賴傳杜，莊其仁，張曉婷，陳芳萍

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

顯色指數(shù)CQS和CRI對(duì)光源顯色性評(píng)價(jià)的差異分析

賴傳杜，莊其仁，張曉婷，陳芳萍

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

由于現(xiàn)行顯色指數(shù)CRI(Color Rendering Index)在評(píng)價(jià)白光LED光源時(shí)出現(xiàn)越來越多的問題，而較為權(quán)威的新指標(biāo)CQS(Color Quality Scale)并未得到廣泛的認(rèn)可，本文采用大量典型光源實(shí)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(jì)算了兩種顯色性評(píng)價(jià)指數(shù)CRIRa和CQSQa，并分別對(duì)不同類型的光源進(jìn)行相關(guān)性分析、色差分析及差值分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①對(duì)熒光燈的顯色性評(píng)價(jià)，CQS與CRI基本一致，但對(duì)色溫極低以及對(duì)高飽和度色塊顯色差的燈有做一些修正；②對(duì)Phosphor white LED燈的顯色性評(píng)價(jià)，CQS與CRI基本一致，但對(duì)RGB LED的顯色性評(píng)價(jià)，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(shì)隨著CRIRa增大而減小，當(dāng)CRIRa達(dá)到90的時(shí)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(lǐng)域，光源的顯色性是衡量光源的一個(gè)重要參數(shù),顯色指數(shù)CRI在1965年被國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)正式確立為評(píng)價(jià)白光光源的通用指標(biāo)[1]，雖然經(jīng)過1974年的改進(jìn)，采用了更加優(yōu)化的色適應(yīng)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法[5-6]可知，CRI在用于評(píng)價(jià)光源，尤其是LED的顯色性時(shí)，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(guó)際照明委員會(huì)(CIE)2007年的技術(shù)報(bào)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(shí)兼顧照明產(chǎn)業(yè)接受度，美國(guó)NIST的Wendy Davis和Yoshi Ohno[10]開發(fā)了新的評(píng)價(jià)體系CQS(Color Quality Scale)，基于實(shí)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(cè)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(zhì)量。除此之外，CQS還在顏色樣本、均勻顏色空間、色差權(quán)重以及數(shù)學(xué)計(jì)算方法上作出了相應(yīng)的考量和改進(jìn)。理論上，CQS指標(biāo)將比現(xiàn)行CRI更適合對(duì)所有種類的光源做統(tǒng)一評(píng)價(jià)。

CQS提出用新的15種顏色作為顏色樣本，但該系統(tǒng)只對(duì)一些方面做了理論分析。針對(duì)CQS光源顯色性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了相關(guān)的研究。Nicola Pousset等[11]對(duì)CQS進(jìn)行了顏色偏好度的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)光源的真實(shí)顏色質(zhì)量與CQS數(shù)值有較大差異；2011年程雯婷等[12]進(jìn)一步對(duì)其可靠性進(jìn)行了視覺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CQS值在評(píng)價(jià)顏色質(zhì)量的準(zhǔn)確性上，與CRI相比未見優(yōu)勢(shì)，在評(píng)價(jià)光源顏色質(zhì)量的準(zhǔn)確性上有一定的波動(dòng)，仍有待進(jìn)一步完善；唐駒[13]通過CRI， CQS與孟塞爾色樣相關(guān)性分析，結(jié)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(shí)程度。因此，CQS雖然在理論上做了較為多的改進(jìn)，但并未得到廣泛地認(rèn)可[14]，有必要進(jìn)行更多實(shí)例研究和驗(yàn)證，本文選取了市面上常見的兩種類型32個(gè)白光LED光源及傳統(tǒng)光源中10種熒光燈，研究分析兩種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的差異。

2 對(duì)比測(cè)試

選取目前市場(chǎng)常見的25種白光LED燈和10種熒光燈(見表1、表2)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，編號(hào)采用Ra數(shù)值由低到高的順序排列。首先測(cè)量LED燈和熒光燈的光譜數(shù)據(jù)，圖1、圖2為測(cè)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(gòu)造主要有以下幾種形式：①藍(lán)光和黃光為主，加上微弱的綠光和紅光；②藍(lán)光和黃光為主，添加較強(qiáng)的紅光；③峰值波長(zhǎng)在藍(lán)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(cè)的10種熒光燈的光譜構(gòu)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(diào)節(jié)幾種峰值波長(zhǎng)的相對(duì)功率來調(diào)節(jié)色溫和顯色性。將得到的光譜數(shù)據(jù)代入到計(jì)算程序[6-7]中得到每個(gè)燈對(duì)應(yīng)的色溫和三種顯色性評(píng)價(jià)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(hào)、廠家名稱及型號(hào)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(hào)、廠家名稱及型號(hào)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(duì)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(hào)12345678910111213CRIRa62717272727373767781828383CQSQa64717073707372767782828484CCT/K3025305857582986553161646572621230852630274530072994序號(hào)141516171819202122232425CRIRa838383838484848586889495CQSQa828484848484828586859796CCT/K613429502942414635565958600642613861602242135101

表4 10種熒光燈的三種顯色性評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指數(shù)Fig.4 The values of 2 kinds of color evaluation index for 10 kinds of fluorescent lamps

3 計(jì)算結(jié)果分析

將熒光燈的Ra指數(shù)與Qa指數(shù)進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 熒光燈Ra指數(shù)與Qa指數(shù)的計(jì)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(shí)，Ra指數(shù)均較大于Qa指數(shù)，3 500 K以上時(shí)，Ra指數(shù)Qa相差不大；計(jì)算得到Ra指數(shù)與Qa指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)為0.828 4。

