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LED照明节能光源应向低色温方向前进

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2015-01-09  来源:《照明》  作者:倪孟麟 张 莹 张志宏 董树凯  
1 前言
 
积极研制和推广低色温的LED光源是LED照明节能光源发展的重要方向,也是克服和防治LED蓝光危害的重要途径之一,文章同时提出了与此相关的准确测量光源及灯具色度技术关键和对相关测色仪器的选型,以保证上述论点不仅具有科学上的优越性和先进性,也具有技术上的合理性和可行性。本文以彩色显示器光源色为例,用相关的实验数据说明高色温的光源和背光源不仅存在着视觉疲劳而且图像效果也劣于低色温。实验结果尚表明色品坐标落在普朗克轨迹附近的LED光源,其彩色效果优于色品坐标偏离普朗克轨迹的LED光源;偏离普朗克轨迹MPCD小的LED光源其彩色效果优于偏离普朗克轨迹MPCD数据大的LED光源。
 
LED光源和LED背光源及彩色显示器同属于光源色,蓝光是波长为400~500nm的高能量可见光。根据世卫组织WHO爱眼协会调查公布:因蓝光及辐射每年导致全球超过30000人失明。蓝光对人体危害较其它波长的光线更为严重,短波蓝光具有极高能量,能够穿透晶状体直达视网膜,对视网膜造成光损伤,直接或间接导致黄斑区细胞的损害,蓝光会使眼睛内的黄斑区毒素量增高严重威胁我们的眼底健康。LED光源发射的白光主要是靠450~455NM波长的蓝光激发荧光粉,其中波长越低击发能力越强,属于辐射伤害最强的区段。如果波长变大,激发荧光粉的能力就随之下降,发光效率就会降低。有些生产厂家为了追求高亮度,会加强LED光源的蓝光强度,人眼如果长期看这样的光源,眼睛会受到蓝光伤害。蓝光射入眼底经过聚焦后,焦点没有落在视网膜上,而是落在视网膜与晶状体之间。这就增大了光线在眼内聚焦的色差距离。而眼内焦点之间的距离是形成视物模糊的主要原因,所以蓝光的射入会加剧色差和视觉模糊度,到时眼部肌肉过度紧张,眼部供血过度紧张,眼部血液供应加强,进而加重疲劳。
 
LED光源工作时间越长,光源中的荧光粉衰减越快,结果就会导致蓝光波段的光照越来越强烈,对人眼造成越来越大的伤害力,这使我们不能不重视LED蓝光的危害,并要积极寻找防治LED蓝光危害的途径。
 
颜色分为光源色、反射色和透射色。反射色和透射色又合称为物体色。LED光源LED显示屏与LED背光源、CRT阴极射线管等显示屏同属于光源色,因而有相同的特性。我们以彩色显示器光源色为例,用大量的实验数据说明高色温的光源和背光源不仅存在着视觉疲劳而且图像效果也劣于低色温,因此应积极推广低色温的光源和背光源。向低色温的LED光源和背光源进军,这是防治LED蓝光危害的重要途径之一。
 
2 与光源颜色有关的人眼视觉特性
 
颜色分为光源色、反射色和透射色。反射色和透射色又合称为物体色。LED信号灯标识牌及LED显示屏和彩色电视显示屏同属于光源色,因而有相同的特性。
 
2.1 同色异谱
 
按照三原色原理,用红、绿、蓝三基色可以混合出各种色相的颜色。格拉斯曼定律指出:两种光谱刺激的光谱分布可以不同,但是颜色外貌可以完全相匹配,这样的两种光刺激为同色异谱色,该现象为同色异谱现象。同色异谱是色度学中重要的定律,运用同色异谱规律,不需要取得相同的光谱分布,只要三基色度值相同,完全可以获得相同的色知觉。根据人眼具有同色异谱的视觉特性,对于千变万化的彩色景象,无须按其光的波长强度分布(即光谱分布)加以传送,而只要传送组成该色的三种基色分量,就可以完全等效地呈现原有的彩色景象。同色异谱原理是彩色电视和其它彩色复制行业诞生的理论和技术基础。色度彩色还原(Colorimetric Color Reproduction)是评价LED及节能灯等照明光源及灯具和光环境颜色质量的依据,准确测量LED等光源的三基色度值,以及在此基础上对颜色质量做出科学的评定是制定相应规范和标准的前提与关键。色度彩色还原也是实现优美彩色还原(Preferred Color Reproduction)的重要技术基础。
 
