如何用滤色片来改善显色性！

刘明源

笔者认为，当下流行的“白光LED+二向色性减色法”是一时的异常现象。人们不是利用LED的优势把它们当加色法（R、G、B等LED彩色光合成）光源来使用，而是用它们来制造普通的白光LED光源，再用减色法把大量的光过滤掉。当然，会有人为此给出充分的理由，尤其是那些把白光输出作为主要用途的用户，但要说这是一种可持续发展的技术，无法说服笔者。总有一天会转变为加色法。

然而，这不是本文要讨论的内容。笔者发现一个有意思的现象，强大的白光LED促进了一种新型滤色片的发展——用来改善显色性的滤色片。现在，许多自动化灯具制造商都提供这样的滤色片（独立的滤色片或位于色轮上），用来改善显色性。这些滤色片的工作原理是什么，优势和劣势是什么，这是本文要讨论的内容。

理论

首先要有一个意识，这些滤色片会把光过滤掉。要添加没有的光波长，这是办不到的，但是可以调节现有光波长之间的比例。
图1从理论上说明了这个道理。图1中的4条曲线表示光谱功率分布（SPD）（译者注：左下方是光谱透射率曲线）。每张图展示了这个光学系统在不同波长处的光输出，左边是蓝光、右边是红光。
　　

图1 用滤色片来改善显色性的理论

左上方（蓝线）是白光LED。这是一个典型的荧光粉转换型的7 000 K白光LED，由一个蓝光LED泵和半透明的宽光谱黄色荧光粉所组成。从最终结果来看，该LED发出的光谱中含有一个狭窄的蓝光峰值以及一个宽广的黄光/绿光波峰。把它们混合到一起后，人眼看到的是白光。缺少红光，且青光含量不足，存在凹陷，这意味着显色性可能不太好。

右上方（红线）是完美的参照光源，本例为日光，色温也是7 000 K，根据定义，显色性很完美。如何把前者转换为后者？用一张滤色片把白光LED曲线转换成与日光类似的曲线。从数学上看，这个过程很简单，把滤色片当作各色光功率的透射系数来用。其实，就是用原有的光谱中各色光功率（除数）去除希望达到的各色光功率（被除数），得到的结果就是所要的滤色片的透射率。不过，这里有一个问题，不可能添加没有的波长。从数学上看，这相当于不能用零去除一个数。因此，有必要确定所要校正的最小值，并且让其中一部分光通过。在本例中，笔者选择把该滤色片限定在20%。那张滤色片如左下方所示（绿线）。它减弱了一部分蓝光峰值，改变了绿光/黄光波峰，尽可能让红光通过。最终结果如右下方所示（紫线）。现在，所输出的光谱要宽广得多。尽管还是缺少青光和红光，但中部曲线与参照光源（浅红线）的匹配度很高。这大大改善了显色性。那么，任务完成了。

然而，这些曲线图极具误导性。为了便于比较，笔者重新调整过这4条光谱功率分布在纵轴上的比例，使其都在0~1之间，而事实上，该滤色片把很多光都过滤掉了，与原LED相比，光输出大幅下降。下降了多少呢？这个例子很极端，该滤色片使光输出降到原值的23%，损失77%。损失太多，很难接受。因此，制造商采取一种折中的方案，设定一个可接受的光损失量，以此来设计滤色片。人们一直在显色性的改善程度和光损失之间寻求一种平衡。大多数制造商好像都把光损失控制在25%左右，这样能让显色性提高约5分及以上。


这些滤色片长什么样，都是什么颜色？根据图1中的校正滤色片（Correction Filter）曲线，可以做一个合理的猜测。该滤色片能让红光和蓝光通过，但会减弱绿光和黄光。它应该是一张粉红色或品红色滤色片。通过降低饱和度来减少由滤色片导致的光损失，让通过的光再多一点，这样得到浅品红色，它与标准的减绿色滤色片非常接近。那么，一张减绿色滤色片能否完成这个任务，检验一下这个理论吧。

