中间视觉条件下光源光谱对人眼视亮度的影响

基于MOVE模型和对多种光源发射光谱的测量,计算得到不同环境亮度条件下人眼光谱效率函数的明视觉函数权重x和中间视觉等效亮度。结果表明,在中间视觉范围内,随着亮度水平的降低,人眼视觉函数曲线峰值强度逐渐加强,且向短波方向发生移动,变化幅度与光源s/p指标成反比,在环境亮度为0.5 cd·m-2的情况下,峰值强度较明视觉函数均提高30%以上。与传统的测试结果相比,荧光灯、不同色温的白光LED中间视觉等效亮度呈正增益,增益幅度达40%,而高压钠灯则呈现负增益效果;随着环境亮度的提高,增益幅度均呈减小的趋势;当达到完全由视锥细胞作用的亮度水平,等效亮度将等于明视觉亮度。该方法及结论有利于更为科学、准确的评价光源及发光材料的光谱和视亮度特性。     

基于反应时间的中间视觉道路照明功率密度分析及显色性能研究

给出了一种在人眼中间视觉条件下道路照明光源安全节能性能分析的研究方法.通过构建基于中间视觉行车行为反应时间模拟测试系统,建立了人眼中间视觉条件下的光视光效模型,获得了中间视觉下的光视光效曲线.并通过该模型,给出了基于照明功率密度LPD的光源节能性评价方法.从色度学理论出发,选用Luv均匀颜色空间,基于显色指数的光源显色性评价分析计算方法,探讨了不同主波长光源的相对光谱功率分布变化对光源颜色的影响,建立了光源主波长与显色指数的函数关系表达式,可计算获得人眼敏感度与光源颜色各个波长点的关系.对上述方法进行了反应时间模拟测试实验和道路照明图像清晰度计算实验验证,数据分析与计算结果表明,在中间视觉条件下,以540～ 550 nm为主波长的白绿色照明光源的功率密度和显色性最佳.     

多基色LED的照明通信光源显色性研究

可见光无线通信(visible light communication,VLC)是将LED照明技术和光通信技术相结合的一种新兴技术。针对目前LED照明通信光源显色性差、光效低且色温不可调等问题,依据多基色LED白光通信原理进行了相关研究,以Yoshi等提出的高斯分布形式作为基色LED的光谱模型,利用国际照明委员会(CIE)推荐的一般显色指数(R_a)和美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)推荐的一般色质指数(Q_a)评价光源的显色性。采用遗传算法,在2 700~6 500 K色温范围内优化出单个色温以及色温可调光源满足显色性最优的光谱组合,并基于R_a和Q_a大于80的原则优化出色温可调光源光视效能(luminous efficacy of radiation,LER)最优化的光谱组合。最后根据实验结果分析了光源的显色性、光视效能和色温可调性三者之间的关系。结果表明：三基色色温可调白光LED满足显色性最优的峰值波长组合为613 nm/541 nm/464 nm,此时R_a和Q_a的最小值分别为81.2和81,可以满足一般条件下的照明通信需求;四基色色温可调白光LED满足显色性最优的峰值波长组合为620 nm/562 nm/505 nm/449 nm,此时R_a和Q_a的最小值分别为96.7和92.2。在特殊照明场所或要求较高的通信速率时,应采用四基色白光LED作为照明通信光源。仿真得到了三基色和四基色白光LED的最佳光谱组合,为宽通道可见光通信光源的设计提供了参考依据。     

