利用單色LED組裝實現(xiàn)的全光譜珠寶燈在寶石展覽照明中的應(yīng)用

黃偉呈，湯露瑤，劉木清

(1.復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系，上海 200433；2.復(fù)旦大學(xué)先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433；3.復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海 200433)

引言

寶石顏色豐富多彩，或濃郁，或淡雅，或單一，或疊加。寶石之美在合適的燈光照明下會展現(xiàn)得更為充分，令人印象深刻。然而，因為寶石顏色的多樣性與疊加性，現(xiàn)行的顯色指數(shù)不能直觀地表示出光源對多彩寶石的照明效果。傳統(tǒng)LED展示燈由于光譜的不連續(xù)性，會帶來珠寶在某個波段下反射色彩的缺失，很難還原如日光照射時的光彩奪目、熠熠生輝[1]。

太陽光的光譜分布是連續(xù)且較為平坦的，現(xiàn)有的電氣光源中唯有白熾燈光譜非常靠近太陽光譜。這是由于它的發(fā)光原理是熱輻射，光譜是連續(xù)譜。但因為白熾燈有高的耗能，光效很低，正逐步被淘汰。LED由于其光譜組裝的靈活性，是復(fù)現(xiàn)太陽全光譜的新型光源[2]。本實驗利用不同峰值波長的單色光LED組裝成接近太陽光譜的新型珠寶展示燈具，以求再現(xiàn)多彩寶石在日光下的絢麗多彩。

1 珠寶選擇

根據(jù)系統(tǒng)寶石學(xué)及專業(yè)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，黃金類飾品在3 500～4 000 K 色溫下可以表現(xiàn)出最佳展示效果，鉆石類飾品在7 000～10 000 K色溫下可以表現(xiàn)出最佳的展示效果，翡翠、瑪瑙類寶石在4 500～5 500 K色溫可以表現(xiàn)出最佳的展示效果。所以在本實驗中，選用了不同品種的10種有色寶石進(jìn)行了反射光譜的測試。10種有色寶石的名稱及屬性如表1所示。

表1 10種有色寶石特性[3，4]

2 太陽光譜燈的組裝

因為目前市面上還沒有全光譜的珠寶展示燈，所以采用自主組裝的方式進(jìn)行制作。

在實驗中，由于選定的寶石為托帕石、翡翠、綠柱石等有色寶石，根據(jù)系統(tǒng)寶石學(xué)的統(tǒng)計，實驗人員將色溫4 500 K的太陽光譜[5]選為其目標(biāo)譜。圖1所示為此色溫下太陽光譜的相對光譜功率分布曲線。

圖1 4 500 K日光相對光譜功率分布曲線Fig.1 Relative spectral power distribution curve of 4 500 K daylight

實驗中，選用了15種LED單色光芯片，峰值波長各不相同。通過積分球?qū)λ慕^對及相對光譜強度進(jìn)行測試。圖2為這些LED芯片的光譜功率分布。可以看出在可見光波長范圍內(nèi)，這些選擇的芯片幾乎能夠覆蓋整個波段。

圖2 15種LED的光譜功率分布Fig.2 Spectral power distribution of 15 kinds of LEDs

采用最小二乘法，對通過太陽目標(biāo)光譜以及組合LED光譜的相似度進(jìn)行評估。

(1)

式(1)中，E為總光譜失配評價指數(shù)；Ki為功率系數(shù)；Si(λ)為LED光譜分布[7]；ST(λ)為目標(biāo)光譜分布。對于兩光譜而言，E越小，表示它們有越高的相似度，失配度則越低。匹配光譜目的即找出一組組合功率系數(shù)，實現(xiàn)最小E值。綜上所述，利用式(1)，我們能夠在本實驗中得到每組LED回路的功率系數(shù)，并求解得出最小值。

3 光譜組裝結(jié)果

該試驗根據(jù)選擇的均勻性原則，在380～780 nm范圍內(nèi)挑選12種LED芯片進(jìn)行擬合。峰值波長為389 nm、529 nm和599 nm的三種LED在優(yōu)化過程中因不同的LED芯片的替代作用，功率系數(shù)降至0.001以下，超出PWM調(diào)光模塊能夠設(shè)定的范圍，并且沒有保留的必要。所以在結(jié)果中刪除了這三路LED，最后留下12種LED。匯總軟件計算得出的LED芯片(峰值波長不一樣)功率系數(shù)、總光譜失配評價指數(shù)E(日光譜以及擬合光譜)、擬合光譜的xyz色坐標(biāo)C(選擇CIE1931三刺激值計算，有5 nm的波長間隔)[8]如表2所示，以及光譜組裝結(jié)果示意圖如圖3所示。

表2 用12種LED模擬太陽光譜

圖3 用12種LED模擬4 500 K太陽光譜Fig.3 Simulation of 4 500 K solar spectrum using 12LEDs

在實驗中，實驗人員選取了5種市面上常見光源，把5種光源的擬合光譜與太陽光譜進(jìn)行對比分析，得到數(shù)據(jù)如表3所示。可見，現(xiàn)有市面上常見光源歸一化系數(shù)theta均在1.2以上，失配指數(shù)E均在0.3以上，熒光燈甚至達(dá)到了0.5。而采用12路LED模擬太陽光譜的組裝燈可以將E降低至0.05左右，充分顯示了多種單色LED模擬太陽光譜燈在和市面上常見的LED平板燈及熒光燈管相比，具有良好的復(fù)現(xiàn)性及色彩飽和度。

