LED百科基础篇:解析显色指数CRI参数

发布者:admin 发布时间:2019-10-25 22:59 浏览次数:

  对于从事照明行业人士而言,显色指数CRI是常用术语,大家经常在光源的数据资料上见到CRI值,并且知道它反映了光源在显色性方面的好坏,但是它的实际含义是什么?CRI值有助于人们判断在一款照明设备中应采用什么光源, CRI值越高越好,但人们是否知道它实际要测量些什么,如何测量?比如,一个光源的CRI值为95,这到底传达了一些什么信息呢?

  国际照明委员会(CIE)对显色性的定义是:与标准的参考光源相比较,一个光源对物体颜色外貌所产生的效果。换句话说,CRI是一个光源与标准光源(例如日光)相比较下在颜色辨认方面的一种测量方式。CRI是一种得到普遍认可的度量标准,也是目前评价与报告光源显色性的惟一途径。CRI这一度量标准的确立并不遥远,起初制定这个标准的目的是用它来描述20世纪60年代开始大量使用的荧光灯的显色性,并帮助用户理解光谱分布呈线状的荧光灯可应用于哪些场合。

  CRI的测量与规定的14块颜色样品(以下简称“色样”)在被测光源下呈现出的外貌与标准的参考光源下呈现出的外貌之间的差异密切相关。虽然CRI的推导都是通过数学方法,而且一张实际的色卡图也不能用于测定CRI值,但是这些色样的颜色都真实存在,它们都选自孟塞尔颜色样品。如图1展示了14块标准CRI色样,前8块色样通常用来测定一般显色指数(通常人们提到的CRI值就是指一般显色指数),选取的TCS01—TCS08具有中等饱和度与大致相同的明度,并且颜色范围涵盖了整个可见光谱。最后6块是特殊颜色样品,TCS09—TCS14很少使用,它们中除了有模仿欧洲人肤色与树叶绿色外,还包括了饱和度更高的原色。

  尽管认真仔细地规定了这些色样,并且真实物体可以产生这些色样的颜色,但是CRI值完全通过计算推导出来,明白这点非常重要,无须用真实光源照射真实色样,人们要做的就是使用测得的光源光谱与指定色样的光谱相比较,然后通过数学分析的方法推导计算出CRI值。因此,对CRI值的测量是量化的、客观的,它绝不是一种主观测量(主观测量仅凭借一位受过训练的观察者,由其判断哪个光源的显色性更好)。

  基于颜色知觉的比较也很有意义,前提是被测光源与参考光源两者的色温必须相同。例如,试图比较色温为2900K的暖白色光源与色温为5600K的冷白色光源(日光)照射下的两块相同色样的外貌差异完全是浪费时间。它们看上去一定是不一样的。因此,第一步就是要通过被测光源的光谱计算出它的相关色温(CCT)。一旦有了这个色温,另一个相同色温的参考光源就可以通过数学方法创建出来。对于色温低于5000K的被测光源,参考光源选择黑体(普朗克)辐射体;而对于色温高于5000K的被测光源,参考光源选择CIE标准照明体D。

  现在可以把参考光源的光谱与每块色样相结合,产生一组理想的参考颜色坐标点(简称色点)。对于被测光源也是如此,把被测光源的光谱与每块色样相结合,得到另一组色点。如果被测光源下的色点与参考光源下的色点完全对应一致,我们就认为它们的显色性相同,并把其CRI值定为100。在色图中,被测光源下的色点离对应的理想位置越远,那么显色性就越差,CRI值就越低。8对色样的颜色位移量单独计算,然后算出8个特殊显色指数(光源对某一块色样的CRI值称为特殊显色指数),再取它们的算术平均值,这样得到的数值就是最终的CRI值。CRI值为100表示,在被测光源与参考光源下,8对色样中的任意一对色样之间都不存在色差。

  解释明白这些需要叙述很多内容,并极有可能引起混淆,因此,笔者觉得用一些图片辅助说明会有很大帮助,现在先从CRI值为100的白炽灯开始。理论上一盏白炽灯等同于一个黑体辐射体,因此,根据定义它拥有最理想的显色性。如图3展示了测试到的色点与参考色点;图4展示了色样的外貌。测试到的色点与对应的参考色点完全对应一致,因此,在图上它们覆盖了8个参考色点。

