顯色性是指光源發(fā)出的光照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果和對物體真實色彩的顯現(xiàn)程度，是評價照明光源的一個重要指標。顯色性高的光源對顏色的表現(xiàn)較好，所看到的顏色接近自然原色；顯色性低的光源對顏色表現(xiàn)較差，所看到的顏色偏差也較大。如果光源發(fā)出的光中所含的各色光的比例和自然光相近，則人眼看到的顏色就較為逼真。光源的光譜分布決定光源的顯色性，光源的顯色性影響人眼觀察物體的顏色，對光源顯色性進行定量評價是評價光源質(zhì)量的一個重要方面。
一般人工照明光源都是用一般顯色指數(shù)作為顯色性的評價指標，顯色指數(shù)同時也是衡量光源顏色特性的重要參數(shù)。針對傳統(tǒng)光源顯色指數(shù)的計算已有多種測試方法并建立了相關標準，但白光LED對于照明業(yè)來說是一種新型光源，傳統(tǒng)的測試方法是否適用于白光LED的光色特性分析，還有待深入研究。本文就顯色指數(shù)的相關計算方法進行了介紹和討論，并對白光LED顯色性評價進行了探討。
一、顯色指數(shù)計算方法及評價LED存在的問題
目前對于光源顯色指數(shù)的計算方法主要還是CIE制定的“測色法”和沃爾特提出的“沃爾特法”。“沃爾特法”實質(zhì)上是對CIE“測色法”的改進，是沃爾特為了簡化標準法中顯色指數(shù)的計算過程建立的一個經(jīng)驗公式，加快了計算速度并且誤差較小。這里主要介紹一下CIE制定的“測色法”。
1965年CIE制定了一種評價光源顯色性的方法，簡稱“測色法”，經(jīng)1974年修訂，正式推薦在國際上采用[1]。用試驗色評價顯色指數(shù)是最有效的方法，它與目視效果一致，是計算顯色指數(shù)的標準方法。按CIE的規(guī)定，標準照明體即作為參照照明光源要根據(jù)待測光源的相關色溫來選取，一般把普朗克輻射體作為低色溫光源(小于5000K)的參考標準，把標準照明體D（即組合日光）作為高色溫光源(大于 5000K)的參考標準。
CIE規(guī)定顯色指數(shù)分為特殊顯色指數(shù)Ri和一般顯色指數(shù) Ra。評價時采用一套14種試驗顏色樣品，其中1-8試驗色用于一般顯色指數(shù)的計算，這8種顏色樣品選自孟塞爾色標，包含各種有代表性的色調(diào)，都具有中等彩度和明度，如圖1所示。
圖1 CIE中1-8號色樣
CIE除規(guī)定了計算一般顯色指數(shù)用的八種標準顏色樣品外，還補充規(guī)定了6種計算特殊顏色顯色指數(shù)的標準顏色樣品，供檢驗光源的某種特殊顯色性能選用，分別是彩度較高的紅、黃、綠、藍及葉綠色和歐美人的膚色，如圖2所示。我國計算光源顯色指數(shù)的方法還增加了中國人女性膚色的顏色樣品[2]。
圖2 CIE中9-14號色樣
特殊顯色指數(shù)的計算公式為： （1）
其中是參照光源下和待測光源下各種試驗色的色差: （2）
公式中，r代表參照光源下標；k表示待測光源下標；i表示檢驗色樣序號的下標；U*、V*、W*是均勻顏色空間坐標值，由公式（3）求得。
；；；（3）
其中，Y表示檢驗色樣CIE 1931三色刺激值Y；u、v表示檢驗色樣的uv坐標值；u0、v0表示照明光源的uv坐標值（uv坐標值的具體計算過程可查閱CIE或國家標準[1,2]。
一般顯色指數(shù)的計算公式為： （4）
CIE顯色指數(shù)廣泛用于評價熒光燈和HID燈。但是，顯色指數(shù)已有40多年的歷史，而白光LED卻是照明業(yè)的新型光源，利用顯色指數(shù)來評價LED的顯色性是否合適尚不明確，并且傳統(tǒng)顯色指數(shù)的計算方法是否適用于白光LED也有待研究。從公式（4）中可以看出，一般顯色指數(shù)是對8塊色樣的特殊顯色指數(shù)取算術平均值，這就使得在測試計算時容易產(chǎn)生問題，例如：某一光源，即使對一兩塊色樣具有很低的特殊顯色指數(shù)，取平均后同樣可以獲得較高的一般顯色指數(shù)值。同樣，具有較低的一般顯色指數(shù)值的光源可能會對一兩塊色樣具有較高的特殊顯色指數(shù)值。
