關于LED照明產(chǎn)品色彩質量中色彩清晰度的定性研究

　　國際照明委員會CIE對于顯色性CR(colorrendering)的定義是[9]：“與標準的參考光源相比較，一個光源對物體顏色外貌所產(chǎn)生的有意識和無意識的效果”。照明行業(yè)目前只有一個普遍接受的評價顯色性的方法--顯色指數(shù)CRI(colorrenderingindex)，這個評價方法是通過一些科學家與光源制造企業(yè)共同努力下，在1960年提出。CRI基于“測試樣品色彩位移法”，比較樣品顏色在參考照明體和測試光源下的色差來評價光源的顯色性，即色彩“真實性”或者稱之為“自然度”[1]。顯色指數(shù)中的“標準的參考光源”在5000K以下是黑體輻射的光譜，5000K以上是平均日光的光譜。白熾燈的發(fā)光機理屬于黑體輻射，那么很顯然，無論照明技術如何發(fā)展，白熾燈的顯色性或顯色指數(shù)都是最高的，其他先進的照明技術只要其光譜形態(tài)偏離參考光源的光譜其顯色指數(shù)就將下降。

　　P.J.Boum在1947年描述了日光作為理想的照明光源的幾個原因：“在日光的照射下物體的顏色(1)有非常豐富的顏色，(2)能夠輕易的分辨顏色的細微差異，并且(3)使我們周圍的物體的顏色看起來非常自然”[2]。在Bouma的描述中我們能夠知道，除了CR的概念外，還有其他概念描述光源的“色彩質量CQ(colorquality)”[3]，例如色彩清晰，色彩豐富等。

　　本文調研了國內外關于照明光源的色彩清晰指標的相關研究現(xiàn)狀，并借鑒相關研究方法進行視覺工效實驗，分別對顯色指數(shù)和色溫與色彩清晰的關系進行了定性分析。實驗結果表明，高色溫的白光LED照明產(chǎn)品比低色溫的有更加高的色彩分辨能力而且主觀感受色彩更加清晰，并且顯色指數(shù)與色彩清晰度相關性不大，因此不能用顯色指數(shù)來評價LED照明光源的色彩清晰度。

　　一、國內外研究現(xiàn)狀

　　色彩清晰可以分為兩個方面，第一個為照明光源對于觀察者分辨顏色能力的影響，第二個為照明光源對于觀察者在此整體光環(huán)境下色彩清晰的主觀感受。國內外許多研究者們對于LED照明光源的色彩分辨進行了許多研究工作。

　　法國的研究者ElodieMahler[4]等人對單色的LED組成的白光光源的色彩分辨能力進行了研究。他們選用的測試光源是RGB(紅、綠、藍LED)、RGBA(A為琥珀色)、WR(兩個冷白色熒光粉LED和紅色LED)、WWARGB(兩個冷白光、兩個暖白光熒光粉LED和琥珀色、紅、綠、藍LED組合)，色溫保持在4000±40K，照度在660±9lux，并且選用鹵鎢燈加濾光片作為參考光源。他們使用自制的C32色棋作為排序實驗的工具。其結果顯示RGB型的色分辨能力最差，WR和WWARGB的色分辨能力比參考光源更好。

　　美國的MarkS.Rea[5，6]等人推薦使用CRI作為色彩自然的評價指數(shù)，GAI作為色彩鮮艷的評價指數(shù)，F(xiàn)SCI作為色彩分辨的評價指數(shù)，為此他們進行了許多相關的視覺實驗。在一個實驗中他們選用了5種白光LED和2種熒光燈，并且分為暖白、冷白、混合色溫組，并且設置兩種不同的照度。被試者在這些光源下進行FM100-huetest的色彩分辨能力測試，實驗結果表明色彩分辨能力與照度有很大關系，照度提升色彩分辨能力也相應提高，同時結果表明CRI與色彩分辨沒有相關性，但是GAI和FSCI與色彩分辨有較好的相關性。

　　目前的對于光源照明色彩質量的視覺心理實驗的實驗設計方法為：保持光環(huán)境桌面照度相同，并且將測試光源按照相近的色溫分組。使用FM100色棋測試分析光源光譜對視覺色彩分辨能力的影響?！　?span style="color: rgb(255, 0, 0);">二、視覺工效試驗

　　為了研究LED照明光源的光譜與色彩清晰之間的關系，本論文設計了兩個實驗，第一個通過Farnsworth100色相測試方法，評估在不同光源光譜下，人眼辨色能力的變化。第二個實驗通過主觀體驗評價法，實驗中，被試者在暗室中觀察給定的光環(huán)境，然后根據(jù)標準化量表回答其主觀感受。

