顯色指數(shù)CQS和CRI對光源顯色性評價的差異分析

賴傳杜，莊其仁，張曉婷，陳芳萍

(華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門 361021)

顯色指數(shù)CQS和CRI對光源顯色性評價的差異分析

賴傳杜，莊其仁，張曉婷，陳芳萍

(華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門 361021)

由于現(xiàn)行顯色指數(shù)CRI(Color Rendering Index)在評價白光LED光源時出現(xiàn)越來越多的問題，而較為權威的新指標CQS(Color Quality Scale)并未得到廣泛的認可，本文采用大量典型光源實例，論證CQS與CRI的一致性和差異性。本文收集市面上常見的10種熒光燈、7種RGB LED和25種Phosphor white LED燈，分別計算了兩種顯色性評價指數(shù)CRIRa和CQSQa，并分別對不同類型的光源進行相關性分析、色差分析及差值分析。結果發(fā)現(xiàn)：①對熒光燈的顯色性評價，CQS與CRI基本一致，但對色溫極低以及對高飽和度色塊顯色差的燈有做一些修正；②對Phosphor white LED燈的顯色性評價，CQS與CRI基本一致，但對RGB LED的顯色性評價，CQS做了修正，與CRI相差較大；③通過差值分析法，可以看到CQSQa和CRIRa差值比例的整體趨勢隨著CRIRa增大而減小，當CRIRa達到90的時候，兩者的差值比例接近為0。

顯色性；顯色指數(shù)(CRI);RGB LED；CQS

引言

在照明領域，光源的顯色性是衡量光源的一個重要參數(shù),顯色指數(shù)CRI在1965年被國際照明委員會(CIE)正式確立為評價白光光源的通用指標[1]，雖然經(jīng)過1974年的改進，采用了更加優(yōu)化的色適應公式及均勻色空間[2]，但隨著新光源尤其是窄帶和不連續(xù)光譜光源的出現(xiàn)顯色指數(shù)CRI評價光源顯色性存在的問題也日益凸顯[3-4]。根據(jù)顯色性的定義和評價方法[5-6]可知，CRI在用于評價光源，尤其是LED的顯色性時，存在諸如色空間不均勻，完美參考光源選擇隨CCT變化，顏色樣品少且飽和度過低等問題[7-8]。在國際照明委員會(CIE)2007年的技術報告中指出：“目前使用的顯色指數(shù)CRI不能有效反映白光照明光源的顯色性好壞”[9]。

為了修正CRI的一些問題，同時兼顧照明產(chǎn)業(yè)接受度，美國NIST的Wendy Davis和Yoshi Ohno[10]開發(fā)了新的評價體系CQS(Color Quality Scale)，基于實踐和理論相的考慮，CQS的物理模型和CRI相似，不同于CRI只是單方面考慮待測光源下的物體顏色還原性，CQS從更為完整的角度考慮光源質量。除此之外，CQS還在顏色樣本、均勻顏色空間、色差權重以及數(shù)學計算方法上作出了相應的考量和改進。理論上，CQS指標將比現(xiàn)行CRI更適合對所有種類的光源做統(tǒng)一評價。

CQS提出用新的15種顏色作為顏色樣本，但該系統(tǒng)只對一些方面做了理論分析。針對CQS光源顯色性評價標準，國內外研究人員進行了相關的研究。Nicola Pousset等[11]對CQS進行了顏色偏好度的驗證實驗，發(fā)現(xiàn)光源的真實顏色質量與CQS數(shù)值有較大差異；2011年程雯婷等[12]進一步對其可靠性進行了視覺實驗驗證，結果發(fā)現(xiàn)CQS值在評價顏色質量的準確性上，與CRI相比未見優(yōu)勢，在評價光源顏色質量的準確性上有一定的波動，仍有待進一步完善；唐駒[13]通過CRI， CQS與孟塞爾色樣相關性分析，結果表明用CQS采用的顏色樣品不能代表大量孟塞爾顏色樣品來反映Phosphor white LED的顯色真實程度。因此，CQS雖然在理論上做了較為多的改進，但并未得到廣泛地認可[14]，有必要進行更多實例研究和驗證，本文選取了市面上常見的兩種類型32個白光LED光源及傳統(tǒng)光源中10種熒光燈，研究分析兩種評價標準的差異。