高显色指数LED合成白光光源的研究

针对目前白光发光二极管(LED)照明灯具显色性不高的问题,基于测色法研究了LED合成白光显色指数的计算模型,根据参与合成的LED光源光谱及其数量,软件编程计算得出合成光源的色温、显色指数等参数。采用优化的遍历范围,将实验测量得到的冷、暖白光及单色LED的光谱导入程序进行模拟计算,得到不同色温下合成光源的显色指数最大值以及所对应的各种LED配比数量。结果表明,暖白光LED与红、绿、蓝LED合成可以获得色温T_c介于3500 K~12300 K、显色指数R_a介于92.0~97.7的白光;与红、绿、青LED合成可以获得R_a介于95.0~97.8的低色温白光(3500 K~4500 K)。冷白光LED与红、绿、青LED合成可以获得R_a介于90.9~98.4的高色温白光(8200 K~13000 K)。对理论计算的T_c=7803 K、R_a=97.29的LED配比进行实际制作,实验测量得到T_c=7992 K,R_a=97.1,理论计算结果与实验结果吻合。     

光源光谱对标志逆反射系数的影响

以光源发射光谱和逆反射材料光谱反射率曲线为基础,通过数据拟合的方式研究了多种光源照射条件下材料逆反射系数的相对关系及其变化趋势。在已有标准A光源测试系统基础上,分别测试氙灯、卤素灯、不同色温白光LED光源发射光谱和红、黄、白、绿、蓝五种逆反射材料的光谱反射率曲线,并通过拟合计算得到同一材料在不同光源照射条件下的相对逆反射系数修正因子。分析结果表明,在可见光范围内具有连续光谱反射率曲线分布的白色材料逆反射系数数值受入射光源光谱变化较小,而单色材料逆反射系数受入射光源光谱差异影响较大,且呈现不同的变化趋势：以卤素光源入射条件下材料逆反射系数测试结果为基础值,不同色温的白光LED、氙灯光源对红色和黄色材料逆反射系数具有正增益效果,且随着光源色温的升高,红色和黄色材料逆反射系数呈下降趋势,降幅最高分别达到47.7%和4.9%;绿色和蓝色材料逆反射系数呈上升趋势,涨幅最高达到16.5%和28.9%。     

基于人眼视觉特性的LED照明技术

介绍了人眼的视觉特性和中间视觉的特点,提出通过选择合适的s／p值LED可提高中间视觉下LED照明的光效,并结合基于人眼视觉转换特性的动态调节技术和LED背光源照明技术,实现了真正意义的节能、舒适、人性化的LED照明。     

LED蓝光泄露安全性研究

研究了LED照明器件的蓝光特性。针对我国的LED照明现状,通过测试LED照明器件的光谱成分,根据现行国内外标准GB/T 20145—2006/CIE S009/E:2002和IEC62471：2006,以及CTL-0744_2009-laser决议,分析了LED光生物安全性,给LED照明灯具制造和相关安全性标准、法律制定提供参考。LED中蓝光的辐亮度值低于100 W·m-2·Sr-1时对人眼属于无危害类型,正常使用情况下不会对人眼造成伤害,但是应该注意对特殊人群(小孩)的保护,避免长时间直视光源。灯具富蓝化也会影响人的作息规律,因此色温4 000 K以下,显色指数80的LED灯具适合在室内使用,同时还要根据不同的使用距离选择不同的参数的灯具。     

白光和红绿蓝光LED可调光源研制

为了提高LED光源色温和亮度的调节精度和准确度,结合色温由低向高变化时光色所呈现的渐变特点,提出了一种低色温白光LED灯珠、高色温白光LED灯珠加红绿蓝光LED灯珠补偿式调光的方法.将色温分成三个部分进行调节,每个部分选用不同的LED灯珠组合来进行调光.实验结果表明:不同组合情况下的LED光源的初始输出色温相对于目标值的偏差范围在1％以内;亮度可以在保证色温不变的情况下独立进行调节,初始输出值与目标值的偏差范围在1％以内;经过微调之后可以达到目标值;达到了色温和亮度独立调节的要求;光源发光稳定,不会因为长时间工作而影响调节精度.     

