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灯光的颜色与光谱分析

发布日期:2019-05-08 浏览次数:222

人们通常接触的灯光颜色最丰富的地方时大型舞台的演艺中心,所以分析以舞台灯光入手。演艺中灯光的颜色极其丰富多彩,有的灯光师运用大白光照明舞台景物,原法原味,十分耐人寻味;有的灯光师喜用色光,大面积染色、小块点彩,格外撩动观众的眼球。


舞台灯光的颜色主要来源于两个途径:电光源的光色和电光源(或灯具)附加滤色片所引发的光色。


1、电光源的光色及其光谱分析


舞台灯光中各种各类电光源百色齐放,亮艳纷呈,它们的颜色都统一冠之以相应的色温或相关色温,采用黑体的辐射温度定量地科学表述光源的光色,数字化地表述生理上、心理上的视觉量是一大进步。图1是黑体在各种不同辐射温度下的光谱辐射相对能量公布曲线图,解读图谱可知:


1.黑体(热辐射光源)的辐射击温度不同,其光谱辐射相对能量分布也不同,温度愈高,其总辐射相对能量愈大。


2.各温度下的光谱相对而言能量公布曲线是连续的、不间断的。


3.温度不同时,光谱辐射相对能量公布中,红、蓝波段的辐射能量之比亦不同。辐射温度愈低,红、蓝辐射能量之比愈大,则其光色愈偏暖、偏红,记作光源的色温低;辐射温度愈高,其蓝、红辐射能量之比愈大,则光色愈偏白、偏蓝,记作光源的色温高。双色色温计就是基于这个光学原理制造的。


舞台照明用电光源主要有两大类:热辐射光源和气体放电光源。归属于热辐射光源类的有:卤钨灯(卤素灯)、蒸铝泡、白炽灯等,归属于气体放电灯类的有:氙灯、金卤灯、荧光灯等。它们具有各自不同的光谱辐射相对能量分布,刺激人眼后,通常会呈现出不同的光色效应。但也存在着“同色异谱”现象,即不同光谱相对能量公布的光也会引发相同的颜色视觉,或曰相同的光色也可能有不同的光谱相对能量分布。


某荧光灯(3200K)与卤钨泡(3200K)的光谱相对能量分布,某荧光灯(5500K)与日光(5500K)的光谱相对能量分布。解读这四条谱线,可以引发见解如下:


1.不同的光淅拥有不同的光谱相对能量分布,呈现不同的光色,分别标注以不同的色温3200KT5500K。


2.同色异谱现象客观存在。两种光源有相同的色温,但两者的光谱相对能量分布并不完全相同。


3.色温3200K光源的光谱分布中蓝、红光相对能量的比例较小,而色温5500K光源的光谱分布中蓝、红光相对能量的比例有很大提升。


4.卤钨灯与日光的光谱相对能量分布曲线是连续的,是平滑过渡的,而荧光灯的光谱相对能量分布曲线有几个波峰,间夹着几条强烈辐射的线光谱,它们是几种荧光粉化学元素的特征谱线。


虽然荧光灯与相应的卤钨灯或日光的光谱相通能量分布曲线的走向大体相同,但光谱分布的细节仍有差异,有的波段的差异还是很大的。尽管它们标以相同的色温3200K或5500K,然而在其背后仍隐含着两者的区别:


(1)卤钨灯、太阳与黑体一样,都是热辐射光源,它们的色度点就是在色度图的黑体轨迹上,而荧光灯与黑体不同,是气体放电灯,它的色度点偏离黑体轨迹线,只是表明其与3200K或5500K色度点最为接近,才标注以色温3200K或5500K。为了区分两者的这种差异,气体放电光源的颜色冠之以“相关色温”。


