深度解讀：探討光源顯色指數(shù)與白光LED的顯色性

　　一般人工照明光源都是用一般顯色指數(shù)作為顯色性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，顯色指數(shù)同時(shí)也是衡量光源顏色特性的重要參數(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)光源顯色指數(shù)的計(jì)算已有多種測試方法并建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但白光LED對(duì)于照明業(yè)來說是一種新型光源，傳統(tǒng)的測試方法是否適用于白光LED的光色特性分析，還有待深入研究。本文就顯色指數(shù)的相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行了介紹和討論，并對(duì)白光LED顯色性評(píng)價(jià)進(jìn)行了探討。

　　一、顯色指數(shù)計(jì)算方法及評(píng)價(jià)LED存在的問題

　　目前對(duì)于光源顯色指數(shù)的計(jì)算方法主要還是CIE制定的“測色法”和沃爾特提出的“沃爾特法”.“沃爾特法”實(shí)質(zhì)上是對(duì)CIE“測色法”的改進(jìn)，是沃爾特為了簡化標(biāo)準(zhǔn)法中顯色指數(shù)的計(jì)算過程建立的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，加快了計(jì)算速度并且誤差較小。這里主要介紹一下CIE制定的“測色法”.

　　1965年CIE制定了一種評(píng)價(jià)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[1].用試驗(yàn)色評(píng)價(jià)顯色指數(shù)是最有效的方法，它與目視效果一致，是計(jì)算顯色指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法。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(píng)價(jià)時(shí)采用一套14種試驗(yàn)顏色樣品，其中1-8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)用的八種標(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。我國計(jì)算光源顯色指數(shù)的方法還增加了中國人女性膚色的顏色樣品[2].

　　圖2 CIE中9-14號(hào)色樣

　　特殊顯色指數(shù)的計(jì)算公式為： （1）i = 100 - 46E i

　　其中是參照光源下和待測光源下各種試驗(yàn)色的色差： （2）

　　公式中，r代表參照光源下標(biāo)；k表示待測光源下標(biāo)；其中，Uk、Vk表示待測光源色品坐標(biāo)；Ur、Vr表示參照照明光源色品坐標(biāo)值（uv坐標(biāo)值的具體計(jì)算過程可查閱CIE或國家標(biāo)準(zhǔn)[1,2].

　　一般顯色指數(shù)的計(jì)算公式為： （4）

　　CIE顯色指數(shù)廣泛用于評(píng)價(jià)熒光燈和HID燈。但是，顯色指數(shù)已有40多年的歷史，而白光LED卻是照明業(yè)的新型光源，利用顯色指數(shù)來評(píng)價(jià)LED的顯色性是否合適尚不明確，并且傳統(tǒng)顯色指數(shù)的計(jì)算方法是否適用于白光LED也有待研究。從公式（4）中可以看出，一般顯色指數(shù)是對(duì)8塊色樣的特殊顯色指數(shù)取算術(shù)平均值，這就使得在測試計(jì)算時(shí)容易產(chǎn)生問題，例如：某一光源，即使對(duì)一兩塊色樣具有很低的特殊顯色指數(shù)，取平均后同樣可以獲得較高的一般顯色指數(shù)值。同樣，具有較低的一般顯色指數(shù)值的光源可能會(huì)對(duì)一兩塊色樣具有較高的特殊顯色指數(shù)值。

　　此外，CIE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的用于計(jì)算一般顯色指數(shù)的8種色樣在評(píng)價(jià)光源時(shí)也存在局限性。顯色指數(shù)值是基于光源對(duì)8塊標(biāo)準(zhǔn)色樣的顯色性而得到，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)生問題，而LED正是這樣一種光源。

　　二、LED的顯色性評(píng)價(jià)探討

　　許多研究都表明用CIE顯色指數(shù)來評(píng)價(jià)LED的顯色性會(huì)存在很多問題[3-6].CIE也不推薦采用顯色指數(shù)來評(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)的若干問題[7].

　　CIE規(guī)定，Ra的數(shù)值范圍是0~100,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；Ra50,光源的顯色性較差。按照CIE顯色指數(shù)計(jì)算法，光源的顯色指數(shù)值與光譜分布密切相關(guān)，越接近自然光譜（或者說是標(biāo)準(zhǔn)光譜），顯色指數(shù)越高。但是利用顯色指數(shù)評(píng)價(jià)LED顯色性時(shí)，卻存在一定的問題。以藍(lán)光芯片加黃色熒光粉生成的白光LED為例，如果熒光粉輕微的變化一點(diǎn)點(diǎn)，釋放波長雖然只是移動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)，但顯色指數(shù)值就會(huì)明顯的下降，而人眼卻幾乎觀察不到顯色性的變化。更需要引起我們注意的是，實(shí)際測試中發(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[8].我們?cè)跍y試LED燈具時(shí)就曾發(fā)現(xiàn)，顯色指數(shù)低的LED燈具照射的物體，有時(shí)看起來反而更亮、更生動(dòng)。

　　圖3與圖4是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）實(shí)際測試的兩款LED光源的顯色性結(jié)果[8],其中圖3所用LED光源的顯色指數(shù)為80,圖4所用LED光源的顯色指數(shù)為67,但仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，顯色指數(shù)67的LED,對(duì)于大部分顏色的顯色性比顯色指數(shù)80的要好。

　　目前主要問題是如何找到適合評(píng)價(jià)LED顯色性的測試方法。在認(rèn)識(shí)到顯色指數(shù)評(píng)價(jià)LED遇到的問題后，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）。與顯色指數(shù)類似，CQS也是采用測驗(yàn)色法，不過CQS選取的是15種飽和色，它們平均分布于整個(gè)可見光譜中，如圖5所示。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[9].

　　圖5 CQS選用的15種色樣

　　筆者認(rèn)為在評(píng)價(jià)LED顯色性時(shí)需注意三點(diǎn)：

　　第一，在沒有制定出更適合評(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)值來評(píng)估白光LED產(chǎn)品，但是需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來評(píng)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(shí)際的視覺感受；

　　第二，LED是一種新型光源，在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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，從而保證其擁有良好的發(fā)展空間；

　　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系統(tǒng)才有意義，不同種色的人群其視覺感受會(huì)有所差別。

　　半導(dǎo)體照明產(chǎn)品的應(yīng)用尚處于起步階段，且應(yīng)用面廣、品種繁多，其測試評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)方面的研究還處于動(dòng)態(tài)研究階段。目前針對(duì)白光LED顯色性方面的評(píng)價(jià)，主要是依據(jù)CIE的顯色指數(shù)測試法，但實(shí)際測量中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了諸多問題，新的測試方法正在研究中。要制定一個(gè)更好的顯色質(zhì)量測試評(píng)價(jià)方法，還需要一個(gè)長期的研究和發(fā)展過程。