2 對比測試

選取目前市場常見的25種白光LED燈和10種熒光燈(見表1、表2)進行對比測試，編號采用Ra數(shù)值由低到高的順序排列。首先測量LED燈和熒光燈的光譜數(shù)據(jù)，圖1、圖2為測得的上述LED燈和熒光燈的光譜功率分布圖。從圖1中可以看到25種白光LED燈的光譜構造主要有以下幾種形式：①藍光和黃光為主，加上微弱的綠光和紅光；②藍光和黃光為主，添加較強的紅光；③峰值波長在藍光、綠光、黃光及紅光波段均有出現(xiàn)。從圖2中則可以發(fā)現(xiàn)被測的10種熒光燈的光譜構造比較一致，均為紫光激發(fā)RGB三基色熒光粉發(fā)出白光，通過調節(jié)幾種峰值波長的相對功率來調節(jié)色溫和顯色性。將得到的光譜數(shù)據(jù)代入到計算程序[6-7]中得到每個燈對應的色溫和三種顯色性評價指數(shù)(CRIRa、CQSQa)，如表3、表4及圖3、圖4所示。

表1 25種LED燈的編號、廠家名稱及型號Table 1 Serial number, manufacturer name and model parameters of 25 kinds of LED lamps

表2 10種熒光燈的編號、廠家名稱及型號Table 2 Serial number, manufacturer name and model parameters of 10 kinds of fluorescent lamps

圖1 25種LED光源的相對光譜功率分布Fig.1 The relative spectral power distribution of 25 kinds of LED lamps

圖2 10種熒光燈的光譜功率分布Fig.2 The relative spectral power distribution of 10 kinds of fluorescent lamps

序號12345678910111213CRIRa62717272727373767781828383CQSQa64717073707372767782828484CCT/K3025305857582986553161646572621230852630274530072994序號141516171819202122232425CRIRa838383838484848586889495CQSQa828484848484828586859796CCT/K613429502942414635565958600642613861602242135101

表4 10種熒光燈的三種顯色性評價指數(shù)的計算值及色溫Table 4 The values of 2 kinds of color evaluation index and CCT for 10 kinds of fluorescent lamps

圖3 25種LED的兩種顯色性評價指數(shù)Fig.3 The values of 2 kinds of color evaluation index for 25 kinds of LED lamps

圖4 10種熒光燈的兩種顯色性評價指數(shù)Fig.4 The values of 2 kinds of color evaluation index for 10 kinds of fluorescent lamps

3 計算結果分析

將熒光燈的Ra指數(shù)與Qa指數(shù)進行比較，如圖5所示。

圖5 熒光燈Ra指數(shù)與Qa指數(shù)的計算數(shù)值的比較Fig.5 Comparison of the calculated value of Raand Qa for fluorescent lamp

3 500 K以下時，Ra指數(shù)均較大于Qa指數(shù)，3 500 K以上時，Ra指數(shù)Qa相差不大；計算得到Ra指數(shù)與Qa指數(shù)的相關性系數(shù)為0.828 4。

CQS在改進中考慮了考慮低色溫對顯色性的影響，稱之為色溫因子。為了了解色溫因子對低色溫光源的影響，取消色溫因子計算得到Ra指數(shù)與Qa指數(shù)，如圖5(b)所示，計算相關性系數(shù)為0.836 5，說明色溫因子在對那些色溫極低的光源有做適當修正，這是Ra所存在的缺陷之一。也正因為如此Ra高估了傳統(tǒng)極低色溫光源顯色性。這一結果說明，在評價傳統(tǒng)光源上Qa雖然盡力保持與Ra指數(shù)一致，但對于傳統(tǒng)低色溫光源的顯色性做了修正，更符合實際情況。

圖6 LED燈Ra指數(shù)與Qa指數(shù)的比較Fig.6 Comparison of the Ra and Qa of LED lights

所測試的熒光燈都是三基色熒光燈，如圖6所示，每個光源的Ra都在80以上。但對應的特殊顯色指數(shù)R9并不理想，尤其是1～4號燈，R9=0。R9是個很重要的指標，表示光源在高飽和度紅色的顯色能力，但并沒有包含于Ra計算公式里，往往Ra指標會高估在高飽和度色塊上顯色差的光源，造成誤解。基于此缺陷，CQSQa采用15個高飽和度作為顏色樣本。由圖6看出對于1～4號光源評價上，Qa比Ra低，說明Qa有效考慮了光源對于高飽和度顯色能力的影響。將LED燈的Ra指數(shù)與Qa指數(shù)進行比較，如圖7所示。

