led光源顯色指數(shù)cri的研究

led光源顯色指數(shù)cri的研究

目前，標(biāo)準(zhǔn)光源色彩評價方法采用1973年cie推薦的色度指數(shù)計算方法。該方法的有效版本在cie133-1995中描述。顯色指數(shù)(CRI)把普朗克輻射體作為評價低色溫光源顯色性的參照標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定評價色溫在5000K以下的光源的顯色性時,把它與5000K以下的黑體作比較,認為黑體的顯色指數(shù)為100。把標(biāo)準(zhǔn)照明體D作為評價高色溫光源(大于5000K)顯色性的參照標(biāo)準(zhǔn),另外采用1套15種試驗色,其中8種試驗色(1~8)用于光源一般顯色指數(shù)的計算,這8種顏色代表了各種不同的常見顏色,其飽和度是適中的,明度值接近相等。另外7種顏色(9~15)專門用于特殊顯色指數(shù)計算,它們是一些飽和色和皮膚色。在比較過程中,被照明物體的顏色感覺,除了與光源的光譜功率分布及物體的光譜輻亮度系數(shù)有關(guān)外,還與人眼的適應(yīng)狀態(tài)有關(guān)。人眼在熒光燈下觀察一顏色后,若把這一顏色移至白熾燈下觀察,則在開始觀察時發(fā)現(xiàn)顏色與日光下有些差別,但是過了一會兒人眼馬上又能正確地分辨原來在日光下觀察到的顏色,而且感覺到顏色并沒有發(fā)生變化,這稱為色適應(yīng)。所以,目前顯色指數(shù)(CRI)主要評價幾個參數(shù)就是測量、計算這些試驗色在參照照明體和待測光源照明下色適應(yīng)后的色差,最后得出待測光源的顯色指數(shù),用以表征光源顯色性的好壞程度。但是一直以來,顯色指數(shù)(CRI)并不是完美的評價光源顯色性的方法,其存在一些缺陷,比如并沒有考慮顏色的飽和度,比如售賣西瓜或者肉類產(chǎn)品的商家,盡管鎢絲燈在顯色指數(shù)(CRI)中得到100的顯色指數(shù),但是商家可能會在鎢絲燈具的反射器上加上紅色的紙,增加紅色部分的飽和度,使售賣的產(chǎn)品視覺感受上更好,可見Ra=100的光源并不是完美顯色性的光源,另外在計算某些特殊顯色指數(shù)Ri時,其顯色指數(shù)可以得到0甚至是負值,但是實際上該光源并非對該標(biāo)準(zhǔn)色板完全沒有顯色性,所以計算與實際感受無法得到對應(yīng),這同樣是顯色指數(shù)(CRI)的缺陷之一。近期國際照明委員會(CIE)出版了關(guān)于顯色性的技術(shù)報告。報告主要內(nèi)容是重新探討了采用現(xiàn)有的顯色指數(shù)評價白光LED顯色性與實際視覺實驗之間的適用性。隨著LED的出現(xiàn),目前已經(jīng)有越來越多的案例表明,目前的CIE顯色指數(shù)計算方法與實際視覺實驗之間存在沖突,現(xiàn)有的顯色指數(shù)計算方法并不能很好地評價LED光源的顯色性。而在CIE的技術(shù)報告當(dāng)中,描述了3個近期的包括LED光源的顯色指數(shù)視覺實驗,這3個實驗證實顯色指數(shù)和視覺實驗之間存在的沖突。實驗得出的結(jié)果是,將白光LED加入到多種光源的視覺顯色性實驗中時,視覺實驗結(jié)果無法很好的與現(xiàn)有的顯色指數(shù)計算方法得出的結(jié)果相一致;而且采用視覺實驗色偏差和采用顯色指數(shù)計算方法得出的色偏差之間的相關(guān)性也很低。所以,CIE的結(jié)論是現(xiàn)有的顯色指數(shù)評價方法一般不適合預(yù)測1組包含有白光LED光源的顯色水平排序。分析在這些實驗中的偏差原因,主要是因為CRI計算方法中的每種Ra標(biāo)準(zhǔn)色樣都是采用貝塞爾色標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),色樣1~8都是中等明度和中等色飽和度的樣品,不能代表高色飽和度物體真正的顏色。