生物节律因子的调光计算

针对光生物效应重要性及复杂性问题,提出一种生物节律因子的调光计算方法。给定三通道LED工作在额定条件下的光谱分布就能够实现任意比例的混合光源的照度、相关色温、节律因子的便捷计算。实验选用三种色温白光LED组成三通道光源,基于脉冲宽度调制（PWM）原理进行三通道分时调光。在某一照明测试空间距离下,先测得单通道独立工作时的光谱分布,并通过调光计算方法得到三通道在任意比例下混合光源的理论照度、相关色温、节律因子;再测得三通道光源在不同混合比例下的实际照度、相关色温与节律因子。然后将理论与实际计算所得的照度、相关色温、节律因子进行比较,并分析误差。实验结果表明,照度、相关色温、节律因子的多条拟合直线与调光计算式所描述直线的斜率差异分别在6%、2%、3%以下,截距差异分别在2%、5%、3%以下。用显著性差异检验来检验实际节律因子与理论计算所得节律因子的正态分布特性,结果显示并无明显差异,表明在给定各LED光源光谱分布的情况下,调光计算方法不用通过测量混合光源光谱分布,便能快速有效地计算出混合光源照度、相关色温、节律因子。     

碳点-纤维素复合红色发光材料制备及性能EI北大核心CSCD

白光LED器件作为新一代绿色固态照明光源,已广泛应用于照明、液晶背光等领域,也与智能照明、物联网技术等高新科技产业密切相关。常用的蓝光芯片复合黄光YAG∶Ce^(3+)(Y 3Al 5O 12∶Ce^(3+))荧光粉的白光器件由于缺少红色光谱的成分,导致器件光谱较窄,显色指数较低,色温偏高。因此,红色荧光粉对改善白光LED的光色品质起到了重要作用。本文首先制备了红色碳点(量子效率28%),通过把红色碳点与纤维素复合,制备了红色荧光粉(量子效率为18%)。该红色荧光粉与黄光YAG∶Ce^(3+)荧光粉混合,封装得到暖白光。结果表明,相较于只有黄光YAG∶Ce^(3+)荧光粉封装的LED,红色荧光粉掺杂之后,在460 nm蓝光芯片的激发下,白光LED的色坐标由(0.30,0.33)变化到(0.33,0.35),色温从7396 K下降到5714 K,显色指数从78.2升高到82.9,实现了由色温高、显示指数低的冷白光向色温低、显色指数高的暖白光的调节。     

Change of Color Appearance in Photopic,Mesopic and Scotopic Vision

Mesopic vision describes a range of light levels where vision is mediated by both cones and rods. The appearance of color in mesopic vision differs drastically from that in photopic vision, where only cones mediate visual information. We used a haploscopic color matching technique to investigate the color appearance under various illuminance levels, ranging from photopic to scotopic via mesopic levels. The observers did color matching between a test color chip under various illuminance levels and a matching color stimulus presented on the Cathode-Ray Tube (CRT) display under the photopic illuminance condition. The results showed that not only chroma and lightness but hue of most color chips changed with illuminance. The manner of the hue changed depended on the color of the test chip, while matching points approached a neutral gray with decrease in illuminance level for all test chips. Chroma reduced continuously with decrease of the illuminance level until 0.1 lx for reddish and yellowish color chips or until 1 lx for greenish and bluish ones. Beyond those illuminance levels, chroma was approximately constant. Lightness decreased with decreasing illuminance level for all test chips except bluish color chips, for which lightness did not decrease much in general and even increased in some cases as predicted by the Purkinje shift. The experimental results obtained in the present study provide critical features that should be considered in predicting the appearance of color at low light levels.     

A Color Appearance Model Applicable in Mesopic Vision

We propose a color vision model that can be used to predict color appearance in mesopic vision as well as photopic and scotopic vision. It is based on a two-stage model which consists of the cone and opponent stages and it assumes rod intrusion at the opponent stage. The model has the following features to describe the color appearance in mesopic vision. First, it includes a gradual and nonlinear shift in spectral luminous efficiency from V (LD) to V (LD) to cope with the spectral sensitivity difference between photopic and scotopic vision and the nonlinearity of rod influence on the luminance channel. Second, the model assumes decrease of the chromatic component with decreasing illuminance to explain the reduction of saturation at low illuminance levels. Third, it assumes that red/green and yellow/blue components change with illuminance levels independently, thus explaining hue shifts with decreasing illuminance. We applied the model for color appearance simulation of natural scenes in a mesopic visual environment.     

