LED照明新技術(shù)發(fā)展中標(biāo)準(zhǔn)光源應(yīng)用的要求

黃 彥，楊春宇，段 然

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400050)

LED研究

LED照明新技術(shù)發(fā)展中標(biāo)準(zhǔn)光源應(yīng)用的要求

黃 彥，楊春宇，段 然

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400050)

隨著新一代照明光源LED的飛速普及，圍繞新技術(shù)發(fā)展的各種應(yīng)用需求不斷出現(xiàn)，部分行業(yè)技術(shù)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)可能面臨較大修訂。通用的標(biāo)準(zhǔn)照明體已廣泛應(yīng)用于紡織、印染、顏料、化工等需要進(jìn)行色彩管理的領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)光源在指標(biāo)定量、制備實現(xiàn)等方面或?qū)⒂龅郊夹g(shù)調(diào)整的需求，文章著重從實踐應(yīng)用層面分析了目前主要標(biāo)準(zhǔn)光源的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及實現(xiàn)情況，并針對其在LED技術(shù)革新中的應(yīng)用發(fā)展做了討論。

LED照明；新技術(shù)；標(biāo)準(zhǔn)光源；光譜功率分布

1 標(biāo)準(zhǔn)照明體與標(biāo)準(zhǔn)光源

1.1 標(biāo)準(zhǔn)照明體

可以影響客觀物體色彩的可見光波長范圍，具有特定的光譜功率分布，定義為“照明體”。

照明體最關(guān)鍵的指標(biāo)即光譜功率分布，照明體是由參數(shù)確定的理想化的客體，照明體不一定是人工光源，具有某些光譜功率分布的照明體也不一定可以通過人工光源來實現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)照明體是指由CIE推薦的用于色度學(xué)等領(lǐng)域的照明體，包括標(biāo)準(zhǔn)照明體A、B、C、D，部分照明體色品坐標(biāo)如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)照明體A：色品坐標(biāo)位于黑體軌跡上，代表完全輻射體絕對溫度為2 856 K時的相對光譜功率分布。

標(biāo)準(zhǔn)照明體B：色品坐標(biāo)點緊靠黑體軌跡，代表相關(guān)色溫約為4 874 K的直射陽光，光色相當(dāng)于中午的陽光。

標(biāo)準(zhǔn)照明體C：色品坐標(biāo)緊靠黑體軌跡下方，代表相關(guān)色溫為6 774 K的平均晝光。光色近似薄云天空的白光。

標(biāo)準(zhǔn)照明體D65：色品坐標(biāo)位于黑體軌跡偏G(綠)方向，代表相關(guān)色溫為6 504 K的晝光。

其他標(biāo)準(zhǔn)照明體D，是除了標(biāo)準(zhǔn)照明體D65以外的其他晝光的模擬，如D50、D55、D75等，各照明體的相關(guān)色溫分別是5 000 K，5 500 K及7 500 K。

實踐中一般現(xiàn)在采用標(biāo)準(zhǔn)照明體D代表晝光，標(biāo)準(zhǔn)照明體A、C則廣泛應(yīng)用于色度學(xué)以及測量實驗中。

圖1 u’—v’圖中的黑體軌跡和A，C，D照明體

1.2 標(biāo)準(zhǔn)光源及實現(xiàn)

“光源”是指能發(fā)光的物理輻射體，包括各種人工或自然光源，比如燈、太陽。為了實現(xiàn)以上CIE規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)照明體的要求，于是就規(guī)定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光源，以具體實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)照明體所要求的光譜能量分布(見圖2)。通俗的說，某個人工光源如果在其照射下觀察到的物體顏色與在自然光線下觀察到的物體顏色非常相似，那么這個人工光源可以稱為標(biāo)準(zhǔn)光源。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)照明體的相對光譜功率分布

針對標(biāo)準(zhǔn)光源的實現(xiàn)，CIE推薦了以下通過現(xiàn)有人工光源進(jìn)行模擬和實現(xiàn)的方法。

標(biāo)準(zhǔn)光源A：由色溫為2 856 K的充氣螺旋鎢絲燈實現(xiàn)，其光色偏黃。

標(biāo)準(zhǔn)光源B：色溫為4 874 K，由A光源加罩B型D-G(戴維斯-吉伯遜)液體濾光器組成，光色相當(dāng)于中午日光。

標(biāo)準(zhǔn)光源C：色溫為6 774 K，由A光源加罩C型D-G液體濾光器組成，光色相當(dāng)于有云的天空光。

標(biāo)準(zhǔn)光源D65：目前CIE還沒有推薦相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光源?，F(xiàn)在研制的3種模擬D65人造光源分別為帶濾光器的高壓氙弧燈、帶濾光器的白熾燈和熒光燈。