2.2 空间混色
 
由于人眼可以将彼此相近的不同颜色小单元看成是某一种综合而成的颜色。相距很近的红、绿、蓝三个小基色光点,人眼在距他们较近的地方是能够分辨这三个有色光点各自的色调;但如果与这一组光点距离一定远以后人眼就觉得似乎是具有某种色调的单一光点,其色调决定于这三个基色小光点的相对强度,而不再能被看出三种基色的光点了。利用人眼的这一生理特性实现相加混色的方法称为空间混色法,彩色电视显像管上的彩色显示,就是利用空间混色法来实现混色。在彩色显象管的荧光屏上规则地排列着红、绿、蓝荧光粉小点。点子间距约为0.3mm,此间距对于2m以外的观察者所张开的视角不到0.6分,因而小于人眼的最小分辨角(1分),小于视网膜上一个锥体细胞的面积,超越了视觉的空间分辨能力,因此三个荧光点的颜色虽然在客观上占不同的空间位置,但在视觉效果上仍属于同一空间面积,同时刺激视网膜,它们便混合成一个颜色。
 
2.3 对光源颜色的测量与评定
 
对光源颜色的评定方法应包括用仪器的客观色度测量与相应的评定。应科学准确表达光源的颜色,应该指出色温是很狭窄、很局限的概念,它仅能表达热辐射光源(如白炽灯的色表)。不应当用色温来描述非热辐射光源(如荧光灯、高压钠灯和LED)的色表,因为它们的发光特性与黑体辐射相差很大,色度坐标并不落在黑体轨迹上,相关色温只能极为粗糙地表达气体放电光源的颜色。实验结果证明,等色温线上各点并不等色,甚至相差很远,等温线在有些情况下已无实际意义,用色温等一维数据无法在色域图平面上确切表明其相应位置,在色品图上,人眼对颜色的分辨宽容范围是椭圆;而不是直线,应该用色度坐标两维数据确切表达其在色域图中的位置。
 
3 白场色度值在低色温附近群体的彩色显示器图像效果优于高色温附近群体的彩色显示器
 
向低色温的LED光源和背光源进军,不仅是防治LED蓝光危害的重要途径之一,还可以获得良好的图像效果。我们可以从相关的科研成果中受到启发(见下表),下文就主观评价实验结果进行分析。
 
(1)白场色品坐标落在普朗克轨迹附近的彩色显示器,对绝大部分图像的彩色复现优于色品坐标偏离普朗克轨迹的彩色显示器,即偏离普朗克轨迹MPCD数据大的彩色显示器。
 
(2)白场色度值在低色温附近群体的彩色显示器图像效果优于高色温附近群体的彩色显示器。
 
虽然,高色温的彩色显示器,初看时较为明亮,但很快就会出现明显的视疲劳。而白场色度值在低色温附近群体的彩色显示器图像看起来柔和舒适,视疲劳小,彩色复现主观评价的评分较高。使用了稀土类化合物Y2O3:Eu和Y2O2S:Eu作为红荧光体,光效率有了提高,使得彩色显示器低色温基准白得以实现。
 
虽然,彩色显示器的低色温与的高色温代表值与LED光源低色温与的高色温代表值并不相同,但均有应向低色温方向前进的的同样趋向。
 
4 低照度下舒适的光色是偏黄的暖白色
 
低照度下偏黄色或偏黄的暖白色会让人感觉到喜庆感、华丽感、舒适的温暖感。
 
在高照度下,舒适的光色是偏蓝的白色,使人联想到日光,但在低照度,舒适的光色是接近偏黄色的火焰光,这是符合人类的生理特点。研究结果表明,照度水平与光色的舒适感有关,在很低照度下,舒适的光色接近火焰(篝火、蜡烛、油灯)的光色,使人感到平和轻松。而高色温的光在低照度下使人阴沉、昏暗;在偏低或中等照度下舒适的光色是接近黎明和黄昏的光色;只有在高照度下舒适的光色才是接近中午阳光的光色。因此,低照度下应使用低色温的光源,在高照度下应使用高色温的光源。夜景照明属于低照度,因此,笔者多次建议夜景照明主色调应采用偏黄的暖色调,以提高景观照明的舒适感和美誉力。
 
