解析顯色指數(shù)CRI參數(shù) - 全文

　　對(duì)于從事照明行業(yè)人士而言，顯色指數(shù)CRI是常用術(shù)語(yǔ)，大家經(jīng)常在光源的數(shù)據(jù)資料上見到CRI值，并且知道它反映了光源在顯色性方面的好壞，但是它的實(shí)際含義是什么？CRI值有助于人們判斷在一款照明設(shè)備中應(yīng)采用什么光源， CRI值越高越好，但人們是否知道它實(shí)際要測(cè)量些什么，如何測(cè)量？比如，一個(gè)光源的CRI值為95，這到底傳達(dá)了一些什么信息呢？

　　● CRI的定義

　　國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）對(duì)顯色性的定義是：與標(biāo)準(zhǔn)的參考光源相比較，一個(gè)光源對(duì)物體顏色外貌所產(chǎn)生的效果。換句話說，CRI是一個(gè)光源與標(biāo)準(zhǔn)光源（例如日光）相比較下在顏色辨認(rèn)方面的一種測(cè)量方式。CRI是一種得到普遍認(rèn)可的度量標(biāo)準(zhǔn)，也是目前評(píng)價(jià)與報(bào)告光源顯色性的惟一途徑。CRI這一度量標(biāo)準(zhǔn)的確立并不遙遠(yuǎn)，起初制定這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的目的是用它來描述20世紀(jì)60年代開始大量使用的熒光燈的顯色性，并幫助用戶理解光譜分布呈線狀的熒光燈可應(yīng)用于哪些場(chǎng)合。

　　圖1：14塊標(biāo)準(zhǔn)顏CRI色樣

　　CRI的測(cè)量與規(guī)定的14塊顏色樣品（以下簡(jiǎn)稱“色樣”）在被測(cè)光源下呈現(xiàn)出的外貌與標(biāo)準(zhǔn)的參考光源下呈現(xiàn)出的外貌之間的差異密切相關(guān)。雖然CRI的推導(dǎo)都是通過數(shù)學(xué)方法，而且一張實(shí)際的色卡圖也不能用于測(cè)定CRI值，但是這些色樣的顏色都真實(shí)存在，它們都選自孟塞爾顏色樣品。如圖1展示了14塊標(biāo)準(zhǔn)CRI色樣，前8塊色樣通常用來測(cè)定一般顯色指數(shù)（通常人們提到的CRI值就是指一般顯色指數(shù)），選取的TCS01—TCS08具有中等飽和度與大致相同的明度，并且顏色范圍涵蓋了整個(gè)可見光譜。最后6塊是特殊顏色樣品，TCS09—TCS14很少使用，它們中除了有模仿歐洲人膚色與樹葉綠色外，還包括了飽和度更高的原色。

　　● CRI的計(jì)算

　　盡管認(rèn)真仔細(xì)地規(guī)定了這些色樣，并且真實(shí)物體可以產(chǎn)生這些色樣的顏色，但是CRI值完全通過計(jì)算推導(dǎo)出來，明白這點(diǎn)非常重要，無須用真實(shí)光源照射真實(shí)色樣，人們要做的就是使用測(cè)得的光源光譜與指定色樣的光譜相比較，然后通過數(shù)學(xué)分析的方法推導(dǎo)計(jì)算出CRI值。因此，對(duì)CRI值的測(cè)量是量化的、客觀的，它絕不是一種主觀測(cè)量（主觀測(cè)量?jī)H憑借一位受過訓(xùn)練的觀察者，由其判斷哪個(gè)光源的顯色性更好）。

　　基于顏色知覺的比較也很有意義，前提是被測(cè)光源與參考光源兩者的色溫必須相同。例如，試圖比較色溫為2900K的暖白色光源與色溫為5600K的冷白色光源（日光）照射下的兩塊相同色樣的外貌差異完全是浪費(fèi)時(shí)間。它們看上去一定是不一樣的。因此，第一步就是要通過被測(cè)光源的光譜計(jì)算出它的相關(guān)色溫（CCT）。一旦有了這個(gè)色溫，另一個(gè)相同色溫的參考光源就可以通過數(shù)學(xué)方法創(chuàng)建出來。對(duì)于色溫低于5000K的被測(cè)光源，參考光源選擇黑體（普朗克）輻射體；而對(duì)于色溫高于5000K的被測(cè)光源，參考光源選擇CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D。

