LED照明節(jié)能光源應(yīng)向低色溫方向前進(jìn)

 1 前言

積極研制和推廣低色溫的LED光源是LED照明節(jié)能光源發(fā)展的重要方向，也是克服和防治LED藍(lán)光危害的重要途徑之一，文章同時提出了與此相關(guān)的準(zhǔn)確測量光源及燈具色度技術(shù)關(guān)鍵和對相關(guān)測色儀器的選型，以保證上述論點不僅具有科學(xué)上的優(yōu)越性和先進(jìn)性，也具有技術(shù)上的合理性和可行性。本文以彩色顯示器光源色為例，用相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)說明高色溫的光源和背光源不僅存在著視覺疲勞而且圖像效果也劣于低色溫。實驗結(jié)果尚表明色品坐標(biāo)落在普朗克軌跡附近的LED光源，其彩色效果優(yōu)于色品坐標(biāo)偏離普朗克軌跡的LED光源;偏離普朗克軌跡MPCD小的LED光源其彩色效果優(yōu)于偏離普朗克軌跡MPCD數(shù)據(jù)大的LED光源。

LED光源和LED背光源及彩色顯示器同屬于光源色，藍(lán)光是波長為400~500nm的高能量可見光。世衛(wèi)組織WHO愛眼協(xié)會公布：因藍(lán)光及輻射每年導(dǎo)致全球超過30000人失明。藍(lán)光對人體危害較其它波長的光線更為嚴(yán)重，短波藍(lán)光具有極高能量，能夠穿透晶狀體直達(dá)視網(wǎng)膜，對視網(wǎng)膜造成光損傷，直接或間接導(dǎo)致黃斑區(qū)細(xì)胞的損害，藍(lán)光會使眼睛內(nèi)的黃斑區(qū)毒素量增高嚴(yán)重威脅我們的眼底健康。LED光源發(fā)射的白光主要是靠450～455NM波長的藍(lán)光激發(fā)熒光粉，其中波長越低擊發(fā)能力越強，屬于輻射傷害最強的區(qū)段。如果波長變大，激發(fā)熒光粉的能力就隨之下降，發(fā)光效率就會降低。有些生產(chǎn)廠家為了追求高亮度，會加強LED光源的藍(lán)光強度，人眼如果長期看這樣的光源，眼睛會受到藍(lán)光傷害。藍(lán)光射入眼底經(jīng)過聚焦后，焦點沒有落在視網(wǎng)膜上，而是落在視網(wǎng)膜與晶狀體之間。這就增大了光線在眼內(nèi)聚焦的色差距離。而眼內(nèi)焦點之間的距離是形成視物模糊的主要原因，所以藍(lán)光的射入會加劇色差和視覺模糊度，到時眼部肌肉過度緊張，眼部供血過度緊張，眼部血液供應(yīng)加強，從而加重疲勞。

LED光源工作時間越長，光源中的熒光粉衰減越快，結(jié)果就會導(dǎo)致藍(lán)光波段的光照越來越強烈，對人眼也造成越來越大的傷害力，這使我們不能不重視LED藍(lán)光的危害，并要積極尋找防治LED藍(lán)光危害的途徑。

顏色分為光源色、反射色和透射色。反射色和透射色又合稱為物體色。LED光源LED顯示屏與LED背光源、CRT陰極射線管等顯示屏同屬于光源色，因而有相同的特性。我們以彩色顯示器光源色為例，用大量的實驗數(shù)據(jù)說明高色溫的光源和背光源不僅存在著視覺疲勞而且圖像效果也劣于低色溫，因此應(yīng)積極推廣低色溫的光源和背光源。并向低色溫的LED光源和背光源進(jìn)軍，這是防治LED藍(lán)光危害的重要途徑之一。

2 與光源顏色有關(guān)的人眼視覺特性

顏色分為光源色、反射色和透射色。反射色和透射色又合稱為物體色。LED信號燈標(biāo)識牌及LED顯示屏和彩色電視顯示屏同屬于光源色，因而有相同的特性。

2.1 同色異譜

按照三原色原理，用紅、綠、藍(lán)三基色可以混合出各種色相的顏色。格拉斯曼定律指出：兩種光譜刺激的光譜分布可以不同，但是顏色外貌可以完全相匹配，這樣的兩種光刺激為同色異譜色，該現(xiàn)象為同色異譜現(xiàn)象。同色異譜是色度學(xué)中重要的定律，運用同色異譜規(guī)律，不需要取得相同的光譜分布，只要三基色度值相同，完全可以獲得相同的色知覺。根據(jù)人眼具有同色異譜的視覺特性，對于千變?nèi)f化的彩色景象，無須按其光的波長強度分布(即光譜分布)加以傳送，而只要傳送組成該色的三種基色分量，就可以完全等效地呈現(xiàn)原有的彩色景象。同色異譜原理是彩色電視和其它彩色復(fù)制行業(yè)誕生的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。色度彩色還原(Colorimetric Color Reproduction)是評價LED及節(jié)能燈等照明光源及燈具和光環(huán)境顏色質(zhì)量的依據(jù)，準(zhǔn)確測量LED等光源的三基色度值，以及在此基礎(chǔ)上對顏色質(zhì)量做出科學(xué)的評定是制定相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的前提與關(guān)鍵。色度彩色還原也是實現(xiàn)優(yōu)美彩色還原(Preferred Color Reproduction)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 空間混色

