解析顯色指數(shù)CRI

原文/ [美] 邁克·伍德 編譯/ 施 端

（1.上海戲劇學院 燈光設計與技術專業(yè)，上海 200040）

解析顯色指數(shù)CRI

原文/ [美] 邁克·伍德 編譯/ 施 端1

（1.上海戲劇學院 燈光設計與技術專業(yè)，上海 200040）

編者按：

顯色指數(shù)CRI是燈光技術領域的常用參數(shù)，隨著新型光源的出現(xiàn)，CRI在描述光源特性時顯示出一定的局限性。要想更為科學地描述光源，就要嘗試引入新的概念、新的參數(shù)。美國燈光技術專家邁克·伍德就顯色指數(shù)CRI與色質指數(shù)CQS撰寫了系列文章，本刊分期刊發(fā)相關編譯文章，供業(yè)內同仁參考。

詳細解釋“顯色指數(shù)”的含義與測算方法，闡述“顯色指數(shù)”對于評價光源性能的重要意義?！娟P鍵詞】 光源；顯色指數(shù)；測算；色溫

1 CRI的定義

對燈光從業(yè)人員而言，顯色指數(shù)CRI是常用術語，大家經常在光源的數(shù)據資料上見到CRI值，并且知道它反映了光源在顯色性方面的好壞，但是它的實際含義是什么？CRI值有助于人們判斷在一款照明設備中應采用什么光源， CRI值越高越好，但人們是否知道它實際要測量些什么，如何測量？比如，一個光源的CRI值為95，這到底傳達了一些什么信息呢？

國際照明委員會（CIE）對顯色性的定義是：與標準的參考光源相比較，一個光源對物體顏色外貌所產生的效果。換句話說，CRI是一個光源與標準光源（例如日光）相比較下在顏色辨認方面的一種測量方式。CRI是一種得到普遍認可的度量標準，也是目前評價與報告光源顯色性的惟一途徑。CRI這一度量標準的確立并不遙遠，起初制定這個標準的目的是用它來描述20世紀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用于哪些場合。

CRI的測量與規(guī)定的14塊顏色樣品（以下簡稱“色樣”）在被測光源下呈現(xiàn)出的外貌與標準的參考光源下呈現(xiàn)出的外貌之間的差異密切相關。雖然CRI的推導都是通過數(shù)學方法，而且一張實際的色卡圖也不能用于測定CRI值，但是這些色樣的顏色都真實存在，它們都選自孟塞爾顏色樣品。圖1展示了14塊標準CRI色樣，前8塊色樣通常用來測定一般顯色指數(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可見光譜。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。

2 CRI的計算

盡管認真仔細地規(guī)定了這些色樣，并且真實物體可以產生這些色樣的顏色，但是CRI值完全通過計算推導出來，明白這點非常重要，無須用真實光源照射真實色樣，人們要做的就是使用測得的光源光譜與指定色樣的光譜相比較，然后通過數(shù)學分析的方法推導計算出CRI值。因此，對CRI值的測量是量化的、客觀的，它絕不是一種主觀測量（主觀測量僅憑借一位受過訓練的觀察者，由其判斷哪個光源的顯色性更好）。

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2 900 K的暖白色光源與色溫為5 600 K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時間。它們看上去一定是不一樣的。因此，第一步就是要通過被測光源的光譜計算出它的相關色溫（CCT）。一旦有了這個色溫，另一個相同色溫的參考光源就可以通過數(shù)學方法創(chuàng)建出來。對于色溫低于5 000 K的被測光源，參考光源選擇黑體（普朗克）輻射體；而對于色溫高于5 000 K的被測光源，參考光源選擇CIE標準照明體D。

現(xiàn)在可以把參考光源的光譜與每塊色樣相結合，產生一組理想的參考顏色坐標點（簡稱色點）。對于被測光源也是如此，把被測光源的光譜與每塊色樣相結合，得到另一組色點。如果被測光源下的色點與參考光源下的色點完全對應一致，我們就認為它們的顯色性相同，并把其CRI值定為100。在色圖中，被測光源下的色點離對應的理想位置越遠，那么顯色性就越差，CRI值就越低。8對色樣的顏色位移量單獨計算，然后算出8個特殊顯色指數(shù)（光源對某一塊色樣的CRI值稱為特殊顯色指數(shù)），再取它們的算術平均值，這樣得到的數(shù)值就是最終的CRI值。CRI值為100表示：在被測光源與參考光源下，8對色樣中的任意一對色樣之間都不存在色差。

