CQS与CRI的对比分析

CRI 的问题之一是：一些光源对饱和色显色性非常差，而 CRI 的值却很高。图 1 是一个由红 - 绿 - 蓝 (RGB)LED混色而成的光源的情况。该白光 LED 被模拟成当 Ra=80 时具有最大辐射光效 (LER，单位为 lm/W)( 译者注 : 辐射光效 LER 是当所有输入电能全部转换成可见光时的光效—参见周太明等《光源原理与设计》第二版，复旦大学出版社，2006)。该模拟的白光 LED 将能满足能源之星 (Energy Star) 的要求，具有很高的光效[见注释1]，然而它真实的显色性却并不好。由于它的 R9=-114，因而在该光源照明之下皮肤显得苍白而不健康。该光源的 CQS 值要比其 CRI 值小 7 点，这样它就达不到能源之星对 LED 灯具的要求了。而在 CIE TC 中领先的提案 CRI-CAM02UCS 给该光源的得分是 81, 甚至比 CRI 还高出 1 点。

在下面的图中所显示的色块是 CQS 系统中所采用的 15块色样中的 4 块。这些色块的上半部是参考照明体照明的情况 ( 在这里是黑体 )，下半部则是采用该模拟光源照明的结果。图中所表示的颜色都是由色度学模拟得到的[4]。

图 1 由红 - 绿 - 蓝 (RGB)LED 混色而成的白光 LED 光源

图 2 经荧光粉转换的白光 LED(P-LED)

经荧光粉转换的白光 LED(P-LED) 对于饱和物体色也存在同样的问题，但是没有上面的那个例子那样严重。在图 2的例子中，CRI 接近 80( 为 78)，但是对红色物体的显色性差 (R9 是负值 ) 。此外 , 蓝色向紫色的色相位移也较明显。对该光源 ,CQS 的值比 CRI 小了 4 点。( 请注意 , 虽然在本例中 CQS 的值比 CRI 的值小了 4 点，但是对大多数 P-LED而言 CQS 的值与 CRI 的值偏离并不大—见本文末尾图 8 的例子 )

上述问题之所以发生是由于 CRI 采用的色样的饱和度都不高，因而对高饱和度的颜色的再显就存在问题。正是因为 CRI 的这些问题，所以有些调整的规范[见注释2]在 Ra 的基础上还加入了对 R9 甚至 R10、R11 和 R12 的要求 ( 对饱和色的特殊显色指数 )。但是在通常情况下，用户仅知道Ra。一般情况下业界和用户不希望用几个数目来表示显色指数。CQS 采用饱和色的色样作测试样品来计算，它只用一个数字 Qa 就能表示对包括饱和色在内的所有颜色的显色指数。CQS 系统还有一个优点 : 如果某光源对一种或两种颜色的显色性非常差的话，即使对其他所有颜色的显色性很好，它的 CQS 值也会被明显减少[见注释3]( 就如同前面的 RGB LED 的例子一样 )。

三、CRI 对色增强的光给予了不公正的待遇

如前所述，当光照使物体色的饱和度增加时，CRI的数值并不能与视觉的感受相一致。图 3 中钕灯[见注释4]例子就能很好地说明这一现象。该灯能够产生颜色范围的稍微增加 ( 译者注 : 在图中就是红点和红线围成的面积，它比蓝线围成的面积稍大一些 )，而且物体的颜色对比度也稍稍加强。在该灯的照明之下，物体的颜色看上去生动而且美丽。这个灯常常胜过普通的白炽灯。但是普通白炽灯的 Ra 是 100，而钕灯的 Ra 只有 77。视觉的感受暗示这个灯应得到更好的评价。果不然，该灯的 CQS 值不是 77，而是 88 了。

图 3 在灯的玻璃泡壳中掺杂了钕的白炽灯

图 4 窄带光谱的 RGB LED 光源

图 5 上述 RGB LED 光源改变了红色的峰值位置后的情况

窄带光谱的 RGB LED 光源会产生类似的色增强效应。图 4 表示的是一个采用高功率 RGB LED 模组做成的光源用在NIST 的色彩演示棚中的情况。该光源的 Ra 仅为 71，然而我们看到在它照明之下的物体很美，很自然，这个光源理应得到更好的评价。

在这个色彩演示棚中我们又采用了另外一个 RGB LED 灯具进行照明。与前一个 RGB LED 灯具相比仅仅是改变了红色的峰值位置。由这个例子(图 5 所示)我们可以看到颜色饱和度降低的影响。该光源的 Ra=82，比上个例子高出很多 ( 高 11 点 )，但是我们却发现在该灯光下物体看上去效果很差。

对上面两个例子中的两个光源进行了视觉效果的比较，结果如图 6 所示 ( 虽然在这两张照片中颜色有可能没有完全精确地再现，但效果还是清楚的 )。我们发现色增强的光 (b) 的照明效果要比色不饱和的光 (a) 更好，尽管 (a) 的 Ra 要比 (b) 高。由于 Ra 值的原因，(a) 达到能源之星的标准，而 (b)则达不到。但是如果采用 CQS 来评价，情况就反过来了。

图 6 (a)色不饱和的光 (Ra=82，Qa=74) (b)色增强的光 t (Ra=71，Qa=83)

