李德勝 鄒 琳 曹 帆 楊 軼 鄒念育

(大連工業(yè)大學(xué)光子學(xué)研究所，遼寧大連 116034)

1 引言

顯色性是指光源發(fā)出的光照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果和對(duì)物體真實(shí)色彩的顯現(xiàn)程度，是評(píng)價(jià)照明光源的一個(gè)重要指標(biāo)。光源的光譜分布決定光源的顯色性，光源的顯色性影響人眼觀察物體的顏色，對(duì)光源顯色性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)光源質(zhì)量的一個(gè)重要方面。一般的人工照明光源都是用顯色指數(shù)Ra作為顯色性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。Ra的數(shù)值范圍從0～100，沒(méi)有物理單位。Ra值越高，光源的顯色性就越好。一般認(rèn)為Ra≥80，光源的顯色性優(yōu)良;50≤Ra≤79，光源的顯色性一般;Ra＜50，光源的顯色性較差。

白光LED是新光源中的佼佼者，以其節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命等一系列優(yōu)點(diǎn)而被公認(rèn)為最具潛力取代傳統(tǒng)照明器具的新產(chǎn)品。傳統(tǒng)光源顯色性評(píng)價(jià)應(yīng)用最多的是國(guó)際照明學(xué)會(huì)CIE制定的“測(cè)色法”，廣泛用于評(píng)價(jià)熒光燈和HID燈。但顯色指數(shù)已有40多年的歷史，是否適用于白光LED還有待研究。許多研究表明用CIE顯色指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)LED的顯色性會(huì)存在很多問(wèn)題［1～3］。CIE也不推薦采用顯色指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)LED，并在CIE技術(shù)報(bào)告:《CIE 177:2007，白光LED光源的顯色性》中總結(jié)出了顯色指數(shù)用于評(píng)價(jià)LED時(shí)會(huì)出現(xiàn)的若干問(wèn)題［4］。國(guó)內(nèi)復(fù)旦大學(xué)也對(duì)LED的顏色質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了初步研究［5］。

本文對(duì)6種不同電光源的顯色性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。首先基于CIE測(cè)色法，對(duì)6種光源的一般顯色指數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，然后利用主觀評(píng)價(jià)法對(duì)6種光源的顯色能力進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)與比較。實(shí)驗(yàn)表明，白熾燈、熒光燈的顯色指數(shù)測(cè)試結(jié)果與顯色能力主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合，但白光LED球泡燈的顯色指數(shù)與顯色能力主觀評(píng)價(jià)有一定出入，說(shuō)明一般顯色指數(shù)只適用于用于評(píng)價(jià)傳統(tǒng)光源，而對(duì)白光LED則需要研究新的顯色性評(píng)價(jià)方法。

2 CIE顯色指數(shù)計(jì)算方法

1965年CIE制定了一種評(píng)價(jià)光源顯色性的方法，簡(jiǎn)稱“測(cè)色法”，經(jīng)1974年修訂，正式推薦在國(guó)際上采用［6］。按CIE的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)照明體即作為參照照明光源要根據(jù)待測(cè)光源的相關(guān)色溫來(lái)選取，一般把普朗克輻射體作為低色溫光源 (小于5000K)的參考標(biāo)準(zhǔn)，把標(biāo)準(zhǔn)照明體D(即組合日光)作為高色溫光源 (大于5000K)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

CIE規(guī)定顯色指數(shù)分為特殊顯色指數(shù)Ri和一般顯色指數(shù)Ra，評(píng)價(jià)時(shí)采用一套14種試驗(yàn)顏色樣品，其中1～8號(hào)試驗(yàn)色用于一般顯色指數(shù)的計(jì)算，這8種顏色樣品選自孟塞爾色標(biāo)，包含各種有代表性的色調(diào)，都具有中等彩度和明度，如圖1所示。

