LED照明光源顯色性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和方法
：2018-01-17
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顏色是人的感覺(jué)之一，它總是與觀察者個(gè)人的主觀體驗(yàn)有關(guān)。每個(gè)人看到一種顏色后的感覺(jué)，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(shí)，顏色又使世界變得五彩繽紛，視覺(jué)藝術(shù)、圖象顯... 發(fā)光二極管
顏色是人的感覺(jué)之一，它總是與觀察者個(gè)人的主觀體驗(yàn)有關(guān)。每個(gè)人看到一種顏色后的感覺(jué)，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(shí)，顏色又使世界變得五彩繽紛，視覺(jué)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(duì)顏色進(jìn)行客觀的定量的描述，成為許多科學(xué)家研究的對(duì)象。
牛頓在1664年用棱鏡把白色的太陽(yáng)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(qiáng)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(xué)的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，1931國(guó)際照明委員會(huì)建立了CIE色度學(xué)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(dá)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(duì)人們的心理有非常大的影響。同濟(jì)大學(xué)楊公俠教授已在他的專著《視覺(jué)與視覺(jué)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(gè)物體會(huì)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(jiàn)，光源對(duì)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(shí)，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(guó)際照明委員會(huì)推薦在CIE色度系統(tǒng)中，用一般顯色指數(shù)Ra來(lái)描述光源的顯色性。一般顯色指數(shù)Ra應(yīng)用得還很成功，已被照明界廣泛接受，但是也存在一些問(wèn)題，本文將為光源顯色性的評(píng)價(jià)方法，以及近年來(lái)的進(jìn)展作一介紹。
1、一般顯色指數(shù)Ra
光源顯色性的評(píng)價(jià)方法，希望能夠既簡(jiǎn)單又實(shí)用。然而簡(jiǎn)單和實(shí)用往往是兩個(gè)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(gè)折衷的產(chǎn)物：它比較簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)100以內(nèi)的數(shù)值，就可以表達(dá)光源的顯色性能，Ra=100被認(rèn)為是最理想的顯色性。
但是，有時(shí)候人們的感覺(jué)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(wèn)題在哪里?我們來(lái)討論一下什么是一般顯色指數(shù)。
為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，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(jì)算方法。
事實(shí)上，我們?cè)谌粘Ｉ罾铮３Ｔ跈z驗(yàn)光源的顯色性。許多人都有這樣的經(jīng)驗(yàn)，細(xì)心的女士在商場(chǎng)買衣服的時(shí)候，常常還要到室外日光下再看一看它的顏色。她這樣做，實(shí)際上就是在檢驗(yàn)商場(chǎng)光源的顯色性：看一看同樣一件衣服，在商場(chǎng)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(gè)附加的要素：日光和衣服。
小編舉個(gè)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(shí)候，太陽(yáng)光照進(jìn)來(lái)，發(fā)現(xiàn)是這樣子的：
她不由感慨：原來(lái)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(lái)的那個(gè)面目!
在CIE顏色系統(tǒng)中，為確定待測(cè)光源的顯色性，首先要選擇參考光源，并認(rèn)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(cè)光源的相關(guān)色溫低于5000K時(shí)，以色溫最接近的黑體作為參考光源;當(dāng)待測(cè)光源的相關(guān)色溫大于5000K時(shí)，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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)定每一塊標(biāo)準(zhǔn)色板，在待測(cè)光源照射下和在參考光源照射下色坐標(biāo)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(duì)8塊標(biāo)準(zhǔn)色板所測(cè)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?？梢?jiàn)光源的一般顯色指數(shù)Ra的最大值為100，認(rèn)為這時(shí)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(jiǎn)單實(shí)用，但是它在許多方面表現(xiàn)出嚴(yán)重不足。
首先，顏色是人們主觀的感覺(jué)，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(shí)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(dá)最高值100，所以燈泡制造商都有意識(shí)地設(shè)計(jì)燈泡，使在用它照射物體時(shí)的顯色性與黑體或日光照射時(shí)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(shí)，會(huì)使顯色指數(shù)下降。例如用紅、綠、藍(lán)三個(gè)單色LED組成的白光LED，當(dāng)在它的一般顯色指數(shù)Ra較低時(shí)，它的顯色性有時(shí)并不一定很壞。
但是事實(shí)上，研究者Judd、Thorntou和Jerome已證實(shí)人們不一定最喜歡CIE所規(guī)定的參考光源照明時(shí)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(shí)顯色指數(shù)為最佳值Ra=100，存在疑問(wèn)。
