LED显色性标准CRI, TLCI, TM30, CQS？

LED显色性标准CRI, TLCI, TM30, CQS？

LED显色性是衡量光源对物体颜色还原能力的重要指标。目前，国际上主要采用CRI（显色指数）、TLCI（电视照明一致性指数）、TM30（颜色质量度量）和CQS（色质指数）四种标准来评价光源的显色性。本文将详细介绍这四种标准的定义、计算方法和应用场景。

1. 什么是显色指数（CRI）？

显色指数（Color Rendering Index），简称CRI。1965年CIE制定一种评价光源显色性的方法，简称“测验色”法，1974年修订后，正式向国际推荐使用。此方法是用一个显色指数量值表示光源的显色性。光源的显色指数是待评光源下物体的颜色与参照光源下物体颜色相符程度的度量。为了符合人类长期的照明习惯，ICE规定5000K以下的低色温光源用普朗克辐射体作为参照光源，色温5000K以上用标准照明体D作为参照光源，设定参照光源的显色指数为100。评价时采用一套15种试验颜色样品，其中1到8用于光源一般显色指数Ra（Re为9-15），各试验色样的数值称为特殊显色指数Ri。显色指数越高，说明光源显色性越好，对物体的色彩还原能力越强。

对某一色样i的显色指数Ri称为特殊显色指数，由下式求得：
Ri=100-4.6∆Ei

一般显色指数Ra是由8个特殊显色指数（i=1，2……8）去算数平均求得：

图1 CRI中采用的15种颜色样品色卡

显色指数标准等级及使用场所：

表1 显色指数标准等级及使用场所

采用LED蓝光芯片激发黄色荧光可以实现Ra70，随着红色荧光粉的使用量不断增加显色指数逐渐提升达到Ra85，通过采用绿色荧光粉搭配红色荧光粉组合方案，显色指数可以达到Ra95甚至更高。下组图为3000K与6000K的Ra80和Ra98的光谱对比图，以及随着显色指数的提高，反映饱和红色指数R9的变化。

图2 300K与6000K的Ra80和Ra98的光谱对比图

不同显色指数R9变化图

通常我们所说的显色指数Ra是基于光源对8块标准色样的显色性得到的，8种颜色样品都具有中等彩色和明度，都是非饱和色，它们用于衡量光谱连续且频带较宽的光源的显色性具有不错的效果，而对于波形陡峭且频带狭窄的光源则会产生问题，尤其体现在RGB LED光谱中。在国际照明委员会（CIE）2007年的技术报告中指出：目前使用的显色指数CRI不能有效反映白光照明光源的显色性好坏。

2. 什么是CQS？

色质指数（Color Quality Scale，缩写为：CQS），由美国国家标准与技术研究所NIST（NationalInstituteof Standards and Technology）提出。与显色指数CRI类似，CQS也是采用测颜色法，选取的是15种饱和色，它们平均分布于整个可见光谱中。所有15块色样都选自标准孟塞尔颜色样品。

图3 CQS中采用的15种颜色样品色卡

CRI是对8个特殊显色指数取算术平均值，而CQS是先计算色差取15个数据的均方根值，即将n个值的平方和除以n后再开平方的结果，再通过相应计算求得。这样色差的权重得到增强，确保色样间仅有的一些较大的色差，也对最终结果有较大影响。

对某一色样i的色差采用均方根值计算，由下式求得：

CQS显色指数的表达式为：

3. 什么是TM-30？

TM30是北美照明工程学会（Illumination Engineering Society）提出的一套度量标准，全面评估光源颜色质量的新指标。IES评价照明光源显色性方法（Methodfor Evaluating Lighting Source Color Rendition）于2015年8月发布，2015版本：TM30-15，2018版本：TM-30-18。使用颜色样品以及比较它们在理想照明光源下的呈现效果，使用均衡分布在整个可见颜色空间和光谱中的99个颜色样品。

图4 TM30中采用的99种颜色样品色卡

1. 保真度指数（Fidelity Index）Rf，是一个表明保真度从0到100，反映被检测光源比较参照的白光光源对人眼所呈现的显色效果，因使用的颜色样品数量增加到99个，相较于CRI中采用的15个颜色样品，其平均值显得更合理。

图5 TM30-18与CRI中采用的颜色光谱曲线

特别值得注意的是，CES15和CES18更受关注，因为它们代表了人类肤色。与显色指数Ri相比，TM-30-18的Rf、CESi更全面，可以评估更多颜色。

2. 色域指数（Gamut Index）Rg，是一种被测试光源相对于参照光源所作的色域测量值，以评价呈现的颜色是过饱和还是欠饱和。对于色彩质量良好的LED而言，Rg通常在80到120之间，分数越高，表示整体饱和度越高。

为了更直观地表现色域指数的效果，引入颜色矢量图形CVG（Color Vector Graphic），颜色矢量图形是非常直观和信息丰富的工具，可以告诉我们颜色倾向于显示某些颜色，使其看起来更生动，饱和度更高，相反其他颜色则显得更暗淡，饱和度越低。对于要求颜色精度的照明应用，需要平滑、均匀分布的矢量图。另一方面，对于某些特定应用，如零售业，为了增加其生动性，而使某些颜色过饱和。

矢量图由16个颜色分类组成，黑色圆圈代表参考光源，红色圈代表被测光源。黑圈以内的颜色表示颜色欠饱和，黑圈以外的颜色表示颜色过饱和，相等为两个光源无差别。

图6 TM30-18颜色矢量图

3. 参考光源：TM-30-18法将测试光源与不同的参考光源进行比较，根据计算出的CCTs选择不同的参考光源，以便进行精确评估。

• CCT≤4000K普朗克辐射将作为参考光源。
• 4000K<CCT<5000K普朗克辐射与CIE日光光源的组合将作为参考光源。
• CCT≥5000K CIE日光光源为参考光源。

4. 什么是TLCI？

TLCI（Television Lighting Consistency Index)全称电视照明一致性指数，英国广播公司BBC的工程师、光学专家罗伯特（AlanRoberts）先生与欧洲广播联盟（EBU，European Broadcasting Union）合作于2011年提出的色彩测量标准，与CRI以人眼观测角度不同，TLCI由24个色彩测试样本组成，通过数字化建模和软件运算来评估摄影机对色彩响应的结果，可以更加真实地反映LED光源在摄像机上的色彩表现。一般来说，TLCI越高，在摄像机拍摄节目时效果越好。它是通过光谱辐射测试仪对被测光源的光谱能量分布进行测试，然后用分析软件计算，得到TLCI的测试结果。

就TLCI的本质而言，它规避了人眼和大脑非常宽容的动态观看适应性，而完全基于摄影机的响应，因此一种光源宣称有非常优秀的CRI值，TLCI值却很差，这种情况是非常可能的，如果CRI与TLCI指标都非常优异，基本可以确定光源的素质非常接近真实日光的光谱。因为不连续的光谱和光谱缺失，不可避免地会让人眼和摄影机看上去不一样。

图8 TLCI中采用的24种颜色样品色卡

TLCI评分及应用特点：

表2 TLCI评分及应用特点

TLCI评分大于85分表明光源可广泛用于电视，这将限制后期制作时间和劳动力成本。因此，建议电视节目制作采用高TLCI照明光源。

参考文献：

1. 迈克•伍德.再论光源显色性—推荐TM-30-15新度量标准[J].演艺科技,2010,12(130):6-9.
2. 迈克•伍德.显色指数CRI与色质指数CQS[J].演艺科技,2010,12(53):16-19.
3. CRI和发光效率是否影响光子效率？