由于人眼可以將彼此相近的不同顏色小單元看成是某一種綜合而成的顏色。相距很近的紅、綠、藍(lán)三個小基色光點，人眼在距他們較近的地方是能夠分辨這三個有色光點各自的色調(diào);但如果與這一組光點距離一定遠(yuǎn)以后人眼就覺得似乎是具有某種色調(diào)的單一光點，其色調(diào)決定于這三個基色小光點的相對強度，而不再能被看出三種基色的光點了。利用人眼的這一生理特性實現(xiàn)相加混色的方法稱為空間混色法，彩色電視顯像管上的彩色顯示，就是利用空間混色法來實現(xiàn)混色。在彩色顯象管的熒光屏上規(guī)則地排列著紅、綠、藍(lán)熒光粉小點。點子間距約為0.3mm，此間距對于2m以外的觀察者所張的視角不到0.6分，因而小于人眼的最小分辨角(1分)，小于視網(wǎng)膜上一個錐體細(xì)胞的面積，超越了視覺的空間分辨能力，因此三個熒光點的顏色雖然在客觀上占不同的空間位置，但在視覺效果上仍屬于同一空間面積，同時刺激視網(wǎng)膜，它們便混合成一個顏色。

2.3 對光源顏色的測量與評定

對光源顏色的評定的方法應(yīng)包括用儀器的客觀色度測量與相應(yīng)的評定。應(yīng)科學(xué)準(zhǔn)確表達(dá)光源的顏色，應(yīng)該指出色溫是很狹窄、很局限的概念，它僅能表達(dá)熱輻射光源如白熾燈的色表。不應(yīng)當(dāng)用色溫來描述非熱輻射光源如熒光燈、高壓鈉燈和LED的色表，因為它們的發(fā)光特性與黑體輻射相差很大，色度坐標(biāo)并不落在黑體軌跡上，相關(guān)色溫只能極為粗糙地表達(dá)氣體放電光源的顏色。實驗結(jié)果證明等色溫線上各點并不等色，甚至相差極遠(yuǎn)，等溫線在有些情況下已無實際意義，用色溫等一維數(shù)據(jù)無法在色域圖平面上確切表明其相應(yīng)位置，在色品圖上，人眼對顏色的分辨寬容范圍是橢圓;而不是直線，應(yīng)該用色度坐標(biāo)兩維數(shù)據(jù)確切表達(dá)其在色域圖中的位置。

3 白場色度值在低色溫附近群體的彩色顯示器圖像效果優(yōu)于高色溫附近群體的彩色顯示器

向低色溫的LED光源和背光源進(jìn)軍，不僅是防治LED藍(lán)光危害的重要途徑之一，還可以獲得良好的圖像效果。

我們可以從相關(guān)的科研成果中受到啟迪，主觀評價實驗結(jié)果分析見下表。

白場色品坐標(biāo)落在普朗克軌跡附近的彩色顯示器，對絕大部分圖像的彩色復(fù)現(xiàn)優(yōu)于色品坐標(biāo)偏離普朗克軌跡的彩色顯示器，即偏離普朗克軌跡MPCD數(shù)據(jù)大的彩色顯示器。

白場色度值在低色溫附近群體的彩色顯示器圖像效果優(yōu)于高色溫附近群體的彩色顯示器。

雖然，高色溫的彩色顯示器，初看時較為明亮，但很快就出現(xiàn)明顯的視疲勞。而白場色度值在低色溫附近群體的彩色顯示器圖像看起來柔和舒適，視疲勞小，彩色復(fù)現(xiàn)主觀評價的評分較高。使用了稀土類化合物Y2O3:Eu和Y2O2S:Eu作為紅熒光體，光效率有了提高，使得彩色顯示器低色溫基準(zhǔn)白得以實現(xiàn)。

