關(guān)于LED照明產(chǎn)品色彩質(zhì)量中色彩清晰度的定性研究

　　國際照明委員會(huì)CIE對于顯色性CR(colorrendering)的定義是[9]：“與標(biāo)準(zhǔn)的參考光源相比較，一個(gè)光源對物體顏色外貌所產(chǎn)生的有意識(shí)和無意識(shí)的效果”。照明行業(yè)目前只有一個(gè)普遍接受的評價(jià)顯色性的方法--顯色指數(shù)CRI(colorrenderingindex)，這個(gè)評價(jià)方法是通過一些科學(xué)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(jià)光源的顯色性，即色彩“真實(shí)性”或者稱之為“自然度”[1]。顯色指數(shù)中的“標(biāo)準(zhǔn)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(jī)理屬于黑體輻射，那么很顯然，無論照明技術(shù)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(jìn)的照明技術(shù)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(gè)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(xì)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(zhì)量CQ(colorquality)”[3]，例如色彩清晰，色彩豐富等。

　　本文調(diào)研了國內(nèi)外關(guān)于照明光源的色彩清晰指標(biāo)的相關(guān)研究現(xiàn)狀，并借鑒相關(guān)研究方法進(jìn)行視覺工效實(shí)驗(yàn)，分別對顯色指數(shù)和色溫與色彩清晰的關(guān)系進(jìn)行了定性分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)性不大，因此不能用顯色指數(shù)來評價(jià)LED照明光源的色彩清晰度。

　　一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　色彩清晰可以分為兩個(gè)方面，第一個(gè)為照明光源對于觀察者分辨顏色能力的影響，第二個(gè)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(nèi)外許多研究者們對于LED照明光源的色彩分辨進(jìn)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(jìn)行了研究。他們選用的測試光源是RGB(紅、綠、藍(lán)LED)、RGBA(A為琥珀色)、WR(兩個(gè)冷白色熒光粉LED和紅色LED)、WWARGB(兩個(gè)冷白光、兩個(gè)暖白光熒光粉LED和琥珀色、紅、綠、藍(lán)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?qū)嶒?yàn)的工具。其結(jié)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(jià)指數(shù)，GAI作為色彩鮮艷的評價(jià)指數(shù)，F(xiàn)SCI作為色彩分辨的評價(jià)指數(shù)，為此他們進(jìn)行了許多相關(guān)的視覺實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shè)置兩種不同的照度。被試者在這些光源下進(jìn)行FM100-huetest的色彩分辨能力測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明色彩分辨能力與照度有很大關(guān)系，照度提升色彩分辨能力也相應(yīng)提高，同時(shí)結(jié)果表明CRI與色彩分辨沒有相關(guān)性，但是GAI和FSCI與色彩分辨有較好的相關(guān)性。

　　目前的對于光源照明色彩質(zhì)量的視覺心理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)

　　為了研究LED照明光源的光譜與色彩清晰之間的關(guān)系，本論文設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，第一個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)通過主觀體驗(yàn)評價(jià)法，實(shí)驗(yàn)中，被試者在暗室中觀察給定的光環(huán)境，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化量表回答其主觀感受。

　　實(shí)驗(yàn)一共選用6個(gè)LED光源，均為藍(lán)光LED芯片激發(fā)熒光粉方式產(chǎn)生白光。為了得到人眼實(shí)際觀察到的視場的光源光譜，通過分光輻射亮度計(jì)測量光箱內(nèi)桌面中心反射的光譜，測量儀器為已校準(zhǔn)的KonicaMinoltaCS2000，光箱內(nèi)水平照度使用TES1330A照度計(jì)測量，光源相關(guān)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(gè)色溫組中，還分為顯色指數(shù)70，80，90三個(gè)等級(jí).本論文一共25位被試者參與視覺心理實(shí)驗(yàn)，其中11人完成FM100色棋試驗(yàn)，25人完成主觀體驗(yàn)評價(jià)實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)

　　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(shí)驗(yàn)過程中，通過TES1330A照度計(jì)實(shí)時(shí)測量照度，使其保持500lx，因此實(shí)驗(yàn)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(jìn)行色棋排序?qū)嶒?yàn)

　　被試者首先在第一個(gè)測試光源下進(jìn)行色棋排序練習(xí)，至少完成一次完整的測試，然后正式開始實(shí)驗(yàn)。開始排序前，被試者要經(jīng)過15分鐘充分適應(yīng)當(dāng)前的照明環(huán)境，在此期間被試者只能觀察光箱內(nèi)的照明環(huán)境，不能被其他光源干擾。待適應(yīng)完全，則開始進(jìn)行排序測試。實(shí)驗(yàn)完成后，更換為下一個(gè)照明光源，被試者在此環(huán)境下適應(yīng)當(dāng)前的照明環(huán)境，此時(shí)實(shí)驗(yàn)人員記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且重新打亂色棋。被試者完成兩個(gè)光源下排序后休息30分鐘，然后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 六種光源下被試者色棋排序平均錯(cuò)誤得分

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示，可以看出色棋排序的錯(cuò)誤分?jǐn)?shù)在4000K色溫下比8000K相關(guān)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(guān)?！　?strong>2.色彩清晰主觀感受評價(jià)實(shí)驗(yàn)

圖3照明色彩清晰主觀評價(jià)對比選擇實(shí)驗(yàn)場景

　　為了讓被試能夠?qū)τ诠猸h(huán)境的色彩清晰進(jìn)行評價(jià)，因此需要為被試者呈現(xiàn)一個(gè)仿真的光環(huán)境，所以在光箱內(nèi)擺放了仿真的水果、罐裝飲料、雜志、MCC色卡。本實(shí)驗(yàn)使用全部6個(gè)COB光源，分為4000K組、8000K組，實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)光箱內(nèi)分別從兩個(gè)色溫組中選擇一個(gè)光源點(diǎn)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(gè)光源需要與三個(gè)光源不同對比，并且重復(fù)三次，因此一個(gè)光源將進(jìn)行9次對比，25位被試者進(jìn)行對比，因此一個(gè)光源將進(jìn)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(jià)百分比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)高色溫的光源在進(jìn)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(guān)系卻不大。

圖4 白光LED色彩清晰主觀對比選擇試驗(yàn)結(jié)果

　　三、結(jié)論及展望

　　本論文進(jìn)行的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以得到如下兩個(gè)定性的結(jié)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(guān)性不大，因此不能用顯色指數(shù)來評價(jià)LED照明光源的色彩清晰度。

　　國際照明委員會(huì)CIE的技術(shù)報(bào)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(jìn)行顯色評價(jià)時(shí)得到的結(jié)果不能令人滿意”，并且技術(shù)報(bào)告中還指出，“應(yīng)該盡快研究出一種新的顯色性評價(jià)指數(shù)或者一組評價(jià)指數(shù)替代現(xiàn)有的CRI”[3]。根據(jù)本文的研究結(jié)果，照明光源的色彩質(zhì)量是多方面的，無法通過一種評價(jià)模型去評價(jià)，未來應(yīng)該建立一個(gè)多評價(jià)指數(shù)的色彩質(zhì)量評價(jià)框架，系統(tǒng)、完整的評價(jià)白光LED照明光源的色彩質(zhì)量屬性，為LED照明提供科學(xué)客觀的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。