基于遗传算法的RGBW混光优化研究

根据RGBW四色混光原理,采用脉冲宽度调制(PWM)调光方式,建立目标色坐标与占空比的关系方程,采用遗传算法对混合光的光通量和一般显色指数进行多元约束下寻优,在3 571~11 082 K色温范围内选取13组目标色温,采用Matlab软件进行优化仿真,最后通过实验验证。结果表明:采用遗传算法对混合光进行光通量最大化寻优,能够使混合光的光通量最高可达166.062 lm;采用遗传算法对一般显色指数进行最大化寻优,能够使混合光的一般显色指数最高可达88.3。为了保证混合光光源同时兼具高光通量和高显色性能,采用遗传算法对光通量和一般显色指数同时寻优,并采用Matlab进行模拟实验,结果表明:通过同时优化光通量和一般显色指数,能够保证混合光的一般显色指数大于82时兼具适用于大多数照明场所的高光通量。     

RGBW四色LED混光优化在日光模拟中的应用

根据全日日光色温和亮度的变化曲线,利用RGBW四色LED混光模拟全日日光色温和亮度的变化,并采用遗传算法优化混合光的显色指数.采用Matlab进行仿真,并基于Arduino开源平台搭建日光模拟系统对仿真结果进行验证.实验表明,该策略可准确模拟全日日光色温和亮度的变化规律,同时通过遗传算法的优化可使LED混合光兼具最优的显色性能,验证了所提策略的正确性和有效性.该策略可应用于密闭环境照明、植物照明等特殊照明领域的日光模拟仿真试验和工程实践.     

LED光源光谱对隧道出口段明适应的影响

随着我国经济的不断发展,高速公路隧道建设的发展也非常迅猛。前期在隧道的实际工程设计中,为完全保证隧道车辆通行安全,隧道内部全线灯具的输出功率和安装布置全部取决于一年四季中最大的洞外亮度值和车辆速度值。这样的设计尽管充分考虑了安全性,但盲目的增加隧道照明亮度,不能够缓解视觉适应的问题。随着LED在隧道照明中的应用, LED光源光谱的影响逐渐引起人们的关注。调查研究发现高速公路隧道在出口段交通事故发生率比较高,主要原因是隧道出口段内外亮度差较大,驾驶员在驶离时明适应时间较长。LED光源的光谱呈现双峰结构,在长波长范围内,光谱含量差异明显。明适应的能力主要与两个因素有关,一是瞳孔面积的变化;二是感光色素的光化学反应。不同色温的LED具有不同的光谱特性,进而通过影响感光色素的合成,来影响明适应的时间长短。现在市场上可用的隧道照明LED光源的色温可选范围比较广,所以实验选取了市场上可用的不同色温的大功率的LED光源作为研究对象,其色温分别是3 000, 3 500, 4 000, 4 500, 5 000, 5 700和6 500 K等7种。邀请了30名视觉功能正常,矫正视力1.0以上,且无色盲、色弱等其他眼疾的观察者参加了本次实验。地点选择在长9 m,高2.8 m,宽5 m的模拟隧道内。实验参数选取3组亮度值,分别为4, 8和12 cd·m^-2;2个灯具安装高度分别是2.0和2.4 m;3个安装角度分别是15°, 20°和25°。共评估了126种照明条件。实验结果表明:隧道出口段亮度越大,明适应时间越小;当亮度相同时,随着色温的增大,明适应时间减小;灯具安装角度和安装高度对光谱的影响很小,改变安装高度和安装角度并不能有效的减小明适应时间。从明适应的角度出发,通过分析不同色温LED灯的光谱,为隧道照明设计与应用中出口段LED光源的选择提供数据和理论支撑。     

