白光LED顯色性問題與光源顯色指數探討

顯色性是指光源發(fā)出的光照射到物體上所產生的客觀效果和對物體真實色彩的顯現程度，是評價照明光源的一個重要指標。顯色性高的光源對顏色的表現較好，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，對光源顯色性進行定量評價是評價光源質量的一個重要方面。

　　一般人工照明光源都是用一般顯色指數作為顯色性的評價指標，顯色指數同時也是衡量光源顏色特性的重要參數。針對傳統(tǒng)光源顯色指數的計算已有多種測試方法并建立了相關標準，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。本文就顯色指數的相關計算方法進行了介紹和討論，并對白光LED顯色性評價進行了探討。

一、顯色指數計算方法及評價LED存在的問題

　　目前對于光源顯色指數的計算方法主要還是CIE制定的“測色法”和沃爾特提出的“沃爾特法”。“沃爾特法”實質上是對CIE“測色法”的改進，是沃爾特為了簡化標準法中顯色指數的計算過程建立的一個經驗公式，加快了計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制定了一種評價光源顯色性的方法，簡稱“測色法”，經1974年修訂，正式推薦在國際上采用[1]。用試驗色評價顯色指數是最有效的方法，它與目視效果一致，是計算顯色指數的標準方法。按CIE的規(guī)定，標準照明體即作為參照照明光源要根據待測光源的相關色溫來選取，一般把普朗克輻射體作為低色溫光源(小于5000K)的參考標準，把標準照明體D（即組合日光）作為高色溫光源(大于 5000K)的參考標準。

　　CIE規(guī)定顯色指數分為特殊顯色指數Ri和一般顯色指數 Ra。評價時采用一套14種試驗顏色樣品，其中1-8試驗色用于一般顯色指數的計算，這8種顏色樣品選自孟塞爾色標，包含各種有代表性的色調，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用的八種標準顏色樣品外，還補充規(guī)定了6種計算特殊顏色顯色指數的標準顏色樣品，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

特殊顯色指數的計算公式為： （1）

　　其中是參照光源下和待測光源下各種試驗色的色差: （2）

　　公式中，r代表參照光源下標；k表示待測光源下標；i表示檢驗色樣序號的下標；U*、V*、W*是均勻顏色空間坐標值，由公式（3）求得。

　??；；；（3）

　　其中，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坐標值；u0、v0表示照明光源的uv坐標值（uv坐標值的具體計算過程可查閱CIE或國家標準[1,2]。

　　一般顯色指數的計算公式為： （4）

　　CIE顯色指數廣泛用于評價熒光燈和HID燈。但是，顯色指數已有40多年的歷史，而白光LED卻是照明業(yè)的新型光源，利用顯色指數來評價LED的顯色性是否合適尚不明確，并且傳統(tǒng)顯色指數的計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，一般顯色指數是對8塊色樣的特殊顯色指數取算術平均值，這就使得在測試計算時容易產生問題，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，取平均后同樣可以獲得較高的一般顯色指數值。同樣，具有較低的一般顯色指數值的光源可能會對一兩塊色樣具有較高的特殊顯色指數值。

　　此外，CIE標準中規(guī)定的用于計算一般顯色指數的8種色樣在評價光源時也存在局限性。顯色指數值是基于光源對8塊標準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的結果，而對于評價波形陡峭且頻帶狹窄的光源則會產生問題，而LED正是這樣一種光源。

二、LED的顯色性評價探討

　　許多研究都表明用CIE顯色指數來評價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來評價LED，并在CIE技術報告：《CIE 177：2007，白光LED光源的顯色性》中總結出了顯色指數用于評價LED時會出現的若干問題[7]。

　　CIE規(guī)定，Ra的數值范圍是0~100，Ra值越高，光源的顯色性就越好。一般認為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顯色指數計算法，光源的顯色指數值與光譜分布密切相關，越接近自然光譜（或者說是標準光譜），顯色指數越高。但是利用顯色指數評價LED顯色性時，卻存在一定的問題。以藍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點，釋放波長雖然只是移動一點點，但顯色指數值就會明顯的下降，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，實際測試中發(fā)現，有時候顯色指數低的LED甚至會比顯色指數高的LED具有更完美的顯色性[8]。我們在測試LED燈具時就曾發(fā)現，顯色指數低的LED燈具照射的物體，有時看起來反而更亮、更生動。

圖3與圖4是美國國家標準與技術研究所（NIST）實際測試的兩款LED光源的顯色性結果[8]，其中圖3所用LED光源的顯色指數為80，圖4所用LED光源的顯色指數為67，但仔細觀察會發(fā)現，顯色指數67的LED，對于大部分顏色的顯色性比顯色指數80的要好。

目前主要問題是如何找到適合評價LED顯色性的測試方法。在認識到顯色指數評價LED遇到的問題后，NIST正致力于研究制定一種新的評價光源顯色性的方法—色質指數法（CQS）。與顯色指數類似，CQS也是采用測驗色法，不過CQS選取的是15種飽和色，它們平均分布于整個可見光譜中，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用到固態(tài)照明行業(yè)中來[9]。

筆者認為在評價LED顯色性時需注意三點：

第一，在沒有制定出更適合評價LED顯色性的標準方法前，可以考慮用顯色指數值來評估白光LED產品，但是需要根據實際應用來評估和選擇，不能簡單的認為顯色指數低的LED其顯色性就差，更應該尊重實際的視覺感受；

第二，LED是一種新型光源，在制定標準時可寬松一些，比如傳統(tǒng)光源顯色指數分出的三個等級可以適當放低要求，可認為顯色指數大于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會有所差別。

　　半導體照明產品的應用尚處于起步階段，且應用面廣、品種繁多，其測試評價方法和標準方面的研究還處于動態(tài)研究階段。目前針對白光LED顯色性方面的評價，主要是依據CIE的顯色指數測試法，但實際測量中已經發(fā)現了諸多問題，新的測試方法正在研究中。要制定一個更好的顯色質量測試評價方法，還需要一個長期的研究和發(fā)展過程。