城軌車輛客室照明色溫分析及改善

陳 勇 張 浩

中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412000

隨著城市軌道交通的不斷發展，車輛客室照明逐漸由熒光燈優化為LED光源，LED光源相較于熒光燈具有功率小、耐沖擊、抗震動、免維護、使用壽命長等特點[1]。城軌車輛的客室照明LED光源一般選用白色光，而目前實際運行的項目客室照明的色溫存在一定的差異。研究表明光源色溫對視覺環境的感知和環境溫度變化時人類的體感感知都有一定的作用，客室內部照明的色溫將直接影響乘客的乘客體驗及舒適度。本文結合廣州某項目客室照明的色溫差異對LED光源色溫的選擇及控制進行研究分析。

一、客室照明色溫差異

隨著LED的技術越來越成熟，城市軌道車輛上已大量采用LED光源作為供電照明，照明系統包括客室燈具、燈罩及集中控制電源。客室照明燈具是采用LED為光源提供發光；燈罩是使LED發出的點光源進行擴散達到均勻的面光效率；集中控制電源是為燈具提供所需的穩定工作電壓，并能通過電源實現不同狀態時(應急/正常)的照度要求照明，也可通過電源調整LED衰減后的亮度補償。客室照明的光源板采用LED壓裝模具形式，每個光源板由28個燈珠并聯組成，6塊光源板組成一個模塊，由驅動電源集中控制供電。

結合廣州某項目客室照明情況，隨機選取17列城軌車輛的光源板取樣在暗室點亮觀察，將所有光源板連在一起點亮，顏色相近的挨在一起，發光顏色有明顯差異，可分為三種顏色：偏白、偏紅和偏黃，其中偏白的有6列，偏紅的有3列，偏黃的有8列，詳見圖1。

二、色溫控制原理

考慮到技術可行性和性能穩定性，城軌車輛內部采用的LED照明一般通過紅、綠、藍單色LED混光生成白光，即所謂RGB技術。該技術實現起來相對比較簡單，也最為實用。但在實際項目執行過程中，通過統計觀察，發現存在大量光源顯色存在明顯差異，為進一步分析LED光源板的色溫顯色差異問題，需對LED的發光原理、色溫的標準及控制方法進行研究說明。

(一)LED發光原理

目前客室照明的LED光源是將遍布可見光區的多種光芯片封裝在一起，構成白色LED，發光材料一般為InGaN或GaP等。LED光源是一種基于P-N結電致發光的原理制成的半導體發光器件，其中由以空穴主導的P型半導體和以電子主導的N型半導體兩部分組成，當LED兩段存在電位差時，電子將在電勢的作用下與空穴復合，從而產生熱輻射，其中一部分以熱能的形式聚集在了芯片LN結處，其余部分則可以轉化為可見光，詳見圖2。

(二)色溫理論概念

色溫是描述一類顏色相近的光源的光譜結構的標量，是按絕對黑體為基準來定義的，理論上通過比較一個光源發射出的顏色和某一溫度下黑體輻射的顏色，當兩者的基本一致時，此時黑體的溫度表示為該光源的色溫。國際上通用的色溫選取的基礎是CIE系統，該系統的原理是基于顏色由三原色按比例混合而成的，詳見圖3。色溫根據人類感受的不同可區分為冷暖兩種，其中暖光偏紅外輻射，給人溫暖的感受，而冷光更接近藍色輻射，給人清冷的感受。另外色溫與光源的強度也存在相對應的關聯，通常來說，光源的照度越低，令人舒適的色溫則偏冷；而照度越高，令人舒適的色溫則偏暖。從人類眼睛的感知角度考慮，有研究表明，暖光環境下乘客使用手機或閱讀書籍會更加舒適[2]。

一般來說，客室內照明強度應該一致，而且在離地板高800mm處測量的任何點的照度不小于300lx，且不大于400lx，同時目前城軌車輛客室內部照明通常采用的色溫為6500K左右，公差控制在300K范圍以內。

(三)色溫經典計算

目前城軌車輛LED照明的生產制造標準基本采用國際照明委員會(簡稱CIE)的國際標準，最常見的經典計算方式是采用國際照明委員會色度計算方法來確定目標色溫下的顏色色品坐標，采用色溫經典計算公式：

