LED显示屏干扰光问题的探讨

2017-03-08王化锋

智能建筑电气技术 2017年6期

王化锋 / 周辉

(上海三思电子工程有限公司，上海 201199)

1 干扰光的范畴

通常来说，凡是不被正确使用的光均应属于干扰光，从人和环境角度考虑，本文将干扰光分为两类，第一类是对人无直接影响的干扰光，这里简称为间接干扰光，其特点是只消耗能源不产生效益；第二类是对人和环境造成不良影响的光，简称为直接干扰光，特点是产生效益的同时，给人和环境带来一定的负面影响。

间接干扰光的具体范畴详见表1。

表1 间接干扰光的具体范畴

直接干扰光的具体范畴详见表2。

表2 直接干扰光的具体范畴

以发光二极管(LED)作为载体的大型多媒体显示终端和信息引导平台已越来越多地被使用在各种场合(如大型商业区、综合商务区、公路交通、铁路交通、体育场馆等)，大多数LED显示屏选址通常以商业价值作为评判依据，导致很多LED显示屏安装在居民楼、办公楼和公路附近。由于LED显示屏产品自身的光辐射特性、制造商系统设计技术水平差异和使用时运行状态的准确性偏差，造成很多LED显示屏产生某些干扰光，给人和环境带来一定的影响。因此本文通过了解不同的使用环境(场合)对光照(亮度)、辐射角度的基本需求及照度限值，根据LED显示屏光辐射特性的测量，探究LED显示屏干扰光的种类，及通过哪些技术可以减少或消除LED显示屏干扰光。

2 LED显示屏的干扰光

要确定LED显示屏会带来哪些干扰光，首先需要明确LED显示屏的光辐射性能，根据其辐射特性分析LED显示屏可能形成的干扰光。

2.1 光辐射特性

LED显示屏是以模块为最小单元拼接构成的，因此可以通过测量模块的光辐射性能来推算LED屏的辐射特性，本测试模块规格为：像素间距：20mm；分辨率：8×8像素；尺寸：160mm×160mm；像素配置：1R1G1B。模块详见图1所示。

图1 模块

采用光强空间分布测试系统在暗室环境进行测试，测试距离5.84m，距离较远，模块可近似于点光源来看待，单个模块的空间光辐射特性与显示屏的空间光辐射特性一致，图2～3列出了水平和垂直两个方向的光线辐射分布及空间立体辐射分布的实际测试结果。

图2 水平方向空间辐射

图3 垂直方向空间辐射

根据模块的发光强度可以推算出显示屏的法线方向亮度，亮度是单位面积显示屏的发光强度，亮度与光强计算公式见式(1)。

L0=I0/A

(1)

式中，L0为测试模块的亮度，cd/m2，A为试验模块的面积，m2。

以8×8试验模块测试数据为例，发光强度I0取383cd，水平半功率角(θ1/2)取49°，垂直半功率角(θ1/2)取24.3°，则测试模块的亮度L0=383/0.025 6=14 960cd/m2。

LED显示屏由若干LED模块空间拼接组成，因此其光辐射特性与单个模块的光辐射是一致的。LED显示屏光强辐射分布示意图详见图4。上述空间辐射测试数据表明，LED显示屏的光辐射有以下几个特性。

1)在显示屏面积范围内，其辐射亮度在LED发光面法线方向维持不变。

2)在显示屏面积之外，其辐射亮度可以看作是近余弦分布的朗伯光源，可以采用观测角近余弦光强分布函数来评估，详见式(2)。

Iθ=K·I0·cos(m·θ)

(2)

式中，m=-ln2/cos(θ1/2)；Iθ为观测角θ方向的光强，cd；K为遮挡系数，0～1；I0为法线角(0°)方向的光强，cd。

观测角θ方向显示屏的亮度详见式(3)。

Lθ=Iθ/Aθ=K·I0·cos(m·θ)/Aθ

(3)

式中，Lθ为θ角方向的亮度，cd/m2；Aθ为θ角方向显示屏的投影面，m2。

利用上述光强分布函数可以测算出LED显示屏水平和垂直方向不同角度的辐射光强，但垂直方向需要考虑显示屏的视角遮挡系数K，这是由于户外LED显示屏都设计有带帽檐的面罩，可以提高对比度，起到一定的遮阳作用，因此对显示屏上下视角有一定的遮挡，遮挡角的大小在产品设计时就已经确定，如图5中θ为辐射角，Ø为遮挡角。

垂直方向遮挡系数：当θ≥Ø时，K=0；当θ<Ø时，K=1。水平方向遮挡系数K=1。

图4 LED显示屏光强辐射分布示意(垂直方向)

图5 遮挡角示意

2.2 LED显示屏可能产生的干扰光

2.2.1 光溢出(光浪费)

通过对上述LED模块光辐射测量数据进行分析，结合当前LED显示屏产品普遍采用的制造工艺可知，几乎每个显示屏均存在一定的光浪费，无论是双列直插(DIP)型还是表面贴装(SMD)型，均以椭圆体或球体向外辐射发光，都存在有效观看范围以外的光辐射，这些光均属于光浪费。LED显示屏光浪费区域详见图6。