圖7 評價LED兩種顯色性指數(shù)Ra與CQS Qa計算數(shù)值的比較Fig.7 Comparison of the calculated value of Ra and Qa for LED lamps

所測試的25種LED都是Phosphor white LEDs,Ra指數(shù)與Qa指數(shù)的相關性系數(shù)R為0.974 7，相關性很高，說明Ra指數(shù)與Qa指數(shù)在評價Phosphor white LEDs上并沒有多大差別，細微差別原因可能在于兩者所采用數(shù)學計算方法以及均勻色空間不同，前者采用過時的CIE 1964均勻色空間及色差公式，后者則使用1976年改進后更為均勻的CIELAB色空間。

眾所周知，Ra評價光源顯色問題是伴隨著LED新型光源出現(xiàn)的，尤其是是那些窄帶或不連續(xù)光譜的光源，而RGB LED就是屬于這種情況[15]。從圖8可以看出，CRIRa指數(shù)與CQSQa指數(shù)的相差很大，RGB LED的CRIRa指數(shù)與CQSQa指數(shù)的相關性系數(shù)為0.596 1幾乎不相關。其中原因可以從以下分析得出。

圖8 兩種類型白光LED的Ra與Qa計算值比較Fig.8 Comparison of the calculated value of Raand Qa for two type of LED lamps

表5 兩種類型12個白光LED燈對應的最低色差、平均色差以及最大色差Table 5 Minimal, mean, and maximal colour differences of the test-colour samples for two type of white LED lamps

本文選取了7個RGB LED和任意從25個Phosphor white LED選出5個，其中2個冷白，1個暖白，2個色溫介于中間，如表5所示。我們根據(jù)CIE CRI特殊顯色指數(shù)算法分別計算表格中7個RGB LED和5個Phosphor white LED 標準色樣最小、最大色差以及對應的CIE TCSs前8個色樣的平均色差。

圖9 待測12種LED燈不同色樣的最小色差、平均色差以及最大色差Fig.9 Minimal, mean, and maximal colour differences of the test-colour samples

從圖9可以看出，幾乎所有的(除了12號光源)LED光源都不能很好的用CIE TCSs前8個色樣的平均色差來表征，尤其是1～4號RGB LED,它們的最大色差對應的是CIE TCS#9高飽和度深紅色，遠遠高于對應的平均值。從圖10 CIE TCS#9反射譜曲線以及3號待測光源(RGB LED-3)的相對光譜功率曲線可以看出紅色LED的光譜峰值過多的強調CIE TCS#9的高飽和度深紅色樣，由此造成和參照光源下極大的色差，這種情況同樣出現(xiàn)在其他RGB LED光源。而實驗顯示人眼對高飽和度的色彩有所偏好，這正是CQS針對CRI缺陷做出的一個改進方面之一。

圖10 CIE TCS #9的反射光譜和No. 3待測光的相對光譜功率Fig.10 Spectral reflectance curve of CIE TCS #9 (black curve) and relative SPD of the test source No.3 (RGB LED cluster, red curve)

對于被測的所有LED光源中，Qa和Ra的相關性在CRIRa<70的范圍內比較低，在CRIRa>70的范圍內相關性較高，RGB LED(No.7)也是如此，說明RGB LED也可以通過光譜構造優(yōu)化實現(xiàn)CQSQa和CRIRa最優(yōu)化。

通過差值分析法，從圖11可以看到CQS和CRIRa差值比例的整體趨勢隨著CRIRa增大而減小，當CRIRa達到90的時候，兩者的差值比例接近0%。這為實現(xiàn)CQS最優(yōu)化提供了一個方法。

圖11 CRI Ra與CQS Qa計算數(shù)值差值比例趨勢圖Fig.11 The trends of difference ratio between CRI Ra and CQS Qa

