白光LED光譜調制對紡織品照明顯色能力的影響

孔 荀，居家奇

(1.上海大學數碼藝術學院，上海 200444；2.上海應用技術大學理學院，上海 200418)

引言

同色異譜的重要性在紡織、印刷、繪畫、攝影、彩色電視等行業中，經常會遇到匹配色問題，要匹配出與已有色樣顏色相同的色彩。而匹配顏色要達到相同光譜屬性是很困難的，一般情況下都是同色異譜色，即看起來感覺是一樣的。而實際上同色異譜現象應用得當的話，可以讓光源呈現的光色和照射物體的效果都按預設想法去進行。同樣地，在進行紡織品色樣研究時，同色異譜現象也具有重要作用，合理利用這個現象，對紡織品照明設計有很大的幫助。

為了研究同色異譜LED光源對紡織品顏色表達的作用，我們設計了兩項實驗：實驗一為FM-100色棋實驗，主要探究同色異譜現象對于色彩識別帶來的顯色問題；實驗二為紡織品色樣顯色實驗，通過不同光源和不同色樣的顯色對比，得到不同光源(相同色溫，不同光譜組成)對于紡織品的顯色能力和色差比較。兩個實驗均選擇在暗室中操作，目的是為避免環境光干擾，環境溫度控制在25 ℃，相對濕度為65%。每個實驗的受測者人均測試時長都約為20 min從而保證測試中不會產生視疲勞狀態。被試者年齡范圍在18～24歲之間，5男5女共10名，平均年齡為22歲。所有被試者的校正視力或本體視力正常，沒有出現色盲或色弱的視覺測試者。在整個實驗過程中，所有被測試的心理和生理狀態穩定。

1 FM-100色棋實驗

色棋實驗選取十種光源，均為同色異譜，色溫均為6 500 K，誤差控制在±200 K，其中一種模擬D65日光，其他九種為同色異譜光源，基本信息如表1所示，十種光源的光譜能量分布如圖1所示。

表1 實驗用光源顯色性

圖1 光源光譜能量分布曲線Fig.1 The spectral power distribution of the light sources

由圖1可以清晰地看到每種光源的光譜特點，除了光源7以外，其他光源的光譜各有缺失。光源1光譜組成中缺失黃光波段，藍光波段較弱。光源2的光譜同樣缺失黃光波段，青、藍光較弱。光源3則是缺少青色、紅光波段，其他部分較完整。光源4光譜缺失紅光波段，同時綠光、紫光部分較弱。光源5與光源4相近似，但紫光部分完整。光源6光譜缺失黃光和紫光波段。光源8光譜較為完整，綠光波段稍差。光源9藍綠波段與紅光波段比例大，黃光部分相對缺失。光源10光譜的青色和紅色波段有所缺失。所有光源光譜在特別短和特別長波長部分。

本實驗中使用的孟塞爾色棋FM 100 Hue Test色覺測試系統，測試系統包括4盒共85個橫跨可見光譜的可移動式色棋(色相漸變)，此測試系統提供了易于管理、而又有效的測試方法。在實驗前，已經對被試人員在模擬D65光源下進行色覺測試，確認各被試視覺正常。被試人員在指定光源下根據色相排列色棋順序。由于實驗中研究的是同色異譜光源對于色彩辨識的影響，因此整個實驗中其他參數為控制變量，保持不變。

整個實驗在暗室中進行。在單個燈箱下，選擇一種光譜光源，進行色棋辨識實驗。通過改變光源，被試人員將在不同光源下分別對不同色系的色棋進行排序，將排序結果，評分軟件根據不同的排序自動打分，稱為錯誤得分。完全排序正確，錯誤得分為0；排序錯誤越大，則得分越高。由此能夠評價被測各不同光源的顯色性性能。實驗過程中，被試者全程獨立完成排序，不受他人干擾。

根據色棋測試軟件系統的自動評分，將實驗中十位被試人員的十種同色異譜光源的色棋得分做了歸納統計，分別計算出每種光源十位被試人員的平均錯誤得分和標準差。色棋顏色對應的序號如圖2所示，正確排序時，得分為0，當排序與相應序號不對應時，產生錯誤得分。

