照明產(chǎn)品顯色性評價概述

王平 何欣 張來軍

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海201114

國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（上海），上海201114

0 引言

照明的目的是營造一個良好的光環(huán)境，為此，合理的光源除了要求達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的光效外，其顯色性同樣舉足輕重。根據(jù)不同的照明需求，靈活地將各種光源的特性與環(huán)境相配合，才能恰到好處地提高照明質(zhì)量。在照明方案中，有各種評價照明質(zhì)量的指標(biāo)，包括色溫，顯色性等。這些參數(shù)關(guān)系到照明的最終效果，同時也是人們購買照明產(chǎn)品時所參考的決定性因素。因此，對于光源的顯色性應(yīng)用研究變得日益重要。

1 顯色性相關(guān)概念

顯色性是照明體對物體色貌的影響，這種影響是觀察者有意或者無意將它與參照照明體下的色貌相比較產(chǎn)生的[1]。光源的顯色性一般情況下可用顯色指數(shù)來表示。相關(guān)研究結(jié)果表明，顯色性與顯色指數(shù)呈正相關(guān)，也就是說，光源的顯色性是受到顯色指數(shù)的影響，如果顯色指數(shù)越大，對應(yīng)的顯色性就越好。太陽光的照明指數(shù)在國際照明委員會中有明確的規(guī)定，對應(yīng)的顯色指數(shù)是100。目前，學(xué)術(shù)界對顯色指數(shù)也進(jìn)行了分類，包括Ra和Ri，Ra代表一般顯色指數(shù)，Ri代表特殊顯色指數(shù)。在CIE系統(tǒng)規(guī)定中，為確定待測光源的顯色性，首先要選擇參考的光源，并認(rèn)為在參考光源的照射下，被照物體的顏色可以最完善的顯現(xiàn)。并且規(guī)定，當(dāng)待測光源的相關(guān)色溫小于5000K時，以色溫最接近的黑體作為參考光源；當(dāng)待測光源的相關(guān)色溫大于5 000 K時，用色溫最相近的D光源作為參考光源，這里D光源指的是一系列色坐標(biāo)可以用數(shù)字式表示，并與色溫有關(guān)的日光。在選定參考的光源后，還需要選定有色物體。因為顏色的多樣性，需要選擇一組標(biāo)準(zhǔn)顏色，使它們能充分代表常用的顏色。CIE顏色系統(tǒng)選擇了8種顏色，它們既有多種色調(diào)，又具有中等明度值和彩度。在U-V顏色系統(tǒng)中，測定每一塊標(biāo)準(zhǔn)色板，在待測光源照射下和在參考光源照射下色坐標(biāo)的差別，是色位移Ei，就得到該色板的特殊顯色指數(shù)Ri。Ri可以用下面的公式算出：Ri=100-4.6Ei。所謂的一般顯色指數(shù)Ra，指的是對規(guī)定的8塊標(biāo)準(zhǔn)色板所測得的特殊顯色指數(shù)Ri取算術(shù)的平均值[2]。R1到R8是評價一般顯色指數(shù)用的檢驗色樣，R9到 R15則是評價特殊顯色指數(shù)評價用的色樣，具體色樣如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)CRI色樣

1.1 特殊顯色指數(shù)R9

伴隨科技的進(jìn)步與發(fā)展，當(dāng)前LED光源已經(jīng)廣泛走進(jìn)人們的日常生活以及工業(yè)的生產(chǎn)中。早期的LED光源對于紅色的還原性差，即 R9＜0，在這種背景下，人們除了關(guān)注Ra，又要考核R9。R9是飽和紅色，對于人的皮膚色澤、物品的色彩方面具有很明顯的還原作用。關(guān)于顯色指數(shù) R9，在美國能源之星中相關(guān)規(guī)定，規(guī)定R9應(yīng)該≥0。顯色指數(shù)R9，顧名思義，指的是某種光源對高彩度紅色的顯色性能，研究表明，光源對紅色的還原性在該數(shù)值越大時越好。為了進(jìn)一步顯著提高光源的顯色性，需要使光源同時具備較高的Ra和R9。提高白光 LED特殊顯色指數(shù)R9有3種方法：在623-626 nm的波長范圍里選擇626 nm的紅色熒光粉；紅色熒光粉峰值波長相同時，選擇亮度更高的紅色熒光粉；選擇更綠的黃綠粉，增加紅色熒光粉的比例[3]。

1.2 IESTM-30

在對視覺體驗的描述上，CIE(國際照明委員會)習(xí)慣采用一般顯色指數(shù)來評價。但I(xiàn)ES(北美照明工程協(xié)會)認(rèn)為Ra這種評價方式過于單一，只考慮了顏色質(zhì)量這一個方面，人眼對顏色的感知無法完全表達(dá)，欠缺完整性，有一定的缺陷。所以，IES在2013年3月成立了顏色度量工作組，以便更好地為照明及相關(guān)行業(yè)服務(wù)，對光源顯色性進(jìn)行進(jìn)一步的研究，主要研究目的是能夠改進(jìn)原有的評價體系，尋找一個可以代替CRI系統(tǒng)的新系統(tǒng)。2015年，IES正式公布了相關(guān)規(guī)范文件TM-30-15，顏色的質(zhì)量采用顏色保真度指數(shù) Rf和顏色飽和度指數(shù) Rg兩個指標(biāo)來共同評價，這與CIE的CRI有重大的區(qū)別。在2018年對舊版文件進(jìn)行了部分更新，發(fā)布了新版的光源顏色質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)TM-30-18。新版標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了色板在小于400 nm和大于700nm范圍的光譜反射率計算函數(shù)，調(diào)整了參考光源的光渡區(qū)，適用色溫范圍由原來的4500-5500K變?yōu)?000-5000K，并修改了顏色保真度Rf的評價公式，計算的比例因子從7.54改為6.73[4]。