另外就是CRI規(guī)定的參照光源都是連續(xù)光譜光源,而LED光源可由多種單色光和部分連續(xù)光譜組成,有高色飽和度的色光成份,是不同的色增強型光源,與連續(xù)光譜光源有本質(zhì)區(qū)別。由于LED的特殊光譜與連續(xù)光譜有較大的區(qū)別,所以特別需要注意的是在評價9號色塊(飽和深紅色)在LED光源下的顯色性時,可能會出現(xiàn)較大的差距,因此由于目前的顯色性新方法并沒有確定,在能源之星以及國內(nèi)新制定的LED相關(guān)照明標(biāo)準(zhǔn)中,均對特殊顯色指數(shù)R9專門提出大于0的要求,用于對原有CRI一般顯色指數(shù)的補充。目前國際照明委員會推薦了1種新的顯色指數(shù)來改進上述沖突,這種顯色指數(shù)可以評價包括白光LED在內(nèi)的多種照明光源。但是這種新的顯色指數(shù)由于并沒有形成最終的版本,一直在變更當(dāng)中,目前這種新的顯色指數(shù)評價方法并不能馬上替代現(xiàn)有的顯色指數(shù)(CRI)評價方法,新的顯色指數(shù)評價方法僅適用于給現(xiàn)有的顯色指數(shù)提供1個信息的補充,需要等到新的顯色指數(shù)評價方法完全整合成最終版本的時候,才能考慮是否代替現(xiàn)有的顯色指數(shù)(CRI)評價方法。本技術(shù)報告的附錄部分提出對白光LED顯色指數(shù)的改進性的描述。R96a是新的顯色性計算方法,與標(biāo)準(zhǔn)方法相比較,該方法有以下主要特征:(1)測試樣本取自Macbeth色彩測試標(biāo)板,而非Munsell色譜;(2)使用6個參考照明體:D65、D50、P4200、P3450、P2950、P2700,代替連續(xù)普朗克/晝光照明體;(3)使用CIE色度適應(yīng)公式(CIE,1994),而非vonKries色適應(yīng)模型;(4)測試燈及參考燈均需轉(zhuǎn)換至D65色度;(5)色差用CIELAB量化。主要做出這些改變是因為原有顯色指數(shù)CRI規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)色樣是采用貝塞爾色標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),色樣1~8都是中等明度和中等色飽和度的樣品,不能代表高色飽和度物體真正的顏色;計算CRI色差選用的色空間W*U*V*已過時,計算CRI的色適應(yīng)變換模型已過時。目前國際上的色度學(xué)專家一致認為,CMCCAT2000,CIECAT94,CMCCAT97和CAT02色適應(yīng)公式均比原有顯色指數(shù)(CRI)中的色適應(yīng)變換模型更為合理,而且在評價過大或細小的色差時,采用基于CIE于2002年推薦的CIECAM02顏色空間的色差公式和空間顏色不一致性公式來計算更為合理。另外1個關(guān)注點在參考光源的數(shù)量上,僅僅采用幾個相關(guān)色溫的參考光源去定義實際視覺感受是很困難的。還有就是目前(CRI)采用的色差來計算顯色指數(shù)也是不合理的,采用有限的標(biāo)準(zhǔn)色塊的色差做平均的話,有可能對某些光源產(chǎn)生巨大的誤差,目前白光LED的光譜都是比較窄的光譜帶寬,采用白光LED光源去評價每個標(biāo)準(zhǔn)色塊的色差都會產(chǎn)生很大的誤差。除R96a外,NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology,美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所)YoshiOhno等提出的CQS(ColorQualityScale,下同)同樣是基于顯色指數(shù)(CRI)的1種改進計算方法,他們覺得不用建立1種新的體系來評價顯色性,原有的CRI同樣有其優(yōu)點,只要進行改進其缺點即可。