如何利用NIST颜色质量量表解决SSL问题

CIE显色指数（CRI）与视觉评估在很多情况下与几个已知问题无关。本文回顾了这些问题并解释了NIST颜色质量量表（CQS）如何解决这些问题。本文的目的是征求固态照明（SSL）行业对颜色质量等级（CQS）的评论。美国国家标准与技术研究院（NIST）。正在讨论CQS作为国际照明委员会（CIE）技术委员会（TC）1-69的提案之一，并且TC在选择新指标方面正在进行最终讨论。由于SSL行业在TC中没有很好的代表性，我们希望将SSL行业的意见传达给委员会成员。

SSL产品的颜色质量至关重要，并且越来越受到关注。 CIE显色指数（CRI） 已被广泛使用多年。然而，CRI已有40年历史，并且已经确定了用于发光二极管（LED）源时CRI的各种问题，如许多出版物 中所报道的。特别是，CIE技术委员会TC 1-62的报告“白色LED光源的显色性” 总结了应用于白光LED光源时CRI的几个问题。在许多情况下，CRI得分1与视觉评估无关。根据TC 1-62的结论，技术委员会TC 1-69（白光源的色彩再现，主席：W. Davis）于2006年成立，以开发和推荐新的CIE指标。

新的度量标准旨在最终取代CRI（不是在新标准发布后立即）。它应该适用于传统照明技术和SSL源。在NIST，我们开发了CQS ，它解决了SSL源的CRI问题，但与传统来源的CRI保持了良好的分数一致性，并提出了TC 1-69。我们用于计算CQS的电子表格已分发给SSL行业的许多用户，并继续在美国获得支持。然而，CQS目前尚未获得TC的良好支持。 TC倾向于采用不同的度量，这是一种非常类似于CRI的纯保真度量。传统的灯具行业也担心CQS背后的概念偏离了CRI。我们担心另一个纯保真度指标无法解决SSL源的问题，我们认为SSL行业需要一个新的概念指标，如CQS。

修复CRI的问题对于SSL行业。传统的灯具公司长期以来已经知道CRI的问题，并找到了解决这些问题的方法。 SSL行业是不同的。它很年轻，由众多小公司组成。这些公司通常没有关于显色性和比色法的专业知识。他们倾向于设计产品，只需最大化每瓦流明和显色指标的得分。由于产品针对指标进行了优化，因此标准非常重要。

对于那些希望审核问题的人，我们将解释CRI的问题以及CQS如何解决问题。如果您能够将您对CQS的评论以及您对CRI和/或CQS的SSL产品的任何经验写给我们，我们将不胜感激。请通过[e-mail]与我们联系。

CQS的基本原理

色彩保真度只是色彩质量的一个方面

CRI通过计算测试光源和参考光源照射下的一组预定义测试样品的色差来评估色彩再现（色彩保真度）的保真度。人们早就知道，色彩保真度不能作为白光颜色质量的唯一指标。颜色质量还有其他方面;特别是，增加色彩饱和度的物体颜色偏移可以增强视觉偏好，颜色辨别能力和视觉清晰度，提高被照明物体颜色外观的主观评级。还已知在较低照度水平（Hunt效应）下物体的感知颜色饱和度降低。因此，在室内照明中略微增强颜色的光源可以实现对真实日光的更高色彩保真度 。有人试图通过各种提议的指标来解释这些影响，例如奉承指数 ，颜色偏好指数 ，颜色歧视指数 ，对比度指数 ，显色能力 和色域面积指数 。然而，它们都没有被接受为标准，可能是因为CRI已被如此广泛地使用（无论问题如何），并且业界拒绝使用多于一个度量来评估产品的显色性。 CQS基本上是保真度度量，产生一个像Ra的数字，但CQS具有改进，包括考虑物体颜色偏移方向的能力。因此，CQS与颜色增强源的视觉评级很好地吻合，而它作为非颜色增强源的准确保真度度量。 CQS分数用于表示所有类型光源的产品整体颜色质量（感知色彩保真度）。