图 7 安装了特别设计的可调光设施的房间

NIST对于色饱和度的影响进行了进一步的研究。我们建立了一个特别设计的可调光的设施 [18，19]( 见图 7)。通过改变光源的光谱使光色的饱和度变化，然后我们请几位受试者对房间内的物体色的还原程度和他们自身的皮肤色调进行评定。结果非常清楚的显示：受试者不喜欢欠饱和的光，而喜爱饱和的光 [19]。例如，受试者认为稍为饱和的光 (Ra=82，Qa=90) 的效果好到与 Ra=98 的宽带参照光源相当。这个试验表明 : 评价显色性时将色位移的方向考虑进去是多么的重要。

四、对传统光源 CQS 与 CRI 保持一致

CRI 已经在照明界广泛应用了 40 多年。传统灯泡制造厂家很关心对他们现在的产品如果采用一种新的评价体系，所得到的值会不会与 CRI 的值不同，尤其是对于三基色荧光灯[20]。自上世纪 80 年代以来，CIE 曾几次试图修订 CRI，最近的一次是 TC-33[21] 的努力，但是都没有成功。CQS 的设计是要解决这些存在问题，而又要保证对于现存的灯产品所获得的结果与 CRI 的值保持一致。

五、CQS 系统其他的改进

相对于 CRI，CQS 还有几方面改进。人们常常发现在白炽灯照明之下他们不易区分深蓝色的袜子和黑色的袜子。这是因为在相关色温低时短波长 ( 即蓝色 ) 的能量很少，所能呈现的物体色的范围缩小。例如，CRI 体系虽然给予 2000K黑体的显色指数是 Ra=100，但实际上这样的一种偏红色的光是不适宜用于一般照明的。在 CQS系统中为了表示对色温非常低的光源的这个影响，基于参考照明体呈现的物体色的范围引进了一个“CCT 因子”，从而使色温非常低的光源 Qa值减小。CCT 因子仅对色温低于 3000K 的光源有影响。例如，对于 2800K 的白炽灯 ( 以及有同样色温的其他光源 ) Qa 的值仅减小 2 点[见注解5]。

在 CQS 系统中还剔除了 CRI 计算中所用的过时的公式。在 CRI 系统中所用的物体色空间W*U*V* 是很不均匀的，不能精确地量度物体的色差。取而代之的是最近的 CIE 标准色空间CIELAB。在 CRI 系统中所用的老的色适应公式(von Kries变换 )也换成 CMCCAT2000。作为结果，CQS 系统将对色度差 Duv 具有较大正值的色度点( 在黑体轨迹上方的色度点—偏黄或偏绿的光 )稍稍给予惩罚，使其 Qa 值减小，但是 CRI 系统并不是这样。Qa 的值与我们的视觉试验结果是一致的，与 Duv 偏移值相同的粉红色光相比，偏绿色的光的照明效果要差[见注解5]。

CQS 系统除了给出 Qa 值外，还给出对各种饱和色的分类值 Q1-Q15 供专业使用。也可以加入更多的色样 ( 比如像 CRI 系统那样加入皮肤色 )，但这些色样并不用于 Qa 值的计算。

与 CRI 相似，CQS 的取值范围是 0 到 100。二者不同之处是前者会出现令人感到困惑的负值，而 CQS 对于没有显色能力的光源 ( 例如低压钠灯 )Qa=0。这一变化只会对显色性非常低 (Ra 小于 30) 的光源的评价值产生影响。

六、更多的比较 CRI 和 CQS 的例子

从图 8 可以看到，对于大多数采用荧光粉转换的白光LED 产品和传统的气体放电灯 CQS 的值与 CRI 的值是相当一致的。

图 8 对几种常见光源 CRI 和 CQS 的比较

作者简介：

Wendy Davis 博士，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 光学技术部研究视觉的科学家。

Yoshi Ohno 博士，NIST 的院士 , 是 CIE( 国际照明委员会 ) 的副主席 . 兼任 CIE 第二分部主任。

注释

1.请注意，该模拟光源理论上的辐射光效 LER=403lm/W，并不是光源的真正光效。白光 LED 不仅可以由红、蓝、绿三种芯片混合产生，也可以由 LED 芯片加荧光粉 (P-LED) 或量子点来产生。与宽带光谱相比，从理论上来说窄带白光的能效更高。

2.能源之星规定 LED 整灯不仅要 Ra 符合要求，还要求R9 的值不得小于一定的数值。能源部的能源联盟规定对于照明商场冰柜的 LED 灯具要求列出 R9-R12 的最小平均值。

3.不是简单地将所有色样的色差进行算术平均，而是取所有色样的色差的均方根值。

4.该灯也是白炽灯，但是在其玻璃泡壳中掺杂了钕。玻璃吸收了灯丝发出的很多黄光。这种灯在美国和其他国家普遍都有销售。

5.对于低色温和高 Duv 的灯来说，CCT 修正因子和新的色适应公式使得评价值减少。尽管此一减少是很小的，但毕竟使现在的某些灯的 CQS 的评价值与 CRI 有偏离。如果 CQS 现今的版本不能为灯的厂商接受，则可以将这些因子和公式去掉或者更换掉，而这样做并不会影响 CQS 系统的其他功能。返回搜狐，查看更多