(2)标注相同色温的热辐射光源和气体放电光源产并不拥有相同的显色性。由于荧光灯具有显著的线光谱分布特征,通常它们的显色指数低于同色温的热辐射光源。


镝灯(一种金属卤化物灯)的光谱相对能量分布曲线图,显见,整个光谱范围由连续光谱构成的基础上间夹着几处光谱辐射很强的线光谱,蓝、红光的相对比例较高。镝灯的色温在5000K-600K之间,其光谱分布与日光相近,但显色性不及日光,其显色指数在80-90之间。它是一种高色温、高显色性、高光效的气体放电灯,完全满足于舞台、影视灯光领域的技术要求,显现出越来越广阔的应用前景。


氙灯光谱相对能量分布曲线,其光谱分布与日光十分接近,整个光谱范围是连续光谱,仅在480nm左右有一小波峰,具有更强的辐射能量。由此不难推断:氙灯也是一种高色温的电光源,色温约为5500K,具有优异的显色性能,其显色指数可高达94。氙灯优秀的综合性能在气体放电灯中出类拔萃,它在高光度远射程追光灯、投影灯、投光灯中的研发、应用早已开花结果。


当舞台灯光进行渐明渐暗调光时,光源的光色和色温会产生相应的变化,表明其光谱辐射相对能量分布改变了。例如,卤钨灯从额定电压值下调光时,光参数的变化规律是:光亮度和色温逐渐降低,光色渐渐向红色方向漂移,反之,当工作电压推升时,光亮度和色温都会提高,光色从红折色向黄白色渐变,在灯前配置色片的情况下,运用调光或非额定电压工作状态时,要考量光源色温变化连带引发色光变化的大趋势。


2、色光及其光谱分析


灯光的颜色可能实现转换,最简单,最实用,最常用的方法是在光源(或灯具)前配置特制的滤色片,便能获得新的光色。


滤色片有两大类:色温转换滤色片(或称色温较正滤色片)和彩色灯光滤色片。滤色片具有对光有选择性吸收的光学特性,如滤色片介质对可见光谱各波长的光具有不同比例的吸收,改变了光源的光谱相对能量分布,其透射光刺激人眼会诱导出不同于光源的光色效应。不同色品的滤色片拥有各自不同的光谱透射率曲线,传达出它们不同选择性吸收的光学特性。


在对色光和滤色片作光谱分析之前,先重温一下可见光谱范围的颜色效应(见表2),以利应用和迅速反馈。


2.1色温转换滤色片光谱分析


色温转换色片可以用来提高或降低照明光源的色温,以实现照明场景中光源色温的平衡、和谐,或达到光源色温与摄影(像)机所需色温相一致,以使被摄景特有良好的色彩还原。色温转换滤色片又签名雷登片,它有两大系列,即雷登82系列(也称蓝色系列)和雷登85系列(也称橙色系列),前者能提升光源的色温,后者能降低光源的色温。


表1光谱波段的划分及其颜色


波长/颜色  红 橙  黄 绿  蓝  紫


代表波长  700 620 580  510  470  420


波段范围  750-640 640-600 600-550 550-480 480-450 450-400


表2雷登片的分类、规格及其性能


雷登82系列  提升色温  雷登85系列(橙色系列) 降低色温


雷登82    雷登85  6000K—3200K


雷登82A  3200K—5000K  雷登85A  5000K—3200K


雷登82B  3200K—3700K  雷登85B  4000K—3200K


雷登82C  3200K—3500K  雷登85C  3500K—3200K


雷登82的光谱透射率曲线图,该色片对550nm~670nm的可见光有很强的吸收,在很大程度上抑制了红、橙、黄色光的透射,而对480nm~380nm的可见光吸收很少,光源中的蓝、紫光成份有很高的透射率,致使雷登82的透射光中蓝、红光的相对比例增大了,即提升了光源的色温。视蓝、红光相对比例增大的不同程度,提升光源色温的幅度也不同。雷登82系列划分成几种规格,供各种不同需求时采用(见表2)。


