宽色域白光LED广告灯箱光源的光谱设计

廖欣怡， 朱大庆

(1.华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门 361021；2.福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门 361021)

引言

日常生活中，广告灯箱是一种随处可见传播媒介。传统广告灯箱采用荧光灯照明，比较耗电。目前市场上推行采用更节能的白光LED代替荧光灯用于广告灯箱照明。对于广告灯箱，除了节能环保，广告海报的视觉效果也是值得重视的问题。视觉效果不仅跟印刷技术有关，还与照明光源的颜色品质有关。目前行业内通用的评价光源颜色品质的指标是CIE-Ra[1],但随着LED这类光谱存在着尖锐波峰的光源的广泛应用，研究表明CIE-Ra并不能正确表征它们的颜色品质[2-4]。近几年来研究者提出了很多新的评价方法，其中比较突出的一点是绝大数研究者都认为单一指标不能全面表征光源的显色能力，所以提出了多种双指标或多指标的评价方法多维度的评价光源颜色品质，包括颜色保真性(color fidelity)、颜色喜好性(color preference)和光源色域(color gamut)[5,6]。针对广告灯箱的用途，人们会尤其关注灯光照射下海报的鲜艳程度：有研究表明宽色域光源照射下的物体颜色更饱和，更鲜艳生动，更受人们喜欢[5-10]。因此，我们可以通过优化广告灯光源色域面积来改善海报视觉效果，使光源照射下的海报颜色看起来更鲜艳生动。

光源色域的概念与显示屏色域的概念有所不同，光源色域面积是指一系列颜色样本在光源照射下在颜色空间中的坐标所围成的面积[11-14]。目前已提出的色域面积指标有很多,包括：采用8个颜色样本，颜色空间为CIE 1960 UCS 的CDI；采用8个颜色样本，颜色空间为CIE 1976 UCS 的GAI；采用15个颜色样本，颜色空间为CIE LAB的CQS中Qg；采用99个颜色样本，颜色空间为CAM02-UCS的IES TM-30-15中的Rg等[5,15-18]，虽然这些指标计算过程采用的样本和颜色空间有所改变，但是计算流程都是相似的，同时有研究表明这些指标是密切相关的[5]。

本文将利用CQS中的Qg指标表征光源色域面积，通过在原有光源基础上叠加不同单色光构建一系列光谱，计算构建光谱的色域面积，找出光源色域面积与叠加单色光之间的关系，在数值计算的结果的基础上优化光源光谱，并通过视觉实验分析数值计算结果的可靠性。

1 现有广告灯箱光源色度参数

我们使用的LED广告灯箱的光谱数据和部分色度参数见图1和表1。为了比较色域面积和形状，增加了一款荧光灯的相关数据作为参考。图1(a)中的两个光谱分别是相同色温的白光LED灯和荧光灯的光谱,它们的色域形状如图1(b)所示，从色域形状可以知道，与参考荧光灯相比，我们所用的白光LED的色域面积较小，在照射绿色、蓝绿色、橙色和红色物体时物体颜色饱和度有所下降，不利于呈现广告海报的多彩性。

图1 白光LED广告灯与荧光灯的相对光谱功率分布以及色域(Qg)形状图Fig.1 The relative spectral power distribution and the gamut shape of white LED advertising light and fluorescent

表1 白光LED广告灯与荧光灯的色度参数Table 1 The colorimetric characteristics of white LED advertising light and fluorescent

2 现有广告灯光源光谱的优化

2.1 建立构建光谱数学模型

光源的色度性质是由光谱决定的[19]，我们通过光源色域面积随所叠加单色光的波长的变化来研究光源光谱与光源色域面积之间的关系。

选图1中的白光LED广告灯作为基础光源，利用Ohno[20]提出的模型构建单色光并将其分别叠加到基础光源上构建成新的光谱。单色光模型为

(1)

构建光谱的光谱分布为

S(λ)=S0(λ)+kSLED(λ)

(2)

其中g(λ,λ0,Δλ0.5)=exp{-[(λ-λ0)/Δλ0.5]2}，单色光波长λ0从380～780 nm每间隔5 nm取一次，半波宽Δλ0.5为20 nm，S0(λ)为广告灯初始光谱，幅值k为基础光源的最大功率的0.1～1倍。利用CQS计算构建光谱的相对色域面积Qg。

随着叠加单色光中心波长的变化，构建光谱的相对色域面积大小变化如图2所示:叠加400～500 nm和550～600 nm的单色光后广告灯色域面积变小；叠加500～550 nm和620～680 nm的单色光后广告灯色域面积变大；叠加400 nm之前和700 nm之后的单色光后广告灯色域面积基本不变。同时，随着叠加单色光的幅值的增大，广告灯的色域面积大小变化幅度也增大。

图2 广告灯叠加不同幅值不同波长单色光后色域面积大小变化曲线图Fig.2 The change of gamut size after advertising light added different amplitudes and different wavelengths of monochromatic light

2.2 确定目标光谱

数值计算结果表明，广告灯叠加500～550 nm(绿色)和620～680 nm(红色)的单色光后光源色域面积会变大，结合市场上易购买的单色光LED种类，我们选取520 nm的绿光LED和680 nm的红光LED作为叠加单色光叠加到广告灯上。

由于光源的颜色品质中颜色还原性(Qf)以及色域面积(Qg)这两个指标之间是相互权衡的[1]，不可能同时使得这两个参数都达到最大，为了获得颜色品质较优良的光源，在Qg变大的过程中，需要综合考虑指标Qa的变化趋势,Qa表征的是光源综合的颜色品质。当广告灯叠加不同幅值的520 nm单色光时，广告灯的Qg和Qf的变化关系曲线如图3(a)所示，Qg随着叠加单色光幅值的增加一直增大，而Qa是先增大后减小，当幅值k为0.3左右时，Qa达到最大值；当广告灯叠加不同幅值的680 nm单色光时，广告灯的Qg和Qa的变化关系曲线如图3(b)所示，Qg随着叠加单色光幅值的增加一直增大，而Qa先增大后减小，当幅值k为0.5左右时，Qa达到最大值。

