如何利用NIST顏色質(zhì)量量表解決SSL問題

CIE顯色指數(shù)（CRI）與視覺評(píng)估在很多情況下與幾個(gè)已知問題無關(guān)。本文回顧了這些問題并解釋了NIST顏色質(zhì)量量表（CQS）如何解決這些問題。本文的目的是征求固態(tài)照明（SSL）行業(yè)對(duì)顏色質(zhì)量等級(jí)（CQS）的評(píng)論。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）。正在討論CQS作為國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）技術(shù)委員會(huì)（TC）1-69的提案之一，并且TC在選擇新指標(biāo)方面正在進(jìn)行最終討論。由于SSL行業(yè)在TC中沒有很好的代表性，我們希望將SSL行業(yè)的意見傳達(dá)給委員會(huì)成員。

SSL產(chǎn)品的顏色質(zhì)量至關(guān)重要，并且越來越受到關(guān)注。 CIE顯色指數(shù)（CRI） 已被廣泛使用多年。然而，CRI已有40年歷史，并且已經(jīng)確定了用于發(fā)光二極管（LED）源時(shí)CRI的各種問題，如許多出版物 中所報(bào)道的。特別是，CIE技術(shù)委員會(huì)TC 1-62的報(bào)告“白色LED光源的顯色性” 總結(jié)了應(yīng)用于白光LED光源時(shí)CRI的幾個(gè)問題。在許多情況下，CRI得分1與視覺評(píng)估無關(guān)。根據(jù)TC 1-62的結(jié)論，技術(shù)委員會(huì)TC 1-69（白光源的色彩再現(xiàn)，主席：W. Davis）于2006年成立，以開發(fā)和推薦新的CIE指標(biāo)。

新的度量標(biāo)準(zhǔn)旨在最終取代CRI（不是在新標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后立即）。它應(yīng)該適用于傳統(tǒng)照明技術(shù)和SSL源。在NIST，我們開發(fā)了CQS ，它解決了SSL源的CRI問題，但與傳統(tǒng)來源的CRI保持了良好的分?jǐn)?shù)一致性，并提出了TC 1-69。我們用于計(jì)算CQS的電子表格已分發(fā)給SSL行業(yè)的許多用戶，并繼續(xù)在美國(guó)獲得支持。然而，CQS目前尚未獲得TC的良好支持。 TC傾向于采用不同的度量，這是一種非常類似于CRI的純保真度量。傳統(tǒng)的燈具行業(yè)也擔(dān)心CQS背后的概念偏離了CRI。我們擔(dān)心另一個(gè)純保真度指標(biāo)無法解決SSL源的問題，我們認(rèn)為SSL行業(yè)需要一個(gè)新的概念指標(biāo)，如CQS。

修復(fù)CRI的問題對(duì)于SSL行業(yè)。傳統(tǒng)的燈具公司長(zhǎng)期以來已經(jīng)知道CRI的問題，并找到了解決這些問題的方法。 SSL行業(yè)是不同的。它很年輕，由眾多小公司組成。這些公司通常沒有關(guān)于顯色性和比色法的專業(yè)知識(shí)。他們傾向于設(shè)計(jì)產(chǎn)品，只需最大化每瓦流明和顯色指標(biāo)的得分。由于產(chǎn)品針對(duì)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，因此標(biāo)準(zhǔn)非常重要。

對(duì)于那些希望審核問題的人，我們將解釋CRI的問題以及CQS如何解決問題。如果您能夠?qū)⒛鷮?duì)CQS的評(píng)論以及您對(duì)CRI和/或CQS的SSL產(chǎn)品的任何經(jīng)驗(yàn)寫給我們，我們將不勝感激。請(qǐng)通過ohno@nist.gov與我們聯(lián)系。