圖2 用于實驗的色棋和色棋序號Fig.2 Hue test button and the sequence number of hue test button

圖3 十種光源色棋測試各色棋辨識平均錯誤得分Fig.3 The average score for hue test under the ten lighting condition

實驗統計結果如圖3所示，通過對比十名被測者的色棋辨識實驗中十種光源的測試平均分，可以得出這些光源的顯色效果。光源7表現最好，平均錯誤得分最低；光源8、光源10、光源3都表現較好；而光源1、光源4、光源6則表現較差，在幾個相對集中的區域都有很大偏差。綠色部分的色棋排序在除光源7外的九種光源下都出現了較大偏差，而黃色部分則相反，錯誤較少，在所有光源下幾乎都有較好表現。

通過分析單個光源下的十名被測者的平均得分表明，光源1中，與色棋序號顏色相對應，出現偏差較大的色棋序號對應的顏色為綠色和青色。光源2中，與色棋序號顏色相對應，出現偏差較大的色棋序號對應的顏色為黃綠色和綠色。在光源3中，與色棋序號顏色相對應，普遍表現較好，黃綠色部分偏差相對較大。在光源4中，與色棋序號顏色相對應，出現偏差較大的色棋序號對應的顏色為橙紅色、橙黃色、青色和藍色，有偏差的顏色較多，顯色效果不理想。在光源5中，與色棋序號顏色相對應，出現偏差較大的色棋序號對應的顏色為綠色和青色和紅色。綠色部分相對偏差的更大。在光源6中，與色棋序號顏色相對應，出現偏差較大的色棋序號對應的顏色為綠色和青色。在光源7中，與色棋序號顏色相對應，整體表現較好，以平均分來看，并無明顯集中的偏差序號。在光源8中，與光源7相類似，除青綠色部分稍有偏差外，整體較好。在光源9中，與色棋序號顏色相對應，出現偏差較大的色棋序號對應的顏色為綠色和青色。在光源10中，與色棋序號顏色相對應，出現較大偏差的色棋序號對應的顏色為黃綠色。

2 紡織品顯色實驗

實驗采用了CAC-600-六光源標準光源對色燈箱，使用六種光源中的兩種D65和TL84作為實驗光源。實驗中采用的紡織品色樣均為非鏡面反射材料，因此可采用直接光照模型，將不會影響實驗效果。并且，實驗材料將采用使用廣泛的棉麻制品，色樣之間具有相同的透射、反射、吸收率。

紡織品顯色實驗中，針對紡織品顏色，設置不同色樣，包括紅、橙、黃、綠、藍、紫在內的約數十種紡織品標準色樣。實驗前用蒸汽對色樣進行熏制，使其充分發色。發色能夠使紡織品顏色更加均勻，更快的達到實驗所需的溫度和濕度條件，減短適應時間，避免色差選取4 000 K和6 500 K兩種色溫下的八種光源進行實驗，包括兩種熒光燈(TL84及D65)和兩種色溫下的各四種同色異譜LED燈。實驗中這全部10種光源光譜如圖4所示。

實驗中，兩燈箱中的紡織品色樣采用的是同一批次的布料，經過同樣時間的發色處理，在同樣的環境溫濕度下進行實驗。因此，用來作為參考的色樣與被測色樣之間，不會影響被測者的主觀判斷。

圖4 實驗用光源光譜能量分布曲線Fig.4 The SPD of 6 500 K and 4 000 K light sources

實驗在暗室內進行，分兩個燈箱操作。其中一個燈箱為參考光源(標準光源對色燈箱模擬的D65和TL84)，另外一個燈箱選用這兩種光源同色溫下的同色異譜光源，分別對紡織品色樣進行照射。參考燈箱如圖5所示，采用了11通道的LED，各LED具有不同峰值波長，覆蓋整個可見光光譜范圍，可分別對11通道多芯片LED進行控制；軟件控制顯示模塊可靈活控制模擬燈箱任意光源光色，精確呈現多種高品質光源，提供多種光色配比設計方案。

