led光源显色指数cri的研究

led光源显色指数cri的研究

目前，标准光源色彩评价方法采用1973年cie推荐的色度指数计算方法。该方法的有效版本在cie133-1995中描述。显色指数(CRI)把普朗克辐射体作为评价低色温光源显色性的参照标准,规定评价色温在5000K以下的光源的显色性时,把它与5000K以下的黑体作比较,认为黑体的显色指数为100。把标准照明体D作为评价高色温光源(大于5000K)显色性的参照标准,另外采用1套15种试验色,其中8种试验色(1~8)用于光源一般显色指数的计算,这8种颜色代表了各种不同的常见颜色,其饱和度是适中的,明度值接近相等。另外7种颜色(9~15)专门用于特殊显色指数计算,它们是一些饱和色和皮肤色。在比较过程中,被照明物体的颜色感觉,除了与光源的光谱功率分布及物体的光谱辐亮度系数有关外,还与人眼的适应状态有关。人眼在荧光灯下观察一颜色后,若把这一颜色移至白炽灯下观察,则在开始观察时发现颜色与日光下有些差别,但是过了一会儿人眼马上又能正确地分辨原来在日光下观察到的颜色,而且感觉到颜色并没有发生变化,这称为色适应。所以,目前显色指数(CRI)主要评价几个参数就是测量、计算这些试验色在参照照明体和待测光源照明下色适应后的色差,最后得出待测光源的显色指数,用以表征光源显色性的好坏程度。但是一直以来,显色指数(CRI)并不是完美的评价光源显色性的方法,其存在一些缺陷,比如并没有考虑颜色的饱和度,比如售卖西瓜或者肉类产品的商家,尽管钨丝灯在显色指数(CRI)中得到100的显色指数,但是商家可能会在钨丝灯具的反射器上加上红色的纸,增加红色部分的饱和度,使售卖的产品视觉感受上更好,可见Ra=100的光源并不是完美显色性的光源,另外在计算某些特殊显色指数Ri时,其显色指数可以得到0甚至是负值,但是实际上该光源并非对该标准色板完全没有显色性,所以计算与实际感受无法得到对应,这同样是显色指数(CRI)的缺陷之一。近期国际照明委员会(CIE)出版了关于显色性的技术报告。报告主要内容是重新探讨了采用现有的显色指数评价白光LED显色性与实际视觉实验之间的适用性。随着LED的出现,目前已经有越来越多的案例表明,目前的CIE显色指数计算方法与实际视觉实验之间存在冲突,现有的显色指数计算方法并不能很好地评价LED光源的显色性。而在CIE的技术报告当中,描述了3个近期的包括LED光源的显色指数视觉实验,这3个实验证实显色指数和视觉实验之间存在的冲突。实验得出的结果是,将白光LED加入到多种光源的视觉显色性实验中时,视觉实验结果无法很好的与现有的显色指数计算方法得出的结果相一致;而且采用视觉实验色偏差和采用显色指数计算方法得出的色偏差之间的相关性也很低。所以,CIE的结论是现有的显色指数评价方法一般不适合预测1组包含有白光LED光源的显色水平排序。分析在这些实验中的偏差原因,主要是因为CRI计算方法中的每种Ra标准色样都是采用贝塞尔色标标准,色样1~8都是中等明度和中等色饱和度的样品,不能代表高色饱和度物体真正的颜色。另外就是CRI规定的参照光源都是连续光谱光源,而LED光源可由多种单色光和部分连续光谱组成,有高色饱和度的色光成份,是不同的色增强型光源,与连续光谱光源有本质区别。由于LED的特殊光谱与连续光谱有较大的区别,所以特别需要注意的是在评价9号色块(饱和深红色)在LED光源下的显色性时,可能会出现较大的差距,因此由于目前的显色性新方法并没有确定,在能源之星以及国内新制定的LED相关照明标准中,均对特殊显色指数R9专门提出大于0的要求,用于对原有CRI一般显色指数的补充。目前国际照明委员会推荐了1种新的显色指数来改进上述冲突,这种显色指数可以评价包括白光LED在内的多种照明光源。但是这种新的显色指数由于并没有形成最终的版本,一直在变更当中,目前这种新的显色指数评价方法并不能马上替代现有的显色指数(CRI)评价方法,新的显色指数评价方法仅适用于给现有的显色指数提供1个信息的补充,需要等到新的显色指数评价方法完全整合成最终版本的时候,才能考虑是否代替现有的显色指数(CRI)评价方法。本技术报告的附录部分提出对白光LED显色指数的改进性的描述。R96a是新的显色性计算方法,与标准方法相比较,该方法有以下主要特征:(1)测试样本取自Macbeth色彩测试标板,而非Munsell色谱;(2)使用6个参考照明体:D65、D50、P4200、P3450、P2950、P2700,代替连续普朗克/昼光照明体;(3)使用CIE色度适应公式(CIE,1994),而非vonKries色适应模型;(4)测试灯及参考灯均需转换至D65色度;(5)色差用CIELAB量化。