其計算方法同樣是被測光源與參考光源照射下標(biāo)準(zhǔn)色板的色差,但其選擇標(biāo)準(zhǔn)色塊時考慮了人眼對顏色的偏好度,并且全部色板采用高飽和度的色彩,因為YoshiOhno等認為光源對某一顏色的非飽和色顯色性很好,但是不一定對這一顏色的飽和色顯色性好,就如上述鎢絲燈具加蓋紅色紙塊的例子;但是如果反過來,1個光源對某一高飽和度的顏色顯色性好的話,其非飽和色的顯色指數(shù)同樣會比較好。所以CQS全部采用高飽和色的標(biāo)準(zhǔn)色板做為計算的依據(jù)。CQS的另外1個重要的改進是計算方法中不再采用算術(shù)平均值去綜合評價顯色參數(shù),而是采用15個標(biāo)準(zhǔn)色板色差的均方根值,假設(shè)被測光源如果對某一色板色差非常大時,但是對其他色板色差較小,在顯色指數(shù)CRI中,得出的顯色指數(shù)會比較好;但是采用均方根計算時,其顯色指數(shù)并不會太高,這個缺陷可以被CQS系統(tǒng)表示出來。還有就是采用對數(shù)的方法計算每個特殊顯色指數(shù)的值,進行這樣的改進可以避免出現(xiàn)零值或者負值。這幾個修改要點都是針對顯色指數(shù)(CRI)的最明顯缺點來改進的。CQS主要改進的特征:(1)采用完全不同的15塊標(biāo)準(zhǔn)色板,這些色板全部采用高飽和度的色彩,但是這15個標(biāo)準(zhǔn)色板同樣是來自孟塞爾標(biāo)準(zhǔn)色塊。(2)綜合顯色指數(shù)采用每1特殊顯色指數(shù)的色差的均方根,而不是算術(shù)平均值。(3)在計算每1特殊顯色指數(shù)時采用對數(shù)的方法避免零值和負值的出現(xiàn)。由上述公式的轉(zhuǎn)換,顯色指數(shù)避免負值的出現(xiàn),其中實線是轉(zhuǎn)換前的CQS軌跡,虛線是轉(zhuǎn)換后的CQS軌跡。(4)原有的顯色指數(shù)CRI體系采用的是1964W*U*V*色空間,W*U*V*色空間在紅色區(qū)域色差被極度放大,但是在黃色和藍色區(qū)域又是被縮小的。CQS采用CIE目前推薦CIE1976的CIELAB色空間進行色差的計算,因為該色空間具有更好的均勻性。圖2描繪出CQS體系所采用的15個飽和色塊在CIELAB色空間和W*U*V*色空間中的位置,可以看出CIELAB色空間具有很好的均勻性。(5)顯色指數(shù)CRI對標(biāo)準(zhǔn)色塊在參考光源和被測光源下的色調(diào)、飽和度、明度的任何方向的偏差做綜合評價,CQS系統(tǒng)認為其中有個問題,越高的飽和度的色彩能帶來更好的視覺清晰度和感覺上更加明亮,飽和度對視覺是正向的影響,過高的飽和度不應(yīng)該在評價體系中被減分,但是也不會在體系中加分。在CQS體系中,通過這個改進,可以更好的符合實際視覺感受。(6)如(4)式,顯色指數(shù)CRI采用的比例常數(shù)是4.6,來轉(zhuǎn)換色差與顯色指數(shù)的關(guān)系,在新CQS體系中標(biāo)準(zhǔn)色塊組和色空間已經(jīng)不同,這個比例常數(shù)需要作出一定的改變,但是為了保持與CRI的一致性,這個新的常數(shù)基于CIE標(biāo)準(zhǔn)熒光燈(F1~F12)的平均CRI顯色指數(shù)Ra=75.1,目前推薦的新常數(shù)為3.01,隨著CQS體系的修改,該常數(shù)可能會重新計算。由上述特征可以看出,所有的CQS體系是基于顯色指數(shù)CRI進行改進,針對CRI的缺點做出計算或者方法上的補充。由NIST根據(jù)CQS的幾個針對白光LED顯色性的試驗中,特別是三色混光LED的芯片,具有很好的實際視覺匹配度。但是在近期的視覺試驗除R96a和CQS之外,國際上還同時存在另外的光源顏色質(zhì)量評價方法如顏色辨別指數(shù)(CDI),該指數(shù)認為光源區(qū)別顏色的能力越強,光源顯色性就越好;錐體面積指數(shù)(CSA)和顏