  为了便于比较,图5、图6展示了一盏汞灯的对应数据,它的CRI值为43,相当差。

  汞灯的光谱分布不连续且呈线状,这样的光谱很容易使一些颜色的饱和度提高(色点向外移动),比如标号为TCS03的饱和黄绿色,或使一些颜色的饱和度降低(色点向内移动),比如标号为TCS05的淡蓝绿色,以致它们看上去像被冲刷过一样,几乎都呈现灰色。没有一块色样的颜色能得到正确显现,并且颜色位移量相当大。

  显色性的另一极端就是低压钠灯的显色性,如图7、图8所示。低压钠灯是一种辐射橙黄色光的老式光源,以前的路灯中经常采用这种光源。从本质上说,它是由起主导作用的两条紧靠在一起的波长分别为589.0nm与589.6nm的黄色光谱线所构成的单色光。

  低压钠灯根本不具备显色能力,事实上通过计算得到它的CRI值为-47。所有8块被测色样看上去都像被混浊的黄色所笼罩。这就解释了为什么在晚上很难在由这些光源照明下的停车场里找到自己的车。无论车是什么颜色,在低压钠灯的照射下所有的车看上去都一样。(虽然CRI的定义中允许CRI值为负数,但它们通常聚拢到零点。这种情况是非常糟糕的。)低压钠灯让负责任的灯光设计师有点左右为难:其发光效率极高,达到150lm/W,但是由于在其照明下物体显现出难看的外貌以及显色性的缺失而普遍不受欢迎。在许多照明设备中,它们已被发光效率略低一些的高压钠灯和其他一些CRI值更高的光源所取代。表1列举出一些常用光源的色温与CRI值。

  CRI并不是一个完美的度量标准,事实上它仅仅反映了光源对一小段中等饱和度颜色的显色性,而且光源的色点最好要靠近黑体辐射轨迹,并且光源的色温既不能太高也不能太低。另外,CRI不是一个普遍适用的度量标准,尽管白炽灯的CRI值为理想的100,但是如果尝试辨认出不同的深蓝色,人们就会知道选用白炽灯是非常不理想的。因为,白炽灯的光谱中缺少蓝色光谱。对于蓝色,日光是更好的选择,但是如果观察深红色,那么,同样的偏蓝色调的日光就可能不是最佳选择。事实上,没有哪个单一色温的光源对整个光谱范围内的颜色辨认都是理想的。人们需要尝试制定一种计量标准,使显色性能指标能在最普遍的领域内适用。

  最近,新光源(尤其是LED)的引入使人们要更仔细地审视CRI定义中的要点。CRI这一计量标准不是为测量RGB LED组合光源投出的白光而设计,假如把CRI应用于LED,可能会引起误导。例如,既然最终的CRI值是8个特殊显色指数的算术平均值,那么即使它对其中的一个或两个颜色的显色性很差,CRI值还是会很高。

  由于RGB LED缺少大量黄色光谱,因此,它们对黄色的显色性很差,但仍可获得一个不错的CRI值。另外,由于8块标准色样的饱和度都相当低,CRI根本无法反映出光源对高饱和度颜色的显色性。RGB LED光谱的波峰狭窄且波峰之间的间隔较大,这样的光谱分布对波峰以外的饱和色的显色性很差,但目前的CRI定义中没有弥补这方面的不足。

  众所周知,RGBLED具有极大地节约能源的潜力,但是在显色性方面的不足可能会抑制其市场接受度。所用LED的波长与带宽的细微改变都可能会对这种组合型光源的显色性产生显著影响,因此,利用这些光源来开发灯具的研发人员需要一种有效的计量标准来评估产品的显色性。看上去类似的RGB组合光源的LED灯具的CRI值的范围可以从很差的40一直到非常不错的80,不尽相同。即便有了这些数值,它们是否真的代表了光源显色性的好坏,这需要进一步探讨。


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