主要做出这些改变是因为原有显色指数CRI规定的标准色样是采用贝塞尔色标标准,色样1~8都是中等明度和中等色饱和度的样品,不能代表高色饱和度物体真正的颜色;计算CRI色差选用的色空间W*U*V*已过时,计算CRI的色适应变换模型已过时。目前国际上的色度学专家一致认为,CMCCAT2000,CIECAT94,CMCCAT97和CAT02色适应公式均比原有显色指数(CRI)中的色适应变换模型更为合理,而且在评价过大或细小的色差时,采用基于CIE于2002年推荐的CIECAM02颜色空间的色差公式和空间颜色不一致性公式来计算更为合理。另外1个关注点在参考光源的数量上,仅仅采用几个相关色温的参考光源去定义实际视觉感受是很困难的。还有就是目前(CRI)采用的色差来计算显色指数也是不合理的,采用有限的标准色块的色差做平均的话,有可能对某些光源产生巨大的误差,目前白光LED的光谱都是比较窄的光谱带宽,采用白光LED光源去评价每个标准色块的色差都会产生很大的误差。除R96a外,NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology,美国国家标准与技术研究所)YoshiOhno等提出的CQS(ColorQualityScale,下同)同样是基于显色指数(CRI)的1种改进计算方法,他们觉得不用建立1种新的体系来评价显色性,原有的CRI同样有其优点,只要进行改进其缺点即可。其计算方法同样是被测光源与参考光源照射下标准色板的色差,但其选择标准色块时考虑了人眼对颜色的偏好度,并且全部色板采用高饱和度的色彩,因为YoshiOhno等认为光源对某一颜色的非饱和色显色性很好,但是不一定对这一颜色的饱和色显色性好,就如上述钨丝灯具加盖红色纸块的例子;但是如果反过来,1个光源对某一高饱和度的颜色显色性好的话,其非饱和色的显色指数同样会比较好。所以CQS全部采用高饱和色的标准色板做为计算的依据。CQS的另外1个重要的改进是计算方法中不再采用算术平均值去综合评价显色参数,而是采用15个标准色板色差的均方根值,假设被测光源如果对某一色板色差非常大时,但是对其他色板色差较小,在显色指数CRI中,得出的显色指数会比较好;但是采用均方根计算时,其显色指数并不会太高,这个缺陷可以被CQS系统表示出来。还有就是采用对数的方法计算每个特殊显色指数的值,进行这样的改进可以避免出现零值或者负值。这几个修改要点都是针对显色指数(CRI)的最明显缺点来改进的。CQS主要改进的特征:(1)采用完全不同的15块标准色板,这些色板全部采用高饱和度的色彩,但是这15个标准色板同样是来自孟塞尔标准色块。(2)综合显色指数采用每1特殊显色指数的色差的均方根,而不是算术平均值。(3)在计算每1特殊显色指数时采用对数的方法避免零值和负值的出现。由上述公式的转换,显色指数避免负值的出现,其中实线是转换前的CQS轨迹,虚线是转换后的CQS轨迹。(4)原有的显色指数CRI体系采用的是1964W*U*V*色空间,W*U*V*色空间在红色区域色差被极度放大,但是在黄色和蓝色区域又是被缩小的。CQS采用CIE目前推荐CIE1976的CIELAB色空间进行色差的计算,因为该色空间具有更好的均匀性。图2描绘出CQS体系所采用的15个饱和色块在CIELAB色空间和W*U*V*色空间中的位置,可以看出CIELAB色空间具有很好的均匀性。(5)显色指数CRI对标准色块在参考光源和被测光源下的色调、饱和度、明度的任何方向的偏差做综合评价,CQS系统认为其中有个问题,越高的饱和度的色彩能带来更好的视觉清晰度和感觉上更加明亮,饱和度对视觉是正向的影响,过高的饱和度不应该在评价体系中被减分,但是也不会在体系中加分。在CQS体系中,通过这个改进,可以更好的符合实际视觉感受。(6)如(4)式,显色指数CRI采用的比例常数是4.6,来转换色差与显色指数的关系,在新CQS体系中标准色块组和色空间已经不同,这个比例常数需要作出一定的改变,但是为了保持与CRI的一致性,这个新的常数基于CIE标准荧光灯(F1~F12)的平均CRI显色指数Ra=75.1,目前推荐的新常数为3.01,随着CQS体系的修改,该常数可能会重新计算。由上述特征可以看出,所有的CQS体系是基于显色指数CRI进行改进,针对CRI的缺点做出计算或者方法上的补充。由NIST根据CQS的几个针对白光LED显色性的试验中,特别是三色混光LED的芯片,具有很好的实际视觉匹配度。但是在近期的视觉试验除R96a和CQS之外,国际上还同时存在另外的光源颜色质量评价方法如颜色辨别指数(CDI),该指数认为光源区别颜色的能力越强,光源显色性就越好;锥体面积指数(CSA)和颜