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CQS与CRI的对比分析 2013/3/5 11:35:52
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CQS与CRI的对比分析

Yoshi Ohno Wendy Davis, NIST
周太明译 复旦大学

  本文的目的是向固态照明(SSL-Solid State Lighting)业界征求对由美国国家标准与技术研究院所制定的“CQSColor Quality Scale”的意见(译者注 :CQS 的中文译法需要听取众多专家的意见,这里暂称为“光色品质量值”)。

  SSL 产品的颜色质量是至关重要的,人们对其关注的程度在增加。显色指数已有 40 年的历史了,目前已发现将它用于发光二极管(LED)时有许多问题,在很多文章中都有报道[2-7]。尤其是在 CIE 的技术委员会 TC1-62“白光 LED 光源的显色性”[8]报告中总结了 CRI用于白光 LED光源时的几个问题。

  CRI 数值的大小在很多情况下往往不能与眼睛的感觉相一致,根据 TC1-62 报告的结论 , 在 2006 年成立了一个新的技术委员会 TC 1-69( 处理白光光源的显色性问题,由W. Davis 担任主席 ),目的是开发并推荐一个新的 CIE 系统,最终取代 CRI( 但不是这个新的标准公布以后立即取代 )。这个新的系统应该对传统光源和 SSL 光源都适用。在NIST,我们已经开发了 CQS 系统 [9-11],它成功地解决了 CRI用于 SSL 光源时遇到的问题,而对于传统光源其结果又与CRI 的值保持一致。因此,将 CQS 作为预案提交给 TC 1-69。我们计算 CQS 的制表计算软件已经送给了很多 SSL 业界的使用者,并且在美国继续给予支持。然而,TC 倾向于采用另外一个体系。这个体系非常类似于 CRI,是一个所谓纯粹的保真体系。传统光源业界也担心 CQS 与 CRI 可能有偏离。我们觉得这一个所谓纯粹的保真体系并不能解决用于 SSL 光源时遇到的问题,因此我们认为 SSL 业界需要一个诸如 CQS 这样的新概念的体系。

  解决CRI 存在的问题对 SSL 业界来说是很紧要的。实际上长期以来传统照明业界一直知道 CRI 存在的问题,也为解决这些问题想了一些办法。但对于 SSL 业界来说情况就不同了,SSL 企业大多比较年轻, 而且很多都是比较小的公司,这些公司常常缺少关于显色性和色度学的知识,它们设计产品时往往只简单地追求最大光效和Ra 的数值。要想获得真正最佳的产品,新标准非常重要。

  一、 颜色保真只是光色品质的一个方面

  CRI 是通过计算一套预先选定的色样分别用待测光源和参考照明体 ( 译者注 : 参考照明体可能是光源 , 也可能并不是实际的光源 ) 照明时的色差来评估颜色的保真度。很久以来人们就知道颜色的保真度并不是衡量白光品质的唯一指标。光色品质还包含其他一些方面 , 特别是使物体色颜色饱和度 ( 译者注 : 即彩度 ) 增加可以增强视觉的满意度和颜色的分辨能力以及视觉的清晰程度[12-15],还可以改善受照物体的颜色外观的主观评价。此外还知道照度水平低时所觉察到的物体的色饱和度要降低 (Hunt 效应 )。由此看来 , 能够稍稍增加颜色的光源用作室内照明时可能得到更好的颜色保真度[16]。考虑到这些因素之后,已经尝试了很多评价体系 , 如奉承指数 (Flattery Index)[12],颜色喜爱指数 [13],颜色分辨指数[14],感觉对比指数[15],颜色显色能力[17]和全光谱范围指数 (Gamut Area Index)[5]。然而,所有这些体系都未被采用为标准,这可能是由于 CRI 已经被广泛应用 ( 尽管它有问题 ),另外业界也不想采用多个体系来衡量产品的显色性能。CQS 基本上还是一个保真体系,所获得的结果类似 Ra,但是 CQS 有不少改进,包括它具有考虑到物体色位移方向的能力。因而,CQS 的值能很好地与对色增强光源照明时的视觉评价相符合;而对非色增强光源它也能给出精确的保真度的数值。也就是说对所有的光源,CQS 的值都能够表示产品的完整的光色品质。

