城軌車(chē)輛客室照明色溫分析及改善

陳 勇 張 浩

中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 湖南株洲 412000

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，車(chē)輛客室照明逐漸由熒光燈優(yōu)化為L(zhǎng)ED光源，LED光源相較于熒光燈具有功率小、耐沖擊、抗震動(dòng)、免維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[1]。城軌車(chē)輛的客室照明LED光源一般選用白色光，而目前實(shí)際運(yùn)行的項(xiàng)目客室照明的色溫存在一定的差異。研究表明光源色溫對(duì)視覺(jué)環(huán)境的感知和環(huán)境溫度變化時(shí)人類的體感感知都有一定的作用，客室內(nèi)部照明的色溫將直接影響乘客的乘客體驗(yàn)及舒適度。本文結(jié)合廣州某項(xiàng)目客室照明的色溫差異對(duì)LED光源色溫的選擇及控制進(jìn)行研究分析。

一、客室照明色溫差異

隨著LED的技術(shù)越來(lái)越成熟，城市軌道車(chē)輛上已大量采用LED光源作為供電照明，照明系統(tǒng)包括客室燈具、燈罩及集中控制電源。客室照明燈具是采用LED為光源提供發(fā)光；燈罩是使LED發(fā)出的點(diǎn)光源進(jìn)行擴(kuò)散達(dá)到均勻的面光效率；集中控制電源是為燈具提供所需的穩(wěn)定工作電壓，并能通過(guò)電源實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)時(shí)(應(yīng)急/正常)的照度要求照明，也可通過(guò)電源調(diào)整LED衰減后的亮度補(bǔ)償?？褪艺彰鞯墓庠窗宀捎肔ED壓裝模具形式，每個(gè)光源板由28個(gè)燈珠并聯(lián)組成，6塊光源板組成一個(gè)模塊，由驅(qū)動(dòng)電源集中控制供電。

結(jié)合廣州某項(xiàng)目客室照明情況，隨機(jī)選取17列城軌車(chē)輛的光源板取樣在暗室點(diǎn)亮觀察，將所有光源板連在一起點(diǎn)亮，顏色相近的挨在一起，發(fā)光顏色有明顯差異，可分為三種顏色：偏白、偏紅和偏黃，其中偏白的有6列，偏紅的有3列，偏黃的有8列，詳見(jiàn)圖1。

二、色溫控制原理

考慮到技術(shù)可行性和性能穩(wěn)定性，城軌車(chē)輛內(nèi)部采用的LED照明一般通過(guò)紅、綠、藍(lán)單色LED混光生成白光，即所謂RGB技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，也最為實(shí)用。但在實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，通過(guò)統(tǒng)計(jì)觀察，發(fā)現(xiàn)存在大量光源顯色存在明顯差異，為進(jìn)一步分析LED光源板的色溫顯色差異問(wèn)題，需對(duì)LED的發(fā)光原理、色溫的標(biāo)準(zhǔn)及控制方法進(jìn)行研究說(shuō)明。

(一)LED發(fā)光原理

目前客室照明的LED光源是將遍布可見(jiàn)光區(qū)的多種光芯片封裝在一起，構(gòu)成白色LED，發(fā)光材料一般為InGaN或GaP等。LED光源是一種基于P-N結(jié)電致發(fā)光的原理制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其中由以空穴主導(dǎo)的P型半導(dǎo)體和以電子主導(dǎo)的N型半導(dǎo)體兩部分組成，當(dāng)LED兩段存在電位差時(shí)，電子將在電勢(shì)的作用下與空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生熱輻射，其中一部分以熱能的形式聚集在了芯片LN結(jié)處，其余部分則可以轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，詳見(jiàn)圖2。

