園林夜景照明表達(dá)植物色彩的研究

汪幼江，劉庭風(fēng)

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072； 2.上海同音照明設(shè)計(jì)有限公司，上海 200092)

引言

孔子說(shuō)，樸素為天下大美。樹(shù)木本身色彩就很美，景觀燈光若能把植物本身的色彩表達(dá)出來(lái)就是最美的。中國(guó)地大物博，北方園林與南方園林在色彩上是有區(qū)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(shù)木構(gòu)成優(yōu)美的圖畫(huà)，宛如一幅水墨畫(huà)。白本非色，而色自生，從無(wú)色當(dāng)中求有色。此時(shí)樹(shù)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(yīng)能準(zhǔn)確表現(xiàn)植物本色[6-8]。對(duì)于北方園林，翠松、朱廊再加上藍(lán)天、白云，一幅金碧輝煌的大青綠山水畫(huà)。因此，景觀樹(shù)木燈光應(yīng)有金碧輝煌的效果。照射植物的光源光色在準(zhǔn)確表現(xiàn)植物本色的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加彩色光源烘托氣氛[5]。

1 園林夜景照明表達(dá)植物色彩的現(xiàn)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(shí)際效果圖。

金鹵燈白光照射植物，植物形體可以很好展現(xiàn)，樹(shù)干、綠葉顏色變淺，有些地方發(fā)白，植物照明效果不夠理想。采用金鹵燈綠光照射植物，樹(shù)木是綠的，真樹(shù)變成了假樹(shù)。尤其在公園里，整體環(huán)境較暗，曲徑通幽，采用很多冷色調(diào)照射樹(shù)木，整體環(huán)境更加冷颼颼的，綠的樹(shù)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(shù)木上，樹(shù)木看上去像罩了一層白霧一樣(見(jiàn)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(shù)木，樹(shù)木一片金燦燦的。尤其在北方城市到了冬天，樹(shù)葉落了，枝條形態(tài)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(shù)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(shù)，把樹(shù)染成了一片紅，跟我們印象中的楓葉紅相差很遠(yuǎn)。LED綠色燈光與傳統(tǒng)光源照樹(shù)效果差不多。見(jiàn)圖4。

在園林及廣場(chǎng)的夜景照明設(shè)計(jì)中，對(duì)植物色彩的表現(xiàn)一直是個(gè)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(fā)光原理不同，發(fā)出來(lái)的光色給人感覺(jué)不同，下面我們來(lái)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(dāng)色溫位于5 800 K左右時(shí)，以544 nm的綠光為主，以430 nm的藍(lán)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(dāng)色溫位于8 000 K左右時(shí)，光譜以綠、藍(lán)光為主，黃光為綠、藍(lán)光的一半。波長(zhǎng)λ=538 nm(綠光)；λ=450 nm(藍(lán)光)；λ=450 nm(黃光)。

高壓鈉燈：如圖5(c)所示，250 W，當(dāng)色溫位于2 200 K左右時(shí)，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(lán)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(shù)木在日光下，色彩最真實(shí)。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(gòu)成，改變它們之間的元素成分比例以達(dá)到我們想要的色標(biāo)是非常困難的(制造工藝、每個(gè)人對(duì)色彩的要求不同)，這也說(shuō)明了很多年以來(lái)，照樹(shù)光源色彩一直沒(méi)有改進(jìn)的原因，導(dǎo)致園林色彩飽和度很高，色彩艷麗達(dá)不到設(shè)計(jì)師的要求。

關(guān)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(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出白光，因此白光不可能為單一光譜。我們?cè)賮?lái)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(lán)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(lán)光和綠光LED光譜Fig.7 Red，yellow，blue and green lights LED spectrum

以上紅、黃、藍(lán)、綠LED光源則表現(xiàn)出單一光譜，這給我們的研究帶來(lái)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(gè)點(diǎn)光源是很方便的(其他傳統(tǒng)光源無(wú)法這樣合成)。我們希望通過(guò)紅、綠、藍(lán)光源的組合、光譜含量的組合，最終達(dá)到我們需要的色標(biāo)。當(dāng)然，僅僅通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種光源組合，能達(dá)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(dá)到日光光譜特性的，由日光光譜特性可知，其光譜是連續(xù)的，而紅、綠、藍(lán)三種光源組合，其光譜一定是不連續(xù)的。

紅綠藍(lán)三種光譜組合，能否形成照射植物的色標(biāo)呢?下面我們通過(guò)紅、黃、藍(lán)光譜的級(jí)配，看看試驗(yàn)結(jié)果告訴了我們什么。

首先，在燈具制造廠家定制一款實(shí)驗(yàn)用燈具，燈具由紅光、綠光、藍(lán)光三個(gè)芯片組成，簡(jiǎn)稱RGB光源，另外，設(shè)置控制系統(tǒng)可以任意控制RGB的配比(如圖8所示)。在鍵盤(pán)上選擇紅光、綠光、藍(lán)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(shù)值；然后再選擇綠光，在窗口需要數(shù)值確定；最后選擇藍(lán)光確定數(shù)值。紅光、綠光、藍(lán)光數(shù)值組合有N種組合。

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

在實(shí)驗(yàn)室墻上我們放置了一塊50 cm大小的紅顏色板材，當(dāng)用單一黃光投光時(shí)，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(shí)驗(yàn)以后，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)R為255、G為148、B為30時(shí)，紅顏色得到真實(shí)畫(huà)面(如圖9所示)。

走出實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)物進(jìn)行光照檢驗(yàn)，如圖10所示。在秋天，幾株灌木樹(shù)葉變紅了，我們采用RGB組合分別為255∶148∶30時(shí)，照射樹(shù)木，我們驚喜的發(fā)現(xiàn)樹(shù)葉固有色可以很好的表達(dá)。從光譜圖可以看出，光譜是不連續(xù)的，僅僅三色光的光譜組合。

同理通過(guò)大量RGB組合試驗(yàn)，當(dāng)RGB組合比例為253∶121∶91時(shí)，可以很好的表達(dá)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(shí)。

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(xiàn)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(xiàn)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(jié)束語(yǔ)

我們對(duì)園林夜景照明中使用的光源的光譜特性進(jìn)行了分析，通過(guò)單色LED光源組合光譜照射植物的色彩表現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)研究，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)三原色紅、綠、藍(lán)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(xiàn)的要求。本文的研究成果對(duì)于優(yōu)化園林夜景照明，提升照明設(shè)計(jì)水平具有一定的幫助。