Đặc tính hoàn màu của nguồn sáng

Nhìn chung, màu sắc của một vật thể thường được coi là độc nhất và vốn có của vật thể đó. Tuy nhiên, khi vật thể được chiếu sáng bằng ánh sáng có thành phần khác nhau (phân bố phổ), nó sẽ hiện ra với màu sắc khác. Các đặc tính của nguồn sáng ảnh hưởng đến cảm nhận màu sắc của vật thể được gọi là các đặc tính hoàn màu. Theo đó, các nguồn sáng có đặc tính hoàn màu tốt thường nói tới các nguồn sáng có đặc tính tốt đối với việc cảm nhận màu sắc. Khả năng hoàn màu là một trong những đặc tính quan trọng nhất của nguồn sáng.
Việc đánh giá định lượng các đặc tính hoàn màu của nguồn sáng rất quan trọng để xác định một cách khách quan những ưu điểm và nhược điểm của các đặc tính hoàn màu và lựa chọn nguồn sáng cần thiết. Nhìn chung, có hai phương pháp để đánh giá định lượng các đặc tính hoàn màu này. Phương pháp thứ nhất là phương pháp đánh giá độ trung thực của màu sắc hiển thị, và phương pháp thứ hai là phương pháp đánh giá mức độ hấp dẫn của màu sắc hiển thị. Với phương pháp đánh giá độ trung thực của màu sắc hiển thị, nguồn sáng đối tượng được so sánh với nguồn sáng chuẩn (nguồn sáng chuẩn) và được đánh giá định lượng để xác định mức độ tái tạo màu sắc chính xác đến đâu. Ngược lại, với phương pháp đánh giá mức độ hấp dẫn của màu sắc hiển thị, sự thay đổi màu sắc xảy ra khi so sánh nguồn sáng đối tượng với nguồn sáng chuẩn, và từ đó sự thay đổi màu sắc được đánh giá định lượng để xác định xem sự thay đổi đó theo hướng hấp dẫn hay không hấp dẫn.
Cả hai phương pháp đánh giá này đều quan trọng trong việc đánh giá các đặc tính hoàn màu của nguồn sáng, nhưng cho đến nay, các phương pháp duy nhất để độ trung thực của màu sắc hiển thị đã được tiêu chuẩn hóa và thiết lập bởi Ủy ban Chiếu sáng Quốc tế (CIE) và tại Nhật Bản là Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản (JIS). Cho đến nay, một số phương pháp đánh giá mức độ hấp dẫn của màu sắc hiển thị đã được đề xuất, nhưng chưa có phương pháp tiêu chuẩn nào được thiết lập. Vì lý do đó, phần tiếp theo sẽ giới thiệu phương pháp JIS để đánh giá độ trung thực của màu sắc hiển thị.

Cho đến nay, nhiều thử nghiệm nhằm đánh giá định lượng các đặc tính hoàn màu của nguồn sáng đã được tiến hành; tuy nhiên, thử nghiệm được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là phương pháp đánh giá đặc tính hoàn màu do CIE thiết lập. Năm 1965, CIE đã xuất bản ấn bản đầu tiên của Phương pháp đo lường và xác định các đặc tính hoàn màu của nguồn sáng [1]. Sau đó, CIE đã sửa đổi một phần của phiên bản đầu tiên về phương pháp đánh giá của họ vào năm 1974 và xuất bản phiên bản thứ hai [2]. Năm 1995, các lỗi đánh máy trong ấn bản thứ hai đã được sửa và ấn bản thứ ba được xuất bản [3].
Để đánh giá độ trung thực của màu sắc hiển thị, người ta sử dụng 14 loại màu thử nghiệm và tiến hành đánh giá theo phương pháp được giải thích bên dưới. Tóm lại, để đánh giá đặc tính hoàn màu của một nguồn sáng nhất định bằng 14 loại màu thử nghiệm, màu sắc hiển thị khi vật thể được chiếu sáng bởi nguồn sáng đó sẽ được so sánh với màu sắc hiển thị khi vật thể được chiếu sáng bằng một nguồn sáng chuẩn có nhiệt độ màu tương đương với nguồn sáng đối tượng, và đặc tính hoàn màu của nguồn sáng đối tượng được thể hiện bằng sự thay đổi màu (sai khác màu: ΔE).
Chỉ số hoàn màu trung bình (CRI) thể hiện sự thay đổi màu trung bình (ΔE) trên từng bảng màu riêng lẻ, mỗi bảng gồm 8 trong số 14 màu thử nghiệm (các sắc độ từ đỏ đến tím) (ΔEi; i=1-8) với độ sống động trung bình (hệ thống màu Munsell 4-8) và độ sáng tương đương (độ phát sáng) (giá trị Munsell 6), và được tính bằng công thức sau:

CRI=100−4.6ΔE……………(1)
Bảy màu thử nghiệm còn lại bao gồm các bảng màu được sử dụng khi tìm chỉ số hoàn màu đặc biệt Ri (i=9-14): một bảng màu đại diện gồm các màu đỏ, vàng, xanh lá cây và xanh dương cực kỳ rực rỡ (số 9 đến số 12); một bảng màu dành cho tông màu da người da trắng (số 13), và một bảng màu xanh lá cây gần với màu lá cây (số 14). Chỉ số hoàn màu đặc biệt Ri thể hiện mức độ thay đổi màu sắc của từng màu thử nghiệm riêng lẻ (ΔEi; i = 9-14) và được tính bằng công thức sau.
Ri=100−4.6ΔEi……………(2)

Hình 3 hiển thị bảng màu cho tám màu thử nghiệm được sử dụng để tính chỉ số hoàn màu trung bình, và hình 4 hiển thị bảng màu cho sáu màu thử nghiệm được sử dụng để tính chỉ số hoàn màu đặc biệt. Ngoài ra, bảng 1 đưa ra chỉ số hoàn màu của các nguồn sáng tiêu biểu được tính toán dựa trên phương pháp đánh giá đặc tính hoàn màu của CIE.
Vì vậy, chúng có thể được suy ra bằng Công thức (1) và Công thức (2), chỉ số hoàn màu trung bình CRI và chỉ số hoàn màu đặc biệt Ri đều có giá trị là 100 khi màu sắc hiển thị của nguồn sáng đối tượng giống với màu sắc hiển thị của nguồn sáng tiêu chuẩn. Sự khác biệt về màu sắc hiển thị giữa hai màu càng lớn thì sai khác màu ΔE càng cao, và chỉ số hoàn màu có thể có giá trị âm tùy thuộc vào nguồn sáng. Tuy nhiên, không phải lúc nào các nguồn sáng có chỉ số hoàn màu âm cũng hoàn toàn không màu. Ví dụ, chỉ số hoàn màu đặc biệt R9 (màu đỏ tươi trong các thử nghiệm: Số 9) đối với đèn huỳnh quang trắng có giá trị khoảng âm 100, nhưng nguồn sáng vẫn có màu đỏ, mặc dù sắc đỏ hơi xỉn.
Khi sử dụng các phương pháp đánh giá các đặc tính hoàn màu như vậy, những hiểu lầm nghiêm trọng có thể phát sinh đơn giản vì kết quả tính toán được thể hiện dưới dạng giá trị và nếu nguyên tắc của phương pháp đánh giá không được hiểu rõ.