(二)色溫理論概念

色溫是描述一類顏色相近的光源的光譜結(jié)構(gòu)的標(biāo)量，是按絕對(duì)黑體為基準(zhǔn)來(lái)定義的，理論上通過(guò)比較一個(gè)光源發(fā)射出的顏色和某一溫度下黑體輻射的顏色，當(dāng)兩者的基本一致時(shí)，此時(shí)黑體的溫度表示為該光源的色溫。國(guó)際上通用的色溫選取的基礎(chǔ)是CIE系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原理是基于顏色由三原色按比例混合而成的，詳見(jiàn)圖3。色溫根據(jù)人類感受的不同可區(qū)分為冷暖兩種，其中暖光偏紅外輻射，給人溫暖的感受，而冷光更接近藍(lán)色輻射，給人清冷的感受。另外色溫與光源的強(qiáng)度也存在相對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)，通常來(lái)說(shuō)，光源的照度越低，令人舒適的色溫則偏冷；而照度越高，令人舒適的色溫則偏暖。從人類眼睛的感知角度考慮，有研究表明，暖光環(huán)境下乘客使用手機(jī)或閱讀書(shū)籍會(huì)更加舒適[2]。

一般來(lái)說(shuō)，客室內(nèi)照明強(qiáng)度應(yīng)該一致，而且在離地板高800mm處測(cè)量的任何點(diǎn)的照度不小于300lx，且不大于400lx，同時(shí)目前城軌車(chē)輛客室內(nèi)部照明通常采用的色溫為6500K左右，公差控制在300K范圍以內(nèi)。

(三)色溫經(jīng)典計(jì)算

目前城軌車(chē)輛LED照明的生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)基本采用國(guó)際照明委員會(huì)(簡(jiǎn)稱CIE)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，最常見(jiàn)的經(jīng)典計(jì)算方式是采用國(guó)際照明委員會(huì)色度計(jì)算方法來(lái)確定目標(biāo)色溫下的顏色色品坐標(biāo)，采用色溫經(jīng)典計(jì)算公式：

T=669A4-779A3+3660A2-7047A+5652

式中T為色溫，A為等色溫線斜率的倒數(shù)，它表示為：

A=x-0.329/y-0.187

式中x、y為等溫線上任意一點(diǎn)的色品坐標(biāo)。

上述經(jīng)驗(yàn)公式是等溫線交點(diǎn)法得到的最小誤差經(jīng)驗(yàn)公式[3]。在城市軌道交通項(xiàng)目中，客室內(nèi)部照明色溫值通常選取在6500K左右，結(jié)合CIE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的等溫線的色品坐標(biāo)，從中抽取一系列的色溫值對(duì)該經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)證，該經(jīng)驗(yàn)公式給出的色溫值和理論值相比，誤差都非常小，因此，可以直接把該經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用到色溫控制的計(jì)算模型中去。

三、測(cè)試及結(jié)果分析

從基本原理出發(fā)，人眼視覺(jué)系統(tǒng)中對(duì)光譜的響應(yīng)即色溫，通常一種光譜結(jié)構(gòu)只對(duì)應(yīng)一種顏色，但是同一種顏色可以達(dá)對(duì)應(yīng)多種光譜結(jié)構(gòu)。色溫的目的是對(duì)人類視覺(jué)感官不同用一個(gè)標(biāo)量來(lái)描述，而光譜結(jié)構(gòu)擁有一個(gè)主波長(zhǎng)，體現(xiàn)主波長(zhǎng)的顏色維度正是色調(diào)。簡(jiǎn)單來(lái)講相同的色溫可以對(duì)應(yīng)一個(gè)龐大的基于光譜的數(shù)據(jù)集，但是在人為視覺(jué)感受上卻可能存在一定差異。在廣州某項(xiàng)目隨機(jī)選擇17列車(chē)輛的客室照明LED光源板，拆解后進(jìn)行實(shí)際色溫檢測(cè)及統(tǒng)計(jì)，光源板的顯色色溫均符合6500K左右。

