寬色域白光LED廣告燈箱光源的光譜設計

廖欣怡， 朱大慶

(1.華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門 361021)

引言

日常生活中，廣告燈箱是一種隨處可見傳播媒介。傳統廣告燈箱采用熒光燈照明，比較耗電。目前市場上推行采用更節能的白光LED代替熒光燈用于廣告燈箱照明。對于廣告燈箱，除了節能環保，廣告海報的視覺效果也是值得重視的問題。視覺效果不僅跟印刷技術有關，還與照明光源的顏色品質有關。目前行業內通用的評價光源顏色品質的指標是CIE-Ra[1],但隨著LED這類光譜存在著尖銳波峰的光源的廣泛應用，研究表明CIE-Ra并不能正確表征它們的顏色品質[2-4]。近幾年來研究者提出了很多新的評價方法，其中比較突出的一點是絕大數研究者都認為單一指標不能全面表征光源的顯色能力，所以提出了多種雙指標或多指標的評價方法多維度的評價光源顏色品質，包括顏色保真性(color fidelity)、顏色喜好性(color preference)和光源色域(color gamut)[5,6]。針對廣告燈箱的用途，人們會尤其關注燈光照射下海報的鮮艷程度：有研究表明寬色域光源照射下的物體顏色更飽和，更鮮艷生動，更受人們喜歡[5-10]。因此，我們可以通過優化廣告燈光源色域面積來改善海報視覺效果，使光源照射下的海報顏色看起來更鮮艷生動。

光源色域的概念與顯示屏色域的概念有所不同，光源色域面積是指一系列顏色樣本在光源照射下在顏色空間中的坐標所圍成的面積[11-14]。目前已提出的色域面積指標有很多,包括：采用8個顏色樣本，顏色空間為CIE 1960 UCS 的CDI；采用8個顏色樣本，顏色空間為CIE 1976 UCS 的GAI；采用15個顏色樣本，顏色空間為CIE LAB的CQS中Qg；采用99個顏色樣本，顏色空間為CAM02-UCS的IES TM-30-15中的Rg等[5,15-18]，雖然這些指標計算過程采用的樣本和顏色空間有所改變，但是計算流程都是相似的，同時有研究表明這些指標是密切相關的[5]。

本文將利用CQS中的Qg指標表征光源色域面積，通過在原有光源基礎上疊加不同單色光構建一系列光譜，計算構建光譜的色域面積，找出光源色域面積與疊加單色光之間的關系，在數值計算的結果的基礎上優化光源光譜，并通過視覺實驗分析數值計算結果的可靠性。

1 現有廣告燈箱光源色度參數

我們使用的LED廣告燈箱的光譜數據和部分色度參數見圖1和表1。為了比較色域面積和形狀，增加了一款熒光燈的相關數據作為參考。圖1(a)中的兩個光譜分別是相同色溫的白光LED燈和熒光燈的光譜,它們的色域形狀如圖1(b)所示，從色域形狀可以知道，與參考熒光燈相比，我們所用的白光LED的色域面積較小，在照射綠色、藍綠色、橙色和紅色物體時物體顏色飽和度有所下降，不利于呈現廣告海報的多彩性。

圖1 白光LED廣告燈與熒光燈的相對光譜功率分布以及色域(Qg)形狀圖Fig.1 The relative spectral power distribution and the gamut shape of white LED advertising light and fluorescent

表1 白光LED廣告燈與熒光燈的色度參數Table 1 The colorimetric characteristics of white LED advertising light and fluorescent

2 現有廣告燈光源光譜的優化

2.1 建立構建光譜數學模型

光源的色度性質是由光譜決定的[19]，我們通過光源色域面積隨所疊加單色光的波長的變化來研究光源光譜與光源色域面積之間的關系。

選圖1中的白光LED廣告燈作為基礎光源，利用Ohno[20]提出的模型構建單色光并將其分別疊加到基礎光源上構建成新的光譜。單色光模型為

(1)

構建光譜的光譜分布為

S(λ)=S0(λ)+kSLED(λ)

(2)