TM-30顏色質(zhì)量采用顏色保真度指數(shù)Rf和顏色飽和度指數(shù)Rg這兩個指標(biāo)來共同評價。Rf用于表征各標(biāo)準(zhǔn)色在測試光源照射下與參考光源相比的相似程度，范圍是從0到100，數(shù)值越高色彩真實度越佳。顏色飽和度指數(shù)Rg，表征各標(biāo)準(zhǔn)色在測試光源照射下與參考光源相比的飽和程度。指數(shù)100代表飽和度最佳，指數(shù)大于100代表光源可以提高顏色的飽和度，指數(shù)小于100代表顏色的飽和度在測試光源下會降低[4]。

TM-30的優(yōu)勢在于：有更平滑的參考光源，標(biāo)準(zhǔn)選用的參考光源依照測量光源的相關(guān)色溫分為3段；有更具代表性的標(biāo)準(zhǔn)色樣，選用的標(biāo)準(zhǔn)色樣為99種，Ra的色樣僅有8種；有更詳盡的描述指標(biāo)，選用CIE推薦的CAM02-USC色空間[5]。

2 實驗數(shù)據(jù)

本實驗對白熾燈、熒光燈、鈉燈、金鹵燈、LED路燈、LED教室燈等不同類型的照明產(chǎn)品進(jìn)行測試，重點對比6種不同光源的Ra、R9、Rf和Rg，實驗結(jié)果見表1。

表1 不同類型照明產(chǎn)品Ra,R9,Rf,Rg對比

金鹵燈images/BZ_20_535_358_1093_684.pngimages/BZ_20_1241_357_1605_692.png64 0 75 82 LED燈絲燈 81 1 85 94images/BZ_20_535_726_1093_1052.pngimages/BZ_20_1241_713_1605_1048.pngLED路燈74 0 75 94images/BZ_20_535_1085_1093_1411.pngimages/BZ_20_1241_1072_1605_1407.pngLED教室燈96 75 90 98images/BZ_20_535_1438_1093_1764.pngimages/BZ_20_1241_1425_1605_1760.png

通過分析實驗結(jié)果，白熾燈是最好的，但弊端在于盡管擁有較高的顯色指數(shù)，但因其存在著使用壽命短、光效低，已經(jīng)被世界上的一些國家立法禁用，正面臨著停產(chǎn)。高壓鈉燈雖然顯色性不是很好，但光效高，使用場所存在一定的局限，只能少量用于戶外的道路照明。LED燈絲燈的顯色性比較差，雖然 Ra有81，但R9只有1，點亮后會呈現(xiàn)暗黃色的顏色，色彩還原性不高。LED教室燈采用藍(lán)光激發(fā)綠色和紅色熒光粉，具備較高的顯色指數(shù)和色彩還原性。LED正因為其獨一無二的優(yōu)勢，在照明市場站穩(wěn)了腳跟，目前已是照明市場上最重要的產(chǎn)品。

3 討論

據(jù)相關(guān)資料顯示，從Ra角度對LED進(jìn)行評價時，顯色性評價和視覺評價之間的結(jié)果并非完全統(tǒng)一，究其原因，主要是因為一些顯色指數(shù)高的LED燈在視覺上可能存在著較差的顯色性，同時那些顯色指數(shù)低的LED白光也有可能在視覺上表現(xiàn)出較高的顯色性。其實本質(zhì)上是由于傳統(tǒng)的顯色指數(shù)評價不能很好地評價非連續(xù)光譜的 LED。所以，在討論光源的顯色性時，需要兼顧好光源的 R9和 Ra。對該項指標(biāo)也進(jìn)行了測試，通過測試的結(jié)果可以看出，LED路燈、金鹵燈和鈉燈的R9都是等于0的。當(dāng)然，LED燈具制作過程中也需要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對Ra和R9的要求

從表1的數(shù)據(jù)圖中，可以看到有些照明產(chǎn)品測出的數(shù)據(jù)Rf的數(shù)值是比Ra的數(shù)值小的，雖然Rf類似于一般顯色指數(shù)Ra，但是它的試樣色樣集樣本量、參照照明體、顏色空間、色度觀測者等參數(shù)都是不同，導(dǎo)致計算結(jié)果也是不同的。在《QB/T 5208—2017白光光源顯色性評價方法》中也有提到，Rf和Ra作為兩個參數(shù)體系，參數(shù)數(shù)值是不具備可比性的，不適合在顯色性能指標(biāo)中將原有針對Ra的限值設(shè)定為針對Rf的限值[1]。2017年5月8日，CIE發(fā)布了新的技術(shù)報告《CIE224:2017CIE2017Colour Fidelity Indexfor Accurate Scientific Use》，提出現(xiàn)階段Rf并不能取代Ra，替換CRI將是未來研究和討論的問題，其中將包括評估顏色保真度指數(shù)Rf，以及開發(fā)一套協(xié)調(diào)一致的新色彩質(zhì)量度量，以評估除色彩逼真度和實用性以外的、與感知相關(guān)的影響制造商和最終用戶的各個方面?，F(xiàn)階段各標(biāo)準(zhǔn)也只對 Ra和 R9提出要求，實際應(yīng)用中應(yīng)基于評價目的和場合選取最合適的指標(biāo)，對于TM-30這種新的系統(tǒng)還需要科學(xué)工作者不斷的研究和討論。