为制造低色温的LED光源,在光谱中不足的红光成分,可采用追加荧光体的方法来补充。除了黄光荧光体外,还要增加红光荧光体。在蓝光LED周围,使绿光荧光体及黄光荧光体相组合,进一步再与红光荧光体相组合,使用这种组合荧光体就有可能制作出红光成分多,显色性优良的白光LED照明及白灯泡色LED照明。由改变多种荧光体的配比在制造LED光源过程中,对合成的光谱形状进行调整达到所需的色温和色度坐标及显色性。使用了稀土类化合物Y2O3:Eu和Y2O2S:Eu作为红荧光体,光效率有了提高,使得彩色显示器低色温基准白得以实现。同样,为制造低色温的LED光源,不断研制优良的红光荧光体是解决LED蓝光危害的关键。
 
5 测色仪器的选型
 
(1)准确测量光源的色度坐标
 
在相当多数的情况下,解决工作中一系列的实际技术关键,不是测量色温和测量光谱分布,而是准确测量光源的色度坐标,用四组滤光片彩色亮度计做好标准传递即可准确测量光源和彩色显示器背光源的色度坐标。
 
(2)应使用光电倍增管的色彩辉度计
 
根据中国计量科学研究院光学处殷玉喆、马煜、周庆国、桂康年和北京理工大学光电工程系郑阳、侯素芳、芦汉生等人撰写的“光源色度国家基标准装置体系的建设”一文中证实:“平板显示光源的光谱分布都属于谱线型的,各个谱线之间的强度差别往往达到三个数量级以上,常用的CCD光谱型测光测色仪器,例如Photo Research的PR650/705等,不能提供足够的动态范围来满足色度测量的定标需要。因此,必须要用高动态范围的测色仪器,至少要采用光电二极管阵列(PDA),甚至是光电倍增管(PMT)作探测器的测光测色仪器才能满足需求。”
 
6 根据上述技术要求SPECTRA PR1TCHARD PHOTOMETER 1980适用于测量光源色及灯具和光环境及彩色显示器背光源的色度坐标
 
(1)1980的接收器件是光电倍增管(PR650、PR704、BM-7、SR-3A接收器件均为CCD)。
(2)1980含五个视场角,可适应各种场合的需要,亮度测试范围宽广,由10~4到108(Candelas/Meter2),SR-3A 20视场最高测量亮度为3,000尼特。
(3)1980为四组滤光片彩色亮度计,符合国家电视质量检验中心发表文章中所指出的技术要求。
(4)通过推算出C1、C2可以使1980与中国计量院的测色结果长期保持完全一致,圆满地进行国家级的计量传递,取得正确的测量结果。
 
7 结束语
 
综上所述,向低色温的LED光源和背光源进军,不仅可以防治LED蓝光危害,还可以获得良好的图像效果激发起人类对暖光产生各种美好的感觉。实验结果尚表明色品坐标落在普朗克轨迹附近的LED光源,彩色复现优效果优于色品坐标偏离普朗克轨迹的LED光源,即偏离普朗克轨迹MPCD数据大的LED光源。
 
研究绿光荧光体、黄光荧光体及红光荧光体的最佳组合,是实现低色温的LED光源的重要途径;适用于光源及灯具发光特性的1980彩色亮度计测量色度值,为实现上述途经创造了条件,使该项工作不仅具有科学上的优越性和先进性,也具有技术上的合理性和可行性。
 
参考文献
1 Ni Menglin He Weiping  Colour Reproduction Measurement and Reference White Chromaticity Value Definition for Color TV Receiver 26届国际照明委员会论文.JD 50-53
2 中国计量科学研究院光学处殷玉喆.马煜.周庆国.桂康年,北京理工大学光电工程系;郑阳.侯素芳.芦汉生.光源色度国家基标准装置体系的建设.《走进CIE-26中国照明学会学术论文集》,2005
3 肖辉乾.夜间室外照明光污染及其防止.《2003照明科技论坛(天津)》,161-184
4 倪孟麟.陈大庆.夜景照明光色效果的检测与评估.《2003照明科技论坛(天津)》,484-489
5 倪孟麟.彩色电视彩色复现的测量与理想色度值的获得.《世界广播电视》,VOL.10 NO7 中文20-26,英文106-110
6 倪孟麟.彩色电视的彩色复现.《2001年‘全国电视灯光技术及布光技巧’授课讲稿》,电视技术论坛,中国中央电视台,2001;02,79~87
 
 
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