圖1 CIE中1～8號(hào)色樣

CIE除規(guī)定了計(jì)算一般顯色指數(shù)用的8種標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品外，還補(bǔ)充規(guī)定了6種計(jì)算特殊顏色顯色指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品，供檢驗(yàn)光源的某種特殊顯色性能選用，分別是彩度較高的紅、黃、綠、藍(lán)及葉綠色和歐美人的膚色，如圖2所示。我國(guó)計(jì)算光源顯色指數(shù)的方法還增加了中國(guó)女性膚色的顏色樣品［7］。

圖2 CIE中9～14號(hào)色樣

特殊顯色指數(shù)的計(jì)算公式為:

其中ΔEi是參照光源下和待測(cè)光源下各種試驗(yàn)色的色差:

式中 r——參照光源下標(biāo);

k——待測(cè)光源下標(biāo);

i——檢驗(yàn)色樣序號(hào)的下標(biāo);

U*、V*、W*——均勻顏色空間坐標(biāo)值，由式(3)求得。

式 (3)中，Y表示檢驗(yàn)色樣CIE 1931三色刺激值Y;u、v表示檢驗(yàn)色樣的uv坐標(biāo)值;u0、v0表示照明光源的uv坐標(biāo)值。(uv坐標(biāo)值的具體計(jì)算過(guò)程可查閱CIE或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。)一般顯色指數(shù)的計(jì)算公式為:

3 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)選取了6種光源，其中1個(gè)白熾燈，2個(gè)緊湊型熒光燈，3個(gè)白光LED球泡燈，基本信息如表1所示。

主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)在暗室內(nèi)進(jìn)行，主要是選用不同光源對(duì)同一物品 (仿真花束)進(jìn)行照射，讓測(cè)試者對(duì)光源的顯色性進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。圖3暗室內(nèi)是三種不同光源照射下的顯色照片。實(shí)驗(yàn)選取20名本科生或研究生，其中10男10女，年齡為20至25歲，均具有正常的視力或矯正視力，無(wú)色弱色盲等眼疾。

表1 實(shí)驗(yàn)用光源相關(guān)信息

圖3 仿真花束在不同光源下的顯色情況

主觀評(píng)價(jià)主要分為兩方面的內(nèi)容，一是對(duì)光源顯色能力的評(píng)價(jià)，將光源顯色能力分為5等，分別是很好、較好、一般、較差、很差;二是光源顯色性對(duì)比評(píng)價(jià)，即對(duì)6種光源顯色能力進(jìn)行主觀排序。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 顯色能力主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

主觀評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，全部受試人員認(rèn)為白熾燈顯色性很好;熒光燈顯色能力方面，有15人認(rèn)為2號(hào)光源顯色性較好，5人認(rèn)為2號(hào)光源顯色性一般，有2人認(rèn)為3號(hào)光源顯色性很好，18人認(rèn)為3號(hào)光源顯色性較好;LED球泡燈顯色能力方面，沒(méi)有人選擇“很好”，分別有15人、14人和10人認(rèn)為4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)光源具有較好的顯色性。需要注意的是，在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，有時(shí)候顯色指數(shù)低的LED甚至?xí)蕊@色指數(shù)高的LED具有更完美的顯色性，這與測(cè)試者中多數(shù)人認(rèn)為顯色指數(shù)最低的5號(hào)光源 (73.6)比顯色指數(shù)較高的6號(hào)光源 (82.4)顯色性更好相吻合。

實(shí)驗(yàn)表明，白熾燈、熒光燈的顯色指數(shù)測(cè)試結(jié)果與顯色能力主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合，但白光LED球形燈的顯色指數(shù)與顯色能力主觀評(píng)價(jià)有一定出入，這說(shuō)明一般顯色指數(shù)適用于用于評(píng)價(jià)傳統(tǒng)光源 (白熾燈、熒光燈)，但對(duì)白光LED則有待改進(jìn)，需要提出新的評(píng)價(jià)方法。在表1中我們還給出了6中光源對(duì)9號(hào)色樣的顯色指數(shù)，由表可見(jiàn)，除了白熾燈以外，9號(hào)樣品在其他5種光源下產(chǎn)生過(guò)大的色差，這也正證明了CIE顯色指數(shù)存在問(wèn)題。

