照明產品顯色性評價概述

王平 何欣 張來軍

上海市質量監督檢驗技術研究院，上海201114

國家電光源質量監督檢驗中心（上海），上海201114

0 引言

照明的目的是營造一個良好的光環境，為此，合理的光源除了要求達到標準所規定的光效外，其顯色性同樣舉足輕重。根據不同的照明需求，靈活地將各種光源的特性與環境相配合，才能恰到好處地提高照明質量。在照明方案中，有各種評價照明質量的指標，包括色溫，顯色性等。這些參數關系到照明的最終效果，同時也是人們購買照明產品時所參考的決定性因素。因此，對于光源的顯色性應用研究變得日益重要。

1 顯色性相關概念

顯色性是照明體對物體色貌的影響，這種影響是觀察者有意或者無意將它與參照照明體下的色貌相比較產生的[1]。光源的顯色性一般情況下可用顯色指數來表示。相關研究結果表明，顯色性與顯色指數呈正相關，也就是說，光源的顯色性是受到顯色指數的影響，如果顯色指數越大，對應的顯色性就越好。太陽光的照明指數在國際照明委員會中有明確的規定，對應的顯色指數是100。目前，學術界對顯色指數也進行了分類，包括Ra和Ri，Ra代表一般顯色指數，Ri代表特殊顯色指數。在CIE系統規定中，為確定待測光源的顯色性，首先要選擇參考的光源，并認為在參考光源的照射下，被照物體的顏色可以最完善的顯現。并且規定，當待測光源的相關色溫小于5000K時，以色溫最接近的黑體作為參考光源；當待測光源的相關色溫大于5 000 K時，用色溫最相近的D光源作為參考光源，這里D光源指的是一系列色坐標可以用數字式表示，并與色溫有關的日光。在選定參考的光源后，還需要選定有色物體。因為顏色的多樣性，需要選擇一組標準顏色，使它們能充分代表常用的顏色。CIE顏色系統選擇了8種顏色，它們既有多種色調，又具有中等明度值和彩度。在U-V顏色系統中，測定每一塊標準色板，在待測光源照射下和在參考光源照射下色坐標的差別，是色位移Ei，就得到該色板的特殊顯色指數Ri。Ri可以用下面的公式算出：Ri=100-4.6Ei。所謂的一般顯色指數Ra，指的是對規定的8塊標準色板所測得的特殊顯色指數Ri取算術的平均值[2]。R1到R8是評價一般顯色指數用的檢驗色樣，R9到 R15則是評價特殊顯色指數評價用的色樣，具體色樣如圖1所示。

圖1 標準CRI色樣

1.1 特殊顯色指數R9

伴隨科技的進步與發展，當前LED光源已經廣泛走進人們的日常生活以及工業的生產中。早期的LED光源對于紅色的還原性差，即 R9＜0，在這種背景下，人們除了關注Ra，又要考核R9。R9是飽和紅色，對于人的皮膚色澤、物品的色彩方面具有很明顯的還原作用。關于顯色指數 R9，在美國能源之星中相關規定，規定R9應該≥0。顯色指數R9，顧名思義，指的是某種光源對高彩度紅色的顯色性能，研究表明，光源對紅色的還原性在該數值越大時越好。為了進一步顯著提高光源的顯色性，需要使光源同時具備較高的Ra和R9。提高白光 LED特殊顯色指數R9有3種方法：在623-626 nm的波長范圍里選擇626 nm的紅色熒光粉；紅色熒光粉峰值波長相同時，選擇亮度更高的紅色熒光粉；選擇更綠的黃綠粉，增加紅色熒光粉的比例[3]。

1.2 IESTM-30

在對視覺體驗的描述上，CIE(國際照明委員會)習慣采用一般顯色指數來評價。但IES(北美照明工程協會)認為Ra這種評價方式過于單一，只考慮了顏色質量這一個方面，人眼對顏色的感知無法完全表達，欠缺完整性，有一定的缺陷。所以，IES在2013年3月成立了顏色度量工作組，以便更好地為照明及相關行業服務，對光源顯色性進行進一步的研究，主要研究目的是能夠改進原有的評價體系，尋找一個可以代替CRI系統的新系統。2015年，IES正式公布了相關規范文件TM-30-15，顏色的質量采用顏色保真度指數 Rf和顏色飽和度指數 Rg兩個指標來共同評價，這與CIE的CRI有重大的區別。在2018年對舊版文件進行了部分更新，發布了新版的光源顏色質量評價標準TM-30-18。新版標準調整了色板在小于400 nm和大于700nm范圍的光譜反射率計算函數，調整了參考光源的光渡區，適用色溫范圍由原來的4500-5500K變為4000-5000K，并修改了顏色保真度Rf的評價公式，計算的比例因子從7.54改為6.73[4]。