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

式中T為色溫，A為等色溫線斜率的倒數，它表示為：

A=x-0.329/y-0.187

式中x、y為等溫線上任意一點的色品坐標。

上述經驗公式是等溫線交點法得到的最小誤差經驗公式[3]。在城市軌道交通項目中，客室內部照明色溫值通常選取在6500K左右，結合CIE標準中規定的等溫線的色品坐標，從中抽取一系列的色溫值對該經驗公式進行驗證，該經驗公式給出的色溫值和理論值相比，誤差都非常小，因此，可以直接把該經驗公式應用到色溫控制的計算模型中去。

三、測試及結果分析

從基本原理出發，人眼視覺系統中對光譜的響應即色溫，通常一種光譜結構只對應一種顏色，但是同一種顏色可以達對應多種光譜結構。色溫的目的是對人類視覺感官不同用一個標量來描述，而光譜結構擁有一個主波長，體現主波長的顏色維度正是色調。簡單來講相同的色溫可以對應一個龐大的基于光譜的數據集，但是在人為視覺感受上卻可能存在一定差異。在廣州某項目隨機選擇17列車輛的客室照明LED光源板，拆解后進行實際色溫檢測及統計，光源板的顯色色溫均符合6500K左右。

(一)BIN次測試

通過色溫經典計算方法反推色溫的控制坐標均符合對每列車的光源板LED的BIN次，確認統計共有PA、PB、P6+PB混貼、PA+P7混貼和W65(中心BIN)共5種，詳見下表。所謂BIN次是依據CIE系統標準中不同色溫下所對應的靶譜，根據不同的計算方法和分色分光方式，在6500K相同色溫下會存在多種不同的組合，而不同的BIN次組合而形成的色溫顯色會有著明顯的差異。

光源板的BIN次和發光顏色統計表

(二)結果分析

經對比分析，LED廠家的前后生產的光源板的分光分色方式存在差異，通過第2章節介紹的色溫計算公式對采集的色溫進行反向計算，發現色溫均處于6500K左右，目前采用的是亞當橢圓3STEP的分光方式，選用的是一個中心BIN的LED。而LED廠家原來采用的是菱形色域的分光分色方式，選用的是4個BIN的LED。

根據CIE色譜圖和LED廠家原來采用的菱形色域的分光分色方式，PA和PB的BIN次色坐標落點在右上角區域，發光顏色會相對偏黃，P7的BIN次色坐標落點在右下角區域，發光顏色會相對偏紅。雖然均屬于6500K色溫的選取范圍內，但是不同的BIN次會導致生產出來的發光二極管的顯色存在比較明顯的差異。

基于上述分析可知，色溫作為描述光源特性的一個基本參數，在顏色測量和控制中起到重要作用。但是依據CIEUCS系統均勻色品圖中相關色溫的不一致性，即同一個色度坐標，在不同色品坐標系中計算所得的相關色溫存在差異，導致在LED光源生產過程中，因為分光分色方式的不同或BIN次的細微差異導致顯色存在不同。城市軌道車輛的批量生產周期一般會持續一年以上時間，因裝車周期較長，在LED光源板批量生產過程中必然存在批次性，雖然依據等溫線交點法反推出來的色溫的X、Y坐標保持一致，但相同色溫存在一定的色域范圍值，即依據菱形分色分光或亞當橢圓3step進行二次細分，不同批次的光源板所選取的BIN次靶標存在一定的差異性，最終導致裝車的光源板在顯色上存在偏色的情況。

結語

本文介紹了色溫的基礎概念和計算方法，結合實際項目運行案例，對影響LED照明色溫的因素進行了分析，重點對發光二極管選擇色域的分光分色方式及CIE標準中BIN次靶標的選擇進行了檢測對比，對客室內部照明存在不同程度色差進行了分析。總結來說，色溫作為顏色的一個度量參數，同種色溫對應一種或多種光譜結構，不同的標準存在不同的分光分色原則，相同的標準同一色溫也對應不同的BIN次，色譜靶標的不同同樣會導致色溫的差異。因此在地鐵客室照明的制造生產過程中，應重點關注產品的色譜參考標準和BIN次的統一，為后期地鐵車輛的客室照明色溫的控制提供了參考依據。