LED电视普通照明灯具的色温特性和使用中稳定性、一致性研究[1]

　　1 原理和目的

　　物理上假设一种理想的完全辐射体称为黑体，将标准黑体加热，温度升高到一定程度时表面将发光，颜色开始由深红-浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变。利用这种光色变化的特性，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温(CT)。以绝对温标K(Kelvin，或称开氏温标)为单位;绝对温度与摄氏温度的关系是：TK=(t+273.15)ºC。黑体随温度升高由红变蓝的规律如图1所示。

　　图1显示了不同黑体色温在色度图上的位置，在一条弧形的曲线上(称为黑体轨迹也称普朗克轨迹)。由于实际光源发出的光谱与黑体光谱有所区别，选用与该光源色坐标相近的黑体色温定义为该光源的色温，为区别黑体称之为相关色温(即平时所指光源色温)。图中相同色温的光源色坐标表示为与色温曲线相交的一条短短的直线，称为“等色温线”。

　　因为大部分光源所发出的光皆称为白光，色温反映的是组成不同色温白光中所包含的各种色光的量的不同。例如一块白板放在白炽灯下或在太阳光下，尽管白炽灯和太阳发出的光谱不同，由于人眼的自动调节作用，人们看到的都是白色。但是用同一个摄像机在这两种光线下拍摄白板，呈现在显示器上的画面就明显不同。摄像机可以经过调节以适应不同高低色温的场景，当摄像机调到高色温时，拍摄到阳光下的白板正常，但是拍摄到白炽灯下的白板则偏黄色;当摄像机调到低色温时，拍摄到白炽灯下的白板正常，但拍摄到阳光下的白板则偏蓝色。这就是摄像机的特点，因此，为了得到色彩平衡的高质量图像，电视照明灯光要适应摄像机的这些特性，灯具的色温必须具有一定的稳定性和一致性。色温一致且稳定的照明环境可通过调节摄像机达到平衡。若使用的各种灯具色温一致性差，且不能保证稳定性，摄像机面对这样的场景就无能为力了。

　　LED灯具以发光二极管LED为光源，现在的白光LED是由蓝光LED复以黄色荧光粉制成。点亮时LED发出的部分蓝光被荧光粉吸收转化为黄光，与剩下的部分蓝光一起射出，混合形成白光。通过蓝光和黄光比例的调整控制LED白光的色温，比例不同，色温也不同。

　　由于白光LED由两种主要色光组成，若两者成分的比例不变，则色温不变。但是，LED作为半导体发光，随温度等因素影响的变化，发出蓝光的波长会有相应的变化，一般LED芯片发光随温度升高波长变长(该变化称为“红移”)，而常用的黄色荧光粉(YAG钇铝石榴石)对蓝光的吸收和转化的效率有一个最佳峰值波长。常温下LED蓝光的波长与YAG荧光粉的最佳转换峰值波长总会有一点偏差，YAG的峰值转换波长可能比蓝光波长长，也可能比蓝光波长短。当温度升高，LED发出光谱波长红移时，转化产生黄光的量可能增加，也可能减少。两者的比例将会发生变化，使混合出的白光色温可能升高，也可能降低。这一变化客观存在，但是在演播室内，对节目的录播质量会有怎样的影响，这一变化是否在允许范围内，需要测试和实验加以验证。

　　LED的生产工艺是在一片大的基片上用外延技术制作几万个LED管芯，然后切割分离成单个LED管芯，在这几万个LED管芯中，它们的特性并不完全一致，中心部分的管芯与靠外围的管芯的各参数有较大差别，管芯的分割和封装厂商会进行测试和筛选分级。但是各芯片厂商的分级标准各不相同，灯具的生产厂商对各LED管的筛选标准也不同，在目前条件下，具体到每一个灯具的色温等参数也有差别。而且，不同厂商的产品色温不同，同一品牌不同型号产品色温不同，同一型号不同批次产品也有差别。各种差别的幅度如何，是否在摄录允许范围，也是本次测试研究的课题。

　　另外，在演播室常用的调光情况下，LED光源色温是否变化;长时间使用后，LED光效的衰减和YAG荧光粉性能的衰减速度不会一致，这对色温有怎样的影响;不同品牌LED灯具色温的差异如何;聚光灯和柔光灯色温的差异等情况，也有待测试，通过实验得出结论。

　　2 实验

　　2.1 实验条件

　　用色度计可测出灯具的相关色温，用光谱分析仪可测出灯具的光谱分布，如图2所示，并通过计算机分析，在色度图上得出色度坐标，比较黑体轨迹线，求得灯具色温与标准黑体差异，更精确地掌握色温的微小变化。

　　2.1.1 仪器

　　本实验主要采用以下设备：

　　(1)用PMS-50光谱分析系统。如图3所示。包括采样积分球、光谱仪、计算机数字处理系统软件等。

　　(2)分布式光度仪。如图4所示。由于灯具体积较大，用GO1900分布光度计测试灯具有效光通和配光特性。

　　(3)CL–200 CHROM METER照度计。该照度计功能较多，不仅能测出照度，同时能测出色温、以及(x,y)值或(u,v)值标出色坐标。

　　(4)恒温箱。为测得不同环境温度下灯具色温的变化，本实验使用SDH4020低温恒温恒湿箱，这是一个有出光窗口的恒温箱。该设备温度可控范围-40 ℃ ～ 100 ℃。

　　(5)交流稳压电源。多功能交流稳压电源APC AFC–500W。