a. Chỉ số hoàn màu thể hiện một cách định lượng độ trung thực của màu sắc hiển thị của nguồn sáng đối tượng so với nguồn sáng chuẩn. Do đó, có khả năng chỉ có được đánh giá công bằng khi nó được sử dụng cho các mục đích yêu cầu đánh giá độ trung thực của màu sắc hiển thị, chẳng hạn như so sánh màu hoặc kiểm tra màu.
b. Chỉ số hoàn màu không phải là chỉ số dùng để thể hiện mức độ hấp dẫn của màu sắc hiển thị của một vật thể. Vì giá trị CRI thể hiện một cách định lượng mức độ thay đổi màu của nguồn sáng đối tượng so với nguồn sáng chuẩn, nên giá trị CRI sẽ giảm cho dù sự thay đổi màu sắc đó là theo hướng hướng hấp dẫn hay không hấp dẫn. Do đó, không thể xác định liệu màu sắc đó có thể trở nên hấp dẫn hay không dựa trên giá trị CRI. Ví dụ, xét về màu da mặt của con người, một chút hồng nhạt so với màu da bình thường được coi là hấp dẫn, nhưng một chút vàng hoặc xanh lại bị cảm nhận là cực kỳ khó chịu. Chỉ số hoàn màu được tính toán mà không để tâm đến việc sự thay đổi màu sắc đó là hấp dẫn hay gây khó chịu, vì vậy ngay cả khi giá trị chỉ số hoàn màu giống nhau, giá trị thực tế lại hoàn toàn khác nhau.
c. Các đặc tính hoàn màu của nguồn sáng, được thể hiện bằng chỉ số hoàn màu trung bình CRI và chỉ số hoàn màu đặc biệt Ri, cho thấy một cách định lượng về sự khác biệt màu sắc giữa nguồn sáng đối tượng và nguồn sáng chuẩn có cùng nhiệt độ màu với nguồn sáng đối tượng. Vì lý do này, việc so sánh chỉ số hoàn màu của hai nguồn sáng có nhiệt độ màu khác nhau và so sánh hoặc đánh giá một cách chính xác ưu điểm và nhược điểm của đặc tính hoàn màu giữa hai nguồn sáng đó là vô nghĩa. Ví dụ, bóng đèn sợi đốt có nhiệt độ màu 2800 K và ánh sáng ban ngày tự nhiên có nhiệt độ màu 6500 K đều có chỉ số CRI là 100, nhưng màu sắc hiển thị của chúng lại khác nhau.
d. Đối với các nguồn sáng có chỉ số hoàn màu trung bình thấp (CRI), ví dụ như 60 trở xuống, ngay cả khi nhiệt độ màu giống nhau thì cũng không thể so sánh một cách chính xác ưu điểm và nhược điểm về đặc tính hoàn màu của các nguồn sáng dựa trên chỉ số CRI. Chỉ số CRI thể hiện sự thay đổi màu sắc trung bình đối với mỗi màu trong tám màu thử nghiệm khác nhau. Theo đó, ví dụ, giả sử có hai nguồn sáng với chỉ số CRI là 50, nguồn sáng thứ nhất có độ lệch màu là 50 đối với cả tám màu thử nghiệm, trong khi nguồn sáng còn lại có điểm số dao động từ 100 đến 0 tùy thuộc vào các màu thử nghiệm được sử dụng. Dĩ nhiên, màu sắc thực tế của hai nguồn sáng sẽ khác nhau. Tuy nhiên, trong trường hợp hai nguồn sáng có đặc điểm là chỉ số CRI từ 80 trở lên, chỉ số hoàn màu đối với mỗi màu trong tám màu thử nghiệm cần phải có giá trị cao. Vì vậy, khi nhiệt độ màu và sắc độ của hai nguồn sáng gần như bằng nhau, cả hai đều được coi là có đặc tính hoàn màu cao.
e. Giá trị sai khác màu ΔE = 1,0 thể hiện sự khác biệt về màu sắc giữa hai vật thể mà người quan sát thông thường khó có thể phân biệt được. Theo đó, để có thể tìm thấy sai khác màu bằng công thức tính chỉ số hoàn màu được hiển thị ở trên (Công thức (2)), sự khác biệt đáng kể về mặt thực tế đối với khả năng hoàn màu được cho là khoảng 5.0. Nếu sự sai khác màu đối với chỉ số hoàn màu chi tiết hơn giá trị này, thì trên thực tế, việc thảo luận về ưu điểm và nhược điểm của các đặc tính hoàn màu của nguồn sáng là vô nghĩa.
Khi xem xét các điểm trên, người ta cho rằng cần phải áp dụng một số hạn chế khi sử dụng chỉ số hoàn màu. Vì lý do này, phương pháp CRI để đánh giá các đặc tính hoàn màu là một thang đo chỉ có phạm vi giới hạn để biết được màu sắc hiển thị của nguồn sáng, và cần phải thận trọng khi thảo luận về ưu điểm và nhược điểm của các đặc tính hoàn màu chỉ dựa trên độ lớn của các giá trị.

(Tài liệu tham khảo)
*Thông tin trên trang này được định dạng dựa trên trang web tiếng Nhật của công ty chúng tôi và được chỉnh sửa theo tiêu chuẩn IEC; tuy nhiên, một số mục đã được định dạng theo tiêu chuẩn JIS nhằm mục đích tham khảo.

1) Publication CIE No.13：Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources-1st edition (1965)
2）Publication CIE No.13.2：Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources-2nd edition (1974)
3）Publication CIE No.13.3：Method of measuring and specifying colour rendering of light sources (1995)