LED照明光源顯色性的評判標準和方法
：2018-01-17
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顏色是人的感覺之一，它總是與觀察者個人的主觀體驗有關(guān)。每個人看到一種顏色后的感覺，別人難以知曉。所以顏色的研究總是充滿了神秘的想象。同時，顏色又使世界變得五彩繽紛，視覺藝術(shù)、圖象顯... 發(fā)光二極管
顏色是人的感覺之一，它總是與觀察者個人的主觀體驗有關(guān)。每個人看到一種顏色后的感覺，別人難以知曉。所以顏色的研究總是充滿了神秘的想象。同時，顏色又使世界變得五彩繽紛，視覺藝術(shù)、圖象顯示與傳輸、紡織品印染、彩色印刷等，都離不開顏色的研究。因此顏色的研究、對顏色進行客觀的定量的描述，成為許多科學家研究的對象。
牛頓在1664年用棱鏡把白色的太陽光色散成不同色調(diào)的光譜，奠定了光顏色的物理基礎(chǔ)。1860年麥克斯韋用不同強度的紅、黃、綠三色光配出了從白光一直到各種顏色的光，奠定了三色色度學的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，1931國際照明委員會建立了CIE色度學系統(tǒng)，并不斷完善。如今CIE色度系統(tǒng)已廣泛用于定量地表達光的顏色。
顏色離不開照明，只有在光照下物體才有可能顯示出顏色，而且光的顏色對人們的心理有非常大的影響。同濟大學楊公俠教授已在他的專著《視覺與視覺環(huán)境》一書的第五章中，作了非常精彩的描述。
在不同光源照射下，同一個物體會顯示出不同的顏色。例如綠色的樹葉在綠光照射下，有鮮艷的綠色，在紅光照射下近于黑色。由此可見，光源對被照物體顏色的顯現(xiàn)，起著重要的作用。光源在照射物體時，能否充分顯示被照物顏色的能力，稱為光源的顯色性。
1965年，國際照明委員會推薦在CIE色度系統(tǒng)中，用一般顯色指數(shù)Ra來描述光源的顯色性。一般顯色指數(shù)Ra應用得還很成功，已被照明界廣泛接受，但是也存在一些問題，本文將為光源顯色性的評價方法，以及近年來的進展作一介紹。
1、一般顯色指數(shù)Ra
光源顯色性的評價方法，希望能夠既簡單又實用。然而簡單和實用往往是兩個互相矛盾的要求。在CIE顏色系統(tǒng)中，一般顯色指數(shù)Ra就是這樣一個折衷的產(chǎn)物：它比較簡單，只需要一個100以內(nèi)的數(shù)值，就可以表達光源的顯色性能，Ra=100被認為是最理想的顯色性。
但是，有時候人們的感覺并非如此。例如在白熾燈照射下的樹葉，看上去并不太鮮艷。問題在哪里?我們來討論一下什么是一般顯色指數(shù)。
為簡便起見，我們這里只討論一般顯色指數(shù)Ra的主要構(gòu)成方法，而不討論它的具體計算方法。
事實上，我們在日常生活里，常常在檢驗光源的顯色性。許多人都有這樣的經(jīng)驗，細心的女士在商場買衣服的時候，常常還要到室外日光下再看一看它的顏色。她這樣做，實際上就是在檢驗商場光源的顯色性：看一看同樣一件衣服，在商場光源的照明下和在日光的照明下，衣服的顏色有什么不同。所以描述光源的顯色性，需要兩個附加的要素：日光和衣服。
小編舉個栗子：我一位朋友，家里裝修要買木地板。
她在店里看到的木地板顏色是這樣子的：
送到家里安裝的時候，太陽光照進來，發(fā)現(xiàn)是這樣子的：
她不由感慨：原來展示廳里的燈光猶如女人化妝一樣，卸了妝之后根本不是原來的那個面目!