在實踐中液體濾光器需要十分仔細(xì)的配置，使用也很不方便。因而，經(jīng)常用近似的玻璃濾光器替代，當(dāng)然所有獲得的光譜透射特性不可能如所希望的那樣準(zhǔn)確。

2 標(biāo)準(zhǔn)光源的應(yīng)用

因為人工照明環(huán)境中人眼對色彩的判斷會因觀察條件與自然光條件(太陽光)的區(qū)別而產(chǎn)生差異，標(biāo)準(zhǔn)光源的重要作用即為色彩的觀察創(chuàng)造良好、穩(wěn)定的，能看到盡可能真實色彩的環(huán)境(見圖3)，在標(biāo)準(zhǔn)光源照明環(huán)境中，才能在不同的色彩應(yīng)用領(lǐng)域準(zhǔn)確地評價色彩管理的成果。

圖3 D65標(biāo)準(zhǔn)光源箱(多光源)

標(biāo)準(zhǔn)光源B、C都可以由A光源通過濾光的方式實現(xiàn)，比實測的日光視覺感受更偏粉紅，在實踐應(yīng)用中，有部分對熒光材料及染料技術(shù)的特定照明需求，對光源中的紫外輻射部分有一定的要求，加之B、C光源設(shè)備較為復(fù)雜等原因，CIE在后期的技術(shù)報告中提出逐步淘汰B、C光源而采用D光源作為標(biāo)準(zhǔn)日光的代表，因此對D光源的模擬是實踐應(yīng)用中亟待解決的問題。D65照明體的主要用途是加權(quán)計算物體色的三刺激值和其他色度數(shù)據(jù)，可廣泛應(yīng)用于紡織印染、服裝皮革、噴涂電鍍、顏料化工、印刷包裝等顏料管理領(lǐng)域。此外，隨著照明與視覺科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于城市、建筑等室內(nèi)外照明領(lǐng)域，同樣需要以標(biāo)準(zhǔn)光源作為科學(xué)評價光環(huán)境視覺功效的基礎(chǔ)環(huán)境條件，如商業(yè)照明中存在的色差及“同色異譜”現(xiàn)象，博物館及美術(shù)館環(huán)境中，不同展品在標(biāo)準(zhǔn)光源觀察條件與渲染照明之間的主觀視覺效果評價、對比等。在所有視覺應(yīng)用領(lǐng)域，如果缺少標(biāo)準(zhǔn)光源的橋梁和媒介作用，將無法正確建立對視看或評估對象的真實物理色彩評價。

3 標(biāo)準(zhǔn)光源的關(guān)鍵參數(shù)

色彩管理實踐運用中，因為色彩管理目的是為了還原真實的物理色彩，在各種工藝流程中使色彩視覺損失最小化，對光源要求盡可能模擬不同時間的天然光，CIE規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)光源都是具有特定的色溫和光譜能量分布的，其中最關(guān)鍵的是采用人工光源的技術(shù)，對不同日光環(huán)境進(jìn)行模擬。不論是什么應(yīng)用類別的標(biāo)準(zhǔn)光源實現(xiàn)，其關(guān)鍵參數(shù)即色溫和顯色指數(shù)的實現(xiàn)(光譜)，色溫為光源色彩表現(xiàn)指標(biāo)，顯色性則是衡量視覺質(zhì)量的指標(biāo)。光源色溫為人們視覺所習(xí)慣，顯色性是光源質(zhì)量最重要的指標(biāo)，顯色性直接影響著視看目標(biāo)物體的視覺顏色感受。

4 LED新技術(shù)發(fā)展對標(biāo)準(zhǔn)光源的要求

隨著各行業(yè)領(lǐng)域?qū)ι使芾砥焚|(zhì)的不斷提升，LED新一代光源及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對標(biāo)準(zhǔn)光源的參數(shù)實現(xiàn)、應(yīng)用方法等提出了不同的要求。

熱輻射光源如鎢絲燈等，是已經(jīng)廣泛使用的人造光源，其技術(shù)參數(shù)以及制造工藝相當(dāng)成熟，由熱輻射光源配合相應(yīng)手段實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)光源為較多測試方法、測色儀器所普遍使用。因LED光源窄光譜功率分布的特性，目前市面上主流白光LED的實現(xiàn)方法主要為藍(lán)光芯片激發(fā)紅黃熒光粉實現(xiàn)，LED光譜特征與傳統(tǒng)熱輻射光源、氣體放電光源有著較大的差異，隨著LED新技術(shù)的飛速發(fā)展，各種LED器件的制備方法不斷推陳出新，因此，在對LED器件光度、色度參數(shù)進(jìn)行測試和評估時，對標(biāo)準(zhǔn)光源的相關(guān)參數(shù)要求及實現(xiàn)方式，可能也需相應(yīng)地做出技術(shù)變更及調(diào)整。

