照明产品显色性评价概述

王平 何欣 张来军

上海市质量监督检验技术研究院，上海201114

国家电光源质量监督检验中心（上海），上海201114

0 引言

照明的目的是营造一个良好的光环境，为此，合理的光源除了要求达到标准所规定的光效外，其显色性同样举足轻重。根据不同的照明需求，灵活地将各种光源的特性与环境相配合，才能恰到好处地提高照明质量。在照明方案中，有各种评价照明质量的指标，包括色温，显色性等。这些参数关系到照明的最终效果，同时也是人们购买照明产品时所参考的决定性因素。因此，对于光源的显色性应用研究变得日益重要。

1 显色性相关概念

显色性是照明体对物体色貌的影响，这种影响是观察者有意或者无意将它与参照照明体下的色貌相比较产生的[1]。光源的显色性一般情况下可用显色指数来表示。相关研究结果表明，显色性与显色指数呈正相关，也就是说，光源的显色性是受到显色指数的影响，如果显色指数越大，对应的显色性就越好。太阳光的照明指数在国际照明委员会中有明确的规定，对应的显色指数是100。目前，学术界对显色指数也进行了分类，包括Ra和Ri，Ra代表一般显色指数，Ri代表特殊显色指数。在CIE系统规定中，为确定待测光源的显色性，首先要选择参考的光源，并认为在参考光源的照射下，被照物体的颜色可以最完善的显现。并且规定，当待测光源的相关色温小于5000K时，以色温最接近的黑体作为参考光源；当待测光源的相关色温大于5 000 K时，用色温最相近的D光源作为参考光源，这里D光源指的是一系列色坐标可以用数字式表示，并与色温有关的日光。在选定参考的光源后，还需要选定有色物体。因为颜色的多样性，需要选择一组标准颜色，使它们能充分代表常用的颜色。CIE颜色系统选择了8种颜色，它们既有多种色调，又具有中等明度值和彩度。在U-V颜色系统中，测定每一块标准色板，在待测光源照射下和在参考光源照射下色坐标的差别，是色位移Ei，就得到该色板的特殊显色指数Ri。Ri可以用下面的公式算出：Ri=100-4.6Ei。所谓的一般显色指数Ra，指的是对规定的8块标准色板所测得的特殊显色指数Ri取算术的平均值[2]。R1到R8是评价一般显色指数用的检验色样，R9到 R15则是评价特殊显色指数评价用的色样，具体色样如图1所示。

图1 标准CRI色样

1.1 特殊显色指数R9

伴随科技的进步与发展，当前LED光源已经广泛走进人们的日常生活以及工业的生产中。早期的LED光源对于红色的还原性差，即 R9＜0，在这种背景下，人们除了关注Ra，又要考核R9。R9是饱和红色，对于人的皮肤色泽、物品的色彩方面具有很明显的还原作用。关于显色指数 R9，在美国能源之星中相关规定，规定R9应该≥0。显色指数R9，顾名思义，指的是某种光源对高彩度红色的显色性能，研究表明，光源对红色的还原性在该数值越大时越好。为了进一步显著提高光源的显色性，需要使光源同时具备较高的Ra和R9。提高白光 LED特殊显色指数R9有3种方法：在623-626 nm的波长范围里选择626 nm的红色荧光粉；红色荧光粉峰值波长相同时，选择亮度更高的红色荧光粉；选择更绿的黄绿粉，增加红色荧光粉的比例[3]。

1.2 IESTM-30

在对视觉体验的描述上，CIE(国际照明委员会)习惯采用一般显色指数来评价。但IES(北美照明工程协会)认为Ra这种评价方式过于单一，只考虑了颜色质量这一个方面，人眼对颜色的感知无法完全表达，欠缺完整性，有一定的缺陷。所以，IES在2013年3月成立了颜色度量工作组，以便更好地为照明及相关行业服务，对光源显色性进行进一步的研究，主要研究目的是能够改进原有的评价体系，寻找一个可以代替CRI系统的新系统。2015年，IES正式公布了相关规范文件TM-30-15，颜色的质量采用颜色保真度指数 Rf和颜色饱和度指数 Rg两个指标来共同评价，这与CIE的CRI有重大的区别。在2018年对旧版文件进行了部分更新，发布了新版的光源颜色质量评价标准TM-30-18。新版标准调整了色板在小于400 nm和大于700nm范围的光谱反射率计算函数，调整了参考光源的光渡区，适用色温范围由原来的4500-5500K变为4000-5000K，并修改了颜色保真度Rf的评价公式，计算的比例因子从7.54改为6.73[4]。