　　圖2：14塊標(biāo)準(zhǔn)CRI色樣中前8塊色樣的光譜分布

　　現(xiàn)在可以把參考光源的光譜與每塊色樣相結(jié)合，產(chǎn)生一組理想的參考顏色坐標(biāo)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱色點(diǎn)）。對(duì)于被測(cè)光源也是如此，把被測(cè)光源的光譜與每塊色樣相結(jié)合，得到另一組色點(diǎn)。如果被測(cè)光源下的色點(diǎn)與參考光源下的色點(diǎn)完全對(duì)應(yīng)一致，我們就認(rèn)為它們的顯色性相同，并把其CRI值定為100。在色圖中，被測(cè)光源下的色點(diǎn)離對(duì)應(yīng)的理想位置越遠(yuǎn)，那么顯色性就越差，CRI值就越低。8對(duì)色樣的顏色位移量單獨(dú)計(jì)算，然后算出8個(gè)特殊顯色指數(shù)（光源對(duì)某一塊色樣的CRI值稱為特殊顯色指數(shù)），再取它們的算術(shù)平均值，這樣得到的數(shù)值就是最終的CRI值。CRI值為100表示，在被測(cè)光源與參考光源下，8對(duì)色樣中的任意一對(duì)色樣之間都不存在色差。

　　圖4：參考光源與白熾燈照射下色樣外貌的對(duì)比

　　解釋明白這些需要敘述很多內(nèi)容，并極有可能引起混淆，因此，筆者覺得用一些圖片輔助說明會(huì)有很大幫助，現(xiàn)在先從CRI值為100的白熾燈開始。理論上一盞白熾燈等同于一個(gè)黑體輻射體，因此，根據(jù)定義它擁有最理想的顯色性。如圖3展示了測(cè)試到的色點(diǎn)與參考色點(diǎn)；圖4展示了色樣的外貌。測(cè)試到的色點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的參考色點(diǎn)完全對(duì)應(yīng)一致，因此，在圖上它們覆蓋了8個(gè)參考色點(diǎn)。

　　為了便于比較，圖5、圖6展示了一盞汞燈的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，它的CRI值為43，相當(dāng)差。

　　汞燈的光譜分布不連續(xù)且呈線狀，這樣的光譜很容易使一些顏色的飽和度提高（色點(diǎn)向外移動(dòng)），比如標(biāo)號(hào)為TCS03的飽和黃綠色，或使一些顏色的飽和度降低（色點(diǎn)向內(nèi)移動(dòng)），比如標(biāo)號(hào)為TCS05的淡藍(lán)綠色，以致它們看上去像被沖刷過一樣，幾乎都呈現(xiàn)灰色。沒有一塊色樣的顏色能得到正確顯現(xiàn)，并且顏色位移量相當(dāng)大。

　?。◤淖笾劣遥﹫D3：參考色點(diǎn)與白熾燈照射下測(cè)試到的色點(diǎn)

　　圖5：參考色點(diǎn)與汞燈照射下測(cè)試到的色點(diǎn)

　　圖7：參考色點(diǎn)與低壓鈉燈照射下測(cè)試到的色點(diǎn)

　　顯色性的另一極端就是低壓鈉燈的顯色性，如圖7、圖8所示。低壓鈉燈是一種輻射橙黃色光的老式光源，以前的路燈中經(jīng)常采用這種光源。從本質(zhì)上說，它是由起主導(dǎo)作用的兩條緊靠在一起的波長(zhǎng)分別為589.0nm與589.6nm的黃色光譜線所構(gòu)成的單色光。