  二、CRI 的数值高并不能保证光色品质好

  CRI 的问题之一是:一些光源对饱和色显色性非常差,而 CRI 的值却很高。图 1 是一个由红 - 绿 - 蓝 (RGB)LED混色而成的光源的情况。该白光 LED 被模拟成当 Ra=80 时具有最大辐射光效 (LER,单位为 lm/W)( 译者注 : 辐射光效 LER 是当所有输入电能全部转换成可见光时的光效—参见周太明等《光源原理与设计》第二版,复旦大学出版社,2006)。该模拟的白光 LED 将能满足能源之星 (Energy Star) 的要求,具有很高的光效[见注释1],然而它真实的显色性却并不好。由于它的 R9=-114,因而在该光源照明之下皮肤显得苍白而不健康。该光源的 CQS 值要比其 CRI 值小 7 点,这样它就达不到能源之星对 LED 灯具的要求了。而在 CIE TC 中领先的提案 CRI-CAM02UCS 给该光源的得分是 81, 甚至比 CRI 还高出 1 点。

  在下面的图中所显示的色块是 CQS 系统中所采用的 15块色样中的 4 块。这些色块的上半部是参考照明体照明的情况 ( 在这里是黑体 ),下半部则是采用该模拟光源照明的结果。图中所表示的颜色都是由色度学模拟得到的[4]。

图 1 由红 - 绿 - 蓝 (RGB)LED 混色而成的白光 LED 光源


图 2 经荧光粉转换的白光 LED(P-LED)

  经荧光粉转换的白光 LED(P-LED) 对于饱和物体色也存在同样的问题,但是没有上面的那个例子那样严重。在图 2的例子中,CRI 接近 80( 为 78),但是对红色物体的显色性差 (R9 是负值 ) 。此外 , 蓝色向紫色的色相位移也较明显。对该光源 ,CQS 的值比 CRI 小了 4 点。( 请注意 , 虽然在本例中 CQS 的值比 CRI 的值小了 4 点,但是对大多数 P-LED而言 CQS 的值与 CRI 的值偏离并不大—见本文末尾图 8 的例子 )

  上述问题之所以发生是由于 CRI 采用的色样的饱和度都不高,因而对高饱和度的颜色的再显就存在问题。正是因为 CRI 的这些问题,所以有些调整的规范[见注释2]在 Ra 的基础上还加入了对 R9 甚至 R10、R11 和 R12 的要求 ( 对饱和色的特殊显色指数 )。但是在通常情况下,用户仅知道Ra。一般情况下业界和用户不希望用几个数目来表示显色指数。CQS 采用饱和色的色样作测试样品来计算,它只用一个数字 Qa 就能表示对包括饱和色在内的所有颜色的显色指数。CQS 系统还有一个优点 : 如果某光源对一种或两种颜色的显色性非常差的话,即使对其他所有颜色的显色性很好,它的 CQS 值也会被明显减少[见注释3]( 就如同前面的 RGB LED 的例子一样 )。

  三、CRI 对色增强的光给予了不公正的待遇

  如前所述,当光照使物体色的饱和度增加时,CRI的数值并不能与视觉的感受相一致。图 3 中钕灯[见注释4]例子就能很好地说明这一现象。该灯能够产生颜色范围的稍微增加 ( 译者注 : 在图中就是红点和红线围成的面积,它比蓝线围成的面积稍大一些 ),而且物体的颜色对比度也稍稍加强。在该灯的照明之下,物体的颜色看上去生动而且美丽。这个灯常常胜过普通的白炽灯。但是普通白炽灯的 Ra 是 100,而钕灯的 Ra 只有 77。视觉的感受暗示这个灯应得到更好的评价。果不然,该灯的 CQS 值不是 77,而是 88 了。

