不同光源的显色性比较实验研究

李德胜 邹 琳 曹 帆 杨 轶 邹念育

(大连工业大学光子学研究所，辽宁大连 116034)

1 引言

显色性是指光源发出的光照射到物体上所产生的客观效果和对物体真实色彩的显现程度，是评价照明光源的一个重要指标。光源的光谱分布决定光源的显色性，光源的显色性影响人眼观察物体的颜色，对光源显色性进行定量评价是评价光源质量的一个重要方面。一般的人工照明光源都是用显色指数Ra作为显色性的评价指标。Ra的数值范围从0～100，没有物理单位。Ra值越高，光源的显色性就越好。一般认为Ra≥80，光源的显色性优良;50≤Ra≤79，光源的显色性一般;Ra＜50，光源的显色性较差。

白光LED是新光源中的佼佼者，以其节能、环保、长寿命等一系列优点而被公认为最具潜力取代传统照明器具的新产品。传统光源显色性评价应用最多的是国际照明学会CIE制定的“测色法”，广泛用于评价荧光灯和HID灯。但显色指数已有40多年的历史，是否适用于白光LED还有待研究。许多研究表明用CIE显色指数来评价LED的显色性会存在很多问题［1～3］。CIE也不推荐采用显色指数来评价LED，并在CIE技术报告:《CIE 177:2007，白光LED光源的显色性》中总结出了显色指数用于评价LED时会出现的若干问题［4］。国内复旦大学也对LED的颜色质量评价方法进行了初步研究［5］。

本文对6种不同电光源的显色性进行了实验研究。首先基于CIE测色法，对6种光源的一般显色指数进行了测试，然后利用主观评价法对6种光源的显色能力进行了主观评价与比较。实验表明，白炽灯、荧光灯的显色指数测试结果与显色能力主观评价结果相吻合，但白光LED球泡灯的显色指数与显色能力主观评价有一定出入，说明一般显色指数只适用于用于评价传统光源，而对白光LED则需要研究新的显色性评价方法。

2 CIE显色指数计算方法

1965年CIE制定了一种评价光源显色性的方法，简称“测色法”，经1974年修订，正式推荐在国际上采用［6］。按CIE的规定，标准照明体即作为参照照明光源要根据待测光源的相关色温来选取，一般把普朗克辐射体作为低色温光源 (小于5000K)的参考标准，把标准照明体D(即组合日光)作为高色温光源 (大于5000K)的参考标准。

CIE规定显色指数分为特殊显色指数Ri和一般显色指数Ra，评价时采用一套14种试验颜色样品，其中1～8号试验色用于一般显色指数的计算，这8种颜色样品选自孟塞尔色标，包含各种有代表性的色调，都具有中等彩度和明度，如图1所示。

图1 CIE中1～8号色样

CIE除规定了计算一般显色指数用的8种标准颜色样品外，还补充规定了6种计算特殊颜色显色指数的标准颜色样品，供检验光源的某种特殊显色性能选用，分别是彩度较高的红、黄、绿、蓝及叶绿色和欧美人的肤色，如图2所示。我国计算光源显色指数的方法还增加了中国女性肤色的颜色样品［7］。

图2 CIE中9～14号色样

特殊显色指数的计算公式为:

其中ΔEi是参照光源下和待测光源下各种试验色的色差:

式中 r——参照光源下标;

k——待测光源下标;

i——检验色样序号的下标;

U*、V*、W*——均匀颜色空间坐标值，由式(3)求得。

式 (3)中，Y表示检验色样CIE 1931三色刺激值Y;u、v表示检验色样的uv坐标值;u0、v0表示照明光源的uv坐标值。(uv坐标值的具体计算过程可查阅CIE或国家标准。)一般显色指数的计算公式为:

3 实验研究

实验选取了6种光源，其中1个白炽灯，2个紧凑型荧光灯，3个白光LED球泡灯，基本信息如表1所示。

主观评价实验在暗室内进行，主要是选用不同光源对同一物品 (仿真花束)进行照射，让测试者对光源的显色性进行主观评价。图3暗室内是三种不同光源照射下的显色照片。实验选取20名本科生或研究生，其中10男10女，年龄为20至25岁，均具有正常的视力或矫正视力，无色弱色盲等眼疾。

表1 实验用光源相关信息

图3 仿真花束在不同光源下的显色情况

主观评价主要分为两方面的内容，一是对光源显色能力的评价，将光源显色能力分为5等，分别是很好、较好、一般、较差、很差;二是光源显色性对比评价，即对6种光源显色能力进行主观排序。实验统计结果如表2所示。

表2 显色能力主观评价结果

主观评价结果显示，全部受试人员认为白炽灯显色性很好;荧光灯显色能力方面，有15人认为2号光源显色性较好，5人认为2号光源显色性一般，有2人认为3号光源显色性很好，18人认为3号光源显色性较好;LED球泡灯显色能力方面，没有人选择“很好”，分别有15人、14人和10人认为4号、5号和6号光源具有较好的显色性。需要注意的是，在实际测试中发现，有时候显色指数低的LED甚至会比显色指数高的LED具有更完美的显色性，这与测试者中多数人认为显色指数最低的5号光源 (73.6)比显色指数较高的6号光源 (82.4)显色性更好相吻合。

实验表明，白炽灯、荧光灯的显色指数测试结果与显色能力主观评价结果相吻合，但白光LED球形灯的显色指数与显色能力主观评价有一定出入，这说明一般显色指数适用于用于评价传统光源 (白炽灯、荧光灯)，但对白光LED则有待改进，需要提出新的评价方法。在表1中我们还给出了6中光源对9号色样的显色指数，由表可见，除了白炽灯以外，9号样品在其他5种光源下产生过大的色差，这也正证明了CIE显色指数存在问题。

其实从式 (4)及CIE所用颜色样品中也可以分析出来，一般显色指数在测试计算非连续光谱的光源时很容易产生问题。一般显色指数测试所用的8种颜色样品都具有中等彩度和明度，都是非饱和色，它们用于衡量光谱连续且频带较宽的光源的显色性具有不错的结果，而对于评价波形陡峭且频带狭窄的光源则会产生问题，而LED正是波形陡峭且频带狭窄的光源。

4 讨论

实验表明，用显色指数来评价传统光源的显色性比较完美，但用来评价白光LED的显色性则明显存在问题。美国国家标准与技术研究所 (NIST)正致力于研究制定一种新的评价光源显色性的方法——色质指数法 (CQS)。CQS选取的是15种饱和色，它们平均分布于整个可见光谱中，目前NIST正致力于CQS的测试与开发，并希望将该法推荐应用到固态照明行业中来［8］。但也有研究指出，CQS在评价颜色质量的准确性上，与CRI相比并未体现明显优势［5］。因此，要针对白光LED制定一个更好的显色质量测试评价方法，还需要一个长期的研究和发展过程。

作者之前曾提出在评价LED显色性时需注意三点［9］:第一，在没有制定出更适合评价LED显色性的标准方法前，可以考虑用显色指数值来评估白光LED产品，但是需要根据实际应用来评估和选择，不能简单的认为显色指数低的LED其显色性就差，更应该尊重实际的视觉感受;第二，对于LED这种新生产物，在制定标准时候可宽松一些，比如传统光源显色指数分出的三个等级可以适当放低要求，可认为显色指数大于70即为显色性优良 (此处只是假设);第三，制定LED显色性评价方法时需要注意人种的区别，颜色反映在人的视觉系统才有意义，不同种色的人群其视觉感受可能会有所差别。

［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，孙耀杰，童立青，林燕丹.白光LED颜色质量评价方法研究.照明工程学报，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］李德胜，邹念育.光源显色指数与白光LED的显色性评价探讨.半导体照明，2011，12(2).