雷登85的光谱透射率曲线图,该滤色片对580nm~700nm波段的可见光有较高的透射率,即它对光源中红、橙、黄光的吸收较少,而对380nm~550nm波段的可见光有很低的透射率,即它对蓝、紫光有很大的抑制作用,致使雷登85的透射光中蓝、红光相对比例减小了,即降低了光源的色温。视蓝、红光相对比例减小程度不同,光源色温降低的幅度也不同。雷全登85系列同样也划分成几种规格,以供各种不同需求时选用。(见表2)。


2.2彩色灯光滤色片光谱分析


现以国产彩色灯光滤色片为样本,从中选取九个颜色列中的九个色品,逐一加以光谱分析。


2.2.1NO.102原色红


该色片对可见光谱400nm~570nm波段的人射光几乎全部吸收,570nm~750nm波段有不同的透射率,其中640nm~750nm红色波段有很高的透射率,因这咱选择性吸收和选择性透射的缘故,改变了人射光的光谱相对能量分布,致使白光转变成红光。由于透射光中红光点有绝对大的比重,几乎没有白光成份,可以推断NO。102色片引发的色光拥有很高的饱和度,所以它被冠名为“原色红”。


2.2.2NO.270中紫玫瑰


该色光在整个可见光谱都有不同的透射率,判断此类色片的颜色特性时,可先作如下技术处理:在曲线低谷底部作一条平行于水平轴的直线,引直线将色片光谱透射率曲线分割成上下两部分。下部表明各波长可见光都有相同的透射率,这部分透射光的颜色同学源的颜色一样,也是一种白色,这就是该色片所引发的色光中的白光成分;上部表明较高光谱透射率主要分布在640nm~750nm的红色波段,400nm~450nm的紫色波段和450nm~480nm的蓝色波段,这三个波段的混合光就是该色片所产生的色光。下部白乐成分所点比重越大,则其光色的饱和度越低。NO.206、NO.207和NO.208三种色品因白光成分的比重逐个增大,则相应色光的饱和度依次降低,故它们分别冠名为:紫玫瑰、中紫玫瑰和谈紫玫瑰。


2.2.3NO.304橙红


该色片的光谱透射率主要分布在600nm~640nm橙色波段和640nm~750nm红色波段,它们均有很高的光透射率,这两个波段光色的混合就是该色片产生的光色。由于透射光中严重缺失紫、蓝、绿色波段的可见光,橙、红色波段的光量占有极大的比重,又几乎没有白光成分,因此,该色片所引起的新色光具有很高的饱和度。运用这种色光照明红色、橙色或橙红色舞台景物将会呈现艳亮而纯正的色彩效果。


2.2.4NO.404金橙


该色片的光谱透射率主要分布在550nm~750nm,,包括了黄色、橙色和红色的光谱波段,它们均有较记的光谱透射率,这三种色光的混合色就是该色片产生的光色。与NO.304橙红色片相比较,增加了550nm~600nm黄色波段的透射光,致使橙红色向黄色方向偏移,呈现出“金色”视觉效应,将此色片冠之以“金橙”,真是名符其实。


2.2.5No.504黄


该色片在红、橙、黄、绿色四波段都有较高的不谱透射率,而蓝、紫色波段的透射率很低。它的光色是这四种颜色光相加混合的结果。用光的补色原理来判别:黄光和蓝光是互补色光,它们按一定比例相加或相减过程可用颜色方程表述为:


黄+蓝=白或黄=白蓝


与NO.404金橙色片相比较,该色片又增加了480nm~550nm绿色波段的透射光。


此外还可能以从另一通道分析判别:红、橙色波段透射光混合产生橙红色光,如同NO.304色片一样。橙红色光和绿色波段的透射光相混合使橙色红色向绿色偏移,在色度图上这两个颜色点的连线穿越典色区域,即橙红色和绿色的混合色呈黄色。该色片在550nm~600nm黄色波估有很高透射率,人眼对此波段的光又具有很高的人眼光谱光效率,能激发出很强的黄色视觉效应。综上所述,这四个波段的四种颜色光相加混合变成黄、黄复合,该色片能呈现亮丽的黄色光。