图6 LED显示屏光浪费区域

LED显示屏的应用场合多样，对有效观看范围进行准确测定有一定的困难，从实际应用分析，水平方向均属于有效观看范围，其光浪费主要在垂直方向的上视角区域，这些角度的光辐射既浪费能源，也会造成光环境污染。

2.2.2 眩光

根据CIE31-1976技术报告定义，将眩光分为两类：不舒适眩光和故障眩光(或失能眩光)，两者有非常密切的关联性，不舒适眩光是一个主观评价指标，按舒适等级给出评估；故障(失能)眩光对车辆驾驶员安全驾驶的危害最为严重，CIE 150-2003《户外照明设备侵扰光照限制指南》对失能眩光给出两种量化限制，阈值增量(TI)和光幕亮度(LV),阈值增量(TI)衡量由于道路照明灯具的失能眩光造成目标可见度降低，其限制值是15%；光幕亮度是光入侵人眼引起视网膜光散射造成视网膜图像对比度降低，如同在图像上增加了一层光幕，计算公式详见式(4)，目标物照度是一个重要的量化指标。

LV=K·Ev/θ2

(4)

CIE 150-2003规范中对环境区域照度做了明确的划分和限制，详见表3～4。

表3 CIE150-2003划定的环境区域

表4 CIE150-2003限定的目标物最大垂直照度值

北美照明工程协会(IESNA)针对照明设备安装在不同环境下的光入侵同样给出了明确的限制值(详见下节),其划分区域与CIE规范一致，也是分为4个区域，通过尺烛光来评估光入侵值，但两者之间的限制值有些差异，CIE 150-2003在宵禁后的要求高于IESNA。考虑LED显示屏与照明灯具性质不同，本文选择IESNA发布的TM-11-00作为标准依据来模拟评估。

LED显示屏虽然不属于照明设备，但是一种主动发光设备，实际存在辅助照明的性质，也会因为使用不当产生失能眩光，如LED显示屏亮度过高在暗环境下会严重干扰人对目标的视觉分辨能力；当LED显示屏照射到目标物的照度高于目标物所处环境的背景照度时，也会造成目标物识别不清；LED显示屏还存在颜色和亮度的动态变化，如果设计使用不当，会造成一定的眩光危害,目前还没有恰当的方法来准确量化测算LED显示屏产生的失能眩光，这与LED显示屏大小、亮度颜色的不断变化、安装方式和安装地点等因素的多样性有关，但可以利用CIE150规范或IESNA TM-11-00规范来评估测算LED显示屏是否会产生眩光，或粗略定量确定不同环境区域LED显示屏在夜晚时段的运行亮度限制值。

2.2.3 光入侵

商业类LED显示屏多数是安装在已有的建筑物(尤其在一些老旧商业中心)上，往往附近就是居民楼或商务中心，在LED显示屏选址时只注重其商业价值，没有考虑周围环境，造成一些显示屏在傍晚运行期间光线会侵入居民卧室内或办公室，尤其是这些入侵光线随播放图像变化出现明暗及颜色的不断变动，对日常工作和休息造成影响。

安装在道路两侧的LED显示屏及道路信息诱导屏，其在傍晚运行时光辐射对驾驶员的影响同样需要考虑和限制。

北美照明工程协会(IESNA)针对照明安装设计在傍晚时段对不同环境光入侵给出一个限制值(在IESNA发布的TM-11-00中)，按环境亮度从暗到亮划分了4个等级区域，以尺烛光(fc)定义了各等级区域光入侵的限制值，这些限制值的评估测算点是人眼位置，如表5所示。

表5 各等级区域光入侵的限制值

3 如何消除和避免LED显示屏干扰光

3.1 光溢出

根据上面对LED显示屏可能产生的干扰光分析，如果不做任何技术处理，几乎每个显示屏都会存在一定的光溢出(光浪费)，有些场合光溢出是需要的，因为LED显示屏作为信息发布媒介，其观看范围越大越好，如商场内安装在低楼层的LED显示屏，希望在高楼层也有很好的观看效果；但对于绝大多数场合LED屏的光溢出是不需要的。理论上光溢出的消除可以通过以下三种方法实现。

1)物理截光法

通过延长面罩遮阳帽的长度，将上视角辐射的光部份遮挡，帽檐内壁最好有一定的反射率，减少光浪费。该方法简单易实现，但不能完全消除LED显示屏的光溢出，若帽檐长度过大会对下视角有影响，存在垂直视角减小的缺点，小间距(如16mm以下)的LED屏将严重影响其垂直视角，因此在设计中必须权衡。

2)光学截光法

通过降低LED垂直方向的上辐射角度和增大下辐射角度，来实现光溢出的消除或减少。其中有两个环节可以采用光学截光方式实现，一是LED封装环节，二是LED模块环节，具体实现方法在此不做详细探讨。光学截光技术改变LED垂直方向的光辐射角度，以DIP型LED为例，详见图7～8，为常规型及截光型辐射分布。

