随着LED在普通照明市场中的份额不断增加，LED所发光的色彩质量也变得日益重要。《理解色彩学使 LED更成功》系列文章将探讨LED技术中所涉及到的色彩科学。
理解色彩学使 LED更成功（一）、（二）解释了色觉的三个基础性原理（见下图），接下来，我们将考察白光LED的显色性能。

色觉的三个基础性原理 :

1）视网膜中三种类型的视锥细胞的相对反应足以对色觉进行解释；2）同色异谱(metamerism)是第一条原理的直接结果；3）颜色可以由多组色彩匹配函数来刻画，它们之间互为线性变换。

色彩再现(显色)性能指的是当物体被不同的光源照射的时候，被照物体的色彩呈现将如何变化的特性。自然而然，物体被具有不同相关色温(CCT)的光源照射的时候，我们期望其颜色也会出现某种改变。

我们都知道，在晴朗的日子里，从中午到黄昏的过程中，室外物体的颜色会发生变化。你甚至可能有过这样的经历，在自然光照或者荧光灯照明的涂料店里选好了某种颜色的涂料，刷在家里的墙壁上，然后很失望地发现，涂料在墙上所呈现出的颜色，在室内白炽灯的照射下，发生了变化。这两个有关显色的例子是我们都能体验到、符合我们的预期、也一定程度上可以通过光源的不同相关色温来解释的。

不过，有一点却不是那么显而易见，那就是改变光源之后，被照物体的颜色可能会出现戏剧性的变化，即使两个光源具有完全相同的相关色温乃至完全相同的色度坐标。为了理解这究竟是如何发生的，让我们来回顾并应用有关色觉的头两条原理。

第一条原理表明，我们所看到的颜色，与视网膜三种视锥细胞对落于其上的光谱功率分布(SPD)的相对响应，有着直接的关系。这就是说，具有完全不同的谱功率分布的两种光源，却可以让三种视锥细胞产生相同的相对响应，并因此表现出完全相同的颜色。

这也是为什么将来自红、绿和蓝色LED的光线混合，可以同3000K色温的白炽灯具有相同的颜色，即使白炽灯和LED混合光的谱功率分布完全不一样。

只要视锥细胞对两种谱功率分布的反应一致，光源就会表现出相同的颜色。这种现象被称作"同色异谱"，也是我们的"色觉第二原理"。任何两个或多个具有相同色度坐标的谱功率分布，都是相互之间的"同色异谱"。

反射光

当我们观察来自两个或多个同色异谱光源的反射光的时候，情况就发生了变化。在这种情况下，从任一光源发出来的光谱内容，在进入人眼之前都会受到被照物体反射特性的修改。

图1：灯泡发出的光波的谱功率分布被淡蓝色气球上色料的谱反射特性所修改，形成新的谱功率分布并进入人眼。

例如，蓝色物体会反射光谱蓝端的光线，大概是400-500纳米范围，同时吸收中长波长的光波。因此，被反射光的谱功率分布就成了光源的谱功率分布和被照物体的谱反射特性的函数(图 1)。

这种复杂的交互特性意味着，当物体相继被两个同色异谱光源照射的时候，其呈现的颜色可能会发生戏剧性的变化。即使两个光源具有完全一致的色度坐标，只要它们的谱功率分布不一致，反射光的谱功率分布也会不一致。

进一步说，反射光的谱功率分布将基本上不再互为同色异谱，因此也就会表现出颜色的不一致，即使不是那么明显，也至少会发生轻微的变化。

图2：3000K色温的荧光灯、白炽灯与白光LED的谱功率分布比较。

色彩再现对室内LED照明来说尤其重要。一只典型的白光LED的谱功率分布，跟通常的室内灯光(无论是白炽灯还是荧光灯)相比有很大的差别(图2)。消费者也许会很失望地发现，当他们在家里或者办公室装上全新的LED灯泡之后，他们所熟 悉的东西的颜色会发生巨大的变化。

