CRI的局限性与解决方案分析

描述

LED制造商已经接受了显色指数(CRI),因为它可以直接比较产品与传统照明相比如何忠实再现色彩。以这种方式比较光源的能力是有用的,因为它有助于说服消费者固态照明是主流照明的可行替代方案。但是,一些工程师质疑当前CRI测试的有效性,因为它仅限于只有八种柔和色调(R1到R8)。批评者指出,制造商花了很多研究资金,使LED在一项可能无法反映消费者期望的测试中表现良好。例如,在目前的测试中,LED可以被分类为超过80的CRI,但是红色很差。在家庭环境中,不良的红色繁殖可能并不重要(虽然它会让人看起来很苍白),但它可能导致LED不再受到食品店,艺术画廊和医院等的青睐 - 特别是一些竞争对手的卤素除了出色的红色渲染外,还有超过90%的CRI.

此外,一些学术研究报告称,观察者认为具有低CRI值的白光LED可以很好地呈现颜色,并使消费者对固态照明的性能感到满意对于非关键应用程序而言,保留色彩保真度并不重要。

本文定义并回顾了当前的CRI测试,解释了其局限性,并描述了监管机构和制造商如何应对这些弱点。

A CRI简介

CRI是光源与理想或自然对比,忠实再现各种物体颜色的能力的定量测量光源。该指数由国际照明委员会(CIE,或“国际照明委员会”英文版)正式确定。今天,CRI是根据8个CIE标准的色度(或“颜色外观”)的差异计算出来的。当被测光源照射时,然后通过相同相关色温(CCT)的参考光源照射颜色样本。

平均差异越小参考光源和被测光之间的八个样本的色度,CRI越高(参见TechZone文章“什么是显色指数及其重要性?”)。请注意,CRI值小于5分的差异不显着。例如,CRI为80和84的光源基本相同。

自然光被归类为CRI为100,是最好的。白炽灯的CRI高于95,而冷白色荧光灯的CRI为62.含稀土荧光粉的荧光灯的CRI值为80或以上,但汞蒸汽灯表现不佳,CRI为45。卤素灯的CRI为90或更高,而紧凑型荧光灯(CFL)的测量值约为80更新的测试

CIE在1995年发布了一份技术报告,详细说明了如何执行CRI“测试颜色方法Ra”。¹技术报告定义了八个颜色参考样本(R1到R8),它们来自Munsell色彩系统。该系统基于色调,值(亮度)和色度(色纯度)指定颜色,由Albert H. Munsell教授在20世纪初创建。参考颜色覆盖色调圆,饱和度适中,亮度大致相同。

在90年代中期,CIE的色彩渲染技术委员会组装起来更新测试颜色方法,由于其中开发了“R96a”方法。测试的增强包括增加六种颜色:四种饱和固体(R9至R12)和两种大地色调(R13和R14)。图1显示了R96a测试的参考颜色托盘,包括原始的八种颜色加上以R9开头的六种新颜色。

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图1:R96a参考颜色托盘。

委员会解散在1999年,发布了一份报告但没有提出确切的建议,部分原因是研究人员和制造商之间存在分歧。因此,R96a没有被采用,1995年的Ra版本仍然是标准测试。使用红色,绿色和蓝色(RGB)LED混合的LED灯在CRI Ra测试中得分很低,经常在20年代记录结果。分数差的原因是RGB LED的光谱功率分布(SPD)显示出与三个LED的输出和少数其他波长相对应的尖峰(考虑到LED设计用于在非常窄的波段内产生光,这并不奇怪[图2])。相比之下,高CRI评分的白炽灯泡会发出全范围的波长。

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图2:各个LED发出的波长周围RGB LED尖峰的光谱功率分布。

更常见类型的商用白色LED包括与钇铝石榴石(YAG)磷光体结合的皇家蓝LED“光子泵”。通过Stokes将蓝色光子从LED转移到其他波长,磷光体有助于LED的输出(参见TechZone文章“更白,更亮的LED”)。这些类型的LED的制造商通过“调整”YAG磷光体来扩展其器件的SPD并增强CRI,从而在一定程度上解决了CRI挑战。用蓝色LED代替紫外LED可以产生进一步的改进。然而,改变荧光粉以改善CRI的一个主要缺点是它会影响LED的功效 - 而且效率对于LED制造商来说是一个圣杯(参见TechZone文章“荧光粉开发解决了暖白光LED的低功效”)。 br》尽管如此,商业产品令人满意地平衡了CRI和疗效。 Philips Lumileds LUXEON 3535系列LED(100 mA/3.1 V时效率为103 lm/W)的CRI为82. Cree的XLamp XM-L2芯片(700 lm/W,700 mA/2.9 V)具有CRI 80欧姆和欧司朗SSL 150白光LED(106流明/瓦,350毫安/2.95伏)的CRI为83.所有三家制造商都提供CRI约为90的低功效设备。

