显色指数计算

浅谈LED照明产品相关标准对色度变化的要求宋洁琼上海时代之光照明电器检测有限公司一、前言近年来随着固态照明技术的逐渐成熟，LED应用日益广泛，对整个照明行业带来深远的发展，同时也带来了一些新的问题。LED在整个使用寿命当中随温度、寿命的变化而存在明显的颜色偏移。此外受发光原理影响及加工工艺及的限制，不同厂家或不同批次的LED灯具都可能因使用芯片不同而会出现较大的色度变化。因此对LED标准制定方面就体现新的要求，LED光源的色度评价不能完全等同采用传统光源的色度评价方法。本文主要综合归纳了目前标准中LED色度变化的相关概念并做简要的分析阐述。二、理论基础由于色度指标定义过程中均使用色度体系来描述，因此首先对色度体系的理论基础进行描述，并解释色温的基本定义。1.CIE标准色度体系为了对颜色进行测量以及计算，CIE（国际照明委员会）以视觉实验数据为基础规定了出一系列色度学系统。为避免混淆，首先以图1的方式对各种色度系统之间的发展脉络做简要说明。CIE1976L*u*v*CIE1931-RBG系统CIE1931-XYZ标准色度系统（x，y）CIE1976L*a*b*CIE1964-XYZ补充标准色度系统CIE1960UCS均匀色品图（u,v）CIE1967UCS均匀色品图（u’,v’）CIE1964W*U*V*图1.CIE标准色度学系统关系图其中CIE1960UCS色品图和CIE1976UCS色品图的差异只在于纵坐标，其坐标变换公式如公式1所示。因此CIE1976UCS的色品图相当于把1960年色品图在纵轴上进行压缩。此处需要指出CIE1960UCS色品图已经废止。'2'3uuvv公式12.色温的定义所有颜色都可以用色度系统中的色坐标来表示，其中对白光而言更常见且简单的表述方式是相关色温（CCT）。不同温度下的黑体所表现出的颜色色坐标形成的轨迹成为黑体轨迹或普朗克轨迹。很多光源的光谱分布功率与黑体相差甚远，因而色坐标则落在黑体轨迹之外，这种情况下选用某温度下与光源颜色最接近的黑体所对应的辐射温度称为该光源的相关色温。由于CIE1931XYZ标准色度系统上相同的距离并不代表视觉上相等量的颜色差异，因而不适用于计算光源相关色温。应当使用CIE1960UCS图对相关色温进行计算，在该色品图上光源色坐标距黑体轨迹的最短距离点色温即可代表该光源颜色最接近的黑体辐射温度，且光源色坐标与黑体轨迹上最短距离点色坐标的连线垂直于黑体轨迹的曲线。三、指标定义及计算3.1LED的目标色温及目标Duv我国普通照明用非定向自镇流LED灯的节能认证技术规范CQC3130中提及了对色温及Duv的要求指标，但未给出相关的定义以及计算方法。这里参照美国关于固态照明产品色度指标的标准ANSIC78.377对概念进行解释。我国的节能认证规范以及美国标准中均给出8个目标CCT值以及相应的目标Duv及其容差范围，如表1所示。表1.LED产品标称CCT类别标称CCT目标CCT和容差(K)目标Duv和容差2700K2725±1450.000±0.0063000K3045±1750.000±0.0063500K3465±2450.000±0.0064000K3985±2750.001±0.0064500K4503±2430.001±0.0065000K5028±2830.002±0.0065700K5665±3550.002±0.0066500K6530±5100.003±0.006可通融的CCT(2700-6500K)T±ΔTDuv±0.006色温定义已在前文给出相应的定义Duv是与CCT息息相关的一个概念，因为CCT定义在（u’,2/3v’）的色度系统上，即CIE1960UCS色度图上，因而Duv的计算也应当从UCS图中导出。Duv值表示在(u’,2/3v’)色度图（1960UCS色度图）上靠近黑体轨迹的最短距离，‘+’表示该光源颜色在色度图上位置处于轨迹上方，‘-’表示光源颜色在色度图上位置处于轨迹下方。我国相关的节能认证技术规范CQC3130中使用与ANSIC78.377相同的指标来规范LED的色度变化。由CIE1960UCS色品图的特性可知，该Duv的计算从数学角度可表述为在CIE1960UCS色品图上待测光源的色坐标点A到黑体辐射曲线的最短距离，即黑体辐射上某点F与色坐标点A连线垂直于黑体曲线上过该点的切线m。如下述示意图图2所示。其中AF线段的距离长度即为Duv。0.270.290.310.330.350.370.150.250.350.45图2.Duv在CIE1960UCS图上的数学含义表示在此针对在标准中给出Duv的计算公式需作出特殊说明，如公式2所示。Duv=57700×(1/T)2-44.6×(1/T)+0.0085公式2该Duv的计算公式只能用来计算目标色温所对应的色坐标的Duv值，而不能用实际产品的色温来计算相应的Duv。图3给出了在CIE1976UCS（u’,v’）色度系统下表示的的目标色温的色坐标值，可以考虑存在这样一条虚线，将上述所有目标色温的色坐标点相连，由图3可知该虚线偏离实际的黑体轨迹。在低色温情况下，如3500K以下的目标色温计算得到其Duv值为0.000，非常接近黑体轨迹，而在由4000K以上的目标色温值计算得到的Duv值大于0.001偏移黑体轨迹，且Duv随色温增加而变大。即公式2计算得到的Duv值则表示该虚线上相应色温值所对应的Duv值。而我们实际生产的LED产品色坐标会相对目标色温产生很大的偏移，可能落在目标色温这条虚线之外。因此不能用公式2来计算实际产品的Duv值。