良好的CRI分数并不能保证良好的色彩质量

CRI的一个问题是它可以给出对于使得某些饱和对象颜色非常差的源的相当高的分数。下面的示例显示了红绿蓝（RGB）白光LED模拟的情况，该模拟针对CRI Ra = 80时的最高辐射发光效率（LER，lm/W）进行了优化。这种光有资格获得能源之星并实现高发光效率 2 ，但实际的显色性非常差。 R9 = -114时，这种光线下的肤色看起来很苍白，不健康。 CQS将该灯的得分降低了7个点，使其不符合能源之星（LED灯具）的要求。 CIE TC中的另一个主要提议CRI-CAM02UCS使得该光得分为81，比CRI高一个点。

图1中所示的色块是CQS中使用的15个测试样本中的四个。上方框显示参考光源照射的颜色（在这种情况下，黑体辐射），下方框显示测试光源照亮的颜色。所呈现的颜色由比色模拟确定。

图1：CQS中使用的测试样本。虽然没有以前的情况那么严重，饱和对象颜色的相同问题可以荧光型白光LED发生。图2所示的例子是CRI接近80（78）的情况，但红色物体的显色性差（R9为负）。蓝色调（紫色）也很重要。 CQS将此特定光的得分降低了四个点（但是，请注意，大多数荧光粉类型LED的CQS得分与CRI的变化不大 - 请参见图8中的示例）。

图2 ：CRI接近80（78）但红色物体的显色性差（R9为负）出现这些问题是因为CRI使用柔和的颜色测试样本，并且无法检测饱和颜色的问题。由于CRI的这个问题，除了Ra之外，一些监管规范 3 增加了对R9甚至R10，R11和R12（饱和色样品的特殊CRI）的要求。但是，通常只有Ra值传递给最终用户。通常，工业和消费者不希望处理多个数字以用于显色评级。 CQS使用饱和色样本作为测试样本来计算得分，因此其一个数字输出（Qa）表示所有颜色（包括饱和色）的显色质量。如果一种或两种颜色看起来非常差，即使所有其他颜色都很好地渲染4（如前面的RGB LED中的情况那样），CQS也被设计成使其得分显着降低。

CRI惩罚颜色增强如上所述，当光源增加物体的色度（颜色饱和度）时，CRI得分与视觉评估不相关。钕灯5的情况很好地证明了这一点，如图3所示。该灯产生的色域略有增加，物体的颜色对比度略有增强。这种灯下的物体颜色看起来生动而美丽，这种灯通常比普通白炽灯（Ra = 100）更受欢迎。但这盏灯的CRI得分仅为77.视觉证据表明，这盏灯值得高得多。 CQS给这个灯的分数为88.

图3：这个灯产生的色域略有增加，物体的色彩对比度略有增强。

窄带RGB光谱趋势产生类似的色彩增强效果。图4显示了NIST色彩渲染室中使用的一组高功率RGB LED。

图4：NIST色彩渲染室中使用的一组真正高功率RGB LED。

这盏灯的CRI得分仅为71，但我们在视觉上证实了这盏灯下的物体看起来美丽自然。这个光源应该得到更高的分数。

我们还为展位建立了另一种RGB LED组合，如图5所示，只改变红色峰值。图5是颜色去饱和的例子。这盏灯的Ra = 82，但我们确认这盏灯下的物体看起来很差如图6所示，对前两个示例中的源进行了视觉比较（尽管图像中的颜色可能未被准确再现）。我们证实，尽管有CRI分数，但颜色增强光（图6b）比颜色去饱和光（图6a）更可接受。请注意，图6a将被Energy Star接受而图6b不会接受，但如果使用CQS则会反转。

