利用單色LED組裝實現的全光譜珠寶燈在寶石展覽照明中的應用

黃偉呈，湯露瑤，劉木清

(1.復旦大學光源與照明工程系，上海 200433；2.復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433；3.復旦大學工程與應用技術研究院，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，現行的顯色指數不能直觀地表示出光源對多彩寶石的照明效果。傳統LED展示燈由于光譜的不連續性，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且較為平坦的，現有的電氣光源中唯有白熾燈光譜非常靠近太陽光譜。這是由于它的發光原理是熱輻射，光譜是連續譜。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，是復現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，以求再現多彩寶石在日光下的絢麗多彩。

1 珠寶選擇

根據系統寶石學及專業的調查數據顯示，黃金類飾品在3 500～4 000 K 色溫下可以表現出最佳展示效果，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，根據系統寶石學的統計，實驗人員將色溫4 500 K的太陽光譜[5]選為其目標譜。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。通過積分球對它的絕對及相對光譜強度進行測試。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，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，對通過太陽目標光譜以及組合LED光譜的相似度進行評估。

(1)

式(1)中，E為總光譜失配評價指數；Ki為功率系數；Si(λ)為LED光譜分布[7]；ST(λ)為目標光譜分布。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，實現最小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，并求解得出最小值。

3 光譜組裝結果

該試驗根據選擇的均勻性原則，在380～780 nm范圍內挑選12種LED芯片進行擬合。峰值波長為389 nm、529 nm和599 nm的三種LED在優化過程中因不同的LED芯片的替代作用，功率系數降至0.001以下，超出PWM調光模塊能夠設定的范圍，并且沒有保留的必要。所以在結果中刪除了這三路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、總光譜失配評價指數E(日光譜以及擬合光譜)、擬合光譜的xyz色坐標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行對比分析，得到數據如表3所示。可見，現有市面上常見光源歸一化系數theta均在1.2以上，失配指數E均在0.3以上，熒光燈甚至達到了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，具有良好的復現性及色彩飽和度。

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準光譜，分別在普通珠寶展柜燈及本文組裝的LED組裝燈進行進一步的量化分析，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。選用的主觀評價標準為色差感和珠寶在光線下的表達質感。評價體系如下所述：首先，將色差感、質感歸入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行5個等級的細分，細分等級為1、2、3、4、5。整體評價以諸如VS3、M2、L4的形式展示。為了便于統計數據，最后將得分轉換以1～25的數字表示。表4為色差、質感評定標準及得分轉換示意表。表5及表6為被試統計結果的平均值[1]。

表5 色差、質感評定標準及得分轉換

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是統計結果數據的直方圖。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感的得分結果。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，色差與質感的對于光譜的多樣性的要求不如有色寶石及透明質感的寶石高。

圖6 色差評定結果Fig.6 Line chart of the chromatic aberration level score

圖7 質感評定結果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

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準E，用于評價珠寶燈光譜與日光光譜的相似程度。計算發現，當采用普通珠寶展覽燈時，E平均值為1.255 2；當采用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現程度是非常良好的。募集6名被試參與主觀試驗，評價指標為色差感和珠寶在光線下的表達質感。在主觀性實驗中的數據證明除了托帕石、黑瑪瑙及珍珠，其他的多彩寶石在組裝燈下的評定結果中要顯著優于傳統珠寶燈下。說明LED類太陽光譜珠寶燈在提高珠寶的顏色飽和度，質感表達和減低色差方面表現優異，值得在商業照明中予以推廣。