光源顯色性評價標準的比較研究

鄒懷遠，朱大慶

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門　361021; 2.福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門　361021)

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光源顯色性評價標準的比較研究

鄒懷遠1,2，朱大慶1,2

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361021; 2.福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門361021)

摘要：現(xiàn)行的評價光源顯色性的標準為國際照明委員會(CIE)推薦的顯色指數(shù)(CRI)，國內(nèi)外的研究表明該指數(shù)不能正確的評價新型LED光源，因此，出現(xiàn)了以顏色質(zhì)量指數(shù)(CQS)和顯色性指數(shù)2012(CRI 2012)為代表的新的光源顯色性評價標準，新評價標準的適用性需要進行廣泛的驗證。本文測試了市面上常見的10種熒光燈和25種LED燈的光譜，計算了三種顯色性評價指數(shù)CRI Ra、CQS Qa和CRI Ra,2012，分析了三種指數(shù)之間的相關(guān)性，對測試光源的光譜和三種評價標準的顏色樣本的反射系數(shù)分布進行了分析。實驗發(fā)現(xiàn)，在評價三基色熒光燈時三種指數(shù)的差異很大，在評價LED燈時CRI Ra和CQS Qa的差異較小，CRI Ra,2012與兩者差異較大。

關(guān)鍵詞：視覺光學(xué)；顯色性；光源；光譜

引言

在照明領(lǐng)域，光源的顯色性是衡量光源的一個重要參數(shù),隨著照明光源技術(shù)的發(fā)展，在不同時期使用了不同的光源顯色性評價標準，目前廣泛使用的是CIE13.3—1995標準中描述的顯色指數(shù)計算方法。隨著各種新光源的不斷出現(xiàn)，特別是半導(dǎo)體照明技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對光源顯色性研究的不斷深入，CIE13.3—1995暴露出了諸如顏色樣本太少、顏色樣本不具有代表性、不適用的均勻色空間、計算公式有缺陷等問題[1,2,3,4]，在國際照明學(xué)會(CIE)2007年的技術(shù)報告中指出：“目前使用的顯色指數(shù)CRI不能有效反映白光照明光源的顯色性好壞”[5]。上述問題促使國際上不斷研究開發(fā)新的評價標準，如CIE成立了TC1-90技術(shù)委員會，提出了顯色指數(shù)2012(CRI2012)[6]，NIST也提出了顏色質(zhì)量指數(shù)(Color Quality Scale，縮寫為CQS)來表征光源的顯色性質(zhì)[7]。

CRI2012光源顯色性評價體系的改進主要是使用了CAM02-UCS色空間和CAT02色適應(yīng)變換并采用了新的17種光譜均勻分布的顏色樣本H17，有助于正確評價光譜不連續(xù)光源的顯色性，同時使用新的計算公式，增強特殊顯色指數(shù)的極端數(shù)值對一般顯色指數(shù)的影響。CQS光源顯色性評價體系采用15種高飽和度色彩的顏色樣品，加入人對顏色的偏好度這一因素并采用新的計算公式，增強色差的權(quán)重，即加強極值對最終計算結(jié)果的影響。

針對CRI2012和CQS這兩種新的光源顯色性評價標準，國內(nèi)外的一些研究人員進行了一些相關(guān)的研究。Nicola Pousset等人[8]對CQS進行了顏色偏好度的驗證實驗，發(fā)現(xiàn)光源的真實顏色質(zhì)量與CQS數(shù)值有較大差異；程雯婷等人[9]使用5種光源進行了針對中國人樣本的CQS系統(tǒng)的可靠性的驗證，實驗發(fā)現(xiàn)CQS在評價光源顏色質(zhì)量的準確性上有一定的波動，仍有待進一步完善；肖醒等人[10]對CRI 和CRI2012進行了相關(guān)的對比測試，實驗發(fā)現(xiàn)CRI2012能夠較好的評價所測的熒光燈和LED燈。盡管如此，CQS和CRI2012均未得到廣泛地認可[11]，有必要進行更多的研究，本文選取了市面上常見的25種白光LED光源及10種熒光燈，研究分析三種評價標準的差異。

2對比測試

選取目前市場常見的25種白光LED燈和10種熒光燈(見表1、表2)進行對比測試，編號采用CRIRa數(shù)值由低到高的順序排列。首先使用遠方HAAS-2000高精度光譜輻射計測得上述LED燈和熒光燈的光譜數(shù)據(jù)，圖1、圖2所示為測得的上述LED燈和熒光燈的光譜功率分布圖。從圖1中我們可以看到25種白光LED燈的光譜構(gòu)造主要有以下幾種形式：①藍光和黃光為主，加上微弱的綠光和紅光；②藍光和黃光為主，添加較強的紅光；③峰值波長在藍光、綠光、黃光及紅光波段均有出現(xiàn)。從圖2中則可以發(fā)現(xiàn)被測的10種熒光燈的光譜構(gòu)造比較一致，均為紫光激發(fā)RGB三基色熒光粉發(fā)出白光，通過調(diào)節(jié)幾種峰值波長的相對功率來調(diào)節(jié)色溫和顯色性。

