LED照明颜色质量指数解决方案

尽管多年来照明行业已探讨过评价颜色质量的方法，但 LED 照明的快速成功使得对改善衡量标准的需求更加迫切。 显色指数 (CRI) 已经使用多年，但 LED 技术现在极大拓宽了“白”光微调特征范围。 业内已提出多种替代评价方法来解决此问题。 在缺乏行业共识的情况下，Cree 找到了自己的方式，为照明设计人员提供他们所需的保障。

CRI 及其限制

CRI 的计算依据是当待测光源和相同相关色温的参考光源照射在黑体或普朗克轨迹上时，在八个标准样品颜色中所测得的色调平均变化。 5000K 及以上 CCT 对应国际照明委员会 (CIE) 定义的日光白。 由于人类感知将日光视为最真实的显色，灯在测试中的显色性越接近参考光源参数的颜色，保真度就越高，CRI 指数就越高。 其遵循的标准就是，日光的 CRI 为 100。 实现 CRI 值接近 100 的电力照明被认为是最理想的：无论在室内或室外，人们通常喜欢体验令人感到舒适、自然的照明。

由于如今的 LED 技术拓宽了磷光剂转换发射器产生的白光微调特征的范围，CRI 作为颜色质量指数的限制日益明显。

尽管 CIE 已定义十四种参考颜色，仅前八种被用于计算 CRI。 结果是基于结果 R1 到 R8 的平均值 Ra。 颜色 1 到 8 被认为可代表大多数对象。 实际上，它们是中等饱和度的淡色，如图 1 所示。 其他六种颜色，包括高饱和度颜色（红、黄、绿、蓝）、肤色和橄榄绿，不影响 CRI 的计算。 图 2 展示了 CIE 定义的这六种颜色，以及第 15 种颜色—由日本 JIS 标准定义的亚洲人肤色。

图 1：用于计算 CRI 的 R1-R8 颜色。

图 2：由 CIE 定义、但不用于计算 CRI 的 R9-R15 颜色，因此对于在 LED 灯具上较为明显的颜色质量而言，CRI 提供的表示并不完整。

现在的 CRI 方法允许灯具实现更高的显色指数，即使其显示饱和色的能力可能降低。 红色的颜色去饱和特性特别明显，因为这类颜色强烈影响皮肤色调的感知。 准确可靠地显现饱和色，尤其是红色，在有些应用中也很重要，如零售和医疗健康。

NIST 的颜色质量等级 (CQS)

照明行业考虑各种 CRI 替代方法已有一段时间。 美国国家标准与技术研究院 (NIST) 提出了颜色质量等级 (CQS) 方案。 根据 NIST，提议的其他度量标准包括舒适度指数、颜色偏好指数、颜色辨别指数、对比度感觉指数、显色能力和色域面积指数。 以上指数均未被接受为标准，看起来 CRI 由于相沿成习且容易理解而继续受到青睐。

NIST 的 CQS 提议就是在待测范围内纳入饱和色。 与 CRI 类似，它生成单个数字的指数 Qa，但这种情况下，它是表示所有颜色的显色质量的平均值，包括饱和色。 此外，CQS 在设计上也用于防止某些颜色达到非常高的保真度、但其他颜色的结果却较差的灯具获得达到较高整体指数的较好平均评分。 CRI 系统的缺点之一就是会出现这类情况，这就会让某些低劣的灯具宣称具有出色性能。 CIE 已慎重考虑是否采纳 CQS 作为能克服 CRI 某些缺点的替代方法，但尚未达成一致。

IES 的新提议

同时，美国照明工程协会 (IES) 已提议采用另一种方法，依靠更广泛的测试来评价光源的色彩还原能力。 这种新兴的测试方法称为 TM-30-15，提议采用九十九种色样，均匀分布整个色彩空间内。 此外，除保真度之外，TM-30-15 还测量色域，并使用 CCT 介于 4500K 和 5500K 之间的混合参考光源。 该测试方法也生成颜色矢量图，它是色调与饱和度变化的视觉描绘。 因此，根据 TM-30-15 表示的灯具性能包括保真度指数 Rf、相对色域指数 Rg，以及颜色矢量图（图 3）。 尽管保真度指数是使用比 CRI 或 CQS 更多的色样计算的，但由于它是平均数，所以更高的值也不总能表示出更好的颜色质量。 伴随的 Rg 和颜色矢量图可为用户评价灯具在给定应用中的可能性能提供更多信息。