在过去，照明行业己经面对了这个问题，并提出了显色指数(CRI) 这个度量指标，通过跟白炽灯光源(低色温范围，<5000K)和日光(高色温范围，>5000K)的特性进行对比，来定量分析特定光源的色彩再现特性。

在完美匹配的情况下，意味着在所考察的光源之下，色彩呈现或色彩再现与在日光或 白炽灯下的表现完全一 致，显色指数就是100。

显色指数并不是光源的色彩再现性能的完美预测者，但它确实在实践一种合理的工作。

进行显色指数计算的时候，我们将待测光源和参考光源分别照射在一 组标准色片或色彩样品之上，然后比较它们的色度坐标。这些标准色片具有特定的反射谱分布，每种色片在每个波长的反射百分比是确定的。如果不给定照射的光源，或更准确地说光源的谱功率分布，而仅仅给定色片的色度坐标，那是没有意义 的。

图3：谱反射性能：8种用于计算显色指数的色片以及用于计算R9的强红色色片。

显色指数测量一共使用了14种色片。其中，8种用于获得实际的显色指数值，其余6种用于为一些特定的颜色提供专门的测量。色片的选择都 是典型的常用材料(图3)。

显色指数对固态照明的重要性

显色指数对室内照明非常重要，对室外照明却并非如此。例如，用于街道照明的高压纳灯(HPS)，其显色指数非常低，有时候甚至低至20。这种糟糕的显色特性被其优异的高达150lm/W的发光功效所抵消。

在本例中，与能源效率相比，显色特性通常不被认为是很重要的。有些高压纳灯的显色指数确实要稍微高一些，但那是以牺牲发光功效为代价的。

唯一对显色指数要求高的室外照明是建筑物的照明，例如用于建筑表面照明的洗墙灯和用于景观照明的泛光灯等。建筑物照明应用中，低显色指数会严重损害被照建筑或景观的美观性。

室内应用方面，显色指数的重要性尤其体现在住宅、零售商店、及酒店照明等场合。对办公环境来说，显色特性反倒不是那么重要，因为办公室照明的设计是为了工作的执行来提供最佳的照明，而不是为了美感。

基于LED的改装灯具以及较小程度上的固态照明灯具正在开始进入住宅照明市场。为了这一市场渗透的继续进行，LED灯及灯具的成本必须不断下降，同时仍然要保证良好的质量品质。与紧凑型荧光灯及白炽灯相比，LED照明产品更高的成本可以在一定程度上被其长寿工作特性及不断提升的光效所抵消。

不过，LED产品的质量不仅仅是可靠性一个方面。固态照明灯及灯具的发光质量也是重要因素，对住宅用户来说尤其如此。固态照明灯的发光质量主要取决于LED自身的色彩再现品质。因为显色指数是我们唯一用于定量分析显色特性的客观标准，它和可靠性及发光效率一起成为一项重要的产品规范。

让LED实现高显色指数

LED厂商经常面对充满矛盾的目标，比如成本和性能。要制造出具有高显色指数值的LED，同时要保证良好的发光效率，特别地还要实现暖色调的色温，便是这样的一种挑战。要弄清楚这其中的原因，就得了解白光LED究竟是如何产生出白光的。

白光LED实际上是涂了一层荧光粉材料的蓝光LED。荧光粉吸收LED发出的一部分蓝光并让剩余部分的蓝光穿透出去。被荧光粉吸收的一部分光能，将荧光粉分子中的电子激发到一个更高的能级。

当这些高能级的电子迁跃回更低的能级的时候光子就产生了出来。荧光粉发出的光谱本质上是一种宽带谱，其范围在500-700纳米，典型峰值在550纳米附近。

如果荧光粉吸收掉所有的蓝光，那它发出的光将是黄色的。正因为它没有吸收掉蓝光LED发出的所有光能，穿透出来的蓝光和荧光粉发出的色光就组合在一 起，产生出我们所见的白光。

如果混合后的光波中蓝光成分偏高，它就是一种冷白光，具有较高的相关色温。如果混合后的光波中来自荧光粉的色光波比来自蓝光LED的蓝色光波更多，它就是一种暖白光，具有较低的相关色温。

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