CIE關于光源色差的最新技術注解解讀

黃 艷 任勝東 陳 聰 潘建根，

(1.全國照明電器標準化技術委員會光輻射測量分技術委員會秘書處，浙江杭州 310053;2.遠方光電科學研究院，浙江杭州 310053)

1 引言

色差常用于表征照明產品的空間顏色分布均勻性、壽命期間內的色漂以及批次產品的顏色一致性等性能，對照明產品的照明質量、產品分選以及壽命評價均具有重要意義。為了準確、方便地服務于工業生產以及產品的市場規范需求，色差的表示方式隨著顏色空間以及照明產品的發展經歷了幾個重要變化。如今，各類照明產品規范所采用的色差表示方式各不相同，例如，熒光燈一般采用不同尺寸的麥克亞當橢圓來表示不同大小的色差，而LED產品則一般采用矩形，但在實際應用中仍存在一定缺陷或不便。因此，國際照明委員會 (Commission Internationale de L'Eclairage，CIE)D2分部成立R2-66，對熒光燈以及LED等各類照明產品色度規范的色差表示方法進行了系統分析，結合最均勻的CIE顏色空間，推薦了適用于各類照明產品的最新色差表示方式-CIE u'v'圓［1～6］，本文將結合 R2-66 最新技術注解草案，對各類色差表示方式及其應用展開深入分析。

2 麥克亞當橢圓表示光源色差

1942年麥克亞當 (Macadam)在CIE x-y色品圖上選擇了25個色品點，以色品點為中心，測量統計并以顏色匹配標準差 (Standard Deviation of Color Matching，SDCM)定出了一個代表顏色寬容量 (人眼所能察覺的最小顏色差別)的近似橢圓，即麥克亞當橢圓，1 SDCM代表了1階麥克亞當橢圓。此后，基于麥克亞當橢圓的光源色差表示方式逐漸得到應用。

熒光燈色度規范一直采用麥克亞當橢圓來規定熒光燈產品宣稱CCT的色容差范圍。例如，國際電工委員會 (International Electrotechnical Commission，IEC)在CIE1931(x，y)色品圖中規定線型熒光燈的色坐標應落在其宣稱色溫所對應的色坐標中心點的5階麥克亞當橢圓內 (IEC 60081)，如圖1所示，5階麥克亞當橢圓由原麥克亞當橢圓插值得到，圓上點與中心點色坐標的差異為5 SDCM。能源之星以及美國國家標準學會 (American National Standard Institute，ANSI)也分別采用7階麥克亞當橢圓(DOE Energy Star Lamps V1.0)和4階麥克亞當橢圓 (ANSI C78.376)來規定產品的色差允許范圍。

圖1 線型熒光燈的色度規范——IEC 60081給出的5階麥克亞當橢圓［1］Fig.1 Specification for the chromaticities of linear fluorescent lamps as given in IEC 60081 using five-step MacAdam ellipses

在白光區域，關于熒光燈6個CCTs相關的4階、5階等不同大小的橢圓雖然已經有清楚的標準規定，但在CIE 1931(x，y)與1976(u'，v')中麥克亞當橢圓的尺寸和形狀是完全不同的，如圖2所示，即SDCM表示的色容差不是一個恒定量，因此，隨著照明科技和檢測技術研究的發展，麥克亞當橢圓的色差表示方式引發了新的思考。

圖2 CIE1931(x，y)的色品圖 (a)和CIE 1976(u'，v')色品圖 (b)的麥克亞當橢圓 (10倍尺寸)［1］Fig.2 MacAdam ellipses(10 times of the scale)plotted in CIE 1931(x，y)chromaticity diagram(left)and CIE 1976(u'，v')chromaticity diagram(right)

3 SCDM色差表示方法的主要問題

固態照明產品的應用越來越廣泛，其色溫豐富，熒光燈的 6個相關色溫 (CorrelatedColor Temperature，CCT)的麥克亞當橢圓并不能完全表達宣稱色溫各異的各類產品的色差范圍。對于白光區域，在該6個CCTs以外的指定宣稱色溫，其各階麥克亞當橢圓需要根據中心點以及麥克亞當測量得到的25個原橢圓數據插值得到，但這些插值公式目前在任何國際標準中沒有相應定義，且即使規定插值公式，在實際應用中也很復雜和不便。