圖5 實驗用調光燈箱Fig.5 Light box for experiment

將在參考光源下織品的顯色效果作為100分，讓測試者對其他同色異譜光源的顯色性進行主觀評價，被試人員依據與標準光源的對比效果進行打分，測試全程獨立評價，無相關干擾，評分標準如表2所示，而實驗色樣如圖6所示(在參考光源D65下拍攝)。采用的4 000 K和6 500 K色溫同色異譜光源對應的GAI面積如圖7、圖8所示。

表2 主觀評價標準

紡織品色樣分為全色系、紅色系、黃色系以及藍色系。被測者將分別依次進行評分，每位被測者的實驗觀察順序完全相同。紅色系和藍色系布料分開測評，在實驗時，測試一種色系時用白紙遮擋另一組，避免不同色系的顏色相互干擾。由于標準光源對色燈箱模擬的D65和TL84都是熒光燈，因此有些情況下，對比光源效果有可能比參考光源更好一些，因此另外設置了一檔評分100～110分。

圖6 紅、藍色系布料，全色系布料，黃色系布料Fig.6 Red and blue, the whole color, yellow and brown

圖7 4 000 K同色異譜光源和6 500 K同色異譜光源下GAI計算Fig.7 The GAI of 4 000 K and 6 500 K metamerism light sources

圖8 4 000 K同色異譜光源和6 500 K同色異譜光源下GAI絕對面積值Fig.8 The GAI area for 4 000 K and 65 000 K metamerism light sources

實驗光源分為兩組，標準光源對色燈箱模擬的D65和其它6 500 K色溫下的四種同色異譜光源為一組，標準光源對色燈箱模擬的TL84和其他4 000 K色溫下的四種同色異譜光源為另一組。6 500 K色溫組四種同色異譜光源顯色性的主觀評價實驗統計結果如圖9所示，4 000 K色溫組同色異譜光源顯色性的主觀評價實驗統計結果如圖10所示(線段長度表示分值標準差，中點表示平均分)。

圖9 6 500 K同色異譜光源對不同色系布料的光源顯色性評價Fig.9 6 500 K metamerism light sources for different cloth color rendering evaluation

圖10 4 000 K同色異譜光源不同色系布料下的光源顯色性評價Fig.10 Color rendering evaluation of 4 000 K metamerism light sources for different cloth

主觀評價結果顯示，同種光源對不同色系的布料顯色性呈現出較大差異，而在相同條件下的同色異譜光源之間顯色評價更是相差甚遠。如圖9，在色溫6 500 K組，光源1與光源2兩種光源顯色表現普遍較好，光源3顯色效果最差。其中，光源1在不同色系的彩色布料下顯色表現更均勻，對紅色系布料更為敏感；光源2則在藍色系布料的顯色效果上有突出表現。綜合評價，這四種光源相較而言光源2顯色效果更好。如圖10所示，在色溫4 000 K組，光源1顯色效果最好且對不同色系布料顯色性非常均勻。其他三種光源都存在各自的優缺點，普遍紅、藍色系顯色效果好，黃色系顯色效果較差。

以布料色系為參照，對兩組光源顯色性進行縱向比較，實驗結果分別如圖11、圖12所示。

圖11 4 000 K組四種光源對同一色系布料的顯色性評價Fig.11 The color rendering properties of 4 000 K metamerism in four different light-sources to the same color series cloth

圖12 6 500 K組四種光源對同一色系布料的顯色性評價Fig.12 The color rendering properties of 6 500 K metamerism in four different light-sources to the same color series cloth

實驗表明，在4 000 K這組中，四種光源在紅色系、藍色系的顯色效果上相差不大，而光源1在全色系中的顯色效果明顯優于其他三種光源，從統計結果分析，原因在于光源1對黃色系的顯色效果好。現在需要找出光源1與其他三種光源根本的差異，并分析它對黃色系布料顯色效果的影響。這組實驗中的光源均為同色異譜，色溫相同，實驗條件一致，那么唯一的對其顯色性可能造成影響的變量因素是光源的光譜組成，接下來將進一步通過光譜成分的分析對實驗結果進行驗證。

