不同光源的顯色性比較實驗研究

李德勝 鄒 琳 曹 帆 楊 軼 鄒念育

(大連工業大學光子學研究所，遼寧大連 116034)

1 引言

顯色性是指光源發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。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。一般的人工照明光源都是用顯色指數Ra作為顯色性的評價指標。Ra的數值范圍從0～100，沒有物理單位。Ra值越高，光源的顯色性就越好。一般認為Ra≥80，光源的顯色性優良;50≤Ra≤79，光源的顯色性一般;Ra＜50，光源的顯色性較差。

白光LED是新光源中的佼佼者，以其節能、環保、長壽命等一系列優點而被公認為最具潛力取代傳統照明器具的新產品。傳統光源顯色性評價應用最多的是國際照明學會CIE制定的“測色法”，廣泛用于評價熒光燈和HID燈。但顯色指數已有40多年的歷史，是否適用于白光LED還有待研究。許多研究表明用CIE顯色指數來評價LED的顯色性會存在很多問題［1～3］。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［4］。國內復旦大學也對LED的顏色質量評價方法進行了初步研究［5］。

本文對6種不同電光源的顯色性進行了實驗研究。首先基于CIE測色法，對6種光源的一般顯色指數進行了測試，然后利用主觀評價法對6種光源的顯色能力進行了主觀評價與比較。實驗表明，白熾燈、熒光燈的顯色指數測試結果與顯色能力主觀評價結果相吻合，但白光LED球泡燈的顯色指數與顯色能力主觀評價有一定出入，說明一般顯色指數只適用于用于評價傳統光源，而對白光LED則需要研究新的顯色性評價方法。

2 CIE顯色指數計算方法

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［6］。按CIE的規定，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號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除規定了計算一般顯色指數用的8種標準顏色樣品外，還補充規定了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女性膚色的顏色樣品［7］。

圖2 CIE中9～14號色樣

特殊顯色指數的計算公式為:

其中ΔEi是參照光源下和待測光源下各種試驗色的色差:

式中 r——參照光源下標;

k——待測光源下標;

i——檢驗色樣序號的下標;

U*、V*、W*——均勻顏色空間坐標值，由式(3)求得。

式 (3)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。)一般顯色指數的計算公式為:

3 實驗研究

實驗選取了6種光源，其中1個白熾燈，2個緊湊型熒光燈，3個白光LED球泡燈，基本信息如表1所示。

主觀評價實驗在暗室內進行，主要是選用不同光源對同一物品 (仿真花束)進行照射，讓測試者對光源的顯色性進行主觀評價。圖3暗室內是三種不同光源照射下的顯色照片。實驗選取20名本科生或研究生，其中10男10女，年齡為20至25歲，均具有正常的視力或矯正視力，無色弱色盲等眼疾。

表1 實驗用光源相關信息

圖3 仿真花束在不同光源下的顯色情況

主觀評價主要分為兩方面的內容，一是對光源顯色能力的評價，將光源顯色能力分為5等，分別是很好、較好、一般、較差、很差;二是光源顯色性對比評價，即對6種光源顯色能力進行主觀排序。實驗統計結果如表2所示。

表2 顯色能力主觀評價結果

主觀評價結果顯示，全部受試人員認為白熾燈顯色性很好;熒光燈顯色能力方面，有15人認為2號光源顯色性較好，5人認為2號光源顯色性一般，有2人認為3號光源顯色性很好，18人認為3號光源顯色性較好;LED球泡燈顯色能力方面，沒有人選擇“很好”，分別有15人、14人和10人認為4號、5號和6號光源具有較好的顯色性。需要注意的是，在實際測試中發現，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，這與測試者中多數人認為顯色指數最低的5號光源 (73.6)比顯色指數較高的6號光源 (82.4)顯色性更好相吻合。

實驗表明，白熾燈、熒光燈的顯色指數測試結果與顯色能力主觀評價結果相吻合，但白光LED球形燈的顯色指數與顯色能力主觀評價有一定出入，這說明一般顯色指數適用于用于評價傳統光源 (白熾燈、熒光燈)，但對白光LED則有待改進，需要提出新的評價方法。在表1中我們還給出了6中光源對9號色樣的顯色指數，由表可見，除了白熾燈以外，9號樣品在其他5種光源下產生過大的色差，這也正證明了CIE顯色指數存在問題。

其實從式 (4)及CIE所用顏色樣品中也可以分析出來，一般顯色指數在測試計算非連續光譜的光源時很容易產生問題。一般顯色指數測試所用的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正是波形陡峭且頻帶狹窄的光源。

4 討論

實驗表明，用顯色指數來評價傳統光源的顯色性比較完美，但用來評價白光LED的顯色性則明顯存在問題。美國國家標準與技術研究所 (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)。CQS選取的是15種飽和色，它們平均分布于整個可見光譜中，目前NIST正致力于CQS的測試與開發，并希望將該法推薦應用到固態照明行業中來［8］。但也有研究指出，CQS在評價顏色質量的準確性上，與CRI相比并未體現明顯優勢［5］。因此，要針對白光LED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展過程。

作者之前曾提出在評價LED顯色性時需注意三點［9］: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，對于LED這種新生產物，在制定標準時候可寬松一些，比如傳統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即為顯色性優良 (此處只是假設);第三，制定LED顯色性評價方法時需要注意人種的區別，顏色反映在人的視覺系統才有意義，不同種色的人群其視覺感受可能會有所差別。

［1］N.Narendran and L.Deng.“Color rendering properties of LED sources.”Proc.SPIE，vol.4776:61～67，2002.

［2］Y.Ohno.“Spectral design considerations for white LED color rendering.”Opt.Eng.，vol.44，no.11，pp.111302-1-111302-9，Nov.2005.

［3］A.Zukauskas，R.Vaicekauskas，F.Ivanauskas，H.Vaitkevicius，P.Vitta，M.Shur.Statistical Approach to Color Quality of Solid-State Lamps，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.15.No.6，2009.

［4］CIE 177 ∶2007.“Colourrendering ofwhite LED sources.2007.

［5］程雯婷，孫耀杰，童立青，林燕丹.白光LED顏色質量評價方法研究.照明工程學報，2011，22(3).

［6］CIE No.13-2-1974.Method of measuring and specifying color rendering properties of light sources［S］.

［7］GB/T 5702—2003.

［8］Wendy Davis.“Color Quality Scale(CQS):Measuring the color quality of light sources”，NIST.

［9］李德勝，鄒念育.光源顯色指數與白光LED的顯色性評價探討.半導體照明，2011，12(2).