显色指数的定义及其重要性

上世纪中叶科学家们就已做出推断，针对不同照明类型的光线如何有效影响物体感知颜色进行分类将非常有用。 人们认为，这种分类有助于照明工程师确定适合具体应用的灯具类型。 于是，显色指数 (CRI) 应运而生。

有了显色指数，灯具制造商就能向不同市场推出针对性产品。 在摄影师的工作室中，高显色指数照明尤为重要；对于街道照明，则为获得能效而牺牲了显色指数。

LED 制造商认可 CRI，是为了将其产品与传统照明进行直接对比。 能够以这种方法比比较光源非常有用，因为它有助于说服用户用固态照明替代主流照明是可行的。 然而，也有一些人质疑针对由红、绿和蓝芯片组成的白光 LED 进行 CRI 测试的有效性，因为根据客户报告，此类照明比低 CRI 照明具有更准确的色彩感知度。

本文将定义 CRI，解释如何对产品进行测试、分类，并简要介绍一些当代白光 LED 产品，方便您了解这些产品如何在与传统产品的竞争中胜出。

色彩测试方法

CRI 是一个量化测量指标，表示在对参照理想光源或自然光源的情况下，一个光源忠实再现各种物体颜色的能力。 Commission Internationale de l'éclairage（CIE 或“国际照明委员会”）将该指数描述为“显色性：照明光源对物体色表的影响，是由于观察者有意识或无意识地与参照光源下的色表相比而产生的。”

CRI 由八个 CIE 标准色彩样本在受测试光源与具有同样相关色温 (CTT) 的参照光源下的色品（或“色表”）差异计算得出。 （请参阅 TechZone 中的《定义白光 LED 的色彩特征》。）

CCT 小于 5,000 K 时，计算 CRI 采用的参照光源符合黑体辐射源的光谱功率分布 (SPD) 规律。 CCT 大于 5,000 K 时，则采用由日光数学模型计算出的假象 SPD。 这两种参照光源最初选定，以便接近白炽灯泡和日光。图 ¹ 所示为日光与一些常见光源（含白光 LED）的 SPD 对比。

图 1：日光与常见光源（含白光 lED）的光谱功率分布比较（感谢 Olympus（美国）提供数据）。 

这八个样本在参照光源和受测试光源下的色品平均差异越小，CRI 值越高。 （CRI 的实际计算方法很复杂，超出本文范围，有兴趣的读者可通过参考文献 2 提供的链接详细了解。 也可采用专有软件简化该计算过程。） 彩色样本覆盖了色相环，属于中等饱和且在亮度方面几乎相同。 也可提供另外六个色彩测试样本的数据，这些样本表现出强烈的红、黄、绿和蓝以及人体肤色和植物颜色。

CIE 于 1995 年发表了一篇技术报告，详细介绍了如何使用这种“色彩测试方法”。³

按照这种分类，自然光被分类 CRI 为 100 的光源，属最佳光源。 CRI 值较低则说明在受测试光源下，某些颜色可能显得不自然。 白炽灯泡的 CRI 为 95。 如此之高的显色指数说明，在传统灯泡照射下的色彩能很好地被显色（深蓝除外），因此被认为是消费者不愿意用更绿色的技术替换这些低能效产品的原因之一（图 2）。

图 2：白炽灯泡具有出色的显色特性，但能效非常低。

冷白光荧光灯的 CRI 为 62，但荧光灯含有 CRI 值为 80 或以上的稀土荧光粉。 汞蒸气灯性能差，CRI 为 45，卤素灯性能好，CRI  不低于 90，而紧凑型荧光灯 (CFL) 的 CRI 在 80 左右。 LED 的进展如何？

测量 LED 的 CRI

通常，光源的 SPD 与日光的“全光谱”偏差越大，其 CRI 值越差。 一个极端的例子就是钠蒸气路灯，这种灯光的 90% 属于光谱中的黄色部分（波长约为 589.3 nm）。 因此，钠蒸气灯的 CRI 为 0。

LED 产生白光的方法有两种。 第一种是利用密集组合在一起的红、绿、蓝 (RGB) LED，这样，光线经过混合后使眼睛产生错觉，进而看到的是“白光”。 第二种是利用结合了钇铝柘榴石 (YAG) 荧光粉的品蓝 LED（经验证，此法更广泛地用于主流照明）。 这种荧光粉可吸收 LED 发出的部分蓝光，然后通过各种波长范围内将这部分吸收的光再次发出，形成一些绿、红和大量黄色光线。 （参见 TechZone 中的《更白、更亮的 LED》。)

图 3 展示了由单个 RGB 器件组成的白光 LED 的 SPD。 光谱显示了与红、绿、蓝相对应三个峰值，这种结果一点也不令人吃惊。 由于这种光谱与日光全光谱非常不同，所以这种淡白光 LED 性能奇差，CRI 仅 27。 其实也不尽然，因为按照客户说法，商用 RGB LED 灯簇产生的白光不仅视觉上吸引人，而且使各种色彩看起来很自然。 造成这种反应的一个可能原因就是，此类 LED 通常易于提高大多数色彩的感知饱和度，但不会产生令人生厌的色调变化。⁴

图 3：RGB 白光 LED 的光谱功率分布显示了对应于红、绿和蓝波长的峰值。 

常见品蓝 LED/YAG 荧光粉越多，白光 LED 就更接近日光的全光谱。 图 4 所示为 Philips Lumileds 的 LUXEON 3535 系列 LED 在 CCT 范围内的 SPD。 该器件的能效为 103 lm/W（100 mA/3.1 V 时）。 为提升发光质量以及随后的 CRI，包括 Philips Lumileds 在内的荧光粉型白光 LED 制造商都投入重资来“调节”荧光粉，以产生更宽的波长。 Philips Lumileds 产品的 CRI 为 82。

图 4：Philips Lumileds LED 的光谱功率分布。

下面介绍一下其它主要制造商提供的高 CRI 值白光 LED。 Cree 推出了能效为 153 lm/W（700 mA/2.9 V 时）的 XLamp XM-L2 芯片。 暖白（2600 至 3700 K CCT）版 XM-L2 的典型 CRI 为 80，但也提供 CRI 高达 90 的器件。

OSRAM 在这方面也推出了众多高 CRI 值白光 LED，包括 OSLON SSL 系列。 其 SSL 150 白光 LED 器件能效达 106 lm/W（350 mA/2.95 V 时），CRI 为 83。 全系列的 CRI 在 65 至 95 之间。

灯光基准

CRI 是一种非常有效的灯光基准，在诸如工厂和办公室照明等人工照明显色准确性很重要的场所尤其如此。 用户已体会到高 CRI 照明带来的好处，因为在一个多世纪里作为主流民用照明设备的白炽灯泡在这方面表现良好。

LED 比传统照明有能效高和使用寿命长等许多优势，但只有在认为固态照明的光线与旧技术同样让人感到舒适时，用户才愿意采用固态照明。

LED 制造商在白光 LED 所用的荧光粉方面的大量投资已获得回报，其产品的 CRI 已达到或超过 80。 RGB 白光 LED 的发展滞后，但工程师们正在评估，目前计算 CRI 时采用的色彩测试技术是否能真正反映出这些当代设备的显色特性。这一技术在白光 LED 成为可行的照明替代品前就已发展成熟。 （参见 TechZone 中的《光源显色》。）

参考文献：

1. 《什么是显色指数》 美国 Rensselaer Polytechnic Institute 照明研究中心。
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Color_rendering_index#Test_method
3. 《光源显色特性的测量与确定方法》 CIE, 1995。
4. 《显色指数和 LED》 美国能源部 2008.01