解釋明白這些需要敘述很多內容，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黑體輻射體，因此，根據定義它擁有最理想的顯色性。）圖3展示了測試到的色點與參考色點，圖4展示了色樣的外貌。測試到的色點與對應的參考色點完全對應一致，因此，在圖上它們覆蓋了8個參考色點。

為了便于比較，圖5、圖6展示了一盞汞燈的對應數(shù)據，它的CRI值為43，相當差。

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（色點向外移動），比如標號為TCS03的飽和黃綠色，或使一些顏色的飽和度降低（色點向內移動），比如標號為TCS05的淡藍綠色，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大。

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，以前的路燈中經常采用這種光源。從本質上說，它是由起主導作用的兩條緊靠在一起的波長分別為589.0 nm與589.6 nm的黃色光譜線所構成的單色光。

低壓鈉燈根本不具備顯色能力，事實上通過計算得到它的CRI值為-47。所有8塊被測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值為負數(shù)，但它們通常聚攏到零點。這種情況是非常糟糕的。）低壓鈉燈讓負責任的燈光設計師有點左右為難：其發(fā)光效率極高，達到150 lm/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。

3 CRI的局限性

CRI并不是一個完美的度量標準，事實上它僅僅反映了光源對一小段中等飽和度顏色的顯色性，而且光源的色點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不是一個普遍適用的度量標準，盡管白熾燈的CRI值為理想的100，但是如果嘗試辨認出不同的深藍色，人們就會知道選用白熾燈是非常不理想的。因為，白熾燈的光譜中缺少藍色光譜。對于藍色，日光是更好的選擇，但是如果觀察深紅色，那么，同樣的偏藍色調的日光就可能不是最佳選擇。事實上，沒有哪個單一色溫的光源對整個光譜范圍內的顏色辨認都是理想的。人們需要嘗試制定一種計量標準，使顯色性能指標能在最普遍的領域內適用。

最近，新光源（尤其是LED）的引入使人們要更仔細地審視CRI定義中的要點。CRI這一計量標準不是為測量RGB LED組合光源投出的白光而設計，假如把CRI應用于LED，可能會引起誤導。例如，既然最終的CRI值是8個特殊顯色指數(shù)的算術平均值，那么即使它對其中的一個或兩個顏色的顯色性很差，CRI值還是會很高。由于RGB LED缺少大量黃色光譜，因此，它們對黃色的顯色性很差，但仍可獲得一個不錯的CRI值。另外，由于8塊標準色樣的飽和度都相當?shù)?，CRI根本無法反映出光源對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定義中沒有彌補這方面的不足。眾所周知，RGB LED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抑制其市場接受度。所用LED的波長與帶寬的細微改變都可能會對這種組合型光源的顯色性產生顯著影響，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量標準來評估產品的顯色性?？瓷先ヮ愃频腞GB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，這需要進一步探討。

表1 常用光源的色溫與CRI值

人們已經認識到CRI用在固態(tài)光源上存在問題，并且NIST（National Institute of Standards and Technology，美國國家標準與技術研究所）正在研究的一種新的度量標準——CQS（Color Quality Scale，色質指數(shù)）將會重點解決這些問題。

筆者略微談及LED的顯色性問題之后就把筆鋒轉向了CQS。這是一個更大、更有趣的話題，筆者將在本系列文章的第二部分探討這個話題。

致謝：萬分感謝NIST研究所的溫迪·戴維斯（Wendy Davis）允許筆者從NIST研究所的文檔中復制文字與圖片。

（注：本文根據《PROTOCOL》雜志2010年冬季刊《CRI, What does it really mean?》一文編譯。）

（編輯 張 淼）

Examining the Color Rendering Index and How It is Used

Original / [USA] Mike Wood Translate / SHI Duan1
（1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China）

Meanings and ways of testing color rendering index were explained in details, and the importance of “color rendering index” to lighting properties evaluation was set forth as well.

Light source; Color rendering index; Test and calculation; Color temperature

10.3969/j.issn.1674-8239.2010.11.002