白光LED顯色性問題與光源顯色指數(shù)探討

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(shí)色彩的顯現(xiàn)程度，是評價(jià)照明光源的一個(gè)重要指標(biāo)。顯色性高的光源對顏色的表現(xiàn)較好，所看到的顏色接近自然原色；顯色性低的光源對顏色表現(xiàn)較差，所看到的顏色偏差也較大。如果光源發(fā)出的光中所含的各色光的比例和自然光相近，則人眼看到的顏色就較為逼真。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(jià)是評價(jià)光源質(zhì)量的一個(gè)重要方面。

　　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，并對白光LED顯色性評價(jià)進(jìn)行了探討。

一、顯色指數(shù)計(jì)算方法及評價(jià)LED存在的問題

　　目前對于光源顯色指數(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號色樣

特殊顯色指數(shù)的計(jì)算公式為： （1）

　　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)；i表示檢驗(yàn)色樣序號的下標(biāo)；U*、V*、W*是均勻顏色空間坐標(biāo)值，由公式（3）求得。

　??；；；（3）

　　其中，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)值的光源可能會對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種色樣在評價(jià)光源時(shí)也存在局限性。顯色指數(shù)值是基于光源對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，而對于評價(jià)波形陡峭且頻帶狹窄的光源則會產(chǎn)生問題，而LED正是這樣一種光源。

二、LED的顯色性評價(jià)探討

　　許多研究都表明用CIE顯色指數(shù)來評價(jià)LED的顯色性會存在很多問題[3-6]。CIE也不推薦采用顯色指數(shù)來評價(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)用于評價(jià)LED時(shí)會出現(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；Ra＜50，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]。我們在測試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)觀察會發(fā)現(xiàn)，顯色指數(shù)67的LED，對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價(jià)LED顯色性的測試方法。在認(rèn)識到顯色指數(shù)評價(jià)LED遇到的問題后，NIST正致力于研究制定一種新的評價(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]。

筆者認(rèn)為在評價(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)值來評估白光LED產(chǎn)品，但是需要根據(jù)實(shí)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(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。目前針對白光LED顯色性方面的評價(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)量測試評價(jià)方法，還需要一個(gè)長期的研究和發(fā)展過程。