表1　25種LED燈的編號、廠家名稱及型號

表2　10種熒光燈的編號、廠家名稱及型號

圖1　25種LED光源的相對光譜功率分布Fig.1　The relative spectral power distribution of 25 kinds of LED lamps

將得到的光譜數(shù)據(jù)代入到計算程序[6,7]中得到每個燈對應(yīng)的色溫和三種顯色性評價指數(shù)(CRIRa、CQSQa、CRI2012Ra,2012)，如表3、表4及圖3、圖4所示。

圖2　10種熒光燈的光譜功率分布Fig.2　The relative spectral power distribution of 10 kinds of fluorescent lamps

表3　25種LED燈的三種顯色性評價指數(shù)的計算值及色溫

表4　10種熒光燈的三種顯色性評價指數(shù)的計算值及色溫

圖3　25種LED的三種顯色性評價指數(shù)Fig.3　The values of 3 kinds of color evaluation index for 25 kinds of LED lamps

圖4　10種熒光燈的三種顯色性評價指數(shù)Fig.4　The values of 3 kinds of color evaluation index for 10 kinds of fluorescent lamps

3計算結(jié)果分析

將熒光燈的三種顯色性評價指數(shù)兩兩進行比較，如圖5所示。

圖5　熒光燈三種顯色性評價指數(shù)的計算數(shù)值的比較Fig.5　Comparison of the calculated value of CRI Ra,CRI2012 Ra,2012 and CQS Qa for fluorescent lamp

對于被測的10種熒光燈，CRIRa指數(shù)均大于或等于CRI2012Ra,2012指數(shù)，計算得到CRIRa指數(shù)與CRI2012Ra,2012指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)為0.7505。

5000K以下時，CRIRa指數(shù)均大于或等于CQSQa指數(shù)，5000K以上時，CRIRa指數(shù)均小于或等于CQSQa指數(shù)；計算得到CRIRa指數(shù)與CQSQa指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)為0.8284。

CRI2012Ra,2012指數(shù)均小于或等于CQSQa指數(shù)，計算得到CRI2012Ra,2012指數(shù)與CQSQa指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)為0.9774。

從上述比較中可以看出，熒光燈的CRIRa指數(shù)與CQSQa指數(shù)或CRI2012Ra,2012指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)都不是很高，而CQSQa指數(shù)和CRI2012Ra,2012指數(shù)的相關(guān)度較高，表明新的指標在描述熒光燈的顯色性時有較大的一致性；從圖2可以看到，熒光燈的光譜主要由幾個尖銳的峰值構(gòu)成，再考察三種顯色性指標所使用的顏色樣本光譜反射系數(shù)圖，如圖6所示，CRI Ra指數(shù)使用的顏色樣本光譜分布不均勻，而兩種新的顯色性指標的顏色樣本光譜分布則相對均勻，這造成了上述比較結(jié)果。

圖6　三種顯色性評價標準的顏色樣本的光譜反射系數(shù)分布Fig.6　Spectral reflectance distribution of 3 kinds of color rendering evaluation standard

將LED的三種顯色性評價指數(shù)兩兩進行比較，如圖7所示。

圖7　LED三種顯色性評價指數(shù)的計算數(shù)值的比較Fig.7　Comparison of the calculated value of CRI Ra,CRI2012 Ra,2012 and CQS Qa for LED lamp

對于被測的25種LED燈，CRIRa指數(shù)與CRI2012Ra,2012指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)為0.8599，CRIRa指數(shù)均小于或等于CRI2012Ra,2012指數(shù)(11號燈除外)；

CRIRa指數(shù)與CQSQa指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)R為0.9747，5000K以下時，CRIRa指數(shù)均小于或等于CQSQa指數(shù)，5000K以上時，CRIRa指數(shù)均大于或等于CQSQa指數(shù)；

CRI2012Ra,2012指數(shù)與CQSQa指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)為0.8491，CRI2012Ra,2012指數(shù)均大于或等于CQSQa指數(shù)(11號燈除外)。