　　圖6：參考光源與汞燈照射下色樣外貌的對(duì)比

　　圖8：參考光源與低壓鈉燈照射下色樣外貌的對(duì)比

　　低壓鈉燈根本不具備顯色能力，事實(shí)上通過計(jì)算得到它的CRI值為-47。所有8塊被測(cè)色樣看上去都像被混濁的黃色所籠罩。這就解釋了為什么在晚上很難在由這些光源照明下的停車場(chǎng)里找到自己的車。無論車是什么顏色，在低壓鈉燈的照射下所有的車看上去都一樣。（雖然CRI的定義中允許CRI值為負(fù)數(shù)，但它們通常聚攏到零點(diǎn)。這種情況是非常糟糕的。）低壓鈉燈讓負(fù)責(zé)任的燈光設(shè)計(jì)師有點(diǎn)左右為難：其發(fā)光效率極高，達(dá)到150lm/W，但是由于在其照明下物體顯現(xiàn)出難看的外貌以及顯色性的缺失而普遍不受歡迎。在許多照明設(shè)備中，它們已被發(fā)光效率略低一些的高壓鈉燈和其他一些CRI值更高的光源所取代。表1列舉出一些常用光源的色溫與CRI值。

　　● CRI的局限性

　　CRI并不是一個(gè)完美的度量標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)上它僅僅反映了光源對(duì)一小段中等飽和度顏色的顯色性，而且光源的色點(diǎn)最好要靠近黑體輻射軌跡，并且光源的色溫既不能太高也不能太低。另外，CRI不是一個(gè)普遍適用的度量標(biāo)準(zhǔn)，盡管白熾燈的CRI值為理想的100，但是如果嘗試辨認(rèn)出不同的深藍(lán)色，人們就會(huì)知道選用白熾燈是非常不理想的。因?yàn)?，白熾燈的光譜中缺少藍(lán)色光譜。對(duì)于藍(lán)色，日光是更好的選擇，但是如果觀察深紅色，那么，同樣的偏藍(lán)色調(diào)的日光就可能不是最佳選擇。事實(shí)上，沒有哪個(gè)單一色溫的光源對(duì)整個(gè)光譜范圍內(nèi)的顏色辨認(rèn)都是理想的。人們需要嘗試制定一種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，使顯色性能指標(biāo)能在最普遍的領(lǐng)域內(nèi)適用。

　　　表1：常用光源的色溫與CRI值

　　最近，新光源（尤其是LED）的引入使人們要更仔細(xì)地審視CRI定義中的要點(diǎn)。CRI這一計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)不是為測(cè)量RGB LED組合光源投出的白光而設(shè)計(jì)，假如把CRI應(yīng)用于LED，可能會(huì)引起誤導(dǎo)。例如，既然最終的CRI值是8個(gè)特殊顯色指數(shù)的算術(shù)平均值，那么即使它對(duì)其中的一個(gè)或兩個(gè)顏色的顯色性很差，CRI值還是會(huì)很高。

　　由于RGB LED缺少大量黃色光譜，因此，它們對(duì)黃色的顯色性很差，但仍可獲得一個(gè)不錯(cuò)的CRI值。另外，由于8塊標(biāo)準(zhǔn)色樣的飽和度都相當(dāng)?shù)?，CRI根本無法反映出光源對(duì)高飽和度顏色的顯色性。RGB LED光譜的波峰狹窄且波峰之間的間隔較大，這樣的光譜分布對(duì)波峰以外的飽和色的顯色性很差，但目前的CRI定義中沒有彌補(bǔ)這方面的不足。

　　眾所周知，RGBLED具有極大地節(jié)約能源的潛力，但是在顯色性方面的不足可能會(huì)抑制其市場(chǎng)接受度。所用LED的波長(zhǎng)與帶寬的細(xì)微改變都可能會(huì)對(duì)這種組合型光源的顯色性產(chǎn)生顯著影響，因此，利用這些光源來開發(fā)燈具的研發(fā)人員需要一種有效的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估產(chǎn)品的顯色性。看上去類似的RGB組合光源的LED燈具的CRI值的范圍可以從很差的40一直到非常不錯(cuò)的80，不盡相同。即便有了這些數(shù)值，它們是否真的代表了光源顯色性的好壞，這需要進(jìn)一步探討。

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