为了规范市场上LED产品颜色变化，ANSIC78.377规定了8个目标色温，并规定相对该色温的允许变化范围，即在每个目标色温坐标点对应的矩形框，如图2所示。由Duv定义可知，4000K目标色温对应矩形上下两条边上的色坐标点所对应的Duv应当分别是目标Duv±0.006，即矩形到黑体轨迹的距离。AFm图3.固态照明产品的色度指标在CIE1976UC色品图(u’,v’)上的图解表示此外要注意，在使用Duv公式进行计算时会发现，标称为2700的灯，在公式2中带入T=2700时，所得到的Duv与表格中给出的目标Duv值却不同。这是因为，标称为2700范围内的LED产品，其实际对应的目标CCT应为2725而不是标称值2700，即在图表内2700色温范围内的中心点坐标所代表的CCT为2725。这是很容易被人忽略和误解的一个概念。3.2LED的颜色漂移△u’v’我国节能认证技术规范CQC3130中另外定义了LED的颜色漂移，规定LED产品在3000h内的色度变化不能超过和0.004且6000h内的色度变化不能超过0.007。同时该规范制定LED的颜色漂移使用CIE1976UCS色品图即（u’,v’）坐标体系评价色坐标的变化。但该规范没有明确说明颜色漂移的具体定义以及计算方法。标准LM-80-2008旨在讨论LED光源光通量维持率的测量方法，但其中条款7.4提到在整个光通维持率测试期间都应测量LED的色度参数并计算色度偏移△u’v’，并且要体现在最终的报告当中。另外在DOE为照明产品定制的产品要求《ENERGYSTARProductSpecificationforLuminaires》中规定，室内固态照明产品在第一个6000hs内的运行期间，表现在CIE1976（u’,v’）色度系统中的色度变化应不超过0.007，该值与CQC要求数据吻合。同时DOE指明，该色度变化表示为产品在6000h时色度坐标与0h的初始色度坐标之间的距离。因此可推断CQC所指的颜色漂移也应当是3000或6000小时的色度坐标与0小时时的色度坐标在在1976（u’,v’）色度系统中的坐标距离。具体计算公式如下所示。2230003000030000('')('')uvuuvv公式32260006000060000('')('')uvuuvv公式43.3LED色度空间不均匀指标△u’v’另外考虑LED照明产品在不同发光角上可能会表现出不同的颜色特性，标准LM-79-09中定义了色度空间不均匀性指标同样也叫做△u’v’。该△u’v’定义以及计算同样基于CIE1976UCS色品图。从不同角度上测量LED产品的颜色特性，以每个角度上的照度和立体角做加权平均运算获得平均色坐标，即CIE1976UCS色品图上各个角度上色坐标离散值中相对于平均色坐标的最大偏差距离定义为△u’v’。假设在n个角度上对LED产品的颜色特性进行测量。获得一系列不同角度下的色坐标（xi，yi）（CIE1931XYZ标准色度系统表述），通过公式4获得加权平均计算的的平均色坐标（xa，ya），加权系数由公式5所得。按照CIE色度系统转换方法将（xa，ya）转换为CIE1976UCS色品图上的平均色坐标（ua’，va’），进行色坐标的偏差距离计算。1()()naiiiixxw，1()()naiiiiyyw公式41()()()()()iiiiniiiIwI公式5四、总结LED照明产品的特殊性对企业生产设计甚至对于相关产品标准的制定都提出了与以往不同的要求。由于固态照明产品发光特殊性，对其色度相关特性的评价提出一系列新的指标。本文主要厘清其中色度变化相关指标的概念以及计算方法。在实际使用过程中应注意以下几点：1.在使用标准时，要明确指标定义所使用的色度系统。如在CQC3130一个标准内的两个颜色相关定义CCT、Duv和颜色漂移参数就基于两个不同CIE色度系统。2.此外，对于光源色差的计算有多种定义，LED光源目标CCT的Duv色差、颜色漂移的色度变化△u’v’和颜色空间不均匀度△u’v’。在使用时要注意指标的标准来源，做不同的计算。3.LED色度变化的定义与传统光源完全不同。以荧光灯为例，ANCIC78.376标准中以4级麦克亚当椭园作为荧光灯允许的色度变化范围，且该色度差异计算基于CIE1931XYZ标准色度系统进行计算。而LED的色度变化有多个衡量指标，在不同场合下使用不同的色度系统进行定义。4.注意本文所指的色度变化指标只适用于白光LED的计算，不能用来衡量目前存在的颜色固态照明产品。依照《辐射度光度与色度及其测量》中所称，CCT的定义以及计算只适用于色坐标偏离黑体轨迹约±15个麦克亚当椭圆的阈值范围内白光光源。参考文献：1.金伟其,胡威捷.辐射度光度与色度及其测量[M].北京理工大学出版社.2011年2.ANSIC78.377-2008SpecificationsfortheChromaticityofSolidStateLightingProducts3.ANCIC78.376SpecificationsfortheChromaticityofFluorescentLamps4.CQC3130普通照明用非定向自镇流LED灯节能认证技术规范5.LM-79-08ElectricalandPhotometricMeasurementsofSolid-StateLightingProducts6.LM-80-2008MeasuringLumenMaintenanceofLEDLightSources7.ENERGYSTARProductSpecificationforLuminaires、