從上述比較中可以看出，CQSQa指數(shù)與CRIRa指數(shù)的相關(guān)性最高，但在5000K以上和5000K以下出現(xiàn)了相對大小截然相反的情況，這可能是因為計算方法、顏色樣本不同造成的；而CRI2012Ra,2012指數(shù)均大于或等于其他兩個指數(shù)，一方面由于采用了新的顏色均勻分布的H17樣本(和CRI、CQS的顏色樣本相比，樣本數(shù)量更多，分布更均勻)，有助于正確評價光譜不連續(xù)的LED光源的顯色性(光譜分布合理、均勻的光源能夠獲得高的顯色性評價)，另一方面由于采用了新的CAM02-UCS色空間和CAT02色適應(yīng)變換，在計算色差時，CAM02-UCS色空間能夠更符合人眼的視覺感受，提高了LED光源的得分[6]；三種指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)都比較高的原因可能在于：從圖1的光譜可以看出，LED燈除藍光峰外，其大于470 nm部分較為連續(xù)或?qū)挿逯档墓庾V，對色樣的飽和度要求差別不大。因此，從我們的實驗結(jié)果看，對表征LED燈的顯色性來說，新的顯色性指標相對CRIRa改進不大。而我們也注意到11號燈使得CRI2012Ra,2012指數(shù)均小于其他兩種指數(shù)，考察11號燈的光譜(如圖8)，發(fā)現(xiàn)其缺少410nm附近的光譜，使得該光源照射CRI2012的H17顏色樣本時，1號、2號、3號顏色樣本的色差值很大(如圖9)，導(dǎo)致Ra,2012指數(shù)值較小；為驗證這一解釋，我們對11號燈的光譜進行了修飾，增加410nm附近的光譜(圖8中虛線所示)，重新計算，H17的多個顏色樣本的色差值變小(如圖9)，重新計算CRIRa指數(shù)、CQSQa指數(shù)和CRI2012Ra,2012指數(shù)，分別由82、82、79變?yōu)?2、83、84，CRI2012Ra,2012指數(shù)變化明顯。

圖8　11號LED燈的相對光譜功率分布Fig.8　The relative spectral power distribution of No.7 LED lamp

圖9　11號LED燈照射下的H17顏色樣本的色差Fig.9　Colour-difference of H17 color test simples for No.11 LED lamp

4結(jié)論

1)針對本次測試的市面上主流的35種熒光燈和LED燈，通過上述對比測試和分析，我們發(fā)現(xiàn)在評價熒光燈時，CRIRa指數(shù)、CRI2012Ra,2012指數(shù)及CQSQa指數(shù)的差異比較大，而之前的研究并未發(fā)現(xiàn)CRI 在評價熒光燈時有很大的問題，有必要對新型三基色熒光燈的顯色性進行更為詳細的研究；

2)對于LED燈的顯色性評價，CQSQa指數(shù)與CRIRa指數(shù)相比差異不大，未見明顯改變；

3)無論是熒光燈還是LED燈， CRI2012Ra,2012指數(shù)與CRIRa指數(shù)相比都呈現(xiàn)出了較大的差異，這與其采用了新的CAM02-UCS均勻色空間和CAT02色適應(yīng)變換以及新的H17顏色樣本有很大關(guān)系。

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A Comparative Study of Color Rendering Evaluation

Standards of Light Source

Zou Huaiyuan1,2, Zhu Daqing1,2

(1.CollegeofInformationScienceandEngineering,Xiamen361021,China;

2.FujianProvinceKeyLaboratoryofLightPropagationandTransformation,Xiamen361021,China)

Abstract：Color Rendering Index(CRI), which was recommended by Commission internationale de I′Eclairage (CIE), is the current color rendering evaluation standard of light source. The researches have shown that this index can not correctly evaluate the color rendering of LED sources.. Therefor, the Color Quality Scale (CQS) and the Color Rendering Index 2012(CRI 2012) were proposed as the new color rendering evaluation standards. The applicability of the new evaluation standards requires extensive experiments for validation. In this article, the spectrum of 10 kinds of fluorescent and 25 kinds of LED lamps which are commonly available in the market were measured. And the CRI Ra, CQS Qaand CRI Ra,2012 values of these light sources were calculated. The correlations among the three indexes, the spectrum of the tested lamps and the reflecting coefficient of the color sample of the three evaluation standards were analyzed. The results show that there is significant difference among the three indexes when evaluating tri-phosphor based fluorescent. However, when evaluating LED, small difference was shown between CRI Raand CQS Qa,but there is significant difference between CRI Ra,2012 and CRI Raor CQS Qa.

Key words:visual optics; color rendering; light source; light spectrum

通信作者：朱大慶，E-mail:zhudaqing@hqu.edu.cn

基金項目：華僑大學(xué)高層次人才科研啟動項目(09BS103)

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.003