图 3：测试灯具（红色轨迹）与参考（蓝色轨迹）的 TM-30-15 颜色矢量图比较。 来源：IES。

TM-30-15 是 2015 年 9 月引入的，由于引入时间相对很短，行业回应尚未明朗化。 这一评价体系可能显得过于复杂并且耗时，因而对商业照明企业缺乏吸引力。

尽管缺乏更适合于 LED 照明特点的颜色质量评价标准方面的共识，但高质量模块和光引擎生产商需要出于客户利益考虑来量化产品性能，并且也需要追求将自己的产品与质量低劣的其他产品区分开来。

使用既定的 CRI 测试方法测量，表示 R9-R15 范围中的其他特殊颜色指数可以更好地表示良好的光质量和颜色再现。 能源之星框架意识到显现红色是消费者和专业应用中的最大兴趣所在，因此它要求合格的灯具表现出高于 80 的 CRI 和大于零的 R9。 最终用户只会知道 CRI 值，但值得注意的是，至少一家照明厂商已表示，允许 R9 变化甚至降至负值的灵活性会有利于提升某些应用中的颜色质量。

对于针对具体应用（如零售或医疗健康领域）的照明，具有与卤素灯或白炽灯相媲美的红色调复原能力是至关重要。CRI 大于 90 以及 R9大于 60 已被推荐为适合的最低基准。

在缺乏共识的情况下…

灯具和模块的制造商和最终用户都偏好使用单个数字表示颜色质量。 在缺乏优于 CRI 的公认行业标准的情况下，Cree已采用相同的方式来寻求相同的目标，通过同时根据 CRI 和 R9 性能以及效能来区分其 TrueWhite® 品牌的LED 照明产品。 TrueWhite 产品组合，包括灯具（如槽箱式照明设备和筒灯）以及 LED 模块（如 LMH020 和 LMR040），保证 CRI 值大于 90 并同时确保较高的 R9 以及130-150 lm/W 的效能和均匀的暖色温或冷色温。

TrueWhite 技术采用各种工艺确保精确的颜色管理，并在整个产品生命周期中可靠保留了高度的颜色一致性。 这些工艺包括高性能磷光体转换 LED 混合搭配红色和非饱和或者蓝移黄色 LED 的互补色光 (“BSY+R”) 的专利组合。 此外，频谱开槽技术利用钕玻璃的特性来提供逼真的室内照明。 掺杂钕的玻璃可以提高对特定波长的吸收，从而使色域增加、对比度提高。 这是过去在白炽灯中使用的成熟技术。

作为颜色质量的专有度量标准，TrueWhite 为照明设计人员提供最低性能保障，这在极度依赖准确红色显现的场景中非常具有价值。 这类场景包括医院，准确的红色对于诊断诸如皮肤或伤口护理评价等至关重要，并且暖色调的舒适照明可为患者和来访者营造温暖的氛围。 零售商也可从接近阳光质量、良好呈现饱和颜色的照明中获益，如有助于以最具吸引力的方式为客户呈现衣服，或者以最能引起食欲的方式呈现食物。 车辆展示和服务区域也需要注重明亮、逼真的颜色表现，从而以最好的方式展示车辆，并为潜在买家留下良好印象。

结论

一段时间以来，照明行业十分清楚，需要更加准确的颜色质量指数来替代 CRI，即一种更能满足 LED 照明行业需求的方法。 尽管 CRI 的缺点不言而喻，但要在选择替代方法方面达成共识却并非易事。 有些组织已提出一些尚未被广泛采用的替代方法。 Cree 根据易于理解并受到照明设计人员信任的度量标准，对其 TrueWhite 产品组合中的产品设立了一系列高参数标准，从而实现了可靠的颜色质量、一致性和能效保障。