光源顯色性的評價方法

顏色是人的感覺之一，它總是與觀察者個人的主觀體驗有關。每個人看到一種顏色后的感覺，別人難以知曉。所以顏色的研究總是充滿了神秘的想象。同時，顏色又使世界變得五彩繽紛，視覺藝術、圖象顯示與傳輸、紡織品印染、彩色印刷等，都離不開顏色的研究。因此顏色的研究、對顏色進行客觀的定量的描述， 成為許多科學家研究的對象。

　　牛頓在1664年用棱鏡把白色的太陽光色散成不同色調的光譜，奠定了光顏色的物理基礎。1860年麥克斯韋用不同強度的紅、黃、綠三色光配出了 從白光一直到各種顏色的光，奠定了三色色度學的基礎。在此基礎上，1931國際照明委員會建立了CIE色度學系統，并不斷完善。如今CIE色度系統已廣泛 用于定量地表達光的顏色。

　　顏色離不開照明，只有在光照下物體才有可能顯示出顏色，而且光的顏色對人們的心理有非常大的影響。同濟大學楊公俠教授已在他的專著視覺與視覺環境一書的第五章中，作了非常精采的描述。(1) 在不同光源照射下，同一個物體會顯示出不同的顏色。例如綠色的樹葉在綠光照射下，有鮮艷的綠色，在紅光照射下近于黑色。由此可見，光源對被照物體顏色的顯現，起著重要的作用。光源在照射物體時，能否充分顯示被照物顏色的能力，稱為光源的顯色性。1965年，國際照明委員會推薦在CIE色度系統中，用一般顯 色指數Ra來描述光源的顯色性。一般顯色指數Ra應用得還很成功，已被照明界廣泛接受，但是也存在一些問題，本文將為光源顯色性的評價方法，以及近年來的進展作一介紹。

一、一般顯色指數Ra

　　光源顯色性的評價方法，希望能夠既簡單又實用。然而簡單和實用往往是兩個互相矛盾的要求。在CIE顏色系統中，一般顯色指數Ra就是這樣一個折衷的產物：它比較簡單，只需要一個100以內的數值，就可以表達光源的顯色性能，Ra=100被認為是理想的顯色性。但是，有時候人們的感覺并非如此。 例如在白熾燈照射下的樹葉，看上去并不太鮮艷。問題在哪里？我們來討論影響什么是一般顯色指數。

　　為簡便起見，我們這里只討論一般顯色指數Ra的主要構成方法，而不討論它的具體計算方法。事實上，我們在日常生活里，常常在檢驗光源的顯色性。 許多人都有這樣的經驗，細心的女士在商場買衣服的時候，常常還要到室外日光下再看一看它的顏色。她這樣做，實際上就是在檢驗商場光源的顯色性：看一看同樣 一件衣服，在商場光源的照明下和在日光的照明下，衣服的顏色有什么不同。所以描述光源的顯色性，需要兩個附加的要素：日光（參考光源）和衣服（有色物 體）。在CIE顏色系統中，為確定待測光源的顯色性，首先要選擇參考光源，并認為在參考光源照射下，被照物體的顏色能夠最完善的顯示。CIE顏色系統規 定，在待測光源的相關色溫低于5000K時，以色溫接近的黑體作為參考光源；當待測光源的相關色溫大于5000K時，用色溫最相近的D光源作為參改光源。這里D光源是一系列色坐標可用數字式表示、并與色溫有關的日光。

　　在選定參考光源后，還需要選定有色物體。由于顏色的多樣性，需要選擇一組標準顏色，使它們能充分代表常用的顏色。CIE顏色系統選擇了8種顏 色，它們既有多種色調，又具有中等明度值和彩度。在u-v顏色系統中，測定每一塊標準色板，在待測光源照射下和在參考光源照射下色坐標的差別，即色位移 ΔEi，就可得到該色板的特殊顯色指數Ri。Ri=100—4.6ΔEi

　　對8塊標準色板所測得的特殊顯色指數Ri取算術平均，就得到了一般顯色指數Ra。可見光源的一般顯色指數Ra的最大值為100，認為這時光源的顯色性很好。

二、一般顯色指數Ra的局限性

　　盡管一般顯色指數Ra簡單實用，但是它在許多方面表現出嚴重不足。首先，顏色是人們主觀的感覺，不是物體固有的屬性，它與照明條件、觀察者、輻 照度、照度、周圍物體和觀察角度等有關，并不存在什么所謂“真實顏色”。但是由于在CIE系統中，已定義Ra在近似黑體的輻射下達100，所以燈泡 制造商都有意識地設計燈泡，使在用它照射物體時的顯色性與黑體或日光照射時盡可能相近。這意味著光源的光譜分布與黑體或日光有偏離時，會使顯色指數下降。 例如用紅、綠、蘭三個單色LED組成的白光LED,當在它的一般顯色指數Ra較低時，它的顯色性有時并不一定很壞。

　　但是事實上，許多研究者Judd(2)、Thorntou(3)和Jerome(4) 已證實人們不一定最喜歡CIE所規定的參考光源照明時的顏色。例如前面已經提到的用色溫很低的白熾燈照射綠色的樹葉，并不一定是好的選擇。規定在黑體或 日光照射時顯色指數為最佳值Ra = 100，存在疑問。

　　CIE規定的參考光源是與待測光源的相關色溫接近的黑體或日光，它們都是輻射連續光譜的光源，具有多種顏色的光譜成分。當色溫在6500K 時，其長短波的光譜功率分布較為均衡，作為參考光源應該說較為合理。但當色溫在400K以下時，光譜功率分布嚴重不對稱，蘭色的短波光譜功率遠小于紅色的 長波光譜功率，其顏色偏向紅色，作為參考光源存在疑問。

　　在CIE顏色系統中，8塊標準色板都是處在中等明度和色飽和度，在u~v 系統中為等距離間隔。它們對于室內照明，可認為已能充分代表各種常用顏色。但在室外照明時，往往存在一些色飽和度較高的顏色，這8塊標準色板已不能充分代 表常用顏色。許多學者認為標 色板數太少，是一般顯色指數的另一個不足。雖然CIE還有9—14號色飽和度較高的6塊色板，但它們并不包含在一般顯色指數Ra之中。在照明實踐中，人們 熟知的顏色為皮膚、樹葉、食品等，它們的顏色極為重要，但它們都被排除在一般顯色指數之外。Seim曾提議用20快標準色板,⁽⁵⁾但由于這會使計算變得太復雜而被拒絕。當前，計算機普遍使用，似乎這個提議又得重新考慮。