在CIE顏色系統(tǒng)中，為確定待測光源的顯色性，首先要選擇參考光源，并認為在參考光源照射下，被照物體的顏色能夠最完善的顯示。CIE顏色系統(tǒng)規(guī)定：在待測光源的相關(guān)色溫低于5000K時，以色溫最接近的黑體作為參考光源;當待測光源的相關(guān)色溫大于5000K時，用色溫最相近的D光源作為參改光源。這里D光源是一系列色坐標可用數(shù)字式表示、并與色溫有關(guān)的日光。
在選定參考光源后，還需要選定有色物體。由于顏色的多樣性，需要選擇一組標準顏色，使它們能充分代表常用的顏色。CIE顏色系統(tǒng)選擇了8種顏色，它們既有多種色調(diào)，又具有中等明度值和彩度。
在u-v顏色系統(tǒng)中，測定每一塊標準色板，在待測光源照射下和在參考光源照射下色坐標的差別，即色位移ΔEi，就可得到該色板的特殊顯色指數(shù)Ri。
Ri=100—4.6ΔEi
對8塊標準色板所測得的特殊顯色指數(shù)Ri取算術(shù)平均，就得到了一般顯色指數(shù)Ra。可見光源的一般顯色指數(shù)Ra的最大值為100，認為這時光源的顯色性最好。
2、一般顯色指數(shù)Ra的局限性
盡管一般顯色指數(shù)Ra簡單實用，但是它在許多方面表現(xiàn)出嚴重不足。
首先，顏色是人們主觀的感覺，不是物體固有的屬性，它與照明條件、觀察者、輻照度、照度、周圍物體和觀察角度等有關(guān)，并不存在什么所謂“真實顏色”。但是由于在CIE系統(tǒng)中，已定義Ra在近似黑體的輻射下達最高值100，所以燈泡制造商都有意識地設(shè)計燈泡，使在用它照射物體時的顯色性與黑體或日光照射時盡可能相近。這意味著光源的光譜分布與黑體或日光有偏離時，會使顯色指數(shù)下降。例如用紅、綠、藍三個單色LED組成的白光LED，當在它的一般顯色指數(shù)Ra較低時，它的顯色性有時并不一定很壞。
但是事實上，研究者Judd、Thorntou和Jerome已證實人們不一定最喜歡CIE所規(guī)定的參考光源照明時的顏色。例如前面已經(jīng)提到的用色溫很低的白熾燈照射綠色的樹葉，并不一定是最好的選擇。規(guī)定在黑體或日光照射時顯色指數(shù)為最佳值Ra=100，存在疑問。
CIE規(guī)定的參考光源是與待測光源的相關(guān)色溫最接近的黑體或日光，它們都是輻射連續(xù)光譜的光源，具有多種顏色的光譜成分。當色溫在6500K時，其長短波的光譜功率分布較為均衡，作為參考光源應該說較為合理。但當色溫在400K以下時，光譜功率分布嚴重不對稱，蘭色的短波光譜功率遠小于紅色的長波光譜功率，其顏色偏向紅色，作為參考光源存在疑問。
文件移動到本地文件夾就會刪除郵件在CIE顏色系統(tǒng)中，8塊標準色板都是處在中等明度和色飽和度，在u~v系統(tǒng)中為等距離間隔。它們對于室內(nèi)照明，可認為已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時，往往存在一些色飽和度較高的顏色，這8塊標準色板已不能充分代表常用顏色。
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許多學者認為標準色板數(shù)太少，是一般顯色指數(shù)的另一個不足。雖然CIE還有9—14號色飽和度較高的6塊色板，但它們并不包含在一般顯色指數(shù)Ra之中。在照明實踐中，人們熟知的顏色為皮膚、樹葉、食品等，它們的顏色極為重要，但它們都被排除在一般顯色指數(shù)之外。
Seim曾提議用20塊標準色板，但由于這會使計算變得太復雜而被拒絕。當前，計算機普遍使用，似乎這個提議又得重新考慮。
由于光源的顯色性評價存在這兩大問題、許多其它的評價方法引起廣泛興趣，本文將就作者所知作一簡要介紹。
3、夫勒特利指數(shù)Rf
研究表明人們傾向于記住比較熟悉的物體的顏色，而且是記住它的生動的、飽和度較高時的顏色。這種記憶色與喜愛色往往相一致，而且傾向于向飽和度高方向偏移。如人們膚色的記憶色，傾向于向紅方向偏移，樹葉色向綠色方向偏移。顯然與CIE中的Ra方法不同。
