前言

在《灯泡系列:光从何处来?》上、下篇中我们聊了聊几种灯泡的发光方式:「热辐射发光」的白炽灯,「气体放电发光」的荧光灯,和「固体电致发光」的 LED 灯。

在《反营销系列:蓝光猛如虎?》一、二篇中我们谈了谈「蓝光的危害」和「用眼舒适性」,之所以不厌其烦地扯一大堆,就是为此篇做铺垫。

本文分为三篇,第一篇聊灯泡的光谱、色温和显色性,第二篇专讲 LED的光谱、色温和显色性,最后一篇说灯泡的光效、寿命、热量等内容。

光谱

光,特别是「白光」,都是由各种波长的光混合而成,不同的波长对应不同的颜色。

一种光中有哪些成分、强度各多少,反映在有横轴、纵轴的图表上,便是所谓的「光谱」。

光谱就像是光的素描,一种光有啥特点,大致能在光谱上得到反映,若我们只关注这几个参数,那么可以简单粗暴的说:光谱决定一切。

光谱一变,其他各项必然改变;其中一项有个高低增减,光谱也随之上下左右,可谓牵一发而动全身。

灯泡的光谱

下面是太阳和各种灯泡的光谱,上排从左至右是:阳光、白炽灯和荧光灯,下排从左到右分别是:卤素灯、冷色 LED 灯(高色温)和暖色 LED 灯(低色温)。

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我阳光和各种灯泡的光谱,来源:lightingschool.eu

其中光谱最「饱满」的便是阳光,各波长的分布「连续」而「均匀」。

其次是白炽灯、卤素灯和暖色 LED 灯,之后便是冷色 LED 灯,光谱最「瘦小」的是荧光灯,波长分布断断续续。

需要提醒大家的是,上图只是各式灯泡的典型光谱,荧光灯和 LED 种类繁多,非上面几张图所能概括。

本文所谓的「红色」、「黄色」和「蓝色」,实际上只是一种笼统的描述,颜色的变化,不是像换挡那样切换。

色温

我们已经知道,冷色就是高色温的颜色,直观的感受就是看起来白而亮,给人冰冷的感觉。

暖色就是低色温的颜色,看起来黄而暗,给人温暖的感觉。

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我灯泡色温对比,左边低,右边高,来源:1000bulbs.com

你可能会感到奇怪,颜色就是颜色,温度就是温度,色温是什么鬼?

想象一下,加热一块不知道哪弄来的物体,点火、升温、再升温,开始是什么颜色,过会儿是什么颜色,然后是什么颜色?

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我加热物体,来源:giangrandi.ch

是不是一般这么变化?先显现红色、橙色,再黄白色、白色,最后蓝白色。

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我物体颜色随温度而变化,来源:olympusmicro.com

很明显,物体的颜色和温度之间存在一种「对应关系」。

我们把某一物体的这种对应关系作为标准,用其他颜色与之对照,就有了「色温」(Color temperature)这一概念。

这种物体也叫「黑体」,是一种其能够完全吸收各种方向、各种辐射的物体。

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我黑体色温变化和与之对应的光谱,来源:wikipedia.org

色温的单位是开尔文(Kelvin),符号为 K,把它减去「273.15」 就是摄氏温度 °C 。

当某光源与黑体的颜色相同(即光谱相同)时,黑体当时的温度就是该光源之色温。

问题是很多光源的颜色和黑体不一样啊,没关系,我们还有「相关色温」(CCT)的概念。

光源和黑体的哪个颜色最接近,那个颜色的色温就是该光源的色温。实际上,我们平常所说的「色温」,基本上都是相关色温。

各种颜色可以用「色度图」来表示,不同温度下,黑体有对应的色度坐标,全部画于色度图上,就是中间那条又粗又黑的曲线。

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我黑体的轨迹线,来源:《照明手册》 -日本照明学会

如果光源的颜色在那条黑线上,那么光源的颜色就它所在的点对应的色温;如果光源的颜色不在黑线上,那么它的「相关色温」就是黑线上离它「最近」的那个点的色温。

灯泡的色温

不求严谨的话,我们可以这样认为:色温高表示蓝光多,红光少;色温低表示蓝光少,红光多。

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我色温对比图,来源:edthereblight.com

阳光的色温从早变到晚,这点不用我说大家也感受得到。

蓝天的色温通常在 4000K 到 40000K 之间,其中 7500K 最为常见,云的色温从 5000K 到 8000K 变化, 也可以说大致为 6000K 。

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我阳光的色温,来源:《照明基础知识 》 – 飞利浦照明

白炽灯的色温通常不高,常见的一般为 2400K 左右 – 3400K 左右。

荧光灯的色温浮动较大,常见的一般为 2700K 左右 – 6500K 左右。

LED 灯色温有高有低,常见的一般为 3000K 左右 – 7000K 左右。

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我色温 6000K 和 3000K 的荧光灯,edisontechcenter.org

什么色温才合适?