图5：颜色去饱和示例（Ra = 82）。 br》

a：颜色去饱和光（Ra = 82，Qa = 74）

b：颜色增强光（Ra = 71，Qa = 83）图6：颜色去饱和光与颜色增强光的关系

NIST光谱可调照明设施 进一步研究了颜色饱和度的影响（见图） 7）。对几个受试者进行视觉评估实验，以评估房间中物体的显色性和它们在由光谱照射下的肤色，所述光谱诱导各种水平的物体颜色去饱和或饱和。结果（见图7）清楚地表明受试者不接受去饱和光，并且更好地接受饱和光。例如，受试者将略微饱和的光（Ra = 82，Qa = 90）评定为具有Ra = 98的宽带参考光。该实验已经证明了在显色评估中考虑颜色偏移的方向是多么重要。图7：饱和与不饱和照明的主体偏好。 》 CQS与传统灯具的CRI保持一致CRI已经在照明行业中广泛使用了40多年，传统的灯具制造商担心CRI的分数会因现有灯具产品的新指标而变化，特别是三荧光灯 。自20世纪80年代以来，CIE试图修改CRI已多次失败，最近一次是TC1-33 。 CQS旨在解决CRI问题，同时保持与现有灯具产品的CRI分数的一致性。

CQS的其他改进

CQS包括对CRI的其他几项改进。在白炽灯下，人们往往无法区分海军蓝袜子和黑袜子。这是因为在低相关色温（CCT）下短波长（蓝色）能量减少，并且渲染对象颜色的色域面积缩小。例如，CRI将给予2000 K黑体散热器Ra = 100的完美分数，但这种红光对于普通照明是不可接受的。 CQS基于参考光源的色域面积引入了“CCT因子”，以解释这种影响并降低非常低CCT源的分数。此因素仅影响CCT低于3000 K的源。例如，2800K白炽灯评分（以及具有相同CCT的任何其他来源）仅减少两个点。

CQS也替换CRI中过时的公式。 CRI中使用的对象颜色空间（W * U * V *）非常不均匀，并且不能精确测量对象颜色差异。它被最新的CIE标准色彩空间CIELAB所取代。 CRI（von Kries）中使用的旧色彩适应公式也被CMCCAT2000取代。结果，CQS稍微惩罚具有显着正Duv（在黑体轨迹上方 - 黄色或绿色光）的色度的光，而CRI则没有。这些得分与我们的视觉体验非常吻合，绿色灯光比具有相同幅度的Duv移位的粉红色灯光更不可接受。

除了一个数字输出，Qa，CQS还有个人每个饱和测试颜色样本的分数（Q1至Q15），可供专家用户使用。可以添加更多样本（如在CRI中所做的肤色），这些样本不会用于计算Qa。

CQS还引入了0到100的比例，因为CRI经常令人困惑，因为它产生负分数。对于没有显色性的灯（例如，低压钠灯），CQS给出Qa = 0的分数。此变化仅影响非常低色彩质量源的分数，主要是Ra低于30的源。

更多CRI和CQS比较的例子

CQS提供的分数与最新荧光LED型产品的CRI一致和传统的放电灯（见图8）脚注

在本文档的许多情况下，“CRI”或“CRI得分”用于表示Ra得分。

参考理论效力，LER = 403 lm/W这里，不是光源的物理发光效率。 RGB光谱不仅可以由RGB（A）芯片产生，还可以由绿色磷光体LED，UV激发的窄带磷光体或量子点产生。理论上，窄带白光比宽带光谱更节能。

整体LED灯的能源之星指定最小R9值以及Ra。美国能源部能源联盟规范（LED冷藏展示柜）列出了R9至R12的最低平均分数。

这是通过使用饱和测试颜色样本的色差的均方根（RMS）平均来实现的。

白炽灯，其玻璃外壳掺杂钕，吸收灯光谱的大部分黄色部分。这种类型的灯在美国和其他国家广泛销售。

CCT因子和新的色彩适应公式导致低CCT灯和高Duv灯的分数降低，但略有下降。这增加了一些现有灯产品的CRI得分偏差。如果灯制造商不接受当前版本的CQS，则可以删除或替换这些因素和公式，而不会丢失CQS的其他功能。

图8：CRI和CQS的比较实例。