其中g(λ,λ0,Δλ0.5)=exp{-[(λ-λ0)/Δλ0.5]2}，單色光波長λ0從380～780 nm每間隔5 nm取一次，半波寬Δλ0.5為20 nm，S0(λ)為廣告燈初始光譜，幅值k為基礎光源的最大功率的0.1～1倍。利用CQS計算構建光譜的相對色域面積Qg。

隨著疊加單色光中心波長的變化，構建光譜的相對色域面積大小變化如圖2所示:疊加400～500 nm和550～600 nm的單色光后廣告燈色域面積變小；疊加500～550 nm和620～680 nm的單色光后廣告燈色域面積變大；疊加400 nm之前和700 nm之后的單色光后廣告燈色域面積基本不變。同時，隨著疊加單色光的幅值的增大，廣告燈的色域面積大小變化幅度也增大。

圖2 廣告燈疊加不同幅值不同波長單色光后色域面積大小變化曲線圖Fig.2 The change of gamut size after advertising light added different amplitudes and different wavelengths of monochromatic light

2.2 確定目標光譜

數值計算結果表明，廣告燈疊加500～550 nm(綠色)和620～680 nm(紅色)的單色光后光源色域面積會變大，結合市場上易購買的單色光LED種類，我們選取520 nm的綠光LED和680 nm的紅光LED作為疊加單色光疊加到廣告燈上。

由于光源的顏色品質中顏色還原性(Qf)以及色域面積(Qg)這兩個指標之間是相互權衡的[1]，不可能同時使得這兩個參數都達到最大，為了獲得顏色品質較優良的光源，在Qg變大的過程中，需要綜合考慮指標Qa的變化趨勢,Qa表征的是光源綜合的顏色品質。當廣告燈疊加不同幅值的520 nm單色光時，廣告燈的Qg和Qf的變化關系曲線如圖3(a)所示，Qg隨著疊加單色光幅值的增加一直增大，而Qa是先增大后減小，當幅值k為0.3左右時，Qa達到最大值；當廣告燈疊加不同幅值的680 nm單色光時，廣告燈的Qg和Qa的變化關系曲線如圖3(b)所示，Qg隨著疊加單色光幅值的增加一直增大，而Qa先增大后減小，當幅值k為0.5左右時，Qa達到最大值。

綜上所述，目標光譜定為廣告燈疊加幅值為0.3的520 nm單色光和廣告燈疊加幅值為0.5的680 nm單色光，目標光譜圖如圖4所示。

圖3 廣告燈疊加不同幅值單色光后Qa與Qg之間變化關系Fig.3 The relationship between Qa and Qg after advertising lights added different amplitude monochromatic light

圖4 廣告燈與兩個目標光譜的相對光譜功率分布Fig.4 The spectral power distribution of advertising light and two target spectrum

2.3 廣告燈箱制作

原廣告燈箱內左右兩邊各有一排白光LED燈珠,每排各有69個。廣告燈箱的輸出電壓為11.3 V；輸出電流為0.651 A；輸出功率為7.42 W。燈箱內每三個燈珠串聯在一起后再并聯，通過計算,每個小燈珠的工作電流為20 mA 左右，工作電壓約為3 V，發光功率約為0.06 W。選擇電參數大致和燈箱內的燈珠參數相同的單色光燈珠：綠光 LED 工作電壓為3.0～3.2 V,工作電流為20 mA；紅光 LED 工作電壓為1.8～2.2 V,工作電流為20 mA。

測試得到廣告燈箱、綠光LED和紅光LED的輻射通量，見表2，根據2.2的結果計算出在廣告燈光譜中疊加的520 nm綠光和680 nm紅光的光譜占比分別為0.1533和0.289，即需要疊加9個綠光LED或44個紅光LED。制作的成品光源光譜和色域面積形狀如圖5和圖6所示，部分色度參數如表3所示。

表2 光源輻射通量Table 2 The radiation flux of light source

圖5 成品燈箱的光源光譜Fig.5 The light source spectrum of the sample advertising light box

圖6 成品燈箱光源的色域形狀Fig.6 The gamut shape of the sample light

表3 成品光源的部分色度參數(1號廣告燈為原始廣告燈;2號廣告燈為疊加520 nm的廣告燈;3號廣告燈為疊加680 nm的廣告燈)Table 3 The colorimetric characteristics of the sample light:number 1 is Original advertising lamp;number 2 is advertising light added 520 nm LED lamp;number 3 is advertising light added 680 nm LED lamp)