其實(shí)從式 (4)及CIE所用顏色樣品中也可以分析出來(lái)，一般顯色指數(shù)在測(cè)試計(jì)算非連續(xù)光譜的光源時(shí)很容易產(chǎn)生問(wèn)題。一般顯色指數(shù)測(cè)試所用的8種顏色樣品都具有中等彩度和明度，都是非飽和色，它們用于衡量光譜連續(xù)且頻帶較寬的光源的顯色性具有不錯(cuò)的結(jié)果，而對(duì)于評(píng)價(jià)波形陡峭且頻帶狹窄的光源則會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，而LED正是波形陡峭且頻帶狹窄的光源。

4 討論

實(shí)驗(yàn)表明，用顯色指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)傳統(tǒng)光源的顯色性比較完美，但用來(lái)評(píng)價(jià)白光LED的顯色性則明顯存在問(wèn)題。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST)正致力于研究制定一種新的評(píng)價(jià)光源顯色性的方法——色質(zhì)指數(shù)法 (CQS)。CQS選取的是15種飽和色，它們平均分布于整個(gè)可見(jiàn)光譜中，目前NIST正致力于CQS的測(cè)試與開(kāi)發(fā)，并希望將該法推薦應(yīng)用到固態(tài)照明行業(yè)中來(lái)［8］。但也有研究指出，CQS在評(píng)價(jià)顏色質(zhì)量的準(zhǔn)確性上，與CRI相比并未體現(xiàn)明顯優(yōu)勢(shì)［5］。因此，要針對(duì)白光LED制定一個(gè)更好的顯色質(zhì)量測(cè)試評(píng)價(jià)方法，還需要一個(gè)長(zhǎng)期的研究和發(fā)展過(guò)程。

作者之前曾提出在評(píng)價(jià)LED顯色性時(shí)需注意三點(diǎn)［9］:第一，在沒(méi)有制定出更適合評(píng)價(jià)LED顯色性的標(biāo)準(zhǔn)方法前，可以考慮用顯色指數(shù)值來(lái)評(píng)估白光LED產(chǎn)品，但是需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)評(píng)估和選擇，不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為顯色指數(shù)低的LED其顯色性就差，更應(yīng)該尊重實(shí)際的視覺(jué)感受;第二，對(duì)于LED這種新生產(chǎn)物，在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)候可寬松一些，比如傳統(tǒng)光源顯色指數(shù)分出的三個(gè)等級(jí)可以適當(dāng)放低要求，可認(rèn)為顯色指數(shù)大于70即為顯色性優(yōu)良 (此處只是假設(shè));第三，制定LED顯色性評(píng)價(jià)方法時(shí)需要注意人種的區(qū)別，顏色反映在人的視覺(jué)系統(tǒng)才有意義，不同種色的人群其視覺(jué)感受可能會(huì)有所差別。

［1］N.Narendran and L.Deng.“Color rendering properties of LED sources.”Proc.SPIE，vol.4776:61～67，2002.

［2］Y.Ohno.“Spectral design considerations for white LED color rendering.”O(jiān)pt.Eng.，vol.44，no.11，pp.111302-1-111302-9，Nov.2005.

［3］A.Zukauskas，R.Vaicekauskas，F(xiàn).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.

［4］CIE 177 ∶2007.“Colourrendering ofwhite LED sources.2007.

［5］程雯婷，孫耀杰，童立青，林燕丹.白光LED顏色質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究.照明工程學(xué)報(bào)，2011，22(3).

［6］CIE No.13-2-1974.Method of measuring and specifying color rendering properties of light sources［S］.

［7］GB/T 5702—2003.

［8］Wendy Davis.“Color Quality Scale(CQS):Measuring the color quality of light sources”，NIST.

［9］李德勝，鄒念育.光源顯色指數(shù)與白光LED的顯色性評(píng)價(jià)探討.半導(dǎo)體照明，2011，12(2).