色温和相关色温是光源光品质的一个重要指标,是影响光源质量的重要因素之一。光源的色温定义为与光源辐射颜色相同时的黑体温度,但实际光源光谱功率分布不可能与黑体完全一致,这就延伸出相关色温的概念。那么,光源色温和相关色温什么关系?光源相关色温怎么计算?下文对光源色温的知识做了介绍。
色温(Color temperature)是表示光源光谱质量最通用的指标,当物体的吸收率a=1时,则表示该物体能全部吸收投射来的各种波长的光,这种物体称为绝对黑体,或简称黑体(Black body)。黑体是对光吸收能力最强的一种理想化物体,实际上没有绝对黑体。由黑体规律知,通过黑体辐射发出的光的颜色,可以推断出黑体温度的高低。
当光源在温度T时发呈现的颜色与黑体在某一温度Tc时的颜色相同时,则将黑体的绝对温度就称为该光源的颜色温度,简称色温(color temperature)
对于白炽灯等热辐射源而言由于其光谱分布与黑体比较接近,所以它们的色品坐标点基本处于黑体轨迹上,可见色温的概念能够恰当的描述白炽灯的光色。那么对于白炽灯以外的其他光源,其光谱分布与黑体相差较远,它们的温度T时的相对光谱功率分布所决定的色品坐标不一定准确地落在色品图的黑体温度轨迹上,所以只能用光源与黑体轨迹最近的颜色来确定该光源的色温,称为相关色温(correlated color temperature,简称CCT)。
从上述概念中,可以看出当光源发射光的颜色和黑体不同时,色温的概念被扩大到更一般的“相关色温”的概念。在色温和相关色温的定义中,必须是对标准的色觉观察者而言。因为不同的色觉观察者。特别是具有色觉缺陷的观察者在评价时,将可能收到不同的结果。在相关色温的定义中、必须规定出一个最合适的,为大家所公认的均匀色度图。对同一光源,由依据的均匀色度图的不同,所求出的相关色温也不同。现规定用CIE1960UCS色度图。在上述定义中,都包括了人眼的色觉特性,因此,色温和相关色温实际上是一个心理物理量。
绝对色温虽然可以准确地描述光源的颜色,然而对于大部分光源来说,光源的色品坐标不可能与某一绝对温度下的黑体辐射色品坐标完全相同,为此,Raymond Davis等人提出了相关色温的概念,它表示与光源具有最相似颜色刺激的黑体辐射的温度。为了快速准确地计算出光源的相关色温,目前已经提出了几种比较典型计算方法,包括:内插法、三角垂足插值法、黑体轨迹法和模拟黑体轨迹法等。下面主要介绍一下内插法:
(1)待测光源的相关色温低于5000K时参照照明体应是普朗克辐射体的光谱功率分布,相对光谱功率分布可根据普朗克辐射定律计算:
其中c2 = 1.4388×10-2mK。
根据黑体的温度就可以由色度学理论计算出它的色坐标(x,y)。
(2)当待测光源的相关色温高于5000K时,参照照明体应是不同时相日光的光谱功率分布(标准照明体D),标准照明体D则可根据相关色温值,由公式下式求得色坐标(x,y)。
在相关色温Tc已知情况下,可通过下式计算典型日光色度坐标XD:
CIE1931色度图上典型日光(D)的色度坐标满足以下关系:
式中XD的有效范围为0.2500~0.380。
再由相关公式算出按一定10麦勒德间隔等温线在黑体轨迹上和黑体轨迹外的两点色度坐标。麦勒德与绝对色温、相关色温的关系为:麦勒德=1/色温×106。
黑体轨迹与等温线见上图,从图中可以看出,如果各等温线向下延长,则所有等温线都通过临近u= 0.31,v=0.22的色度点。
上图表示光源的u、v色度坐标点位于以麦勒德为单位的相邻两条等温线M1和M2之间,由光源坐标点到等温线M1的距离用d1表示,到等温线M2的距离用d2表示。光源的相关色温近似值由下式计算:
若uv图中的等温线不是以麦勒德单位标定,而是以色温标定,则由下式可计算相关色温:
由于凯莱推荐的黑体等温线(上图)是根据普朗克公式中1948年国际实用温标c2=1.4380x102m·K绘制的,为了换算成1968年新国际实用温标c2=1.4388x102m·K,尚须对求得的相关色温作如下换算:Tc =1.4388Tc48/1.4380。