图7 常规辐射分布

图8 截光型辐射分布

3)结构倾斜法

安装结构前倾一定角度，从而增大LED显示屏的下视角，减低LED显示屏的光溢出，增大其空间光辐射的有效观看范围。这种方式增加钢结构的复杂性，对安装主体的承载要求高，因此前倾角度不易过大，实际设计要综合评估。常规安装与前倾安装对比详见图9。

图9 常规安装与前倾安装对比

3.2 眩光和光入侵

3.2.1 定量评估模型

实验证明，眩光和光入侵主要是由LED显示屏亮度过高或安装位置过近造成的。当显示屏的光入侵或目标物垂直照度在规定的限制值内时，不会有眩光的产生，因此控制显示屏傍晚的亮度在限制值以内是消除和避免眩光、光入侵的关键做法。

为确定LED显示屏在傍晚运行时的亮度是否满足IESNA在TM-11-00中划定的不同区域光入侵限制值，首先要确定LED显示屏的面积(S)，其次确定观测点到屏中心的距离，如图10所示，为测算点位置示意图。

图10 测算点位置示意

利用公式(5)可以测算出满足光入侵照度限制时显示屏的亮度。

Ev=Lθ·Sθ/D2

(5)

式中，Ev为观测点人眼的照度，fc；Lθ为显示屏测算方向的亮度，cd/m2；Sθ为显示屏在观测点的投影面积，m2；D为观测点距离显示屏的距离，f(英尺)。

从公式(5)可知，观测点照度与LED显示屏在观察点方向的亮度成正比；观测点照度与LED显示屏的面积成正比；观测点照度与观测点到LED显示屏的距离成平方反比。

LED显示屏的应用场合多样，本文重点讲述商业中心和高速公路两种场合，以道路车辆行驶线路为观测点进行模拟测算和评估。

3.2.2 商业中心区域

商业中心是LED显示屏应用最多的区域，其特点是面积较大，安装高度多数在10m以上，周围环境照度较高，临街安装，距离道路较近，显示屏视角大，其辐射更符合朗伯光源的特性，下面举例说明。

某商业中心项目LED显示屏面积100m2(10m×10m)、屏最大亮度6 000nit、距地面高度10m、半功率角60°、其m=1，测算其最大允许的亮度，根据TM-11-00划定的区域，应该属于高亮度区域，照度限制Ev=1.5fc，如图11所示，观察测算点按近距(5m)、中距(25m)和远距(50m)，根据公式(5)，表6分别列出了三个观测点在不同亮度等级时所产生的照度。

图11 商业区100m2显示屏观测角照度评估示意

亮度级/%法线亮度L0/(cd/m2)近距5m模拟测算中距25m模拟测算远距50m模拟测算观测角亮度/(cd/m2)观测点照度Ev/Fc观测角亮度/(cd/m2)观测点照度Ev/Fc观测角亮度/(cd/m2)观测点照度Ev/Fc10060001854.3116.765196.94944.3285563.54117.4389054001668.8815.0874677.25439.8955007.18615.6948048001483.4513.4114157.55935.4634450.83213.9507042001298.0211.7353637.86431.0303894.47812.2076036001112.5910.0583118.16926.5973338.12410.463503000927.168.3822598.47422.1642781.7708.719702400741.736.7052078.77917.7312225.4166.975301800556.295.0291559.08513.2981669.0625.231201200370.863.3531039.3908.8661112.7083.48810600185.431.676519.6954.433556.3541.744530092.720.838259.8472.216278.1770.872421666.760.603187.0901.596200.2870.628314444.500.402124.7271.064133.5250.41928425.960.23572.7570.62177.8900.24413611.130.10131.1820.26633.3810.105

要满足1.5fc的限制，从上述测算结果分析:a.显示屏在宵禁时段的亮度应小于200cd/m2；b.显示屏必须具备亮度调节功能，且夜晚运行亮度设置在4%以下。

3.2.3 高速公路

LED显示屏作为可变交通信息诱导和限速指示，在高速公路领域发挥了极其重要的作用，其特点是面积<15m2，安装高度>5.5m，夜晚周围环境照度较低，主要有门架式和单臂式安装两种方式，位于道路上方或侧面，半功率视角一般<15°，光辐射指向性强，当视角>15°时，其光衰减很快。

现以LED显示屏面积=12m2(1.2m×10m)，屏最大亮度10 000nit，距地面距离5.5m为例，半功率角15°，其m=19.7。根据TM-11-00划定的区域，应该属于低亮度区域，照度限制Ev=0.1fc，测算其最大允许的亮度，如图12所示，观察测算点按近距(100m)、中距(200m)和远距(300m)，表7分别列出了三个观测点在不同亮度等级时所产生的照度。

要满足0.1Fc的限制，从上述测算结果得出:a.显示屏在宵禁时段的亮度应<2 500cd/m2；b.显示屏夜晚运行亮度应设置在30%以下。