光源显色性评价标准的比较研究

邹怀远，朱大庆

(1.华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门　361021; 2.福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门　361021)



光源显色性评价标准的比较研究

邹怀远1,2，朱大庆1,2

(1.华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门361021; 2.福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门361021)

摘要：现行的评价光源显色性的标准为国际照明委员会(CIE)推荐的显色指数(CRI)，国内外的研究表明该指数不能正确的评价新型LED光源，因此，出现了以颜色质量指数(CQS)和显色性指数2012(CRI 2012)为代表的新的光源显色性评价标准，新评价标准的适用性需要进行广泛的验证。本文测试了市面上常见的10种荧光灯和25种LED灯的光谱，计算了三种显色性评价指数CRI Ra、CQS Qa和CRI Ra,2012，分析了三种指数之间的相关性，对测试光源的光谱和三种评价标准的颜色样本的反射系数分布进行了分析。实验发现，在评价三基色荧光灯时三种指数的差异很大，在评价LED灯时CRI Ra和CQS Qa的差异较小，CRI Ra,2012与两者差异较大。

关键词：视觉光学；显色性；光源；光谱

引言

在照明领域，光源的显色性是衡量光源的一个重要参数,随着照明光源技术的发展，在不同时期使用了不同的光源显色性评价标准，目前广泛使用的是CIE13.3—1995标准中描述的显色指数计算方法。随着各种新光源的不断出现，特别是半导体照明技术的飞速发展，人们对光源显色性研究的不断深入，CIE13.3—1995暴露出了诸如颜色样本太少、颜色样本不具有代表性、不适用的均匀色空间、计算公式有缺陷等问题[1,2,3,4]，在国际照明学会(CIE)2007年的技术报告中指出：“目前使用的显色指数CRI不能有效反映白光照明光源的显色性好坏”[5]。上述问题促使国际上不断研究开发新的评价标准，如CIE成立了TC1-90技术委员会，提出了显色指数2012(CRI2012)[6]，NIST也提出了颜色质量指数(Color Quality Scale，缩写为CQS)来表征光源的显色性质[7]。

CRI2012光源显色性评价体系的改进主要是使用了CAM02-UCS色空间和CAT02色适应变换并采用了新的17种光谱均匀分布的颜色样本H17，有助于正确评价光谱不连续光源的显色性，同时使用新的计算公式，增强特殊显色指数的极端数值对一般显色指数的影响。CQS光源显色性评价体系采用15种高饱和度色彩的颜色样品，加入人对颜色的偏好度这一因素并采用新的计算公式，增强色差的权重，即加强极值对最终计算结果的影响。

针对CRI2012和CQS这两种新的光源显色性评价标准，国内外的一些研究人员进行了一些相关的研究。Nicola Pousset等人[8]对CQS进行了颜色偏好度的验证实验，发现光源的真实颜色质量与CQS数值有较大差异；程雯婷等人[9]使用5种光源进行了针对中国人样本的CQS系统的可靠性的验证，实验发现CQS在评价光源颜色质量的准确性上有一定的波动，仍有待进一步完善；肖醒等人[10]对CRI 和CRI2012进行了相关的对比测试，实验发现CRI2012能够较好的评价所测的荧光灯和LED灯。尽管如此，CQS和CRI2012均未得到广泛地认可[11]，有必要进行更多的研究，本文选取了市面上常见的25种白光LED光源及10种荧光灯，研究分析三种评价标准的差异。

2对比测试

选取目前市场常见的25种白光LED灯和10种荧光灯(见表1、表2)进行对比测试，编号采用CRIRa数值由低到高的顺序排列。首先使用远方HAAS-2000高精度光谱辐射计测得上述LED灯和荧光灯的光谱数据，图1、图2所示为测得的上述LED灯和荧光灯的光谱功率分布图。从图1中我们可以看到25种白光LED灯的光谱构造主要有以下几种形式：①蓝光和黄光为主，加上微弱的绿光和红光；②蓝光和黄光为主，添加较强的红光；③峰值波长在蓝光、绿光、黄光及红光波段均有出现。从图2中则可以发现被测的10种荧光灯的光谱构造比较一致，均为紫光激发RGB三基色荧光粉发出白光，通过调节几种峰值波长的相对功率来调节色温和显色性。