选什么色温的灯泡,既要看照度、场合,也与个人的喜好有关,随着色温的升高,配合的照度也应增加,一般有以下建议:

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我色温和照度的关系,来源:《照明设计入门》 – 中岛龙兴

此外对于冷暖色温的划分,以及适用场合,国标中也有建议:

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我《GB 50034-2013 建筑照明设计标准》 – 国家质检总局

显色性

一样东西看起来什么颜色,和打在它身上的光有关,更和它选择反射的光有关。

「显色」又称「演色」、「现色」,灯泡的显色性,就是灯泡让物体呈现「真实颜色」的能力。

通常用一般显色指数(general colour rendering index)来表征,符号是 Ra。 (另有「特殊显色指数」的 Ri,这里不做多的介绍)

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我同一物品在不用显色性光源下的表现,来源:飞利浦照明

那么问题来了,什么是「真实的颜色」?

我们日常所见的事物,多是阳光下的状况,所谓的「真实颜色」,就是日光之下的色彩。

日光的光谱是连续的,可见光的所有波长都有所体现,打在物体上的光,光谱越是连续而均匀,物体选择反射的范围就越大,呈现出来的颜色就越「真实」。

灯泡的显色性

国际照明委员会把太阳光的显色指数定为 100,这意味着,灯泡的光谱越接近阳光,显色指数越高。

阳光的光谱有啥特性呢?最大的特点就是「连续」。

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我从上往下是阳光、LED、白炽灯和荧光灯的光谱,来源:popularmechanics.com

白炽灯通过热辐射发光,产生的是连续光谱,显色指数最高,显色性 Ra 90 – 100,接近 Ra 100。

荧光灯利用气体放电发光,发光具有选择性,显色性差异较大,多数不高,一般在 Ra 50 – 95 之间(另一说为 Ra 74 – 90)。

LED 灯种类较多,显色性有高有低,常见的一般为 Ra 60 – 90+ 。

多高的显色性才够?

国际照明委员会按用途不同列出显色性的推荐标准,作为一般照明来说, Ra 达到 80 – 90 就足够了。

国标的建议与之类似:「长期工作或停留的房间或场所,照明光源的显色指数(Ra) 不应小于 80」 。

灯泡系列:光谱、色温和显色性-器物与我灯泡的显色性和用途,来源:《白光LED照明技术》- 田民波、朱焰焰

总结

光谱决定色温和显色性,灯泡的光谱不同,各项光学特性也就不同。白炽灯的光谱连续而均匀,最接近日光,荧光灯的光谱断断续续,LED 的光谱类型较多,连续性在白炽灯和荧光灯之间。

若以国标《GB 50034-2013 建筑照明设计标准》的划分为准,把 3300K 以下称为暖色、低色温,5300K 以上称为冷色、高色温,那么白炽灯的色温通常不高,常见的一般为 2400K 左右 – 3400K 左右

荧光灯的色温浮动较大,常见的一般为 2700K 左右 – 6500K 左右;LED 灯色温有高有低,常见的一般为 3000K 左右 – 7000K 左右;色温的选择,既要看照度、场合,也与个人的喜好有关,随着色温的升高,配合的照度也应增加,详情参阅文中「什么色温才合适?」一节。

日光的显色指数为 Ra 100,光源的光谱越接近日光,显色性越好。白炽灯通过热辐射发光,产生的是连续光谱,显色指数最高,Ra 90 – 100。

荧光灯利用气体放电发光,发光具有选择性,显色性差异较大,多数不高,一般在 Ra 50 – 95 之间(另一说为 Ra 74 – 90);LED 灯种类较多,显色性有高有低,常见的一般为 Ra 60 – 90+ 。

国际照明委员会按用途不同列出显色性的推荐标准,作为一般照明来说, Ra 达到 80 – 90 就足够了;国标的建议与之类似:长期工作或停留的房间或场所,照明光源的显色指数(Ra) 不应小于 80 。

主要信息来源

edisontechenter.org

popularmechanics.com

howstuffworks.com

《 Lamps and Light 》 – Jeremy Myerson、Sylvia Katz

《照明手册》- 日本照明学会

《照明设计手册》 – 北京照明学会

《照明基础知识》 – 飞利浦照明

《白光LED照明技术》- 田民波、朱焰焰

《照明设计入门》 – 中岛龙兴

《LED封装技术》 – 苏永道

《GB 50034-2013 建筑照明设计标准》 – 国家质检总局、国家标准化委员会

《GBT 13379-2008 视觉工效学原则 室内工作场所照明》 – 国家质检总局、国家标准化委员会