CQS的基本原理

色彩保真度只是色彩質(zhì)量的一個(gè)方面

CRI通過計(jì)算測(cè)試光源和參考光源照射下的一組預(yù)定義測(cè)試樣品的色差來評(píng)估色彩再現(xiàn)（色彩保真度）的保真度。人們?cè)缇椭?，色彩保真度不能作為白光顏色質(zhì)量的唯一指標(biāo)。顏色質(zhì)量還有其他方面;特別是，增加色彩飽和度的物體顏色偏移可以增強(qiáng)視覺偏好，顏色辨別能力和視覺清晰度，提高被照明物體顏色外觀的主觀評(píng)級(jí)。還已知在較低照度水平（Hunt效應(yīng)）下物體的感知顏色飽和度降低。因此，在室內(nèi)照明中略微增強(qiáng)顏色的光源可以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)日光的更高色彩保真度 。有人試圖通過各種提議的指標(biāo)來解釋這些影響，例如奉承指數(shù) ，顏色偏好指數(shù) ，顏色歧視指數(shù) ，對(duì)比度指數(shù) ，顯色能力 和色域面積指數(shù) 。然而，它們都沒有被接受為標(biāo)準(zhǔn)，可能是因?yàn)镃RI已被如此廣泛地使用（無論問題如何），并且業(yè)界拒絕使用多于一個(gè)度量來評(píng)估產(chǎn)品的顯色性。 CQS基本上是保真度度量，產(chǎn)生一個(gè)像Ra的數(shù)字，但CQS具有改進(jìn)，包括考慮物體顏色偏移方向的能力。因此，CQS與顏色增強(qiáng)源的視覺評(píng)級(jí)很好地吻合，而它作為非顏色增強(qiáng)源的準(zhǔn)確保真度度量。 CQS分?jǐn)?shù)用于表示所有類型光源的產(chǎn)品整體顏色質(zhì)量（感知色彩保真度）。

良好的CRI分?jǐn)?shù)并不能保證良好的色彩質(zhì)量

CRI的一個(gè)問題是它可以給出對(duì)于使得某些飽和對(duì)象顏色非常差的源的相當(dāng)高的分?jǐn)?shù)。下面的示例顯示了紅綠藍(lán)（RGB）白光LED模擬的情況，該模擬針對(duì)CRI Ra = 80時(shí)的最高輻射發(fā)光效率（LER，lm/W）進(jìn)行了優(yōu)化。這種光有資格獲得能源之星并實(shí)現(xiàn)高發(fā)光效率 2 ，但實(shí)際的顯色性非常差。 R9 = -114時(shí)，這種光線下的膚色看起來很蒼白，不健康。 CQS將該燈的得分降低了7個(gè)點(diǎn)，使其不符合能源之星（LED燈具）的要求。 CIE TC中的另一個(gè)主要提議CRI-CAM02UCS使得該光得分為81，比CRI高一個(gè)點(diǎn)。

圖1中所示的色塊是CQS中使用的15個(gè)測(cè)試樣本中的四個(gè)。上方框顯示參考光源照射的顏色（在這種情況下，黑體輻射），下方框顯示測(cè)試光源照亮的顏色。所呈現(xiàn)的顏色由比色模擬確定。

圖1：CQS中使用的測(cè)試樣本。雖然沒有以前的情況那么嚴(yán)重，飽和對(duì)象顏色的相同問題可以熒光型白光LED發(fā)生。圖2所示的例子是CRI接近80（78）的情況，但紅色物體的顯色性差（R9為負(fù)）。藍(lán)色調(diào)（紫色）也很重要。 CQS將此特定光的得分降低了四個(gè)點(diǎn)（但是，請(qǐng)注意，大多數(shù)熒光粉類型LED的CQS得分與CRI的變化不大 - 請(qǐng)參見圖8中的示例）。

圖2 ：CRI接近80（78）但紅色物體的顯色性差（R9為負(fù)）出現(xiàn)這些問題是因?yàn)镃RI使用柔和的顏色測(cè)試樣本，并且無法檢測(cè)飽和顏色的問題。由于CRI的這個(gè)問題，除了Ra之外，一些監(jiān)管規(guī)范 3 增加了對(duì)R9甚至R10，R11和R12（飽和色樣品的特殊CRI）的要求。但是，通常只有Ra值傳遞給最終用戶。通常，工業(yè)和消費(fèi)者不希望處理多個(gè)數(shù)字以用于顯色評(píng)級(jí)。 CQS使用飽和色樣本作為測(cè)試樣本來計(jì)算得分，因此其一個(gè)數(shù)字輸出（Qa）表示所有顏色（包括飽和色）的顯色質(zhì)量。如果一種或兩種顏色看起來非常差，即使所有其他顏色都很好地渲染4（如前面的RGB LED中的情況那樣），CQS也被設(shè)計(jì)成使其得分顯著降低。

