城轨车辆客室照明色温分析及改善

陈 勇 张 浩

中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412000

随着城市轨道交通的不断发展，车辆客室照明逐渐由荧光灯优化为LED光源，LED光源相较于荧光灯具有功率小、耐冲击、抗震动、免维护、使用寿命长等特点[1]。城轨车辆的客室照明LED光源一般选用白色光，而目前实际运行的项目客室照明的色温存在一定的差异。研究表明光源色温对视觉环境的感知和环境温度变化时人类的体感感知都有一定的作用，客室内部照明的色温将直接影响乘客的乘客体验及舒适度。本文结合广州某项目客室照明的色温差异对LED光源色温的选择及控制进行研究分析。

一、客室照明色温差异

随着LED的技术越来越成熟，城市轨道车辆上已大量采用LED光源作为供电照明，照明系统包括客室灯具、灯罩及集中控制电源。客室照明灯具是采用LED为光源提供发光；灯罩是使LED发出的点光源进行扩散达到均匀的面光效率；集中控制电源是为灯具提供所需的稳定工作电压，并能通过电源实现不同状态时(应急/正常)的照度要求照明，也可通过电源调整LED衰减后的亮度补偿。客室照明的光源板采用LED压装模具形式，每个光源板由28个灯珠并联组成，6块光源板组成一个模块，由驱动电源集中控制供电。

结合广州某项目客室照明情况，随机选取17列城轨车辆的光源板取样在暗室点亮观察，将所有光源板连在一起点亮，颜色相近的挨在一起，发光颜色有明显差异，可分为三种颜色：偏白、偏红和偏黄，其中偏白的有6列，偏红的有3列，偏黄的有8列，详见图1。

二、色温控制原理

考虑到技术可行性和性能稳定性，城轨车辆内部采用的LED照明一般通过红、绿、蓝单色LED混光生成白光，即所谓RGB技术。该技术实现起来相对比较简单，也最为实用。但在实际项目执行过程中，通过统计观察，发现存在大量光源显色存在明显差异，为进一步分析LED光源板的色温显色差异问题，需对LED的发光原理、色温的标准及控制方法进行研究说明。

(一)LED发光原理

目前客室照明的LED光源是将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白色LED，发光材料一般为InGaN或GaP等。LED光源是一种基于P-N结电致发光的原理制成的半导体发光器件，其中由以空穴主导的P型半导体和以电子主导的N型半导体两部分组成，当LED两段存在电位差时，电子将在电势的作用下与空穴复合，从而产生热辐射，其中一部分以热能的形式聚集在了芯片LN结处，其余部分则可以转化为可见光，详见图2。

(二)色温理论概念

色温是描述一类颜色相近的光源的光谱结构的标量，是按绝对黑体为基准来定义的，理论上通过比较一个光源发射出的颜色和某一温度下黑体辐射的颜色，当两者的基本一致时，此时黑体的温度表示为该光源的色温。国际上通用的色温选取的基础是CIE系统，该系统的原理是基于颜色由三原色按比例混合而成的，详见图3。色温根据人类感受的不同可区分为冷暖两种，其中暖光偏红外辐射，给人温暖的感受，而冷光更接近蓝色辐射，给人清冷的感受。另外色温与光源的强度也存在相对应的关联，通常来说，光源的照度越低，令人舒适的色温则偏冷；而照度越高，令人舒适的色温则偏暖。从人类眼睛的感知角度考虑，有研究表明，暖光环境下乘客使用手机或阅读书籍会更加舒适[2]。

一般来说，客室内照明强度应该一致，而且在离地板高800mm处测量的任何点的照度不小于300lx，且不大于400lx，同时目前城轨车辆客室内部照明通常采用的色温为6500K左右，公差控制在300K范围以内。

(三)色温经典计算

目前城轨车辆LED照明的生产制造标准基本采用国际照明委员会(简称CIE)的国际标准，最常见的经典计算方式是采用国际照明委员会色度计算方法来确定目标色温下的颜色色品坐标，采用色温经典计算公式：