圖7是三個廣告燈亮燈情況：可以看到，原廣告燈箱(左邊)的整個燈箱畫面看起來偏黃偏暗，色彩不夠鮮艷；疊加綠光LED的燈箱(中間)，比原燈箱亮，較為鮮艷些，但是海報中間的花的顏色比較蒼白，沒有光澤；疊加紅光LED光源的燈箱(右邊)視覺效果最好，海報顏色鮮艷多彩。

2.4 視覺實驗

實驗設計如下:讓觀察者同時觀察三個廣告燈箱，然后對三個燈箱海報的喜愛程度、真實程度以及顏色多彩性分別進行評分。

實驗在封閉空間進行,光源編號為1號(原廣告燈箱光源)，2號(疊加綠光LED的燈箱光源)和3號(疊加紅光 LED 的燈箱光源),觀察者不知道編號對應的燈箱，在實驗前要進行20 min的視覺適應；參加視覺實驗一共有21位觀察者，10男11女，年齡在20～30歲之間，視力均視為良好(近視的都帶著眼鏡進行觀察)。觀察者依次進入實驗室觀察燈箱，然后對每個燈箱海報的喜愛程度、真實程度以及多彩性的進行評分,并填寫表4。

圖7 燈箱亮燈：原始廣告燈(左)；廣告燈疊加520 nm綠光(中)；廣告燈疊加680 nm紅光(右)Fig.7 Illumination effect :original advertising lamp(left);advertising lamp added 520 nm LED lamp(middle);advertising lamp added 680 nm LED lamp(right)

表4 視覺實驗評分表Table 4 Visual experiment score table

觀察者評分結果如圖8所示，圖8(a)是對海報顏色喜好程度的評分：光源1的平均得分為1.87，光源2的平均得分為1.45，光源3的平均得分為2.57，也就是說，觀察者對三個燈箱海報顏色的喜好程度是：光源3>光源1>光源2；圖8(b)是對海報真實程度的評分：光源1的平均得分為2.4，光源2的平均得分為1.67，光源3的平均得分為2.42，觀察者對三個燈箱海報的真實程度的評價是：光源3>光源1>光源2；圖8(c)是對海報顏色多彩性的評分：光源1的平均得分為1.83，光源2的平均得分為1.76，光源3的平均得分為2.47，觀察者對三個燈箱海報顏色多彩性的評價是：光源3>光源1>光源2。

視覺實驗結果表明，廣告燈疊加680 nm單色光后視覺效果得到了改善，海報在其的照射下，顏色看起來更鮮艷生動，更受觀察者喜歡，而廣告燈疊加520 nm單色光后視覺效果沒有得到改善，其原因可能在于：從圖8可以看到疊加520 nm單色光的廣告燈的光源色域面積與原始廣告燈的光源色域面積相比，增大幅度不明顯，且視覺實驗后很多觀察者都提出該燈箱光不夠均勻且刺眼，影響判斷，這是由疊加的綠光燈珠較少造成的。

圖8 觀察者對三個燈箱顯色的評分：(a)喜好程度評分;(b)真實程度評分;(c)多彩性評分Fig.8 Observer’s score on the color rendering of three light boxes: (a) the score of color preference;(b)the score of color fidelity; (c) the score of colorfulness

3 結論

本文數值實驗結果表明白光LED廣告燈疊加不同波長的單色光后，色域面積大小變化不同：疊加400～500 nm和550～600 nm的單色光后廣告燈色域面積變小；疊加500～550 nm和620～680 nm的單色光后廣告燈色域面積變大；疊加400 nm之前和700 nm之后的單色光后廣告燈色域面積基本不變。結合市場上易購買的單色光燈珠，我們制作了廣告燈疊加520 nm(綠光)和廣告燈疊加680 nm(紅光)的實物，雖然色域面積實際值與理論值之間存在著差距，但基本達到了我們初步增加光源色域面積大小的目標，視覺實驗證明廣告燈疊加680 nm單色光后視覺效果得到改善，呈現的海報顏色更鮮艷多彩。