此外，CIE標準中規(guī)定的用于計算一般顯色指數(shù)的8種色樣在評價光源時也存在局限性。顯色指數(shù)值是基于光源對8塊標準色樣的顯色性而得到，8種顏色樣品都具有中等彩度和明度，都是非飽和色，它們用于衡量光譜連續(xù)且頻帶較寬的光源的顯色性具有不錯的結果，而對于評價波形陡峭且頻帶狹窄的光源則會產(chǎn)生問題，而LED正是這樣一種光源。
二、LED的顯色性評價探討
許多研究都表明用CIE顯色指數(shù)來評價LED的顯色性會存在很多問題[3-6]。CIE也不推薦采用顯色指數(shù)來評價LED，并在CIE技術報告：《CIE 177：2007，白光LED光源的顯色性》中總結出了顯色指數(shù)用于評價LED時會出現(xiàn)的若干問題[7]。
CIE規(guī)定，Ra的數(shù)值范圍是0~100，Ra值越高，光源的顯色性就越好。一般認為Ra≥80，光源的顯色性優(yōu)良；50≤Ra≤79，光源的顯色性一般；Ra＜50，光源的顯色性較差。按照CIE顯色指數(shù)計算法，光源的顯色指數(shù)值與光譜分布密切相關，越接近自然光譜（或者說是標準光譜），顯色指數(shù)越高。但是利用顯色指數(shù)評價LED顯色性時，卻存在一定的問題。以藍光芯片加黃色熒光粉生成的白光LED為例，如果熒光粉輕微的變化一點點，釋放波長雖然只是移動一點點，但顯色指數(shù)值就會明顯的下降，而人眼卻幾乎觀察不到顯色性的變化。更需要引起我們注意的是，實際測試中發(fā)現(xiàn)，有時候顯色指數(shù)低的LED甚至會比顯色指數(shù)高的LED具有更完美的顯色性[8]。我們在測試LED燈具時就曾發(fā)現(xiàn)，顯色指數(shù)低的LED燈具照射的物體，有時看起來反而更亮、更生動。
圖3與圖4是美國國家標準與技術研究所（NIST）實際測試的兩款LED光源的顯色性結果[8]，其中圖3所用LED光源的顯色指數(shù)為80，圖4所用LED光源的顯色指數(shù)為67，但仔細觀察會發(fā)現(xiàn)，顯色指數(shù)67的LED，對于大部分顏色的顯色性比顯色指數(shù)80的要好。
目前主要問題是如何找到適合評價LED顯色性的測試方法。在認識到顯色指數(shù)評價LED遇到的問題后，NIST正致力于研究制定一種新的評價光源顯色性的方法—色質(zhì)指數(shù)法（CQS）。與顯色指數(shù)類似，CQS也是采用測驗色法，不過CQS選取的是15種飽和色，它們平均分布于整個可見光譜中，如圖5所示。目前NIST正致力于CQS的測試與開發(fā)，并希望將該法推薦應用到固態(tài)照明行業(yè)中來[9]。
筆者認為在評價LED顯色性時需注意三點：
第一，在沒有制定出更適合評價LED顯色性的標準方法前，可以考慮用顯色指數(shù)值來評估白光LED產(chǎn)品，但是需要根據(jù)實際應用來評估和選擇，不能簡單的認為顯色指數(shù)低的LED其顯色性就差，更應該尊重實際的視覺感受；
第二，LED是一種新型光源，在制定標準時可寬松一些，比如傳統(tǒng)光源顯色指數(shù)分出的三個等級可以適當放低要求，可認為顯色指數(shù)大于70即為顯色性優(yōu)良，從而保證其擁有良好的發(fā)展空間；
第三，制定LED顯色性評價方法時需要注意人種的區(qū)別，顏色反映在人的視覺系統(tǒng)才有意義，不同種色的人群其視覺感受會有所差別。
半導體照明產(chǎn)品的應用尚處于起步階段，且應用面廣、品種繁多，其測試評價方法和標準方面的研究還處于動態(tài)研究階段。目前針對白光LED顯色性方面的評價，主要是依據(jù)CIE的顯色指數(shù)測試法，但實際測量中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了諸多問題，新的測試方法正在研究中。要制定一個更好的顯色質(zhì)量測試評價方法，還需要一個長期的研究和發(fā)展過程。
本工作得到了遼寧省高校優(yōu)秀人才計劃項目（LR201006）、大連市科技計劃項目（2009A18GX016）的支持，在此表示感謝！