為此，ANSI在原麥克亞當橢圓色差表示方式的基礎上，于2011年推出了ANSI C78.377，以8個標稱CCT和100K間隔的可變CCT的四邊形區域替代SDCM色差表示方法，并用于評價固態照明產品的色差范圍。該標準規定，四邊形與黑體軌跡相平行的兩條邊并非直線，而應具有與黑體軌跡相似的曲率，這對各階四邊形及可變四邊形繪制應用來說，仍較為復雜。

4 CIE最新推薦的 u'v'圓色差表示

CIE Reportership 2-66(R2-66)由CIE當選主席Yoshi Ohno負責，旨在準備光源色差表示方式相關的技術注解 (Technical Note)文件。

CIE這篇最新的技術注解文件對過去國際常用的標準色差表示方式進行了全面分析，并結合光和照明領域當前的知識積累和經驗，推出了新的光源色差表示方式，建議在最為均勻1976(u'，v')色品圖中評價照明產品的色差和色差范圍，并推薦了該色品圖下u'v'圓表示方式。

圖3為1976(u'，v')色品圖中5階麥克亞當橢圓和u'v'圓對比表示圖，可以看出5階麥克亞當橢圓 (黑實線)與所畫半徑為0.0055的圓 (紅虛線)幾乎重疊。CIE認為5階麥克亞當橢圓可近似等于(u'，v')圖中半徑為0.0055的圓，并認為可采用這些u'v'圓替代白光區域的麥克亞當橢圓。這樣，n階u'v'圓的半徑Δu'v'粗略等于n乘以0.0011。雖然u'v'圓和麥克亞當橢圓存在微小的差異，但考慮70年前麥克亞當橢圓的實驗測量不確定度，CIE技術注解草案認為在 (u'，v')圖白光區域的這些差異，在實際應用中是可以忽略的。

圖3 CIE1976(u'，v')色品圖中的5階麥克亞當橢圓和 u'v'圓 (半徑0.0055)［1］Fig.3 Five-step MacAdam ellipses in IEC 60081 and circles(radius 0.0055)in the CIE 1976(u'，v')chromaticity diagram

為了應用的便利，并保證與麥克亞當橢圓的一致性，對于6個CCTs，CIE規定u'v'圓的中心點與IEC 60081的6個麥克亞當橢圓的中心點 (u'，v')坐標一致，并定義n階u'v'圓半徑為0.0011的n倍。中心點為 (u0'，v0')的u'v'圓方程可表示如下:

根據該最新技術注解草案，確定中心點，各階u'v'圓的形狀和尺寸即可根據 (1)式確定，可靈活地精確地表示各宣稱色溫下的照明產品的不同色差范圍。此外，在評價空間顏色均勻性和長期顏色維持特性時，CIE也建議在均勻色空間 (u'，v')中計算的距離，用Δu'v'表示，并不鼓勵使用SDCM。

5 結論

照明產品的種類越來越豐富，有效的色差表示方式對于規范各類照明產品的顏色性能質量十分重要。CIE R2-66最新技術注解草案所推薦的u'v'圓色差表示方法均適用于熒光燈和固態照明產品，是目前較為便利和統一的標準方法。隨著該技術注解草案的推出和推行，該方法很可能取代現有的色差表示方法，成為評價各類照明產品色差的統一指標，十分值得照明行業關注。

更進一步，基于LED的出現和發展，CIE開展了一系列基礎研究和CIE標準更新工作，這將會影響相關的國際或區域標準修訂，我國照明行業應對此動向密切關注。

［1］CIE TN WD07，2013-09-27，Colour Difference of Light Sources.

［2］ANSI_ANSLG，C78.377－2011 Specifications for the Chromaticity of Solid State Lighting Products.

［3］ANSI，2001.C78.376 Specifications for the Chromaticity of Fluorescent Lamps

［4］CIE，2004.CIE 15:2004 Colorimetry，3rd edition.

［5］IEC 60081，1997，Double-capped fluorescentlamps-Performance specifications，Annex D.

［6］ISO/CIE，2008.ISO 11664－4:2008(E)/CIE S 014－4/E:2007 Joint ISO/CIE Standard:Colorimetry-Part 5:CIE 1976 Lu*v* Color Space and u'，v'Uniform Chromaticity Scale Diagram.