TM-30顏色質量采用顏色保真度指數Rf和顏色飽和度指數Rg這兩個指標來共同評價。Rf用于表征各標準色在測試光源照射下與參考光源相比的相似程度，范圍是從0到100，數值越高色彩真實度越佳。顏色飽和度指數Rg，表征各標準色在測試光源照射下與參考光源相比的飽和程度。指數100代表飽和度最佳，指數大于100代表光源可以提高顏色的飽和度，指數小于100代表顏色的飽和度在測試光源下會降低[4]。

TM-30的優勢在于：有更平滑的參考光源，標準選用的參考光源依照測量光源的相關色溫分為3段；有更具代表性的標準色樣，選用的標準色樣為99種，Ra的色樣僅有8種；有更詳盡的描述指標，選用CIE推薦的CAM02-USC色空間[5]。

2 實驗數據

本實驗對白熾燈、熒光燈、鈉燈、金鹵燈、LED路燈、LED教室燈等不同類型的照明產品進行測試，重點對比6種不同光源的Ra、R9、Rf和Rg，實驗結果見表1。

表1 不同類型照明產品Ra,R9,Rf,Rg對比

金鹵燈images/BZ_20_535_358_1093_684.pngimages/BZ_20_1241_357_1605_692.png64 0 75 82 LED燈絲燈 81 1 85 94images/BZ_20_535_726_1093_1052.pngimages/BZ_20_1241_713_1605_1048.pngLED路燈74 0 75 94images/BZ_20_535_1085_1093_1411.pngimages/BZ_20_1241_1072_1605_1407.pngLED教室燈96 75 90 98images/BZ_20_535_1438_1093_1764.pngimages/BZ_20_1241_1425_1605_1760.png

通過分析實驗結果，白熾燈是最好的，但弊端在于盡管擁有較高的顯色指數，但因其存在著使用壽命短、光效低，已經被世界上的一些國家立法禁用，正面臨著停產。高壓鈉燈雖然顯色性不是很好，但光效高，使用場所存在一定的局限，只能少量用于戶外的道路照明。LED燈絲燈的顯色性比較差，雖然 Ra有81，但R9只有1，點亮后會呈現暗黃色的顏色，色彩還原性不高。LED教室燈采用藍光激發綠色和紅色熒光粉，具備較高的顯色指數和色彩還原性。LED正因為其獨一無二的優勢，在照明市場站穩了腳跟，目前已是照明市場上最重要的產品。

3 討論

據相關資料顯示，從Ra角度對LED進行評價時，顯色性評價和視覺評價之間的結果并非完全統一，究其原因，主要是因為一些顯色指數高的LED燈在視覺上可能存在著較差的顯色性，同時那些顯色指數低的LED白光也有可能在視覺上表現出較高的顯色性。其實本質上是由于傳統的顯色指數評價不能很好地評價非連續光譜的 LED。所以，在討論光源的顯色性時，需要兼顧好光源的 R9和 Ra。對該項指標也進行了測試，通過測試的結果可以看出，LED路燈、金鹵燈和鈉燈的R9都是等于0的。當然，LED燈具制作過程中也需要遵循一定的標準，見表2。

表2 現行標準對Ra和R9的要求

從表1的數據圖中，可以看到有些照明產品測出的數據Rf的數值是比Ra的數值小的，雖然Rf類似于一般顯色指數Ra，但是它的試樣色樣集樣本量、參照照明體、顏色空間、色度觀測者等參數都是不同，導致計算結果也是不同的。在《QB/T 5208—2017白光光源顯色性評價方法》中也有提到，Rf和Ra作為兩個參數體系，參數數值是不具備可比性的，不適合在顯色性能指標中將原有針對Ra的限值設定為針對Rf的限值[1]。2017年5月8日，CIE發布了新的技術報告《CIE224:2017CIE2017Colour Fidelity Indexfor Accurate Scientific Use》，提出現階段Rf并不能取代Ra，替換CRI將是未來研究和討論的問題，其中將包括評估顏色保真度指數Rf，以及開發一套協調一致的新色彩質量度量，以評估除色彩逼真度和實用性以外的、與感知相關的影響制造商和最終用戶的各個方面。現階段各標準也只對 Ra和 R9提出要求，實際應用中應基于評價目的和場合選取最合適的指標，對于TM-30這種新的系統還需要科學工作者不斷的研究和討論。