CRI懲罰顏色增強(qiáng)如上所述，當(dāng)光源增加物體的色度（顏色飽和度）時(shí)，CRI得分與視覺評(píng)估不相關(guān)。釹燈5的情況很好地證明了這一點(diǎn)，如圖3所示。該燈產(chǎn)生的色域略有增加，物體的顏色對(duì)比度略有增強(qiáng)。這種燈下的物體顏色看起來生動(dòng)而美麗，這種燈通常比普通白熾燈（Ra = 100）更受歡迎。但這盞燈的CRI得分僅為77.視覺證據(jù)表明，這盞燈值得高得多。 CQS給這個(gè)燈的分?jǐn)?shù)為88.

圖3：這個(gè)燈產(chǎn)生的色域略有增加，物體的色彩對(duì)比度略有增強(qiáng)。

窄帶RGB光譜趨勢(shì)產(chǎn)生類似的色彩增強(qiáng)效果。圖4顯示了NIST色彩渲染室中使用的一組高功率RGB LED。

圖4：NIST色彩渲染室中使用的一組真正高功率RGB LED。

這盞燈的CRI得分僅為71，但我們?cè)谝曈X上證實(shí)了這盞燈下的物體看起來美麗自然。這個(gè)光源應(yīng)該得到更高的分?jǐn)?shù)。

我們還為展位建立了另一種RGB LED組合，如圖5所示，只改變紅色峰值。圖5是顏色去飽和的例子。這盞燈的Ra = 82，但我們確認(rèn)這盞燈下的物體看起來很差如圖6所示，對(duì)前兩個(gè)示例中的源進(jìn)行了視覺比較（盡管圖像中的顏色可能未被準(zhǔn)確再現(xiàn)）。我們證實(shí)，盡管有CRI分?jǐn)?shù)，但顏色增強(qiáng)光（圖6b）比顏色去飽和光（圖6a）更可接受。請(qǐng)注意，圖6a將被Energy Star接受而圖6b不會(huì)接受，但如果使用CQS則會(huì)反轉(zhuǎn)。

圖5：顏色去飽和示例（Ra = 82）。 br》

a：顏色去飽和光（Ra = 82，Qa = 74）

b：顏色增強(qiáng)光（Ra = 71，Qa = 83）圖6：顏色去飽和光與顏色增強(qiáng)光的關(guān)系

NIST光譜可調(diào)照明設(shè)施 進(jìn)一步研究了顏色飽和度的影響（見圖） 7）。對(duì)幾個(gè)受試者進(jìn)行視覺評(píng)估實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估房間中物體的顯色性和它們?cè)谟晒庾V照射下的膚色，所述光譜誘導(dǎo)各種水平的物體顏色去飽和或飽和。結(jié)果（見圖7）清楚地表明受試者不接受去飽和光，并且更好地接受飽和光。例如，受試者將略微飽和的光（Ra = 82，Qa = 90）評(píng)定為具有Ra = 98的寬帶參考光。該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了在顯色評(píng)估中考慮顏色偏移的方向是多么重要。圖7：飽和與不飽和照明的主體偏好。 》 CQS與傳統(tǒng)燈具的CRI保持一致CRI已經(jīng)在照明行業(yè)中廣泛使用了40多年，傳統(tǒng)的燈具制造商擔(dān)心CRI的分?jǐn)?shù)會(huì)因現(xiàn)有燈具產(chǎn)品的新指標(biāo)而變化，特別是三熒光燈 。自20世紀(jì)80年代以來，CIE試圖修改CRI已多次失敗，最近一次是TC1-33 。 CQS旨在解決CRI問題，同時(shí)保持與現(xiàn)有燈具產(chǎn)品的CRI分?jǐn)?shù)的一致性。