雖然，彩色顯示器的低色溫與高色溫代表值與LED光源低色溫與高色溫代表值并不相同，但均有應(yīng)向低色溫方向前進(jìn)的趨向。

4 低照度下舒適的光色是偏黃的暖白色

低照度下偏黃色或偏黃的暖白色將激發(fā)起人類的喜慶感、華麗感、舒適的溫暖感。

在高照度下，舒適的光色是偏藍(lán)的白色，使人聯(lián)想到日光，但在低照度，舒適的光色是接近偏黃色的火焰光，這是符合人類的生理特點。研究結(jié)果表明，照度水平與光色的舒適感有關(guān)，在很低照度下，舒適的光色接近火焰(篝火、蠟燭、油燈)的光色，使人感到平和輕松。而高色溫的光在低照度下使人陰沉、昏暗;在偏低或中等照度下舒適的光色是接近黎明和黃昏的光色;只有在高照度下舒適的光色才是接近中午陽光的光色。因此，低照度下應(yīng)使用低色溫的光源，在高照度下應(yīng)使用高色溫的光源。夜景照明屬于低照度，因此筆者多次建議夜景照明主色調(diào)應(yīng)采用偏黃的暖色調(diào)，以提高景觀照明的舒適感和美譽力。

為制造低色溫的LED光源，在光譜中不足的紅光成分，可采用追加熒光體的方法來補充。除了黃光熒光體外，還要增加紅光熒光體。在藍(lán)光LED周圍，使綠光熒光體及黃光熒光體相組合，進(jìn)一步再與紅光熒光體相組合，使用這種組合熒光體就有可能制作出紅光成分多，顯色性優(yōu)良的白光LED照明及白燈泡色LED照明。由改變多種熒光體的配比在制造LED光源過程中，對合成的光譜形狀進(jìn)行調(diào)整達(dá)到所需的色溫和色度坐標(biāo)及顯色性。使用了稀土類化合物Y2O3:Eu和Y2O2S:Eu作為紅熒光體，光效率有了提高，使得彩色顯示器低色溫基準(zhǔn)白得以實現(xiàn)。同樣，為制造低色溫的LED光源，不斷研制優(yōu)良的紅光熒光體是解決LED藍(lán)光危害的關(guān)鍵。

5 測色儀器的選型

在相當(dāng)多數(shù)的情況下，解決工作中一系列的實際技術(shù)關(guān)鍵，不是測量色溫和測量光譜分布;而是準(zhǔn)確測量光源的色度坐標(biāo)，用四組濾光片彩色亮度計做好標(biāo)準(zhǔn)傳遞即可準(zhǔn)確測量光源和彩色顯示器背光源的色度坐標(biāo)。

根據(jù)中國計量科學(xué)研究院光學(xué)處殷玉□、馬煜、周慶國、桂康年和北京理工大學(xué)光電工程系鄭陽、侯素芳、蘆漢生等人撰寫的“光源色度國家基標(biāo)準(zhǔn)裝置體系的建設(shè)”一文中證實：“平板顯示光源的光譜分布都屬于譜線型的，各個譜線之間的強度差別往往達(dá)到三個數(shù)量級以上，常用的CCD光譜型測光測色儀器，例如Photo Research的PR650/705等，不能提供足夠的動態(tài)范圍來滿足色度測量的定標(biāo)需要。因此，必須要用高動態(tài)范圍的測色儀器，至少要采用光電二極管陣列(PDA)，甚至是光電倍增管(PMT)作探測器的測光測色儀器才能滿足需求。”

6 根據(jù)上述技術(shù)要求SPECTRA PR1TCHARD PHOTOMETER 1980適用于測量光源色及燈具和光環(huán)境及彩色顯示器背光源的色度坐標(biāo)

(1)1980的接收器件是光電倍增管(PR650、PR704、BM-7、SR-3A接收器件均為CCD)。

(2)1980含五個視場角，可適應(yīng)各種場合的需要，亮度測試范圍寬廣，由10-4到108(Candelas/Meter2)，SR-3A 20視場最高測量亮度為3，000尼特。

(3)1980為四組濾光片彩色亮度計，符合國家電視質(zhì)量檢驗中心發(fā)表文章所指出的技術(shù)要求。

(4)通過推算出C1、C2可以使1980與中國計量院的測色結(jié)果長期保持完全一致，圓滿地進(jìn)行國家級的計量傳遞，取得正確的測量結(jié)果。

7 結(jié)束語

綜上所述，向低色溫的LED光源和背光源進(jìn)軍，不僅可以防治LED藍(lán)光危害，還可以獲得良好的圖像效果激發(fā)起人類的喜慶感、華麗感、舒適的溫暖感。實驗結(jié)果尚表明色品坐標(biāo)落在普朗克軌跡附近的LED光源，彩色復(fù)現(xiàn)優(yōu)效果優(yōu)于色品坐標(biāo)偏離普朗克軌跡的LED光源，即偏離普朗克軌跡MPCD數(shù)據(jù)大的LED光源。

研究綠光熒光體黃光熒光體及紅光熒光體的最佳組合，是實現(xiàn)低色溫的LED光源的重要途徑;適用于光源及燈具發(fā)光特性的1980彩色亮度計測量色度值，為實現(xiàn)上述途經(jīng)創(chuàng)造了條件，使該項工作不僅具有科學(xué)上的優(yōu)越性和先進(jìn)性，也具有技術(shù)上的合理性和可行性。