2.2.6NO.606艳绿


该色片在可见光谱各波长都有透射率,主要分布于480nm~500nm绿色波段,有较高的透射率,其波峰位于该波段的,有效高的透射率,其波峰位于该波段的代表波长510nm处,虽然红色波段也有一定的透过率,但人眼对红光的感光灵敏度很低。例如,对700nm的红光人眼光谱光效率则高达0.5030,比前者要高出100多倍。因此,该色片透过的红光在与绿光的混合总量中所点比重很小。如同No.207色片的分析一样,曲线低谷以下区域是混合光中所占比重也不大,可以推断,该色片产生的光色具有较高的饱和度。


2.2.7No.704中翠蓝


该色片的光谱透射率主要分布在400nm~550nm的紫、蓝、绿色波段,其波峰位于480nm,介于绿、蓝之交。对480nm绿蓝光人眼光谱光效率是0.1390,仍比700nm红光的入眼光谱光效率高出30多倍。红色波段的光谱透射率尽管很高,但由于人眼对它的感光比重很小,绿、蓝光在相加混合中起到主导作用。


该色片在550nm~640nm波段的光谱透射率很小,有的甚至为零值,表明在其透射中严重缺失黄光和橙光。如果运用这种色光来照明舞台景物,那么,黄色、橙色和橙黄色舞台景物的颜色是无法正常呈现的。


此外,利用光的补色原理,从上述光谱分析中又可得出颜色方程:


翠蓝=白橙黄亦即翠蓝+橙黄=白


运用色度图和颜色相加原理,不难验证这些等式的完全正确的。


2.2.8No.804原色蓝


该色片的光谱透射率分布范围与No.704色片大体相同,只是在400nm~480nm紫、蓝波段的透射率都有较大的提升,绿色波段的透射率有所下降,所以蓝、紫光在混合光总量中占有更大的比重,引发纯正的蓝色视觉效应。


2.2.9No902紫


该色片的光谱透射率主要分布于400nm~480nm蓝、紫色波段和680nm~750nm红色波段,其波峰位于420nm紫色波段的代表波长,蓝色波段的透射率与No.804相比均有较大下降,凸现出紫光在混合光中的比重有所加大。对该色片光谱分析中,不能忽视红光在混合光中的影响力度,因为人眼对不谱两端的红光和紫光的感光灵敏度相差不大,但是红光波段的透射率高,3200K卤钨灯的光谱辐能量比紫色波段的更强大,所以红光在该色片引发的色光中有举足轻重的影响力。


综合上述名例光谱分析可知,色片所引发的光色是由一定光谱透射率的那几个波段的颜色光相加混合产生的。各波段颜色光在混合光中所点比重决定着它们各自对不钩定位的影响力度,其作用力取于以下三个要素:


1.色片在这个不镰刀波侧面的不镰刀透射击率的高低(参见各色片样品所附的光谱透射率曲线)。


2.光源在这个光谱段的光谱辐射相对能量的强弱。


3.人眼对这个光谱波段或波长的人眼光谱光效率的大小。


不同色温的光源配置同一色品的灯光滤色片,会引发出不同的光色。高色温的氙灯、镝灯与卤钨灯相比较,其蓝不铖分相对增多,而红光成分相对减少,致使前者配置色片所产生的光色向蓝色方向偏移,其偏移程度、影响力度视各色片在蓝色波段透射率的高低。因此,冷色调的色征配置高色温的电光源,通常能够获得高饱和度的冷暖色光。


总而言之,对灯光颜色的转换、滤色片引发的色片进行分析、探究时,应综合考察这三大要素,做出定性或定量的研判,可能性为运用这些色不照明舞台景物会产生怎样的颜色效应做出正确的预判。