光的显色性

bomoaa · 发表于 2013-3-17 04:40:18

　显色性是指光源发出的光照射到物体上所产生的客观效果和对物体真实色彩的显现程度，是评价照明光源的一个重要指标。显色性高的光源对颜色的表现较好，所看到的颜色接近自然原色；显色性低的光源对颜色表现较差，所看到的颜色偏差也较大。如果光源发出的光中所含的各色光的比例和自然光相近，则人眼看到的颜色就较为逼真。光源的光谱分布决定光源的显色性，光源的显色性影响人眼观察物体的颜色，对光源显色性进行定量评价是评价光源质量的一个重要方面。
  　　一般人工照明光源都是用一般显色指数作为显色性的评价指标，显色指数同时也是衡量光源颜色特性的重要参数。针对传统光源显色指数的计算已有多种测试方法并建立了相关标准，但白光LED对于照明业来说是一种新型光源，传统的测试方法是否适用于白光LED的光色特性分析，还有待深入研究。本文就显色指数的相关计算方法进行了介绍和讨论，并对白光LED显色性评价进行了探讨。
  一、显色指数计算方法及评价LED存在的问题
  　　目前对于光源显色指数的计算方法主要还是CIE制定的“测色法”和沃尔特提出的“沃尔特法”。“沃尔特法”实质上是对CIE“测色法”的改进，是沃尔特为了简化标准法中显色指数的计算过程建立的一个经验公式，加快了计算速度并且误差较小。这里主要介绍一下CIE制定的“测色法”。
  　　1965年CIE制定了一种评价光源显色性的方法，简称“测色法”，经1974年修订，正式推荐在国际上采用[1]。用试验色评价显色指数是最有效的方法，它与目视效果一致，是计算显色指数的标准方法。按CIE的规定，标准照明体即作为参照照明光源要根据待测光源的相关色温来选取，一般把普朗克辐射体作为低色温光源(小于5000K)的参考标准，把标准照明体D（即组合日光）作为高色温光源(大于 5000K)的参考标准。
  　　CIE规定显色指数分为特殊显色指数Ri和一般显色指数 Ra。评价时采用一套14种试验颜色样品，其中1-8试验色用于一般显色指数的计算，这8种颜色样品选自孟塞尔色标，包含各种有代表性的色调，都具有中等彩度和明度，如图1所示。
  图1  CIE中1-8号色样
  　　CIE除规定了计算一般显色指数用的八种标准颜色样品外，还补充规定了6种计算特殊颜色显色指数的标准颜色样品，供检验光源的某种特殊显色性能选用，分别是彩度较高的红、黄、绿、蓝及叶绿色和欧美人的肤色，如图2所示。我国计算光源显色指数的方法还增加了中国人女性肤色的颜色样品[2]。
  图2  CIE中9-14号色样
  　　特殊显色指数的计算公式为：（1）
  　　其中是参照光源下和待测光源下各种试验色的色差: （2）
  　　公式中，r代表参照光源下标；k表示待测光源下标；i表示检验色样序号的下标；U*、V*、W*是均匀颜色空间坐标值，由公式（3）求得。
  　　；；；（3）
  　　其中，Y表示检验色样CIE 1931三色刺激值Y；u、v表示检验色样的uv坐标值；u0、v0表示照明光源的uv坐标值（uv坐标值的具体计算过程可查阅CIE或国家标准[1,2]。
  　　一般显色指数的计算公式为：（4）
  　　CIE显色指数广泛用于评价荧光灯和HID灯。但是，显色指数已有40多年的历史，而白光LED却是照明业的新型光源，利用显色指数来评价LED的显色性是否合适尚不明确，并且传统显色指数的计算方法是否适用于白光LED也有待研究。从公式（4）中可以看出，一般显色指数是对8块色样的特殊显色指数取算术平均值，这就使得在测试计算时容易产生问题，例如：某一光源，即使对一两块色样具有很低的特殊显色指数，取平均后同样可以获得较高的一般显色指数值。同样，具有较低的一般显色指数值的光源可能会对一两块色样具有较高的特殊显色指数值。
  　　此外，CIE标准中规定的用于计算一般显色指数的8种色样在评价光源时也存在局限性。显色指数值是基于光源对8块标准色样的显色性而得到，8种颜色样品都具有中等彩度和明度，都是非饱和色，它们用于衡量光谱连续且频带较宽的光源的显色性具有不错的结果，而对于评价波形陡峭且频带狭窄的光源则会产生问题，而LED正是这样一种光源。
  二、LED的显色性评价探讨
  　　许多研究都表明用CIE显色指数来评价LED的显色性会存在很多问题[3-6]。CIE也不推荐采用显色指数来评价LED，并在CIE技术报告：《CIE 177：2007，白光LED光源的显色性》中总结出了显色指数用于评价LED时会出现的若干问题[7]。
  　　CIE规定，Ra的数值范围是0~100，Ra值越高，光源的显色性就越好。一般认为Ra≥80，光源的显色性优良；50≤Ra≤79，光源的显色性一般；Ra＜50，光源的显色性较差。按照CIE显色指数计算法，光源的显色指数值与光谱分布密切相关，越接近自然光谱（或者说是标准光谱），显色指数越高。但是利用显色指数评价LED显色性时，却存在一定的问题。以蓝光芯片加黄色荧光粉生成的白光LED为例，如果荧光粉轻微的变化一点点，释放波长虽然只是移动一点点，但显色指数值就会明显的下降，而人眼却几乎观察不到显色性的变化。更需要引起我们注意的是，实际测试中发现，有时候显色指数低的LED甚至会比显色指数高的LED具有更完美的显色性[8]。我们在测试LED灯具时就曾发现，显色指数低的LED灯具照射的物体，有时看起来反而更亮、更生动。
  　　图3与图4是美国国家标准与技术研究所（NIST）实际测试的两款LED光源的显色性结果[8]，其中图3所用LED光源的显色指数为80，图4所用LED光源的显色指数为67，但仔细观察会发现，显色指数67的LED，对于大部分颜色的显色性比显色指数80的要好。
  图3  显色指数为80的LED