Rf事實上是對Ra的修正，這個修正包括二個方面：
第一，在參考光源的照明下定義Rf=90，只有在假想的“完美光源”照明下，才有Rf=100。
第二，選擇10塊標準色板，即除了原來1-8號標準色板外，還加上13號14號二塊色板，相應于皮膚色和樹葉色。
這時，“完美光源”就是指在它的照射下，能把10塊標準色板的顏色向喜愛方向偏移的光源。
由此可見，對每塊標準色板來說，相應的“完美光源”的色坐標是各不相同的，可以由實驗確定。這也說明了這樣的“完美光源”只能是假想的。
Rf的計標方法與Ra相似，但有二點不同：
1、對于每塊標準色板，參考光源的色坐標都需要調(diào)整，即根據(jù)實驗確定的“完美光源”色坐標。然后，在待測光源照明時，每塊色板的色差是與其相應的“完美光源”相比較后得到。
2、在計算Rf時，取10塊色板的色差平均值，但是每塊色板的權(quán)重不同。13號色板是膚色，權(quán)重是35%、2號是15%、14號是15%、其余是每塊5%。這里特別強調(diào)了膚色的重要性。所以待測光源的Rf可以高于參考光源Rf=90，但小于100。
4、顏色偏愛指數(shù)
顏色偏愛指數(shù)CPI利用上節(jié)提出的喜愛色概念，定義在D65光源照明下，顏色偏愛指數(shù)CPI=100。
于是待測光源的CPI可以這樣得到：
在待測光源照射下，計算8塊標準色板的色坐標與最喜愛色的色坐標之差，并求其矢量和的平均值：CPI=156-7.18
以上計算都是在CIE的UV色度系統(tǒng)中進行。
雖然CPI與Rf都利用了最喜愛色這一概念，但兩者有很大差別：
1、在計算Rf時，用1—8號和13、14共10塊標準色板，而CPI只用1—8塊標準色板
2、技術(shù)Rf時，色差取實驗值的1/5，而CPI取原始實驗值
3、計算Rf時，各塊色板的權(quán)重不同，而CPI取相同權(quán)重
4、根據(jù)定義Rf的最大值為100，而CPI的最大值為156
最后要指出提出Rf與CPI兩個指數(shù)的研究人員，都用實驗確定喜愛色，而在實驗中采用的是日光色照明?，F(xiàn)在有證據(jù)表明喜愛色與光源的相關(guān)色溫有關(guān)。所以在使用Rf和CPI來恒量顯色性時，僅僅適用高色溫的光源。
5、色分辯指數(shù)
用Ra、Rf或CPI來描述光源的顯色性，參考光源必須與待測光源有相同的色溫。顏色分辯指數(shù)CDI克服了這個局限性。
該指數(shù)的提出，基于這樣一個假定：在某種光源的照明下，能區(qū)別顏色的能力愈強，則此光源的顯色性愈好。在某個光源照明時，8塊標準色板在CIE的UV色度圖中，所包圍的面積為：
GA=0.5Σi，j=1，2，…8;i≠j
在C光源照明下，該面積GA=0.005，定義這時CDI=100，于是在待測光源的照明下，其色分辯指數(shù)為：
CDI=×100
6、結(jié)束語
由上述討論可知，光源顯色性的評價方法很多，而且在不斷發(fā)展和完善之中，本文介紹的僅僅是其中的一部分，它們各有優(yōu)缺點。
即使目前廣為采用的一般顯色指數(shù)Ra，也還有許多缺點。
它最主要的缺點，是參考光源的選擇：參考光源是一個光譜連續(xù)的光源，用它作為標準來衡量光譜不連續(xù)的光源，不很合適。參考光源的色溫必須與待測光源的相關(guān)色溫相近，而事實上，對于一定的照明作業(yè)，色溫本身對顯色性就有很大的影響，這個方法限制了只能用在光源色溫已經(jīng)確定的條件下使用。
它的第二個缺點是標準色板的選擇：對于室內(nèi)照明，可認為8塊標準色板已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時，對一些色飽和度較高的顏色，不能充分代表常用顏色。
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