综上所述，目标光谱定为广告灯叠加幅值为0.3的520 nm单色光和广告灯叠加幅值为0.5的680 nm单色光，目标光谱图如图4所示。

图3 广告灯叠加不同幅值单色光后Qa与Qg之间变化关系Fig.3 The relationship between Qa and Qg after advertising lights added different amplitude monochromatic light

图4 广告灯与两个目标光谱的相对光谱功率分布Fig.4 The spectral power distribution of advertising light and two target spectrum

2.3 广告灯箱制作

原广告灯箱内左右两边各有一排白光LED灯珠,每排各有69个。广告灯箱的输出电压为11.3 V；输出电流为0.651 A；输出功率为7.42 W。灯箱内每三个灯珠串联在一起后再并联，通过计算,每个小灯珠的工作电流为20 mA 左右，工作电压约为3 V，发光功率约为0.06 W。选择电参数大致和灯箱内的灯珠参数相同的单色光灯珠：绿光 LED 工作电压为3.0～3.2 V,工作电流为20 mA；红光 LED 工作电压为1.8～2.2 V,工作电流为20 mA。

测试得到广告灯箱、绿光LED和红光LED的辐射通量，见表2，根据2.2的结果计算出在广告灯光谱中叠加的520 nm绿光和680 nm红光的光谱占比分别为0.1533和0.289，即需要叠加9个绿光LED或44个红光LED。制作的成品光源光谱和色域面积形状如图5和图6所示，部分色度参数如表3所示。

表2 光源辐射通量Table 2 The radiation flux of light source

图5 成品灯箱的光源光谱Fig.5 The light source spectrum of the sample advertising light box

图6 成品灯箱光源的色域形状Fig.6 The gamut shape of the sample light

表3 成品光源的部分色度参数(1号广告灯为原始广告灯;2号广告灯为叠加520 nm的广告灯;3号广告灯为叠加680 nm的广告灯)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)

图7是三个广告灯亮灯情况：可以看到，原广告灯箱(左边)的整个灯箱画面看起来偏黄偏暗，色彩不够鲜艳；叠加绿光LED的灯箱(中间)，比原灯箱亮，较为鲜艳些，但是海报中间的花的颜色比较苍白，没有光泽；叠加红光LED光源的灯箱(右边)视觉效果最好，海报颜色鲜艳多彩。

2.4 视觉实验

实验设计如下:让观察者同时观察三个广告灯箱，然后对三个灯箱海报的喜爱程度、真实程度以及颜色多彩性分别进行评分。

实验在封闭空间进行,光源编号为1号(原广告灯箱光源)，2号(叠加绿光LED的灯箱光源)和3号(叠加红光 LED 的灯箱光源),观察者不知道编号对应的灯箱，在实验前要进行20 min的视觉适应；参加视觉实验一共有21位观察者，10男11女，年龄在20～30岁之间，视力均视为良好(近视的都带着眼镜进行观察)。观察者依次进入实验室观察灯箱，然后对每个灯箱海报的喜爱程度、真实程度以及多彩性的进行评分,并填写表4。

图7 灯箱亮灯：原始广告灯(左)；广告灯叠加520 nm绿光(中)；广告灯叠加680 nm红光(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 视觉实验评分表Table 4 Visual experiment score table

观察者评分结果如图8所示，图8(a)是对海报颜色喜好程度的评分：光源1的平均得分为1.87，光源2的平均得分为1.45，光源3的平均得分为2.57，也就是说，观察者对三个灯箱海报颜色的喜好程度是：光源3>光源1>光源2；图8(b)是对海报真实程度的评分：光源1的平均得分为2.4，光源2的平均得分为1.67，光源3的平均得分为2.42，观察者对三个灯箱海报的真实程度的评价是：光源3>光源1>光源2；图8(c)是对海报颜色多彩性的评分：光源1的平均得分为1.83，光源2的平均得分为1.76，光源3的平均得分为2.47，观察者对三个灯箱海报颜色多彩性的评价是：光源3>光源1>光源2。

视觉实验结果表明，广告灯叠加680 nm单色光后视觉效果得到了改善，海报在其的照射下，颜色看起来更鲜艳生动，更受观察者喜欢，而广告灯叠加520 nm单色光后视觉效果没有得到改善，其原因可能在于：从图8可以看到叠加520 nm单色光的广告灯的光源色域面积与原始广告灯的光源色域面积相比，增大幅度不明显，且视觉实验后很多观察者都提出该灯箱光不够均匀且刺眼，影响判断，这是由叠加的绿光灯珠较少造成的。

图8 观察者对三个灯箱显色的评分：(a)喜好程度评分;(b)真实程度评分;(c)多彩性评分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 结论

本文数值实验结果表明白光LED广告灯叠加不同波长的单色光后，色域面积大小变化不同：叠加400～500 nm和550～600 nm的单色光后广告灯色域面积变小；叠加500～550 nm和620～680 nm的单色光后广告灯色域面积变大；叠加400 nm之前和700 nm之后的单色光后广告灯色域面积基本不变。结合市场上易购买的单色光灯珠，我们制作了广告灯叠加520 nm(绿光)和广告灯叠加680 nm(红光)的实物，虽然色域面积实际值与理论值之间存在着差距，但基本达到了我们初步增加光源色域面积大小的目标，视觉实验证明广告灯叠加680 nm单色光后视觉效果得到改善，呈现的海报颜色更鲜艳多彩。