图 3 在灯的玻璃泡壳中掺杂了钕的白炽灯


图 4 窄带光谱的 RGB LED 光源


图 5 上述 RGB LED 光源改变了红色的峰值位置后的情况

  窄带光谱的 RGB LED 光源会产生类似的色增强效应。图 4 表示的是一个采用高功率 RGB LED 模组做成的光源用在NIST 的色彩演示棚中的情况。该光源的 Ra 仅为 71,然而我们看到在它照明之下的物体很美,很自然,这个光源理应得到更好的评价。

  在这个色彩演示棚中我们又采用了另外一个 RGB LED 灯具进行照明。与前一个 RGB LED 灯具相比仅仅是改变了红色的峰值位置。由这个例子(图 5 所示)我们可以看到颜色饱和度降低的影响。该光源的 Ra=82,比上个例子高出很多 ( 高 11 点 ),但是我们却发现在该灯光下物体看上去效果很差。

  对上面两个例子中的两个光源进行了视觉效果的比较,结果如图 6 所示 ( 虽然在这两张照片中颜色有可能没有完全精确地再现,但效果还是清楚的 )。我们发现色增强的光 (b) 的照明效果要比色不饱和的光 (a) 更好,尽管 (a) 的 Ra 要比 (b) 高。由于 Ra 值的原因,(a) 达到能源之星的标准,而 (b)则达不到。但是如果采用 CQS 来评价,情况就反过来了。

图 6 (a)色不饱和的光 (Ra=82,Qa=74) (b)色增强的光 t (Ra=71,Qa=83)

图 7 安装了特别设计的可调光设施的房间

  NIST对于色饱和度的影响进行了进一步的研究。我们建立了一个特别设计的可调光的设施 [18,19]( 见图 7)。通过改变光源的光谱使光色的饱和度变化,然后我们请几位受试者对房间内的物体色的还原程度和他们自身的皮肤色调进行评定。结果非常清楚的显示:受试者不喜欢欠饱和的光,而喜爱饱和的光 [19]。例如,受试者认为稍为饱和的光 (Ra=82,Qa=90) 的效果好到与 Ra=98 的宽带参照光源相当。这个试验表明 : 评价显色性时将色位移的方向考虑进去是多么的重要。

  四、对传统光源 CQS 与 CRI 保持一致

  CRI 已经在照明界广泛应用了 40 多年。传统灯泡制造厂家很关心对他们现在的产品如果采用一种新的评价体系,所得到的值会不会与 CRI 的值不同,尤其是对于三基色荧光灯[20]。自上世纪 80 年代以来,CIE 曾几次试图修订 CRI,最近的一次是 TC-33[21] 的努力,但是都没有成功。CQS 的设计是要解决这些存在问题,而又要保证对于现存的灯产品所获得的结果与 CRI 的值保持一致。

  五、CQS 系统其他的改进

  相对于 CRI,CQS 还有几方面改进。人们常常发现在白炽灯照明之下他们不易区分深蓝色的袜子和黑色的袜子。这是因为在相关色温低时短波长 ( 即蓝色 ) 的能量很少,所能呈现的物体色的范围缩小。例如,CRI 体系虽然给予 2000K黑体的显色指数是 Ra=100,但实际上这样的一种偏红色的光是不适宜用于一般照明的。在 CQS系统中为了表示对色温非常低的光源的这个影响,基于参考照明体呈现的物体色的范围引进了一个“CCT 因子”,从而使色温非常低的光源 Qa值减小。CCT 因子仅对色温低于 3000K 的光源有影响。例如,对于 2800K 的白炽灯 ( 以及有同样色温的其他光源 ) Qa 的值仅减小 2 点[见注解5]。

  在 CQS 系统中还剔除了 CRI 计算中所用的过时的公式。在 CRI 系统中所用的物体色空间W*U*V* 是很不均匀的,不能精确地量度物体的色差。取而代之的是最近的 CIE 标准色空间CIELAB。在 CRI 系统中所用的老的色适应公式(von Kries变换 )也换成 CMCCAT2000。作为结果,CQS 系统将对色度差 Duv 具有较大正值的色度点( 在黑体轨迹上方的色度点—偏黄或偏绿的光 )稍稍给予惩罚,使其 Qa 值减小,但是 CRI 系统并不是这样。Qa 的值与我们的视觉试验结果是一致的,与 Duv 偏移值相同的粉红色光相比,偏绿色的光的照明效果要差[见注解5]。