表1　25种LED灯的编号、厂家名称及型号

表2　10种荧光灯的编号、厂家名称及型号

图1　25种LED光源的相对光谱功率分布Fig.1　The relative spectral power distribution of 25 kinds of LED lamps

将得到的光谱数据代入到计算程序[6,7]中得到每个灯对应的色温和三种显色性评价指数(CRIRa、CQSQa、CRI2012Ra,2012)，如表3、表4及图3、图4所示。

图2　10种荧光灯的光谱功率分布Fig.2　The relative spectral power distribution of 10 kinds of fluorescent lamps

表3　25种LED灯的三种显色性评价指数的计算值及色温

表4　10种荧光灯的三种显色性评价指数的计算值及色温

图3　25种LED的三种显色性评价指数Fig.3　The values of 3 kinds of color evaluation index for 25 kinds of LED lamps

图4　10种荧光灯的三种显色性评价指数Fig.4　The values of 3 kinds of color evaluation index for 10 kinds of fluorescent lamps

3计算结果分析

将荧光灯的三种显色性评价指数两两进行比较，如图5所示。

图5　荧光灯三种显色性评价指数的计算数值的比较Fig.5　Comparison of the calculated value of CRI Ra,CRI2012 Ra,2012 and CQS Qa for fluorescent lamp

对于被测的10种荧光灯，CRIRa指数均大于或等于CRI2012Ra,2012指数，计算得到CRIRa指数与CRI2012Ra,2012指数的相关性系数为0.7505。

5000K以下时，CRIRa指数均大于或等于CQSQa指数，5000K以上时，CRIRa指数均小于或等于CQSQa指数；计算得到CRIRa指数与CQSQa指数的相关性系数为0.8284。

CRI2012Ra,2012指数均小于或等于CQSQa指数，计算得到CRI2012Ra,2012指数与CQSQa指数的相关性系数为0.9774。

从上述比较中可以看出，荧光灯的CRIRa指数与CQSQa指数或CRI2012Ra,2012指数的相关性系数都不是很高，而CQSQa指数和CRI2012Ra,2012指数的相关度较高，表明新的指标在描述荧光灯的显色性时有较大的一致性；从图2可以看到，荧光灯的光谱主要由几个尖锐的峰值构成，再考察三种显色性指标所使用的颜色样本光谱反射系数图，如图6所示，CRI Ra指数使用的颜色样本光谱分布不均匀，而两种新的显色性指标的颜色样本光谱分布则相对均匀，这造成了上述比较结果。

图6　三种显色性评价标准的颜色样本的光谱反射系数分布Fig.6　Spectral reflectance distribution of 3 kinds of color rendering evaluation standard

将LED的三种显色性评价指数两两进行比较，如图7所示。

图7　LED三种显色性评价指数的计算数值的比较Fig.7　Comparison of the calculated value of CRI Ra,CRI2012 Ra,2012 and CQS Qa for LED lamp

对于被测的25种LED灯，CRIRa指数与CRI2012Ra,2012指数的相关性系数为0.8599，CRIRa指数均小于或等于CRI2012Ra,2012指数(11号灯除外)；

CRIRa指数与CQSQa指数的相关性系数R为0.9747，5000K以下时，CRIRa指数均小于或等于CQSQa指数，5000K以上时，CRIRa指数均大于或等于CQSQa指数；