表3 常見光源光譜與太陽光譜的相似度

4 反射光譜的比較

本實驗將10：00時的太陽光的反射光譜作為標(biāo)準(zhǔn)光譜，分別在普通珠寶展柜燈及本文組裝的LED組裝燈進(jìn)行進(jìn)一步的量化分析，并比較E值。

在入夏晴天10：00時將太陽光引入暗室中，照射在有色寶石上的反射光譜作為檢測光譜。并分別檢測在傳統(tǒng)的單顆3 W 4 000 K的珠寶展柜燈下及12路單色光LED芯片模擬了4 500 K太陽光譜的LED組裝燈下，各種有色寶石的反射光譜。圖4曲線a為托帕石在太陽光譜下的反射光譜分布曲線，曲線b為在LED組裝燈下的反射光譜分布曲線。圖5曲線b為托帕石在太陽光譜下的反射光譜分布曲線，曲線a為在普通珠寶展柜燈下的反射光譜分布曲線。

圖4 托帕石在LED組裝燈下的反射譜Fig.4 Simulation of reflection of Topaz from LED assembly lamp

圖5 托帕石在珠寶展柜燈下的反射譜Fig.5 Simulation of reflection of Topaz from ordinary LED lamp

將所有的10種有色寶石分別在LED組裝燈照射下，測出其反射值。將所得反射光譜與其在日光下的反射光譜作對比，計算出偏差值E，如表4所示。

表4 10種有色寶石分別在LED組裝燈下、在普通珠寶展柜燈下與其在日光下的反射光譜對比的偏差值E

5 主觀試驗

本實驗還采用了被試者主觀評價的實驗方法，采用紙筆調(diào)查問卷的形式。選取6名被試，3男3女，年齡為24～30歲，均具有正常的視力或矯正視力，且無色盲、色弱等其他眼疾。選用的主觀評價標(biāo)準(zhǔn)為色差感和珠寶在光線下的表達(dá)質(zhì)感。評價體系如下所述：首先，將色差感、質(zhì)感歸入VS(very small，非常小)，S(small，較小)，M(medium，中等)，L(large，較大)，VL(very large，非常大)五個大類，然后在每個大類中再進(jìn)行5個等級的細(xì)分，細(xì)分等級為1、2、3、4、5。整體評價以諸如VS3、M2、L4的形式展示。為了便于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，最后將得分轉(zhuǎn)換以1～25的數(shù)字表示。表4為色差、質(zhì)感評定標(biāo)準(zhǔn)及得分轉(zhuǎn)換示意表。表5及表6為被試統(tǒng)計結(jié)果的平均值[1]。

表5 色差、質(zhì)感評定標(biāo)準(zhǔn)及得分轉(zhuǎn)換

表6 10種有色寶石分別在LED組裝燈下、在普通珠寶展柜燈下色差主觀評價平均分

圖6和圖7是統(tǒng)計結(jié)果數(shù)據(jù)的直方圖。可以直觀地看出，8種不同有色寶石樣品在LED組裝燈下的分要低于珠寶展柜燈下色差質(zhì)感的得分結(jié)果。其中，樣品黑瑪瑙、珍珠，在兩種光源下的得分相近，這可能是因為黑瑪瑙與珍珠的黑色與白色，色差與質(zhì)感的對于光譜的多樣性的要求不如有色寶石及透明質(zhì)感的寶石高。

圖6 色差評定結(jié)果Fig.6 Line chart of the chromatic aberration level score

圖7 質(zhì)感評定結(jié)果Fig.7 Line chart of the texture level score

名稱LED組裝燈珠寶展柜燈托帕石6.5012.00石榴石耳環(huán)6.2015.67蜜蠟6.5013.83黑瑪瑙手鐲5.838.33石榴石散珠7.1616.83翡翠手鐲7.0014.83珍珠項鏈7.339.00翡翠項鏈7.5014.33綠柱石11.0018.17紫塑料手串10.5012.67

6 總結(jié)

本試驗選用12種不同峰值波長的單色光LED芯片制作了一款LED組裝燈，該燈的光譜模擬了4 500 K下的太陽光譜。利用該組裝燈和市場上常見的珠寶展柜燈對10種多彩寶石進(jìn)行重點照明，同時測量寶石在LED組裝燈下、普通珠寶展柜燈下和自然太陽光下的反射光譜。提出了一種匹配程度的標(biāo)準(zhǔn)E，用于評價珠寶燈光譜與日光光譜的相似程度。計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用普通珠寶展覽燈時，E平均值為1.255 2；當(dāng)采用12路LED組裝燈時，E平均值降低至0.201 6，可見組裝光譜對多彩寶石的復(fù)現(xiàn)程度是非常良好的。募集6名被試參與主觀試驗，評價指標(biāo)為色差感和珠寶在光線下的表達(dá)質(zhì)感。在主觀性實驗中的數(shù)據(jù)證明除了托帕石、黑瑪瑙及珍珠，其他的多彩寶石在組裝燈下的評定結(jié)果中要顯著優(yōu)于傳統(tǒng)珠寶燈下。說明LED類太陽光譜珠寶燈在提高珠寶的顏色飽和度，質(zhì)感表達(dá)和減低色差方面表現(xiàn)優(yōu)異，值得在商業(yè)照明中予以推廣。