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

式中T为色温，A为等色温线斜率的倒数，它表示为：

A=x-0.329/y-0.187

式中x、y为等温线上任意一点的色品坐标。

上述经验公式是等温线交点法得到的最小误差经验公式[3]。在城市轨道交通项目中，客室内部照明色温值通常选取在6500K左右，结合CIE标准中规定的等温线的色品坐标，从中抽取一系列的色温值对该经验公式进行验证，该经验公式给出的色温值和理论值相比，误差都非常小，因此，可以直接把该经验公式应用到色温控制的计算模型中去。

三、测试及结果分析

从基本原理出发，人眼视觉系统中对光谱的响应即色温，通常一种光谱结构只对应一种颜色，但是同一种颜色可以达对应多种光谱结构。色温的目的是对人类视觉感官不同用一个标量来描述，而光谱结构拥有一个主波长，体现主波长的颜色维度正是色调。简单来讲相同的色温可以对应一个庞大的基于光谱的数据集，但是在人为视觉感受上却可能存在一定差异。在广州某项目随机选择17列车辆的客室照明LED光源板，拆解后进行实际色温检测及统计，光源板的显色色温均符合6500K左右。

(一)BIN次测试

通过色温经典计算方法反推色温的控制坐标均符合对每列车的光源板LED的BIN次，确认统计共有PA、PB、P6+PB混贴、PA+P7混贴和W65(中心BIN)共5种，详见下表。所谓BIN次是依据CIE系统标准中不同色温下所对应的靶谱，根据不同的计算方法和分色分光方式，在6500K相同色温下会存在多种不同的组合，而不同的BIN次组合而形成的色温显色会有着明显的差异。

光源板的BIN次和发光颜色统计表

(二)结果分析

经对比分析，LED厂家的前后生产的光源板的分光分色方式存在差异，通过第2章节介绍的色温计算公式对采集的色温进行反向计算，发现色温均处于6500K左右，目前采用的是亚当椭圆3STEP的分光方式，选用的是一个中心BIN的LED。而LED厂家原来采用的是菱形色域的分光分色方式，选用的是4个BIN的LED。

根据CIE色谱图和LED厂家原来采用的菱形色域的分光分色方式，PA和PB的BIN次色坐标落点在右上角区域，发光颜色会相对偏黄，P7的BIN次色坐标落点在右下角区域，发光颜色会相对偏红。虽然均属于6500K色温的选取范围内，但是不同的BIN次会导致生产出来的发光二极管的显色存在比较明显的差异。

基于上述分析可知，色温作为描述光源特性的一个基本参数，在颜色测量和控制中起到重要作用。但是依据CIEUCS系统均匀色品图中相关色温的不一致性，即同一个色度坐标，在不同色品坐标系中计算所得的相关色温存在差异，导致在LED光源生产过程中，因为分光分色方式的不同或BIN次的细微差异导致显色存在不同。城市轨道车辆的批量生产周期一般会持续一年以上时间，因装车周期较长，在LED光源板批量生产过程中必然存在批次性，虽然依据等温线交点法反推出来的色温的X、Y坐标保持一致，但相同色温存在一定的色域范围值，即依据菱形分色分光或亚当椭圆3step进行二次细分，不同批次的光源板所选取的BIN次靶标存在一定的差异性，最终导致装车的光源板在显色上存在偏色的情况。

结语

本文介绍了色温的基础概念和计算方法，结合实际项目运行案例，对影响LED照明色温的因素进行了分析，重点对发光二极管选择色域的分光分色方式及CIE标准中BIN次靶标的选择进行了检测对比，对客室内部照明存在不同程度色差进行了分析。总结来说，色温作为颜色的一个度量参数，同种色温对应一种或多种光谱结构，不同的标准存在不同的分光分色原则，相同的标准同一色温也对应不同的BIN次，色谱靶标的不同同样会导致色温的差异。因此在地铁客室照明的制造生产过程中，应重点关注产品的色谱参考标准和BIN次的统一，为后期地铁车辆的客室照明色温的控制提供了参考依据。