CRI2012Ra,2012指数与CQSQa指数的相关性系数为0.8491，CRI2012Ra,2012指数均大于或等于CQSQa指数(11号灯除外)。

从上述比较中可以看出，CQSQa指数与CRIRa指数的相关性最高，但在5000K以上和5000K以下出现了相对大小截然相反的情况，这可能是因为计算方法、颜色样本不同造成的；而CRI2012Ra,2012指数均大于或等于其他两个指数，一方面由于采用了新的颜色均匀分布的H17样本(和CRI、CQS的颜色样本相比，样本数量更多，分布更均匀)，有助于正确评价光谱不连续的LED光源的显色性(光谱分布合理、均匀的光源能够获得高的显色性评价)，另一方面由于采用了新的CAM02-UCS色空间和CAT02色适应变换，在计算色差时，CAM02-UCS色空间能够更符合人眼的视觉感受，提高了LED光源的得分[6]；三种指数的相关性系数都比较高的原因可能在于：从图1的光谱可以看出，LED灯除蓝光峰外，其大于470 nm部分较为连续或宽峰值的光谱，对色样的饱和度要求差别不大。因此，从我们的实验结果看，对表征LED灯的显色性来说，新的显色性指标相对CRIRa改进不大。而我们也注意到11号灯使得CRI2012Ra,2012指数均小于其他两种指数，考察11号灯的光谱(如图8)，发现其缺少410nm附近的光谱，使得该光源照射CRI2012的H17颜色样本时，1号、2号、3号颜色样本的色差值很大(如图9)，导致Ra,2012指数值较小；为验证这一解释，我们对11号灯的光谱进行了修饰，增加410nm附近的光谱(图8中虚线所示)，重新计算，H17的多个颜色样本的色差值变小(如图9)，重新计算CRIRa指数、CQSQa指数和CRI2012Ra,2012指数，分别由82、82、79变为82、83、84，CRI2012Ra,2012指数变化明显。

图8　11号LED灯的相对光谱功率分布Fig.8　The relative spectral power distribution of No.7 LED lamp

图9　11号LED灯照射下的H17颜色样本的色差Fig.9　Colour-difference of H17 color test simples for No.11 LED lamp

4结论

1)针对本次测试的市面上主流的35种荧光灯和LED灯，通过上述对比测试和分析，我们发现在评价荧光灯时，CRIRa指数、CRI2012Ra,2012指数及CQSQa指数的差异比较大，而之前的研究并未发现CRI 在评价荧光灯时有很大的问题，有必要对新型三基色荧光灯的显色性进行更为详细的研究；

2)对于LED灯的显色性评价，CQSQa指数与CRIRa指数相比差异不大，未见明显改变；

3)无论是荧光灯还是LED灯， CRI2012Ra,2012指数与CRIRa指数相比都呈现出了较大的差异，这与其采用了新的CAM02-UCS均匀色空间和CAT02色适应变换以及新的H17颜色样本有很大关系。

参考文献

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[10] 肖醒,孙耀杰,林燕丹,等.CRI2012及其对光源显色性评价的实践意义[J].照明工程学报,2014,25(4):9-13.

[11] 李德胜,邹琳,曹帆,等.不同光源的显色性比较实验研究[J].照明工程学报,2012,23(5):43-46.

A Comparative Study of Color Rendering Evaluation

Standards of Light Source

Zou Huaiyuan1,2, Zhu Daqing1,2

(1.CollegeofInformationScienceandEngineering,Xiamen361021,China;

2.FujianProvinceKeyLaboratoryofLightPropagationandTransformation,Xiamen361021,China)

Abstract：Color Rendering Index(CRI), which was recommended by Commission internationale de I′Eclairage (CIE), is the current color rendering evaluation standard of light source. The researches have shown that this index can not correctly evaluate the color rendering of LED sources.. Therefor, the Color Quality Scale (CQS) and the Color Rendering Index 2012(CRI 2012) were proposed as the new color rendering evaluation standards. The applicability of the new evaluation standards requires extensive experiments for validation. In this article, the spectrum of 10 kinds of fluorescent and 25 kinds of LED lamps which are commonly available in the market were measured. And the CRI Ra, CQS Qaand CRI Ra,2012 values of these light sources were calculated. The correlations among the three indexes, the spectrum of the tested lamps and the reflecting coefficient of the color sample of the three evaluation standards were analyzed. The results show that there is significant difference among the three indexes when evaluating tri-phosphor based fluorescent. However, when evaluating LED, small difference was shown between CRI Raand CQS Qa,but there is significant difference between CRI Ra,2012 and CRI Raor CQS Qa.

Key words:visual optics; color rendering; light source; light spectrum

通信作者：朱大庆，E-mail:zhudaqing@hqu.edu.cn

基金项目：华侨大学高层次人才科研启动项目(09BS103)

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.003