TM-30颜色质量采用颜色保真度指数Rf和颜色饱和度指数Rg这两个指标来共同评价。Rf用于表征各标准色在测试光源照射下与参考光源相比的相似程度，范围是从0到100，数值越高色彩真实度越佳。颜色饱和度指数Rg，表征各标准色在测试光源照射下与参考光源相比的饱和程度。指数100代表饱和度最佳，指数大于100代表光源可以提高颜色的饱和度，指数小于100代表颜色的饱和度在测试光源下会降低[4]。

TM-30的优势在于：有更平滑的参考光源，标准选用的参考光源依照测量光源的相关色温分为3段；有更具代表性的标准色样，选用的标准色样为99种，Ra的色样仅有8种；有更详尽的描述指标，选用CIE推荐的CAM02-USC色空间[5]。

2 实验数据

本实验对白炽灯、荧光灯、钠灯、金卤灯、LED路灯、LED教室灯等不同类型的照明产品进行测试，重点对比6种不同光源的Ra、R9、Rf和Rg，实验结果见表1。

表1 不同类型照明产品Ra,R9,Rf,Rg对比

金卤灯images/BZ_20_535_358_1093_684.pngimages/BZ_20_1241_357_1605_692.png64 0 75 82 LED灯丝灯 81 1 85 94images/BZ_20_535_726_1093_1052.pngimages/BZ_20_1241_713_1605_1048.pngLED路灯74 0 75 94images/BZ_20_535_1085_1093_1411.pngimages/BZ_20_1241_1072_1605_1407.pngLED教室灯96 75 90 98images/BZ_20_535_1438_1093_1764.pngimages/BZ_20_1241_1425_1605_1760.png

通过分析实验结果，白炽灯是最好的，但弊端在于尽管拥有较高的显色指数，但因其存在着使用寿命短、光效低，已经被世界上的一些国家立法禁用，正面临着停产。高压钠灯虽然显色性不是很好，但光效高，使用场所存在一定的局限，只能少量用于户外的道路照明。LED灯丝灯的显色性比较差，虽然 Ra有81，但R9只有1，点亮后会呈现暗黄色的颜色，色彩还原性不高。LED教室灯采用蓝光激发绿色和红色荧光粉，具备较高的显色指数和色彩还原性。LED正因为其独一无二的优势，在照明市场站稳了脚跟，目前已是照明市场上最重要的产品。

3 讨论

据相关资料显示，从Ra角度对LED进行评价时，显色性评价和视觉评价之间的结果并非完全统一，究其原因，主要是因为一些显色指数高的LED灯在视觉上可能存在着较差的显色性，同时那些显色指数低的LED白光也有可能在视觉上表现出较高的显色性。其实本质上是由于传统的显色指数评价不能很好地评价非连续光谱的 LED。所以，在讨论光源的显色性时，需要兼顾好光源的 R9和 Ra。对该项指标也进行了测试，通过测试的结果可以看出，LED路灯、金卤灯和钠灯的R9都是等于0的。当然，LED灯具制作过程中也需要遵循一定的标准，见表2。

表2 现行标准对Ra和R9的要求

从表1的数据图中，可以看到有些照明产品测出的数据Rf的数值是比Ra的数值小的，虽然Rf类似于一般显色指数Ra，但是它的试样色样集样本量、参照照明体、颜色空间、色度观测者等参数都是不同，导致计算结果也是不同的。在《QB/T 5208—2017白光光源显色性评价方法》中也有提到，Rf和Ra作为两个参数体系，参数数值是不具备可比性的，不适合在显色性能指标中将原有针对Ra的限值设定为针对Rf的限值[1]。2017年5月8日，CIE发布了新的技术报告《CIE224:2017CIE2017Colour Fidelity Indexfor Accurate Scientific Use》，提出现阶段Rf并不能取代Ra，替换CRI将是未来研究和讨论的问题，其中将包括评估颜色保真度指数Rf，以及开发一套协调一致的新色彩质量度量，以评估除色彩逼真度和实用性以外的、与感知相关的影响制造商和最终用户的各个方面。现阶段各标准也只对 Ra和 R9提出要求，实际应用中应基于评价目的和场合选取最合适的指标，对于TM-30这种新的系统还需要科学工作者不断的研究和讨论。