LED產(chǎn)品的推廣應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展，對標(biāo)準(zhǔn)光源應(yīng)用發(fā)展的要求主要包括兩個方面。

1)LED產(chǎn)品的測試

對現(xiàn)階段標(biāo)準(zhǔn)光源及標(biāo)準(zhǔn)觀測環(huán)境的技術(shù)指標(biāo)定義，是否能滿足LED照明產(chǎn)品的測試要求，即仍采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)光源制備方法及相應(yīng)觀測技術(shù)手段作為條件，如何能有效提升對樣品光度、色度參數(shù)測試的精確度。

主要與LED產(chǎn)品自身的光度、色度參數(shù)和傳統(tǒng)光源產(chǎn)品的差異有關(guān)，發(fā)光機(jī)理決定了現(xiàn)階段大部分常規(guī)LED產(chǎn)品為面(半球)發(fā)光光源，一般通過透鏡、反射器等手段，在半球空間內(nèi)對光進(jìn)行再分配，相對傳統(tǒng)光源來說，可能存在局部光通空間密度較大的情況；同時，LED器件顯色性與發(fā)光效率、光譜功率分布之間也存在相互影響的關(guān)系，在各種因素的影響下，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)光源及觀察環(huán)境條件下定義的指標(biāo)參數(shù)如亮度、均勻度等，能否滿足LED產(chǎn)品的測試要求，保證測試的科學(xué)性和精確度，是應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究的課題。

2)LED產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)光源實現(xiàn)及測試中的應(yīng)用

由于LED與傳統(tǒng)光源在發(fā)光原理、光譜功率分布等方面的差異，采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)光源為基準(zhǔn)的測試設(shè)備對LED產(chǎn)品進(jìn)行檢測時，測試結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性容易受到影響；同時，隨著光度、色度測試儀器朝著高效、便攜的方向不斷發(fā)展，若考慮采用LED光源作為測試儀器的標(biāo)準(zhǔn)光源，則需要考慮白光LED在某些波段光譜功率分布的缺失，國內(nèi)某些廠家已經(jīng)開始采用特定的混光技術(shù)，制造出具有相對均衡光譜功率分布的LED光源(見圖4)，可以進(jìn)一步提升測試系統(tǒng)效率和響應(yīng)速度，也可在一定程度上保證儀器對新型LED光源產(chǎn)品測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖4 通過特定混光技術(shù)解決白光LED光源的光譜缺失問題

5 結(jié) 論

LED作為新一代光源目前已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，隨著LED技術(shù)應(yīng)用研究的不斷深入，LED照明產(chǎn)品在制備效能、發(fā)光效率以及色彩表現(xiàn)方面正發(fā)生著翻天覆地的變化，在技術(shù)飛速發(fā)展的進(jìn)程中，應(yīng)針對LED光源器件光度、色度指標(biāo)與傳統(tǒng)光源的差異進(jìn)行深入的分析和研究，結(jié)合實驗測量、儀器制備及光學(xué)電子等相關(guān)專業(yè)知識，促進(jìn)基于LED新技術(shù)的測試標(biāo)準(zhǔn)、測試方法以及標(biāo)準(zhǔn)光源器件的更新和技術(shù)發(fā)展，從而科學(xué)、準(zhǔn)確地評價LED照明產(chǎn)品在實踐應(yīng)用中的視覺表現(xiàn)。

[1] 喻柏林，荊其誠.光源的色溫和CIE標(biāo)準(zhǔn)光源[J]. 國外計量,1977(1).

[2] 胡能忠，吳錦全. 透過模擬CIE標(biāo)準(zhǔn)光源實現(xiàn)動態(tài)全頻譜照明[C]∥海峽兩岸第十六屆照明科級與營銷研討會，2009.

[3] 劉霖，黃巖.標(biāo)準(zhǔn)光源的重要性與主要判斷指標(biāo)[J].印刷質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化, 2008(1):41- 43.

Apply requirements of standard luminaries in the development of LED new technology

Huang Yan，Yang Chunyu，Duan Ran，Chen Ting,Zhao Wen,Xiang Yiyan

(Faculty of Architecture and Urban Planning,Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area,Ministry of Education,Chongqing Uuiversity,Chongqing 400045)

with the popularity od LED application,various kinds of apply requirements continue to emerge,several occupation standards need yo be revised.universal standard illuminanys have wildly be used in textile,printing and dyeing,pigment,chemical industry fields which need color managment,the technology of index quantification and realization of standard illuminants should be adjusted and amended.the paper focused on the analtsis of technology standards and implement methods of univsrsal standard illuminants in practice.

LED lighing;new technology;standard illuminant;spectral power distribution

2016- 01-18

黃彥，男，博士，主要從事建筑光學(xué)研究。