  CQS 系统除了给出 Qa 值外,还给出对各种饱和色的分类值 Q1-Q15 供专业使用。也可以加入更多的色样 ( 比如像 CRI 系统那样加入皮肤色 ),但这些色样并不用于 Qa 值的计算。

  与 CRI 相似,CQS 的取值范围是 0 到 100。二者不同之处是前者会出现令人感到困惑的负值,而 CQS 对于没有显色能力的光源 ( 例如低压钠灯 )Qa=0。这一变化只会对显色性非常低 (Ra 小于 30) 的光源的评价值产生影响。

  六、更多的比较 CRI 和 CQS 的例子

  从图 8 可以看到,对于大多数采用荧光粉转换的白光LED 产品和传统的气体放电灯 CQS 的值与 CRI 的值是相当一致的。

图 8 对几种常见光源 CRI 和 CQS 的比较

  作者简介:

  Wendy Davis 博士,美国国家标准与技术研究院 (NIST) 光学技术部研究视觉的科学家。

  Yoshi Ohno 博士,NIST 的院士 , 是 CIE( 国际照明委员会 ) 的副主席 . 兼任 CIE 第二分部主任。

  注释

  1.请注意,该模拟光源理论上的辐射光效 LER=403lm/W,并不是光源的真正光效。白光 LED 不仅可以由红、蓝、绿三种芯片混合产生,也可以由 LED 芯片加荧光粉 (P-LED) 或量子点来产生。与宽带光谱相比,从理论上来说窄带白光的能效更高。

  2.能源之星规定 LED 整灯不仅要 Ra 符合要求,还要求R9 的值不得小于一定的数值。能源部的能源联盟规定对于照明商场冰柜的 LED 灯具要求列出 R9-R12 的最小平均值。

  3.不是简单地将所有色样的色差进行算术平均,而是取所有色样的色差的均方根值。

  4.该灯也是白炽灯,但是在其玻璃泡壳中掺杂了钕。玻璃吸收了灯丝发出的很多黄光。这种灯在美国和其他国家普遍都有销售。

  5.对于低色温和高 Duv 的灯来说,CCT 修正因子和新的色适应公式使得评价值减少。尽管此一减少是很小的,但毕竟使现在的某些灯的 CQS 的评价值与 CRI 有偏离。如果 CQS 现今的版本不能为灯的厂商接受,则可以将这些因子和公式去掉或者更换掉,而这样做并不会影响 CQS 系统的其他功能。

  参考文献

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  [2] N. Narendran and L. Deng, “Color rendering properties of LED sources,” Proc. SPIE, vol. 4776, pp. 61–67, 2002.

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  [8] CIE 177:2007, “Colour rendering of white LED sources, 2007.

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  [10] Davis, W. and Ohno, Y., “Development of a Color Quality Scale (CQS),” Sixth International Lighting Research Symposium on Light and Color, Orlando, FL (2006).

  [11] W. Davis and Y. Ohno, “The Color Quality Scale”, Optical Engineering, 49(3): 033602 (2010).

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  [16] Davis, W. & Ohno, Y., “Studies on the effect of illuminance on color rendering,” Proc. CIE 2009: Light and Lighting Conference, Budapest, Hungary (2009).

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  [18] Miller, C.C., Ohno, Y., Davis, W., Zong, Y., and Dowling, K., “NIST spectrally tunable lighting facility for lighting vision science experiments,” CIE peer-reviewed Paper publication from CIE 2009 Light and Lighting Conference, Budapest, 2009.

  [19] Y. Ohno and W. Davis, “Visual Evaluation Experiment on Chroma Enhancement Effects in Color Rendering of Light Source”, submitted to CR&A (being reviewed).

  [20] Report by Japanese national committee of TC1-69, submitted to the TC on Jan. 15, 2010. Also, private communication from Philips in USA.

  [21] CIE135/2:1999, Colour rendering, TC 1-33 closing remarks, CIE Collection in vision and colour and in physical measurement of light and radiation (1999).


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