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(píng)價(jià)方法采用1973年cie推薦的色度指數(shù)計(jì)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(píng)價(jià)低色溫光源顯色性的參照標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定評(píng)價(jià)色溫在5000K以下的光源的顯色性時(shí),把它與5000K以下的黑體作比較,認(rèn)為黑體的顯色指數(shù)為100。把標(biāo)準(zhǔn)照明體D作為評(píng)價(jià)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(yàn)色,其中8種試驗(yàn)色(1~8)用于光源一般顯色指數(shù)的計(jì)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(jì)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(shí)發(fā)現(xiàn)顏色與日光下有些差別,但是過了一會(huì)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(píng)價(jià)幾個(gè)參數(shù)就是測(cè)量、計(jì)算這些試驗(yàn)色在參照照明體和待測(cè)光源照明下色適應(yīng)后的色差,最后得出待測(cè)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(píng)價(jià)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(huì)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(jì)算某些特殊顯色指數(shù)Ri時(shí),其顯色指數(shù)可以得到0甚至是負(fù)值,但是實(shí)際上該光源并非對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)色板完全沒有顯色性,所以計(jì)算與實(shí)際感受無法得到對(duì)應(yīng),這同樣是顯色指數(shù)(CRI)的缺陷之一。近期國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)出版了關(guān)于顯色性的技術(shù)報(bào)告。報(bào)告主要內(nèi)容是重新探討了采用現(xiàn)有的顯色指數(shù)評(píng)價(jià)白光LED顯色性與實(shí)際視覺實(shí)驗(yàn)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(jì)算方法與實(shí)際視覺實(shí)驗(yàn)之間存在沖突,現(xiàn)有的顯色指數(shù)計(jì)算方法并不能很好地評(píng)價(jià)LED光源的顯色性。而在CIE的技術(shù)報(bào)告當(dāng)中,描述了3個(gè)近期的包括LED光源的顯色指數(shù)視覺實(shí)驗(yàn),這3個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)顯色指數(shù)和視覺實(shí)驗(yàn)之間存在的沖突。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中時(shí),視覺實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法很好的與現(xiàn)有的顯色指數(shù)計(jì)算方法得出的結(jié)果相一致;而且采用視覺實(shí)驗(yàn)色偏差和采用顯色指數(shù)計(jì)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(píng)價(jià)方法一般不適合預(yù)測(cè)1組包含有白光LED光源的顯色水平排序。分析在這些實(shí)驗(yàn)中的偏差原因,主要是因?yàn)镃RI計(jì)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(qiáng)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(píng)價(jià)9號(hào)色塊(飽和深紅色)在LED光源下的顯色性時(shí),可能會(huì)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(guó)內(nèi)新制定的LED相關(guān)照明標(biāo)準(zhǔn)中,均對(duì)特殊顯色指數(shù)R9專門提出大于0的要求,用于對(duì)原有CRI一般顯色指數(shù)的補(bǔ)充。目前國(guó)際照明委員會(huì)推薦了1種新的顯色指數(shù)來改進(jìn)上述沖突,這種顯色指數(shù)可以評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法并不能馬上替代現(xiàn)有的顯色指數(shù)(CRI)評(píng)價(jià)方法,新的顯色指數(shù)評(píng)價(jià)方法僅適用于給現(xiàn)有的顯色指數(shù)提供1個(gè)信息的補(bǔ)充,需要等到新的顯色指數(shù)評(píng)價(jià)方法完全整合成最終版本的時(shí)候,才能考慮是否代替現(xiàn)有的顯色指數(shù)(CRI)評(píng)價(jià)方法。本技術(shù)報(bào)告的附錄部分提出對(duì)白光LED顯色指數(shù)的改進(jìn)性的描述。R96a是新的顯色性計(jì)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(cè)試樣本取自Macbeth色彩測(cè)試標(biāo)板,而非Munsell色譜;(2)使用6個(gè)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(cè)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?yàn)樵酗@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(jì)算CRI色差選用的色空間W*U*V*已過時(shí),計(jì)算CRI的色適應(yīng)變換模型已過時(shí)。