CQS在改進(jìn)中考慮了考慮低色溫對(duì)顯色性的影響，稱之為色溫因子。為了了解色溫因子對(duì)低色溫光源的影響，取消色溫因子計(jì)算得到Ra指數(shù)與Qa指數(shù)，如圖5(b)所示，計(jì)算相關(guān)性系數(shù)為0.836 5，說明色溫因子在對(duì)那些色溫極低的光源有做適當(dāng)修正，這是Ra所存在的缺陷之一。也正因?yàn)槿绱薘a高估了傳統(tǒng)極低色溫光源顯色性。這一結(jié)果說明，在評(píng)價(jià)傳統(tǒng)光源上Qa雖然盡力保持與Ra指數(shù)一致，但對(duì)于傳統(tǒng)低色溫光源的顯色性做了修正，更符合實(shí)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(cè)試的熒光燈都是三基色熒光燈，如圖6所示，每個(gè)光源的Ra都在80以上。但對(duì)應(yīng)的特殊顯色指數(shù)R9并不理想，尤其是1～4號(hào)燈，R9=0。R9是個(gè)很重要的指標(biāo)，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(jì)算公式里，往往Ra指標(biāo)會(huì)高估在高飽和度色塊上顯色差的光源，造成誤解?；诖巳毕?，CQSQa采用15個(gè)高飽和度作為顏色樣本。由圖6看出對(duì)于1～4號(hào)光源評(píng)價(jià)上，Qa比Ra低，說明Qa有效考慮了光源對(duì)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(jìn)行比較，如圖7所示。

圖7 評(píng)價(jià)LED兩種顯色性指數(shù)Ra與CQS Qa計(jì)算數(shù)值的比較Fig.7 Comparison of the calculated value of Ra and Qa for LED lamps

所測(cè)試的25種LED都是Phosphor white LEDs,Ra指數(shù)與Qa指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)R為0.974 7，相關(guān)性很高，說明Ra指數(shù)與Qa指數(shù)在評(píng)價(jià)Phosphor white LEDs上并沒有多大差別，細(xì)微差別原因可能在于兩者所采用數(shù)學(xué)計(jì)算方法以及均勻色空間不同，前者采用過時(shí)的CIE 1964均勻色空間及色差公式，后者則使用1976年改進(jìn)后更為均勻的CIELAB色空間。

眾所周知，Ra評(píng)價(jià)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(guān)性系數(shù)為0.596 1幾乎不相關(guān)。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(jì)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(gè)白光LED燈對(duì)應(yīng)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(gè)RGB LED和任意從25個(gè)Phosphor white LED選出5個(gè)，其中2個(gè)冷白，1個(gè)暖白，2個(gè)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(jì)算表格中7個(gè)RGB LED和5個(gè)Phosphor white LED 標(biāo)準(zhǔn)色樣最小、最大色差以及對(duì)應(yīng)的CIE TCSs前8個(gè)色樣的平均色差。

圖9 待測(cè)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(hào)光源)LED光源都不能很好的用CIE TCSs前8個(gè)色樣的平均色差來表征，尤其是1～4號(hào)RGB LED,它們的最大色差對(duì)應(yīng)的是CIE TCS#9高飽和度深紅色，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)應(yīng)的平均值。從圖10 CIE TCS#9反射譜曲線以及3號(hào)待測(cè)光源(RGB LED-3)的相對(duì)光譜功率曲線可以看出紅色LED的光譜峰值過多的強(qiáng)調(diào)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(shí)驗(yàn)顯示人眼對(duì)高飽和度的色彩有所偏好，這正是CQS針對(duì)CRI缺陷做出的一個(gè)改進(jìn)方面之一。

圖10 CIE TCS #9的反射光譜和No. 3待測(cè)光的相對(duì)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(duì)于被測(cè)的所有LED光源中，Qa和Ra的相關(guān)性在CRIRa<70的范圍內(nèi)比較低，在CRIRa>70的范圍內(nèi)相關(guān)性較高，RGB LED(No.7)也是如此，說明RGB LED也可以通過光譜構(gòu)造優(yōu)化實(shí)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(shì)隨著CRIRa增大而減小，當(dāng)CRIRa達(dá)到90的時(shí)候，兩者的差值比例接近0%。這為實(shí)現(xiàn)CQS最優(yōu)化提供了一個(gè)方法。

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

4 結(jié)論

1)針對(duì)本次測(cè)試的市面上主流熒光燈和LED燈，通過上述對(duì)比測(cè)試和分析，發(fā)現(xiàn)在評(píng)價(jià)熒光燈時(shí)，CQS在盡力保持與CRI相同的基礎(chǔ)上，對(duì)色溫極低以及對(duì)高飽和度色塊顯色差的燈做一些修正。

2)對(duì)于Phosphor white LED燈的顯色性評(píng)價(jià)，CQSQa指數(shù)與CRIRa指數(shù)相比差異不大，未見明顯改變，而對(duì)于RGB LED的顯色性評(píng)價(jià)，CQSQa對(duì)CRIRa不能有效反應(yīng)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(shì)隨著CRIRa增大而減小，當(dāng)CRIRa達(dá)到90的時(shí)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(píng)價(jià)方法總結(jié)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 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(guó)LED產(chǎn)業(yè)研討與學(xué)術(shù)會(huì)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(píng)價(jià)方法研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011, 22(3):37-42.

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

[14] 李德勝,鄒琳,曹帆,等.不同光源的顯色性比較實(shí)驗(yàn)研究[J].照明工程學(xué)報(bào),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(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2012H0029)；泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014Z105)；福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(20150102) 通信作者：莊其仁,E-mail:qrzhuang@hqu.edu.cn

TM923

A

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