　　實驗一共選用6個LED光源，均為藍光LED芯片激發(fā)熒光粉方式產(chǎn)生白光。為了得到人眼實際觀察到的視場的光源光譜，通過分光輻射亮度計測量光箱內桌面中心反射的光譜，測量儀器為已校準的KonicaMinoltaCS2000，光箱內水平照度使用TES1330A照度計測量，光源相關參數(shù)見表1。光源1到3為4000K色溫組，4到6為8000K色溫組，其中每個色溫組中，還分為顯色指數(shù)70，80，90三個等級.本論文一共25位被試者參與視覺心理實驗，其中11人完成FM100色棋試驗，25人完成主觀體驗評價實驗，被試者平均年齡為20.7歲，年齡范圍19至25歲。

　　1.Farnsworth100色相測試實驗

　　在以往的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)照度的變化對于人眼色彩分辨影響非常大，因此在實驗過程中，通過TES1330A照度計實時測量照度，使其保持500lx，因此實驗僅考慮色溫和光譜的差異所產(chǎn)生的人眼色分辨能力的變化。

圖1 在光箱照明光環(huán)境中進行色棋排序實驗

　　被試者首先在第一個測試光源下進行色棋排序練習，至少完成一次完整的測試，然后正式開始實驗。開始排序前，被試者要經(jīng)過15分鐘充分適應當前的照明環(huán)境，在此期間被試者只能觀察光箱內的照明環(huán)境，不能被其他光源干擾。待適應完全，則開始進行排序測試。實驗完成后，更換為下一個照明光源，被試者在此環(huán)境下適應當前的照明環(huán)境，此時實驗人員記錄實驗結果，并且重新打亂色棋。被試者完成兩個光源下排序后休息30分鐘，然后繼續(xù)進行試驗。

圖2 六種光源下被試者色棋排序平均錯誤得分

　　實驗數(shù)據(jù)如圖2所示，可以看出色棋排序的錯誤分數(shù)在4000K色溫下比8000K相關色溫下高，因此色溫的提高能夠提高人眼的色彩分辨能力。在8000K組中顯色指數(shù)80比顯色指數(shù)70的光源的色棋排序得分更高，因此可知顯色指數(shù)并不一直與色彩分辨能力相關。　　2.色彩清晰主觀感受評價實驗

圖3照明色彩清晰主觀評價對比選擇實驗場景

　　為了讓被試能夠對于光環(huán)境的色彩清晰進行評價，因此需要為被試者呈現(xiàn)一個仿真的光環(huán)境，所以在光箱內擺放了仿真的水果、罐裝飲料、雜志、MCC色卡。本實驗使用全部6個COB光源，分為4000K組、8000K組，實驗中兩個光箱內分別從兩個色溫組中選擇一個光源點亮，被試者將對比兩邊光環(huán)境的色彩清晰主觀感受，并選擇主觀感覺色彩更加清晰的光環(huán)境。一個光源需要與三個光源不同對比，并且重復三次，因此一個光源將進行9次對比，25位被試者進行對比，因此一個光源將進行9*25=225次對比，將被選擇的次數(shù)除其總共對比的次數(shù)得到被試者對比選擇評價百分比，實驗結果如圖4所示。從試驗結果可以發(fā)現(xiàn)高色溫的光源在進行色彩清晰的主觀對比中，幾乎所有的被試者均選擇高色溫的光源，而與顯色指數(shù)CRI的關系卻不大。

圖4 白光LED色彩清晰主觀對比選擇試驗結果

　　三、結論及展望

　　本論文進行的兩個實驗可以得到如下兩個定性的結論：第一、高色溫的白光LED照明產(chǎn)品比低色溫的有更加高的色彩分辨能力和主觀感受色彩清晰度；第二顯色指數(shù)與色彩清晰度相關性不大，因此不能用顯色指數(shù)來評價LED照明光源的色彩清晰度。

　　國際照明委員會CIE的技術報告177：2007“白光LED的顯色性”中指出“CRI對于包含LED光源的一系列光源進行顯色評價時得到的結果不能令人滿意”，并且技術報告中還指出，“應該盡快研究出一種新的顯色性評價指數(shù)或者一組評價指數(shù)替代現(xiàn)有的CRI”[3]。根據(jù)本文的研究結果，照明光源的色彩質量是多方面的，無法通過一種評價模型去評價，未來應該建立一個多評價指數(shù)的色彩質量評價框架，系統(tǒng)、完整的評價白光LED照明光源的色彩質量屬性，為LED照明提供科學客觀的評價標準。