目前國(guó)際上的色度學(xué)專家一致認(rèn)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(píng)價(jià)過大或細(xì)小的色差時(shí),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(jì)算更為合理。另外1個(gè)關(guān)注點(diǎn)在參考光源的數(shù)量上,僅僅采用幾個(gè)相關(guān)色溫的參考光源去定義實(shí)際視覺感受是很困難的。還有就是目前(CRI)采用的色差來計(jì)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(duì)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(píng)價(jià)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色塊的色差都會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。除R96a外,NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology,美國(guó)國(guó)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(jìn)計(jì)算方法,他們覺得不用建立1種新的體系來評(píng)價(jià)顯色性,原有的CRI同樣有其優(yōu)點(diǎn),只要進(jìn)行改進(jìn)其缺點(diǎn)即可。其計(jì)算方法同樣是被測(cè)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(shí)考慮了人眼對(duì)顏色的偏好度,并且全部色板采用高飽和度的色彩,因?yàn)閅oshiOhno等認(rèn)為光源對(duì)某一顏色的非飽和色顯色性很好,但是不一定對(duì)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(gè)光源對(duì)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(huì)比較好。所以CQS全部采用高飽和色的標(biāo)準(zhǔn)色板做為計(jì)算的依據(jù)。CQS的另外1個(gè)重要的改進(jìn)是計(jì)算方法中不再采用算術(shù)平均值去綜合評(píng)價(jià)顯色參數(shù),而是采用15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色板色差的均方根值,假設(shè)被測(cè)光源如果對(duì)某一色板色差非常大時(shí),但是對(duì)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(huì)比較好;但是采用均方根計(jì)算時(shí),其顯色指數(shù)并不會(huì)太高,這個(gè)缺陷可以被CQS系統(tǒng)表示出來。還有就是采用對(duì)數(shù)的方法計(jì)算每個(gè)特殊顯色指數(shù)的值,進(jìn)行這樣的改進(jìn)可以避免出現(xiàn)零值或者負(fù)值。這幾個(gè)修改要點(diǎn)都是針對(duì)顯色指數(shù)(CRI)的最明顯缺點(diǎn)來改進(jìn)的。CQS主要改進(jìn)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(gè)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(jì)算每1特殊顯色指數(shù)時(shí)采用對(duì)數(shù)的方法避免零值和負(fù)值的出現(xiàn)。由上述公式的轉(zhuǎn)換,顯色指數(shù)避免負(fù)值的出現(xiàn),其中實(shí)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(lán)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(jìn)行色差的計(jì)算,因?yàn)樵撋臻g具有更好的均勻性。圖2描繪出CQS體系所采用的15個(gè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)色塊在參考光源和被測(cè)光源下的色調(diào)、飽和度、明度的任何方向的偏差做綜合評(píng)價(jià),CQS系統(tǒng)認(rèn)為其中有個(gè)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(duì)視覺是正向的影響,過高的飽和度不應(yīng)該在評(píng)價(jià)體系中被減分,但是也不會(huì)在體系中加分。在CQS體系中,通過這個(gè)改進(jìn),可以更好的符合實(shí)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(gè)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(gè)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(huì)重新計(jì)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(jìn)行改進(jìn),針對(duì)CRI的缺點(diǎn)做出計(jì)算或者方法上的補(bǔ)充。由NIST根據(jù)CQS的幾個(gè)針對(duì)白光LED顯色性的試驗(yàn)中,特別是三色混光LED的芯片,具有很好的實(shí)際視覺匹配度。但是在近期的視覺試驗(yàn)除R96a和CQS之外,國(guó)際上還同時(shí)存在另外的光源顏色質(zhì)量評(píng)價(jià)方法如顏色辨別指數(shù)(CDI),該指數(shù)認(rèn)為光源區(qū)別顏色的能力越強(qiáng),光源顯色性就越好;錐體面積指數(shù)(CSA)和顏