展陈照明光源光谱对光敏文物的辐照损伤研究

展陈照明中的光辐照会对光敏文物材料造成褪色、老化等辐照损伤,尤其对字画、染色丝绸、彩绘陶器等颜色非常丰富的光敏性文物损伤巨大,不利文物安全。国内外展陈照明标准为减少对文物的辐照损伤,严格控制照明标准水平,如光敏文物的照度仅50lx,不利于观众更加细致的欣赏这类文物。随着半导体固态光源Light emitting diode （LED）技术的发展,其光谱中不含对文物损伤最大的紫外和红外波段,与传统光源相比具有天然优势,能够实现在相同照度条件下对文物产生更小的伤害。并使得在不增加对文物损伤的前提下,提高照明环境亮度从而改善照明环境水平成为可能。然而,即使仅有可见光光谱,可见光光子能量仍会对材料造成不可逆的损伤。而LED光源光谱多样,甚至有较大差异,在LED光源大规模进入文物展陈照明领域时,如何科学指导博物馆文物照明光源的研发与应用,是改善文物展陈照明环境的关键问题。该研究对常见光敏文物材料进行可见光连续辐照下表面颜色属性变化的测量研究,通过制备常用的国画颜料和植物染料样品（国画颜料主要有硃磦、赭石、三青、花青、胭脂、炭黑、曙红、酞青蓝;植物染料主要有茜草、黄檗、栀子、靛蓝、槐米、苏木、紫草）,利用不同波长单色光和不同色温复合光的LED作为光源,对样品进行大剂量连续辐照实验。辐照过程中,定期测量材料表面颜色的色度学参数L*, a*, b*,以CIE 1976 L*a*b*均匀色空间色差计算方法,求算出不同光谱的LED光源辐照后样品的色差变化。再分别从辐射度学和光度学出发,对比分析具有不同光谱的LED光源对国画颜料和植物染料的长期辐照影响。实验结果表明：不论从辐射度学还是光度学角度分析,相同辐照剂量或曝光量照射后,单色光中短波长的蓝光辐照导致样品的色差最大,绿光次之,红光最小;而在复合光中,高色温LED光源由于蓝光占比较大,对样品的辐照影响明显高于低色温LED光源;目前利用光照度对博物馆照明环境进行评价时,由于蓝光对应的人眼视见函数数值较低,与辐射照度评价相比,蓝光辐照对文物的影响会被进一步低估;相同光照条件下,植物染料的老化程度总体高于国画颜料;黄色系的植物染料（黄檗、槐米）和红色系的国画颜料（硃砂、曙红）在光照过程中更易老化。因此,博物馆展陈照明的LED光源应严格控制蓝光成分,采用低色温的光源更有助于对文物的保护。在今后制定文物展陈照明标准时,应对光源的蓝光占比进行限制。此外,对于黄色系、红色系等光敏文物进行照明时,相应的展陈照明标准应更为严格。该研究对于LED光源在博物馆照明更加合理的研发与应用,以及未来博物馆展陈照明标准改进及照明条件改善具有重要指导意义。     

Color Zone Map in Peripheral Vision at Various Illuminance Levels

We measured the entire region of mesopic and photopic vision to determine the color zone covering the visual field with unique red, yellow, green, and blue hue components. Eight kinds of test stimuli in the natural color system (NCS) color notation system were used. These stimuli were presented at horizontal and vertical meridians, and at meridians inclined at 45° angles. The illuminance level was set at six levels: 0.01 lx-1000 lx. The evaluation method measured chromatic, white, and black components as well as the hue component of the stimuli. Results show that the color zone of the retina extended further into the periphery with increasing illuminance; the response of opponent colors y-b was shown to be greater than that of the opponent colors r-g.