实践

笔者的检测器材很简单，一个白光LED光源，它是笔者工作室里的一台工作灯，一个SEKONIC C-800测光表，用于测量光谱功率分布和TM-30-15显色性指数，滤色片选自Rosco色本。初始状态如图2、图3所示，它是一个约6 100 K的白光，具有典型的光谱功率分布。与笔者假设的光源相比，青光凹陷要好一些，但是长波红光的含量依然非常少。测得显色性为TM-30-15 Rf=82，Rg=94，CRI Ra=82.5。这个光源还算过得去，但是看看能否做得更好（注：在这里笔者给出CRI Ra值，把它作为通往过去的桥梁，对于LED光源，不应使用CRI来测量显色性，它是无效的。本文姑且给出CRI值，只看TM-30-15就行）。
　　

图2 LED光源的光谱功率分布

图3 LED光源的显色性

在这个光源前放一张#3308 Minus Green（减绿色）滤色片，结果如图4、图5所示。正如所料，光谱功率分布曲线变平坦了，显色性得到改善。现在TM-30-15 Rf=85，Rg=104，CRI Ra=89.5，取得显著的进步。光输出降到原值的63%左右。很明显可以看到，依然有一个很高的蓝光峰值，要是将其减弱后，能否做得更好呢？减弱蓝光峰值的方法是采用一张互补色滤色片——黄色。

图4 LED光源+Minus Green的光谱功率分布

图5 LED光源+Minus Green的显色性

试一试黄色滤色片，看看效果如何。在该光源前只放一张#06 No Color Straw（麦秆黄）浅黄色滤色片，结果如图6、图7所示。正如所料，与黄光波峰相比，蓝光峰值大幅下降。可惜的是，显色性其实变差了，Rf=80，CRI Ra=77。然而，笔者并没有打算单独使用它。同时使用上述Minus Green和No Color Straw滤色片，看看效果如何。结果如图8、图9所示。

图6 LED光源+No Color Straw的光谱功率分布

图7 LED光源+No Color Straw的显色性

图8 LED光源+Minus Green+No Color Straw的光谱功率分布

图9 LED光源+Minus Green+No Color Straw的显色性

看来效果非常好！TM-30-15 Rf=87（又提高2分），Rg=98，CRI Ra=89.8。这些都很不错。不足之处是，光输出降到原值的58%，但在有些应用场合，也许人们对此并不介意。还要注意到，在No Color Straw的作用下，蓝光大幅下降，这是导致CCT降至4 172 K的主要原因。

笔者继续做实验，试着把各种品红色/减绿色和浅黄色滤色片搭配使用。根据实践经验，得到的更好结果是同时使用一张#06 No Color Straw和一张#4930 Lavender（浅紫色），这时TM-30-15 Rf=88，Rg=99，CRI Ra=91，结果如图10、图11所示。

图10 LED光源+Lavender+No Color Straw的光谱功率分布

图11 LED光源+Lavender+No Color Straw的显色性

CCT为5 626 K，也相当好。笔者可以肯定，如果继续进行下去，再去试试其他制造商的色本，或许还能做得再好一点。但笔者认为，确实也试得差不多了，毕竟青光含量不足，且缺少深红光和深蓝光。不能用滤色片来添加缺少的波长，只能把光过滤掉。在这两张滤色片的作用下，光输出降到42%，这可能太过分了。将图10与图2中的初始状态相比较，可以看出，在光谱连续性方面取得了进步。

结语

本文并没有得出任何实质性的结论。至少在笔者看来，这是一次很有意思的探索，目的是了解如何使用现成的滤色片来改善白光LED的显色性。如果笔者能为该光源定制一张滤色片的话，可能会得到更好的结果：优良的显色性、更少的光损失。这种方法被许多自动化灯具制造商所采用，其使用二向色性滤色片（可能基于减绿色）来调整，以满足其特定光引擎的需要。

本文的观点是什么？其实就想说，人们可以通过相应的滤色片，在显色性和光输出之间寻求一种平衡，以满足应用需求。采用这一方法来设计滤色片，可提高TLCI或其他所测参数值，改善光谱匹配度。永远别忘了，这些都是减色法滤色片，一定会有光损失。

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来源：演艺科技传媒微信公众号     责任编辑：刘明源

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