利用单色LED组装实现的全光谱珠宝灯在宝石展览照明中的应用

黄伟呈，汤露瑶，刘木清

(1.复旦大学光源与照明工程系，上海 200433；2.复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433；3.复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200433)

引言

宝石颜色丰富多彩，或浓郁，或淡雅，或单一，或叠加。宝石之美在合适的灯光照明下会展现得更为充分，令人印象深刻。然而，因为宝石颜色的多样性与叠加性，现行的显色指数不能直观地表示出光源对多彩宝石的照明效果。传统LED展示灯由于光谱的不连续性，会带来珠宝在某个波段下反射色彩的缺失，很难还原如日光照射时的光彩夺目、熠熠生辉[1]。

太阳光的光谱分布是连续且较为平坦的，现有的电气光源中唯有白炽灯光谱非常靠近太阳光谱。这是由于它的发光原理是热辐射，光谱是连续谱。但因为白炽灯有高的耗能，光效很低，正逐步被淘汰。LED由于其光谱组装的灵活性，是复现太阳全光谱的新型光源[2]。本实验利用不同峰值波长的单色光LED组装成接近太阳光谱的新型珠宝展示灯具，以求再现多彩宝石在日光下的绚丽多彩。

1 珠宝选择

根据系统宝石学及专业的调查数据显示，黄金类饰品在3 500～4 000 K 色温下可以表现出最佳展示效果，钻石类饰品在7 000～10 000 K色温下可以表现出最佳的展示效果，翡翠、玛瑙类宝石在4 500～5 500 K色温可以表现出最佳的展示效果。所以在本实验中，选用了不同品种的10种有色宝石进行了反射光谱的测试。10种有色宝石的名称及属性如表1所示。

表1 10种有色宝石特性[3，4]

2 太阳光谱灯的组装

因为目前市面上还没有全光谱的珠宝展示灯，所以采用自主组装的方式进行制作。

在实验中，由于选定的宝石为托帕石、翡翠、绿柱石等有色宝石，根据系统宝石学的统计，实验人员将色温4 500 K的太阳光谱[5]选为其目标谱。图1所示为此色温下太阳光谱的相对光谱功率分布曲线。

图1 4 500 K日光相对光谱功率分布曲线Fig.1 Relative spectral power distribution curve of 4 500 K daylight

实验中，选用了15种LED单色光芯片，峰值波长各不相同。通过积分球对它的绝对及相对光谱强度进行测试。图2为这些LED芯片的光谱功率分布。可以看出在可见光波长范围内，这些选择的芯片几乎能够覆盖整个波段。

图2 15种LED的光谱功率分布Fig.2 Spectral power distribution of 15 kinds of LEDs

采用最小二乘法，对通过太阳目标光谱以及组合LED光谱的相似度进行评估。

(1)

式(1)中，E为总光谱失配评价指数；Ki为功率系数；Si(λ)为LED光谱分布[7]；ST(λ)为目标光谱分布。对于两光谱而言，E越小，表示它们有越高的相似度，失配度则越低。匹配光谱目的即找出一组组合功率系数，实现最小E值。综上所述，利用式(1)，我们能够在本实验中得到每组LED回路的功率系数，并求解得出最小值。

3 光谱组装结果

该试验根据选择的均匀性原则，在380～780 nm范围内挑选12种LED芯片进行拟合。峰值波长为389 nm、529 nm和599 nm的三种LED在优化过程中因不同的LED芯片的替代作用，功率系数降至0.001以下，超出PWM调光模块能够设定的范围，并且没有保留的必要。所以在结果中删除了这三路LED，最后留下12种LED。汇总软件计算得出的LED芯片(峰值波长不一样)功率系数、总光谱失配评价指数E(日光谱以及拟合光谱)、拟合光谱的xyz色坐标C(选择CIE1931三刺激值计算，有5 nm的波长间隔)[8]如表2所示，以及光谱组装结果示意图如图3所示。

表2 用12种LED模拟太阳光谱

图3 用12种LED模拟4 500 K太阳光谱Fig.3 Simulation of 4 500 K solar spectrum using 12LEDs

在实验中，实验人员选取了5种市面上常见光源，把5种光源的拟合光谱与太阳光谱进行对比分析，得到数据如表3所示。可见，现有市面上常见光源归一化系数theta均在1.2以上，失配指数E均在0.3以上，荧光灯甚至达到了0.5。而采用12路LED模拟太阳光谱的组装灯可以将E降低至0.05左右，充分显示了多种单色LED模拟太阳光谱灯在和市面上常见的LED平板灯及荧光灯管相比，具有良好的复现性及色彩饱和度。