在6 500 K組的這四種光源，在不同的色系布料中顯色效果有不同的表現，每種光源都有不同的特點，與4 000 K的那組光源一起，可以進一步佐證光源的光譜組成與其顯色性的對應關系。

這4種光源的光譜能量分布圖表明，光譜的完整性、光譜組成成分以及波長所對應的顏色在組成中的占比與該光源在相應色系的顯色性正相關。在4 000 K色溫光源組中，在光源2、3、4的三種光源光譜中，黃綠波段相對光源1缺失，導致在黃色系布料的顯色性對比中，光源1占有明顯優勢。同樣在6 500 K色溫光源組中，光源1和光源2在光譜完整性上明顯優于光源3和光源4，與之對應的顯色效果也優于光源3和光源4；光源3光譜中藍光波段相對較多，在顯色效果上也是藍色布料表現最好；光源4則紅光部分波長較多，主觀評價顯色效果上同樣是紅色布料最好。從光源光譜角度對光源的顯色性進行分析，使得光源的顯色性更可控，幫助我們有針對性的選擇有利于布料顯色效果的光源。

3 結論

本研究通過兩個不同類型的辨色實驗，充分論證了同色異譜現象對光源顯色性的影響，可以根據使用者的需求，通過對光源光譜成分的有機選擇，調制出適宜的光源，達到對其顯色效果的優化。也就是說，光源將不再是由工廠統一的標準化生產，可以根據使用者的個性化需求進行定制，在不同的人工照明領域達到各自優良的顯色效果。

在實驗二中，色溫6 500 K的四種光源的顯色指數CRI分別為93、77、61、56，色溫4 000 K四種光源的顯色指數CRI分別為96、65、82、69。由此可見，顯色指數在一定程度上與光源顯色性正相關，但并不是絕對的，LED燈的顯色指數測試結果與顯色能力主觀評價結果存在一定出入。因此，不能單純依靠光源顯色指數來評價光源顯色性。

將每種光源的光譜能量曲線圖與這種光源對不同色系彩色布料的顯色效果主觀評價分值進行比較，光源光譜組成中哪種波長的顏色居多，該光源對這種顏色的顯色性主觀評價就較好。被測者的主觀評分中，紅、黃、藍這三個色系均表現出這種趨勢，反映了不同顏色的光對該種顏色有加強效果，即使其更加鮮亮，在一定范圍內可以讓人的視覺感受更好，主觀評價分值就更高。這種現象給我們提出一種思考，在評價光源的顯色效果時，是否只需要關注它的顯色性好壞即顏色的逼真程度。光源對物體顏色的適當加強效果，在事實上影響著人們對光源顯色效果的評價，而且是正面的評價，所以對光源顯色效果進行評價時，顯色性不應該作為唯一標準，而應該根據該光源光譜組成和被測物體的固有色進行綜合評價。對待測光源的光譜分析讓實驗從簡單的現象評價到實驗結果的成因推測得以證實。為進一步研究光源的優化方案找到了可行性的方法。

綜上所述，影響白光LED視覺功效的關鍵因素在于色溫與顯色性，而歸結為一點，即相對光譜功率分布(SPD)。對于工業照明而言，宜選擇6 500 K高色溫白光LED照明，而該白光的光譜在中長波段卻不應缺失。以等能白光作為基準譜線以滿足實際顏色能力的分辨，在此基礎上增加短波峰值能力，提升視亮度效果，如實驗光譜7便是一例成功的調制案例。

由于在不同色溫下同色異譜現象的存在，使得光譜可能存在極大的差異，也具有不同的性能，具體來說，是對應不同的光效和顯色性。因此在具體的照明設計中要綜合考慮不同性能的作用。對于紡織廠照明而言，由于工人需要保持一定工作的警覺性，因此選擇高色溫光源會相對好一些，而具有連續性光譜的光源由于在各方面都具有更好的性能，是相對更好的照明光源。一般情況下，當光譜不是很連續時，則要綜合考慮光譜功率分布、光效、顯色性等具體性能，以此來判斷是否適合相應場所的應用。