CIE規(guī)定的參考光源是與待測(cè)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(dāng)色溫在6500K時(shí)，其長(zhǎng)短波的光譜功率分布較為均衡，作為參考光源應(yīng)該說(shuō)較為合理。但當(dāng)色溫在400K以下時(shí)，光譜功率分布嚴(yán)重不對(duì)稱，蘭色的短波光譜功率遠(yuǎn)小于紅色的長(zhǎng)波光譜功率，其顏色偏向紅色，作為參考光源存在疑問(wèn)。
文件移動(dòng)到本地文件夾就會(huì)刪除郵件在CIE顏色系統(tǒng)中，8塊標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于室內(nèi)照明，可認(rèn)為已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時(shí)，往往存在一些色飽和度較高的顏色，這8塊標(biāo)準(zhǔn)色板已不能充分代表常用顏色。
文件移動(dòng)到本地文件夾就會(huì)刪除郵件
許多學(xué)者認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)色板數(shù)太少，是一般顯色指數(shù)的另一個(gè)不足。雖然CIE還有9—14號(hào)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)色板，但由于這會(huì)使計(jì)算變得太復(fù)雜而被拒絕。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)普遍使用，似乎這個(gè)提議又得重新考慮。
由于光源的顯色性評(píng)價(jià)存在這兩大問(wèn)題、許多其它的評(píng)價(jià)方法引起廣泛興趣，本文將就作者所知作一簡(jiǎn)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(dòng)的、飽和度較高時(shí)的顏色。這種記憶色與喜愛(ài)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(shí)上是對(duì)Ra的修正，這個(gè)修正包括二個(gè)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(biāo)準(zhǔn)色板，即除了原來(lái)1-8號(hào)標(biāo)準(zhǔn)色板外，還加上13號(hào)14號(hào)二塊色板，相應(yīng)于皮膚色和樹葉色。
這時(shí)，“完美光源”就是指在它的照射下，能把10塊標(biāo)準(zhǔn)色板的顏色向喜愛(ài)方向偏移的光源。
由此可見(jiàn)，對(duì)每塊標(biāo)準(zhǔn)色板來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的“完美光源”的色坐標(biāo)是各不相同的，可以由實(shí)驗(yàn)確定。這也說(shuō)明了這樣的“完美光源”只能是假想的。
Rf的計(jì)標(biāo)方法與Ra相似，但有二點(diǎn)不同：
1、對(duì)于每塊標(biāo)準(zhǔn)色板，參考光源的色坐標(biāo)都需要調(diào)整，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的“完美光源”色坐標(biāo)。然后，在待測(cè)光源照明時(shí)，每塊色板的色差是與其相應(yīng)的“完美光源”相比較后得到。
2、在計(jì)算Rf時(shí)，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(hào)色板是膚色，權(quán)重是35%、2號(hào)是15%、14號(hào)是15%、其余是每塊5%。這里特別強(qiáng)調(diào)了膚色的重要性。所以待測(cè)光源的Rf可以高于參考光源Rf=90，但小于100。
4、顏色偏愛(ài)指數(shù)
顏色偏愛(ài)指數(shù)CPI利用上節(jié)提出的喜愛(ài)色概念，定義在D65光源照明下，顏色偏愛(ài)指數(shù)CPI=100。
于是待測(cè)光源的CPI可以這樣得到：
在待測(cè)光源照射下，計(jì)算8塊標(biāo)準(zhǔn)色板的色坐標(biāo)與最喜愛(ài)色的色坐標(biāo)之差，并求其矢量和的平均值：CPI=156-7.18
以上計(jì)算都是在CIE的UV色度系統(tǒng)中進(jìn)行。
雖然CPI與Rf都利用了最喜愛(ài)色這一概念，但兩者有很大差別：
1、在計(jì)算Rf時(shí)，用1—8號(hào)和13、14共10塊標(biāo)準(zhǔn)色板，而CPI只用1—8塊標(biāo)準(zhǔn)色板
2、技術(shù)Rf時(shí)，色差取實(shí)驗(yàn)值的1/5，而CPI取原始實(shí)驗(yàn)值
3、計(jì)算Rf時(shí)，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(gè)指數(shù)的研究人員，都用實(shí)驗(yàn)確定喜愛(ài)色，而在實(shí)驗(yàn)中采用的是日光色照明?，F(xiàn)在有證據(jù)表明喜愛(ài)色與光源的相關(guān)色溫有關(guān)。所以在使用Rf和CPI來(lái)恒量顯色性時(shí)，僅僅適用高色溫的光源。
5、色分辯指數(shù)
用Ra、Rf或CPI來(lái)描述光源的顯色性，參考光源必須與待測(cè)光源有相同的色溫。顏色分辯指數(shù)CDI克服了這個(gè)局限性。
該指數(shù)的提出，基于這樣一個(gè)假定：在某種光源的照明下，能區(qū)別顏色的能力愈強(qiáng)，則此光源的顯色性愈好。在某個(gè)光源照明時(shí)，8塊標(biāo)準(zhǔn)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(shí)CDI=100，于是在待測(cè)光源的照明下，其色分辯指數(shù)為：
CDI=×100
6、結(jié)束語(yǔ)
由上述討論可知，光源顯色性的評(píng)價(jià)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(diǎn)。
即使目前廣為采用的一般顯色指數(shù)Ra，也還有許多缺點(diǎn)。
它最主要的缺點(diǎn)，是參考光源的選擇：參考光源是一個(gè)光譜連續(xù)的光源，用它作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(cè)光源的相關(guān)色溫相近，而事實(shí)上，對(duì)于一定的照明作業(yè)，色溫本身對(duì)顯色性就有很大的影響，這個(gè)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(gè)缺點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)色板的選擇：對(duì)于室內(nèi)照明，可認(rèn)為8塊標(biāo)準(zhǔn)色板已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時(shí)，對(duì)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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