表3 常见光源光谱与太阳光谱的相似度

4 反射光谱的比较

本实验将10：00时的太阳光的反射光谱作为标准光谱，分别在普通珠宝展柜灯及本文组装的LED组装灯进行进一步的量化分析，并比较E值。

在入夏晴天10：00时将太阳光引入暗室中，照射在有色宝石上的反射光谱作为检测光谱。并分别检测在传统的单颗3 W 4 000 K的珠宝展柜灯下及12路单色光LED芯片模拟了4 500 K太阳光谱的LED组装灯下，各种有色宝石的反射光谱。图4曲线a为托帕石在太阳光谱下的反射光谱分布曲线，曲线b为在LED组装灯下的反射光谱分布曲线。图5曲线b为托帕石在太阳光谱下的反射光谱分布曲线，曲线a为在普通珠宝展柜灯下的反射光谱分布曲线。

图4 托帕石在LED组装灯下的反射谱Fig.4 Simulation of reflection of Topaz from LED assembly lamp

图5 托帕石在珠宝展柜灯下的反射谱Fig.5 Simulation of reflection of Topaz from ordinary LED lamp

将所有的10种有色宝石分别在LED组装灯照射下，测出其反射值。将所得反射光谱与其在日光下的反射光谱作对比，计算出偏差值E，如表4所示。

表4 10种有色宝石分别在LED组装灯下、在普通珠宝展柜灯下与其在日光下的反射光谱对比的偏差值E

5 主观试验

本实验还采用了被试者主观评价的实验方法，采用纸笔调查问卷的形式。选取6名被试，3男3女，年龄为24～30岁，均具有正常的视力或矫正视力，且无色盲、色弱等其他眼疾。选用的主观评价标准为色差感和珠宝在光线下的表达质感。评价体系如下所述：首先，将色差感、质感归入VS(very small，非常小)，S(small，较小)，M(medium，中等)，L(large，较大)，VL(very large，非常大)五个大类，然后在每个大类中再进行5个等级的细分，细分等级为1、2、3、4、5。整体评价以诸如VS3、M2、L4的形式展示。为了便于统计数据，最后将得分转换以1～25的数字表示。表4为色差、质感评定标准及得分转换示意表。表5及表6为被试统计结果的平均值[1]。

表5 色差、质感评定标准及得分转换

表6 10种有色宝石分别在LED组装灯下、在普通珠宝展柜灯下色差主观评价平均分

图6和图7是统计结果数据的直方图。可以直观地看出，8种不同有色宝石样品在LED组装灯下的分要低于珠宝展柜灯下色差质感的得分结果。其中，样品黑玛瑙、珍珠，在两种光源下的得分相近，这可能是因为黑玛瑙与珍珠的黑色与白色，色差与质感的对于光谱的多样性的要求不如有色宝石及透明质感的宝石高。

图6 色差评定结果Fig.6 Line chart of the chromatic aberration level score

图7 质感评定结果Fig.7 Line chart of the texture level score

名称LED组装灯珠宝展柜灯托帕石6.5012.00石榴石耳环6.2015.67蜜蜡6.5013.83黑玛瑙手镯5.838.33石榴石散珠7.1616.83翡翠手镯7.0014.83珍珠项链7.339.00翡翠项链7.5014.33绿柱石11.0018.17紫塑料手串10.5012.67

6 总结

本试验选用12种不同峰值波长的单色光LED芯片制作了一款LED组装灯，该灯的光谱模拟了4 500 K下的太阳光谱。利用该组装灯和市场上常见的珠宝展柜灯对10种多彩宝石进行重点照明，同时测量宝石在LED组装灯下、普通珠宝展柜灯下和自然太阳光下的反射光谱。提出了一种匹配程度的标准E，用于评价珠宝灯光谱与日光光谱的相似程度。计算发现，当采用普通珠宝展览灯时，E平均值为1.255 2；当采用12路LED组装灯时，E平均值降低至0.201 6，可见组装光谱对多彩宝石的复现程度是非常良好的。募集6名被试参与主观试验，评价指标为色差感和珠宝在光线下的表达质感。在主观性实验中的数据证明除了托帕石、黑玛瑙及珍珠，其他的多彩宝石在组装灯下的评定结果中要显著优于传统珠宝灯下。说明LED类太阳光谱珠宝灯在提高珠宝的颜色饱和度，质感表达和减低色差方面表现优异，值得在商业照明中予以推广。