CQS的其他改進(jìn)

CQS包括對(duì)CRI的其他幾項(xiàng)改進(jìn)。在白熾燈下，人們往往無法區(qū)分海軍藍(lán)襪子和黑襪子。這是因?yàn)樵诘拖嚓P(guān)色溫（CCT）下短波長(zhǎng)（藍(lán)色）能量減少，并且渲染對(duì)象顏色的色域面積縮小。例如，CRI將給予2000 K黑體散熱器Ra = 100的完美分?jǐn)?shù)，但這種紅光對(duì)于普通照明是不可接受的。 CQS基于參考光源的色域面積引入了“CCT因子”，以解釋這種影響并降低非常低CCT源的分?jǐn)?shù)。此因素僅影響CCT低于3000 K的源。例如，2800K白熾燈評(píng)分（以及具有相同CCT的任何其他來源）僅減少兩個(gè)點(diǎn)。

CQS也替換CRI中過時(shí)的公式。 CRI中使用的對(duì)象顏色空間（W * U * V *）非常不均勻，并且不能精確測(cè)量對(duì)象顏色差異。它被最新的CIE標(biāo)準(zhǔn)色彩空間CIELAB所取代。 CRI（von Kries）中使用的舊色彩適應(yīng)公式也被CMCCAT2000取代。結(jié)果，CQS稍微懲罰具有顯著正Duv（在黑體軌跡上方 - 黃色或綠色光）的色度的光，而CRI則沒有。這些得分與我們的視覺體驗(yàn)非常吻合，綠色燈光比具有相同幅度的Duv移位的粉紅色燈光更不可接受。

除了一個(gè)數(shù)字輸出，Qa，CQS還有個(gè)人每個(gè)飽和測(cè)試顏色樣本的分?jǐn)?shù)（Q1至Q15），可供專家用戶使用?？梢蕴砑痈鄻颖荆ㄈ缭贑RI中所做的膚色），這些樣本不會(huì)用于計(jì)算Qa。

CQS還引入了0到100的比例，因?yàn)镃RI經(jīng)常令人困惑，因?yàn)樗a(chǎn)生負(fù)分?jǐn)?shù)。對(duì)于沒有顯色性的燈（例如，低壓鈉燈），CQS給出Qa = 0的分?jǐn)?shù)。此變化僅影響非常低色彩質(zhì)量源的分?jǐn)?shù)，主要是Ra低于30的源。

更多CRI和CQS比較的例子

CQS提供的分?jǐn)?shù)與最新熒光LED型產(chǎn)品的CRI一致和傳統(tǒng)的放電燈（見圖8）腳注

在本文檔的許多情況下，“CRI”或“CRI得分”用于表示Ra得分。

參考理論效力，LER = 403 lm/W這里，不是光源的物理發(fā)光效率。 RGB光譜不僅可以由RGB（A）芯片產(chǎn)生，還可以由綠色磷光體LED，UV激發(fā)的窄帶磷光體或量子點(diǎn)產(chǎn)生。理論上，窄帶白光比寬帶光譜更節(jié)能。

整體LED燈的能源之星指定最小R9值以及Ra。美國(guó)能源部能源聯(lián)盟規(guī)范（LED冷藏展示柜）列出了R9至R12的最低平均分?jǐn)?shù)。

這是通過使用飽和測(cè)試顏色樣本的色差的均方根（RMS）平均來實(shí)現(xiàn)的。

白熾燈，其玻璃外殼摻雜釹，吸收燈光譜的大部分黃色部分。這種類型的燈在美國(guó)和其他國(guó)家廣泛銷售。

CCT因子和新的色彩適應(yīng)公式導(dǎo)致低CCT燈和高Duv燈的分?jǐn)?shù)降低，但略有下降。這增加了一些現(xiàn)有燈產(chǎn)品的CRI得分偏差。如果燈制造商不接受當(dāng)前版本的CQS，則可以刪除或替換這些因素和公式，而不會(huì)丟失CQS的其他功能。

圖8：CRI和CQS的比較實(shí)例。