不同光源的顯色性比較實驗研究

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)生的客觀效果和對物體真實色彩的顯現(xiàn)程度，是評價照明光源的一個重要指標(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，對光源顯色性進(jìn)行定量評價是評價光源質(zhì)量的一個重要方面。一般的人工照明光源都是用顯色指數(shù)Ra作為顯色性的評價指標(biāo)。Ra的數(shù)值范圍從0～100，沒有物理單位。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、長壽命等一系列優(yōu)點而被公認(rèn)為最具潛力取代傳統(tǒng)照明器具的新產(chǎn)品。傳統(tǒng)光源顯色性評價應(yīng)用最多的是國際照明學(xué)會CIE制定的“測色法”，廣泛用于評價熒光燈和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)來評價LED的顯色性會存在很多問題［1～3］。CIE也不推薦采用顯色指數(shù)來評價LED，并在CIE技術(shù)報告:《CIE 177:2007，白光LED光源的顯色性》中總結(jié)出了顯色指數(shù)用于評價LED時會出現(xiàn)的若干問題［4］。國內(nèi)復(fù)旦大學(xué)也對LED的顏色質(zhì)量評價方法進(jìn)行了初步研究［5］。

本文對6種不同電光源的顯色性進(jìn)行了實驗研究。首先基于CIE測色法，對6種光源的一般顯色指數(shù)進(jìn)行了測試，然后利用主觀評價法對6種光源的顯色能力進(jìn)行了主觀評價與比較。實驗表明，白熾燈、熒光燈的顯色指數(shù)測試結(jié)果與顯色能力主觀評價結(jié)果相吻合，但白光LED球泡燈的顯色指數(shù)與顯色能力主觀評價有一定出入，說明一般顯色指數(shù)只適用于用于評價傳統(tǒng)光源，而對白光LED則需要研究新的顯色性評價方法。

2 CIE顯色指數(shù)計算方法

1965年CIE制定了一種評價光源顯色性的方法，簡稱“測色法”，經(jīng)1974年修訂，正式推薦在國際上采用［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)待測光源的相關(guān)色溫來選取，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，評價時采用一套14種試驗顏色樣品，其中1～8號試驗色用于一般顯色指數(shù)的計算，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號色樣

CIE除規(guī)定了計算一般顯色指數(shù)用的8種標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品外，還補充規(guī)定了6種計算特殊顏色顯色指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品，供檢驗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。我國計算光源顯色指數(shù)的方法還增加了中國女性膚色的顏色樣品［7］。

圖2 CIE中9～14號色樣

特殊顯色指數(shù)的計算公式為:

其中ΔEi是參照光源下和待測光源下各種試驗色的色差:

式中 r——參照光源下標(biāo);

k——待測光源下標(biāo);

i——檢驗色樣序號的下標(biāo);

U*、V*、W*——均勻顏色空間坐標(biāo)值，由式(3)求得。

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

3 實驗研究

實驗選取了6種光源，其中1個白熾燈，2個緊湊型熒光燈，3個白光LED球泡燈，基本信息如表1所示。

主觀評價實驗在暗室內(nèi)進(jìn)行，主要是選用不同光源對同一物品 (仿真花束)進(jìn)行照射，讓測試者對光源的顯色性進(jìn)行主觀評價。圖3暗室內(nèi)是三種不同光源照射下的顯色照片。實驗選取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，無色弱色盲等眼疾。

表1 實驗用光源相關(guān)信息

圖3 仿真花束在不同光源下的顯色情況

主觀評價主要分為兩方面的內(nèi)容，一是對光源顯色能力的評價，將光源顯色能力分為5等，分別是很好、較好、一般、較差、很差;二是光源顯色性對比評價，即對6種光源顯色能力進(jìn)行主觀排序。實驗統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 顯色能力主觀評價結(jié)果

主觀評價結(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號光源顯色性較好，5人認(rèn)為2號光源顯色性一般，有2人認(rèn)為3號光源顯色性很好，18人認(rèn)為3號光源顯色性較好;LED球泡燈顯色能力方面，沒有人選擇“很好”，分別有15人、14人和10人認(rèn)為4號、5號和6號光源具有較好的顯色性。需要注意的是，在實際測試中發(fā)現(xiàn)，有時候顯色指數(shù)低的LED甚至?xí)蕊@色指數(shù)高的LED具有更完美的顯色性，這與測試者中多數(shù)人認(rèn)為顯色指數(shù)最低的5號光源 (73.6)比顯色指數(shù)較高的6號光源 (82.4)顯色性更好相吻合。

實驗表明，白熾燈、熒光燈的顯色指數(shù)測試結(jié)果與顯色能力主觀評價結(jié)果相吻合，但白光LED球形燈的顯色指數(shù)與顯色能力主觀評價有一定出入，這說明一般顯色指數(shù)適用于用于評價傳統(tǒng)光源 (白熾燈、熒光燈)，但對白光LED則有待改進(jìn)，需要提出新的評價方法。在表1中我們還給出了6中光源對9號色樣的顯色指數(shù)，由表可見，除了白熾燈以外，9號樣品在其他5種光源下產(chǎn)生過大的色差，這也正證明了CIE顯色指數(shù)存在問題。

其實從式 (4)及CIE所用顏色樣品中也可以分析出來，一般顯色指數(shù)在測試計算非連續(xù)光譜的光源時很容易產(chǎn)生問題。一般顯色指數(shù)測試所用的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的結(jié)果，而對于評價波形陡峭且頻帶狹窄的光源則會產(chǎn)生問題，而LED正是波形陡峭且頻帶狹窄的光源。

4 討論

實驗表明，用顯色指數(shù)來評價傳統(tǒng)光源的顯色性比較完美，但用來評價白光LED的顯色性則明顯存在問題。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST)正致力于研究制定一種新的評價光源顯色性的方法——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可見光譜中，目前NIST正致力于CQS的測試與開發(fā)，并希望將該法推薦應(yīng)用到固態(tài)照明行業(yè)中來［8］。但也有研究指出，CQS在評價顏色質(zhì)量的準(zhǔn)確性上，與CRI相比并未體現(xiàn)明顯優(yōu)勢［5］。因此，要針對白光LED制定一個更好的顯色質(zhì)量測試評價方法，還需要一個長期的研究和發(fā)展過程。

作者之前曾提出在評價LED顯色性時需注意三點［9］:第一，在沒有制定出更適合評價LED顯色性的標(biāo)準(zhǔn)方法前，可以考慮用顯色指數(shù)值來評估白光LED產(chǎn)品，但是需要根據(jù)實際應(yīng)用來評估和選擇，不能簡單的認(rèn)為顯色指數(shù)低的LED其顯色性就差，更應(yīng)該尊重實際的視覺感受;第二，對于LED這種新生產(chǎn)物，在制定標(biāo)準(zhǔn)時候可寬松一些，比如傳統(tǒng)光源顯色指數(shù)分出的三個等級可以適當(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顯色性評價方法時需要注意人種的區(qū)別，顏色反映在人的視覺系統(tǒng)才有意義，不同種色的人群其視覺感受可能會有所差別。

［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)量評價方法研究.照明工程學(xué)報，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的顯色性評價探討.半導(dǎo)體照明，2011，12(2).