(一)BIN次測(cè)試

通過(guò)色溫經(jīng)典計(jì)算方法反推色溫的控制坐標(biāo)均符合對(duì)每列車(chē)的光源板LED的BIN次，確認(rèn)統(tǒng)計(jì)共有PA、PB、P6+PB混貼、PA+P7混貼和W65(中心BIN)共5種，詳見(jiàn)下表。所謂BIN次是依據(jù)CIE系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中不同色溫下所對(duì)應(yīng)的靶譜，根據(jù)不同的計(jì)算方法和分色分光方式，在6500K相同色溫下會(huì)存在多種不同的組合，而不同的BIN次組合而形成的色溫顯色會(huì)有著明顯的差異。

光源板的BIN次和發(fā)光顏色統(tǒng)計(jì)表

(二)結(jié)果分析

經(jīng)對(duì)比分析，LED廠家的前后生產(chǎn)的光源板的分光分色方式存在差異，通過(guò)第2章節(jié)介紹的色溫計(jì)算公式對(duì)采集的色溫進(jìn)行反向計(jì)算，發(fā)現(xiàn)色溫均處于6500K左右，目前采用的是亞當(dāng)橢圓3STEP的分光方式，選用的是一個(gè)中心BIN的LED。而LED廠家原來(lái)采用的是菱形色域的分光分色方式，選用的是4個(gè)BIN的LED。

根據(jù)CIE色譜圖和LED廠家原來(lái)采用的菱形色域的分光分色方式，PA和PB的BIN次色坐標(biāo)落點(diǎn)在右上角區(qū)域，發(fā)光顏色會(huì)相對(duì)偏黃，P7的BIN次色坐標(biāo)落點(diǎn)在右下角區(qū)域，發(fā)光顏色會(huì)相對(duì)偏紅。雖然均屬于6500K色溫的選取范圍內(nèi)，但是不同的BIN次會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的發(fā)光二極管的顯色存在比較明顯的差異。

基于上述分析可知，色溫作為描述光源特性的一個(gè)基本參數(shù)，在顏色測(cè)量和控制中起到重要作用。但是依據(jù)CIEUCS系統(tǒng)均勻色品圖中相關(guān)色溫的不一致性，即同一個(gè)色度坐標(biāo)，在不同色品坐標(biāo)系中計(jì)算所得的相關(guān)色溫存在差異，導(dǎo)致在LED光源生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)榉止夥稚绞降牟煌駼IN次的細(xì)微差異導(dǎo)致顯色存在不同。城市軌道車(chē)輛的批量生產(chǎn)周期一般會(huì)持續(xù)一年以上時(shí)間，因裝車(chē)周期較長(zhǎng)，在LED光源板批量生產(chǎn)過(guò)程中必然存在批次性，雖然依據(jù)等溫線交點(diǎn)法反推出來(lái)的色溫的X、Y坐標(biāo)保持一致，但相同色溫存在一定的色域范圍值，即依據(jù)菱形分色分光或亞當(dāng)橢圓3step進(jìn)行二次細(xì)分，不同批次的光源板所選取的BIN次靶標(biāo)存在一定的差異性，最終導(dǎo)致裝車(chē)的光源板在顯色上存在偏色的情況。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了色溫的基礎(chǔ)概念和計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行案例，對(duì)影響LED照明色溫的因素進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對(duì)發(fā)光二極管選擇色域的分光分色方式及CIE標(biāo)準(zhǔn)中BIN次靶標(biāo)的選擇進(jìn)行了檢測(cè)對(duì)比，對(duì)客室內(nèi)部照明存在不同程度色差進(jìn)行了分析?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，色溫作為顏色的一個(gè)度量參數(shù)，同種色溫對(duì)應(yīng)一種或多種光譜結(jié)構(gòu)，不同的標(biāo)準(zhǔn)存在不同的分光分色原則，相同的標(biāo)準(zhǔn)同一色溫也對(duì)應(yīng)不同的BIN次，色譜靶標(biāo)的不同同樣會(huì)導(dǎo)致色溫的差異。因此在地鐵客室照明的制造生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)品的色譜參考標(biāo)準(zhǔn)和BIN次的統(tǒng)一，為后期地鐵車(chē)輛的客室照明色溫的控制提供了參考依據(jù)。