Red in the面对

然而,一切都不顺利。在固态照明行业中存在一种观点,即基于LED的照明的高CRI并不一定意味着该产品是良好的光源。这些批评者指出,一些产品在Ra测试颜色方法中得分很高,但在测试扩展到包括例如R9时效果不佳。

问题在于,虽然R9确实跟踪CRI,但它只是在非常高的CRI上才能密切关联。基于LED的照明产品在标准测试中可以获得高达80的CRI,但是对于R9记录的结果为0。然而R9是一种充满活力的红色(参见图1),在照明应用中非常重要,例如食品商店(例如水果和肉类销售商),艺术画廊(图3)和外科手术室。在家庭环境中,R9值较差的光源会使人看起来很苍白。

图3:良好的红色渲染对于美术馆中使用的固态照明很重要(由欧司朗提供)

监管机构已经注意到当前测试的弱点。例如,如果CRI(Ra)大于80且R9大于零,则能量之星现在将LED定义为可接受的。这是一个适度的要求,但至少认识到测量的重要性。同样值得赞扬的是,制造商正在接受R9测试 - 即使它不是行业标准CIE CRI测试色方法的一部分 - 并且具有高价值的芯片正在变得可用。

OSRAM制造具有CRI的LED(Ra )95和R9高于90,在1至5 W LED封装选项中,用于OSLON SSL系列中2700和4000K之间的CCT。同样,Cree提供一系列具有高CRI(Ra)和R9高于40的产品。一个例子是XLamp XP-E2系列,CRI(Ra)为80,85和90. Philips Lumileds提供一系列产品。高CRI和R9器件,包括LUXEON T系列,包括CCT为3000 K的器件,提供82 lm/W(2.51 V,700 mA),CRI(Ra)为95,

图4:Philips Lumiled LUXEON T提供高CRI和R9值。

R9自愿添加到标准CRI测试色方法是LED制造商的一个受欢迎的开始。更好的是,一些制造商也在关注提高其R14设备的CRI值,这是一种肤色,并声称对家用照明很重要。

色彩性能与保真度同样重要

尽管它们的CRI很低据报道,RGB LED在视觉上吸引了消费者。事实证明,特别是国内消费者并不特别关注精确的显色性,更多的是他们的照明产生美学上令人愉悦的结果。据报道,RGB LED很受欢迎,因为它们的光会增加大多数颜色的感知饱和度,而不会产生令人讨厌的色调偏移。

虽然蓝色LED/YAG荧光粉固态照明产生更好的CRI结果,但这需要付出代价 - 一个LED被推广为“绿色”光源的关键原因。如果制造商没有满足CRI限制的压力,那么白光LED效率可能会更高。

监管机构正在注意这些异常现象。例如,美国能源部(DOE)建议在比较光源时考虑色彩保真度和色彩性能.2美国能源部注意到:“CIE显色指数基于以下观点:测试和参考之间的任何颜色都会发生变化发光体是不合需要的。虽然这对于需要进行关键色彩[保真度]比较的应用来说是正确的,但它并未考虑色彩偏移是否具有视觉吸引力。“

DOE文件还引用了CIE技术报告177:2007,”白色LED光源的彩色渲染,“其中指出CIE技术委员会的结论是,当白光LED光源涉及该组时,CIE CRI通常不适用于预测一组光源的显色性”等级顺序“。

该建议基于对考虑RGB LED和蓝色LED/YAG荧光粉设备的学术研究的调查。在这些研究期间,观察者使用具有不同CRI的灯来对照明场景的外观进行排序。通常,这些排名与计算的CRI值之间的相关性较差。特别是,观察人士认为,20世纪20年代中期带有CRI(Ra)的RGB LED似乎能够很好地呈现颜色 - 这是公众已经达到的结论。

测试的局限性

照明工程师负责为他们选择LED下一个夹具应考虑产品所针对的应用。虽然制造商有助于为其LED提供CRI以便与其他光源进行比较,但设计人员应该意识到CIE的1995测试色方法有其局限性。例如,对于未包含在已发布的CRI中的R9至R14参考颜色,应用程序可能需要良好的性能。好消息是,当需要良好的红色和肤色渲染时,几家公司已经制造出具有高R9和R14值的LED。

或者,应用可能根本不需要高色彩保真度,可能更多重要的是固态灯在消费者的感知中如何再现色彩。研究表明,具有低CRI的LED仍会在公众眼中产生令人愉悦的光。

就其本身而言,DOE建议如果光保真度对应用很重要,则CRI(Ra)是一个有用的指标。评级LED产品。但是,如果颜色外观比颜色保真度更重要,那么该组织建议不应仅根据低CRI(Ra)值排除白光LED。

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