4 結論

1)針對本次測試的市面上主流熒光燈和LED燈，通過上述對比測試和分析，發(fā)現(xiàn)在評價熒光燈時，CQS在盡力保持與CRI相同的基礎上，對色溫極低以及對高飽和度色塊顯色差的燈做一些修正。

2)對于Phosphor white LED燈的顯色性評價，CQSQa指數(shù)與CRIRa指數(shù)相比差異不大，未見明顯改變，而對于RGB LED的顯色性評價，CQSQa對CRIRa不能有效反應高飽和度色塊顯色問題上做了修正，相差較大。

3)通過差值分析法，可以看到CQS和CRIRa差值比例的整體趨勢隨著CRIRa增大而減小，當CRIRa達到90的時候，兩者的差值比例接近0%。

[1] CIE.Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources.Vienna:Central Bureau of the CIE,1965.

[2] CIE.Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources.Vienna:Central Bureau of the CIE,1995.

[3] LED Measurement Series Color Rendering Index and LED.DOE,2008.

[4] NARENDRAN N，DENG L. Color rendering properties of LED light sources[J]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2002, 4776:61-67.

[5] 何駿, 孫耀杰, 林燕丹. 光源顯色性評價方法總結與實驗驗證[J]. 照明工程學報, 2015, 26(4):6-10.

[6] 彭浩, 劉東月, 聶叢偉,等.白光LED的顯色指數(shù)模型研究[C]// 第十二屆全國LED產(chǎn)業(yè)研討與學術會議論文集. 2010.

[7] GUO Xin, HOUSER K W. A review of colour rendering indices and their appli-cation to commercial light sources[J].Lighting Research and Technology，2004,36(3);183-199.

[8] DAVIS Wendy,OHNO Yoshi. Towards an improved color rendering metric.Proc. of SPIE,59411G.

[9] CIE Technical Report 177.Color rendering of white LED light sources, 2007.

[10] DAVIS Wendy,OHNO Yoshi. Color Quality Scale[J].Optical Engineering, 2010, 49(3):033602.

[11] POUSSET Nicolas,OBEIN G, RAZET A.Visual experimenton LED lighting quality with color quality scale colored samples.CIE2010:Lighting Quality and Energy Efficiency,2010.

[12] 程雯婷，孫耀杰,童立青，等.白光LED顏色評價方法研究[J].照明工程學報，2011, 22(3):37-42.

[13] 唐駒.白光LED顯色性評價和光譜最優(yōu)化研究[D].上海：東華大學,2015.

[14] 李德勝,鄒琳,曹帆,等.不同光源的顯色性比較實驗研究[J].照明工程學報,2012,23(5):43-46.

[15] OHNO Y. Spectral design considerations for white LED color rendering[J]. Optical Engineering, 2005, 44(11):111302-111302-9.

Comparison of CQS and CRI for Color Rendering Evaluation of Light Source

LAI Chuandu, ZHUANG Qiren, ZHANG Xiaoting, CHEN Fangping

(CollegeofInformationScienceandEngineering,HuaQiaoUniversity,Xiamen361021,China)

Color Rendering Index(CRI)recommended by CIE and Color Quality Scale (CQS) developed by National Institute of Standards and Technology(NIST) are two prime evaluations for color rendering property of light source. Both them are suitable for evaluation of traditional lighting sources,but have not received general acceptance for evaluation of white LED.the applicability of the evaluation standards requires extensive experiments for validation. In the paper, 10 kinds of fluorescent and 32 kinds of LED lamps which are common in the market were measured. And the CRI (Ra)and CQS (Qa) values of these light sources were calculated. The relationshipbetween the two indexes was analyzed through correlation analysis, color discrimination analysis and difference ratio analysis, respectively. The results show that there is significant difference between the two indexes when evaluating RGB LED. However, when evaluating fluorescent lamps and Phosphor white LED small difference was shown betweenRaandQa.And the difference ratio between them is close to 0% when light sources have CRIRavalue above 90.

color rendering;color rendering index;RGB LED; CQS

福建省科技計劃重點項目(2012H0029)；泉州市科技計劃項目(2014Z105)；福建省光傳輸與變換重點實驗室開放課題(20150102) 通信作者：莊其仁,E-mail:qrzhuang@hqu.edu.cn

TM923

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10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.010