.11 Expression of plants irradiated by RGB 253∶121∶91 synthetic spectrum

圖12 RGB分別為253∶121∶91合成光譜(自制)Fig.12 The synthetic spectrum when RGB combination is 255∶148∶30

3 結束語

我們對園林夜景照明中使用的光源的光譜特性進行了分析，通過單色LED光源組合光譜照射植物的色彩表現的實驗研究，我們發現通過三原色紅、綠、藍單色光譜合適比例的組合，可以滿足園林植物各種色彩夜晚表現的要求。本文的研究成果對于優化園林夜景照明，提升照明設計水平具有一定的幫助。