深度解讀：探討光源顯色指數與白光LED的顯色性

　　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(jià)指標，顯色指數同時(shí)也是衡量光源顏色特性的重要參數。針對傳統光源顯色指數的計算已有多種測試方法并建立了相關(guān)標準，但白光LED對于照明業(yè)來(lái)說(shuō)是一種新型光源，傳統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(guān)計算方法進(jìn)行了介紹和討論，并對白光LED顯色性評價(jià)進(jìn)行了探討。

　　一、顯色指數計算方法及評價(jià)LED存在的問(wèn)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(shí)質(zhì)上是對CIE“測色法”的改進(jìn)，是沃爾特為了簡(jiǎn)化標準法中顯色指數的計算過(guò)程建立的一個(gè)經(jīng)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(jià)光源顯色性的方法，簡(jiǎn)稱(chēng)“測色法”,經(jīng)1974年修訂，正式推薦在國際上采用[1].用試驗色評價(jià)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(guān)色溫來(lái)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(jià)時(shí)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）i = 100 - 46E i

　　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；其中，Uk、Vk表示待測光源色品坐標；Ur、Vr表示參照照明光源色品坐標值（uv坐標值的具體計算過(guò)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(jià)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(lái)評價(jià)LED的顯色性是否合適尚不明確，并且傳統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(shù)平均值，這就使得在測試計算時(shí)容易產(chǎn)生問(wèn)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(huì )對一兩塊色樣具有較高的特殊顯色指數值。

　　此外，CIE標準中規定的用于計算一般顯色指數的8種色樣在評價(jià)光源時(shí)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且頻帶較寬的光源的顯色性具有不錯的結果，而對于評價(jià)波形陡峭且頻帶狹窄的光源則會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題，而LED正是這樣一種光源。

　　二、LED的顯色性評價(jià)探討

　　許多研究都表明用CIE顯色指數來(lái)評價(jià)LED的顯色性會(huì )存在很多問(wèn)題[3-6].CIE也不推薦采用顯色指數來(lái)評價(jià)LED,并在CIE技術(shù)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(jià)LED時(shí)會(huì )出現的若干問(wèn)題[7].

　　CIE規定，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?xún)?yōu)良；50≤Ra≤79,光源的顯色性一般；Ra50,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(guān)，越接近自然光譜（或者說(shuō)是標準光譜），顯色指數越高。但是利用顯色指數評價(jià)LED顯色性時(shí)，卻存在一定的問(wèn)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(diǎn)點(diǎn)，釋放波長(cháng)雖然只是移動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)，但顯色指數值就會(huì )明顯的下降，而人眼卻幾乎觀(guān)察不到顯色性的變化。更需要引起我們注意的是，實(shí)際測試中發(fā)現，有時(shí)候顯色指數低的LED甚至會(huì )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(shí)就曾發(fā)現，顯色指數低的LED燈具照射的物體，有時(shí)看起來(lái)反而更亮、更生動(dòng)。

　　圖3與圖4是美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）實(shí)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(guān)察會(huì )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(wèn)題是如何找到適合評價(jià)LED顯色性的測試方法。在認識到顯色指數評價(jià)LED遇到的問(wèn)題后，NIST正致力于研究制定一種新的評價(jià)光源顯色性的方法-色質(zhì)指數法（CQS）。與顯色指數類(lèi)似，CQS也是采用測驗色法，不過(guò)CQS選取的是15種飽和色，它們平均分布于整個(gè)可見(jiàn)光譜中，如圖5所示。目前NIST正致力于CQS的測試與開(kāi)發(fā)，并希望將該法推薦應用到固態(tài)照明行業(yè)中來(lái)[9].

　　圖5 CQS選用的15種色樣

　　筆者認為在評價(jià)LED顯色性時(shí)需注意三點(diǎn)：

　　第一，在沒(méi)有制定出更適合評價(jià)LED顯色性的標準方法前，可以考慮用顯色指數值來(lái)評估白光LED產(chǎn)品，但是需要根據實(shí)際應用來(lái)評估和選擇，不能簡(jiǎn)單的認為顯色指數低的LED其顯色性就差，更應該尊重實(shí)際的視覺(jué)感受；

　　第二，LED是一種新型光源，在制定標準時(shí)可寬松一些，比如傳統光源顯色指數分出的三個(gè)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?xún)?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(jià)方法時(shí)需要注意人種的區別，顏色反映在人的視覺(jué)系統才有意義，不同種色的人群其視覺(jué)感受會(huì )有所差別。

　　半導體照明產(chǎn)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(jià)方法和標準方面的研究還處于動(dòng)態(tài)研究階段。目前針對白光LED顯色性方面的評價(jià)，主要是依據CIE的顯色指數測試法，但實(shí)際測量中已經(jīng)發(fā)現了諸多問(wèn)題，新的測試方法正在研究中。要制定一個(gè)更好的顯色質(zhì)量測試評價(jià)方法，還需要一個(gè)長(cháng)期的研究和發(fā)展過(guò)程。