  图4  显色指数为67的LED
  　　目前主要问题是如何找到适合评价LED显色性的测试方法。在认识到显色指数评价LED遇到的问题后，NIST正致力于研究制定一种新的评价光源显色性的方法-色质指数法（CQS）。与显色指数类似，CQS也是采用测验色法，不过CQS选取的是15种饱和色，它们平均分布于整个可见光谱中，如图5所示。目前NIST正致力于CQS的测试与开发，并希望将该法推荐应用到固态照明行业中来[9]。

图5  CQS选用的15种色样
  　　笔者认为在评价LED显色性时需注意三点：第一，在没有制定出更适合评价LED显色性的标准方法前，可以考虑用显色指数值来评估白光LED产品，但是需要根据实际应用来评估和选择，不能简单的认为显色指数低的LED其显色性就差，更应该尊重实际的视觉感受；第二，LED是一种新型光源，在制定标准时可宽松一些，比如传统光源显色指数分出的三个等级可以适当放低要求，可认为显色指数大于70即为显色性优良，从而保证其拥有良好的发展空间；第三，制定LED显色性评价方法时需要注意人种的区别，颜色反映在人的视觉系统才有意义，不同种色的人群其视觉感受会有所差别。
  　　半导体照明产品的应用尚处于起步阶段，且应用面广、品种繁多，其测试评价方法和标准方面的研究还处于动态研究阶段。目前针对白光LED显色性方面的评价，主要是依据CIE的显色指数测试法，但实际测量中已经发现了诸多问题，新的测试方法正在研究中。要制定一个更好的显色质量测试评价方法，还需要一个长期的研究和发展过程。
  　　本工作得到了辽宁省高校优秀人才计划项目（LR201006）、大连市科技计划项目（2009A18GX016）的支持，在此表示感谢！
  参考文献
  [1]CIE No. 13-2-1974. Method of measuring and specifying color rendering properties of light sources [S].
[2]GB/T 5702-2003
[3]N. Narendran and L. Deng, “Color rendering properties of LED sources,” Proc. SPIE, vol. 4776: 61–67, 2002.
[4]Y. Ohno, “Spectral design considerations for white LED color rendering,” Opt. Eng., vol. 44, no. 11, pp. 111302-1–111302-9, Nov. 2005.
[5]A. Zukauskas, R. Vaicekauskas, F. Ivanauskas, H. Vaitkevicius, P. Vitta, M. Shur, Statistical Approach to Color Quality of Solid-State Lamps, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 15. No. 6, 2009.
[6]W. Davis and Y. Ohno, “Approaches to color rendering measurement,” J. Modern Optics, Vol. 56, No. 13, 1412-1419 (2009).

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