可调式高演色性之LED照明光源制作与应用

　　0 引言

　　很多人都有在午后精神不济的经验，特别是在吃午餐后。当嗜睡程度增加时则会减低工作效率。除了午睡或是来杯香浓咖啡，高亮度的照明光是可以减少此现象的有效方式之一[1]。但是，它可能没有办法适用于办公室环境，例如在一些没有办法直接照射到阳光的建筑物内。因此，高色温的照明光源提供了另一项选择，因为高色温的照明光可以提高人们的警觉性并且帮助我们能够减少午后的嗜睡程度[2]。然而，现今我们使用的照明光源只能提供固定色温(例如色温6500K)，长时间曝露在这样固定的照明光源下，并不会使警觉程度维持较久的时间。因此，我们需要把每个人不同的需求在不同的时段上来调整不同的色温照明环境。因此，现今我们所需要的灯具不但可以提供可变色温并且具备高演色性的照明光源。为了能实现这样的动态照明光源，LED是唯一的选择;因为我们可以任意地挑选LED的峰值波长，经混光后来达到这样一个新颖的且具备有重要生物意义的照明光源。这样新颖的光源中，LED扮演了非常重要的角色，经过不同LED波长的组合后可仿真出不同时段的日光，包括清晨、中午以及黄昏。本篇研究中所挑选的六种LED，是经过最佳挑选后所筛选出六种最佳LED所组成的光源模块[3]，不同于一般只有红光、绿光以及蓝光所组合而成的照明光源，其不但具备有较高的演色性，且色温是可以调变的。经这六种不同的LED组合后，其色温范围可从1800K到12000K，我们利用光谱辐射度计 JETI所量测得到的平均演色系数是88，照度高于700勒克斯。

　　警觉程度与色温之关系之前的研究指出高色温的光源会使人类产生较高的警觉程度，而警觉程度的高低由alpha波之衰减系数(AAC)来判断。经由脑波(EEG)的讯号量测，得到开眼和闭眼的alpha能量比值[4]。因此，改善人类下午嗜睡情况的明亮自然光，可以被高色温光源所取代。然而经过长时间暴露于高色温的照射下，可能不会一直保持着相同的警觉程度。八位受测者在色温6500K的光源下照射1.5小时。警觉程度随着暴露在光源下时间的增加而减少。从此结果可得知，30分钟内警觉程度维持一定，当AAC为高的，再以高色温之光源照射，也不会增加AAC。而AAC在一小时后衰减，其原因可能是眼睛已受此色温之适应。因此当嗜睡程度增加时可能需要以更高的色温光源照射，或者是改变以低色温光源照射。此外，由于不同的色温可能会呈现不同的警觉程度与情绪，故我们可依照不同的警觉程度状态来进行色温的调整。我们采用不同色温来测试警觉程度，此实验是两天的实验程序，照明光控制照度为500勒克斯，受测者共有五男五女，年龄介于20岁到22岁。这三种光源分别表示为，第三种6500K、第二种4000K、第一种3000K。相关的AACs显示，第一天测试中的6500K光源可使警觉程度高于4000K或3000K之光源;因此，相较于3000K及4000K色温下，6500k的光源可以抑制下午的嗜睡程度，由于不同的人在不同的时间点所感觉到的嗜睡程度不一样，因此不同的人在不同时间上可以要求点亮不同色温光源，如此不但可以抑制嗜睡程度也可以改善工作效率。

　　1 可调式色温LED光源之实体制作

　　欲重建照明光源(E)λ可由M个LED重建，而成重建光源ˆE(λ)，其表示式如下：

　　各LED之重建光源光谱系数可以下式计算出[3]：

　　而重建光源系数必须为正，其上式的A为各LED光谱之取样，由400nm至700nm每5个nm一个取样，所以A的维度为M×61，而E为欲重建光源光谱取样，而且也是每5nm一个取样，所以为1×61的向量。A+为A矩阵的虚拟反矩阵，其维度也是M×61。而最佳化LED组合便是可以重建出一个最小光谱能量偏差(Euclidean norm)：之最佳效果，因为利用LED重建各光源，所以欲实体建构出各光源其重建系数就需必须为正，不可以为负值。因此我们可以利用[3]所提出最佳LED筛选法，挑选出最佳LED组合并具最小能量偏差及正重建系数之最佳LED组合。

　　为了可实体建构出可调式色温照明灯，我们利用上述的运算法，由各个销售LED公司之中收集61种LED，并由61种LED之中挑选出最佳6个LED来实现可调式色温照明光，其色温可由1800K至12000K黑体辐射的调制范围，如表一左栏所示。实际上不容易购买到完全相同峰波长的LED，因此我们利用最接近之LED取代之，如表一右栏所示，并利用此6种LED建构可调式色温之照明灯，其色温调制范围由1800K至12000K。而挑选出最佳6个LED及接近模拟的6个LED之峰长(peak wavelength)及半波宽(FWHM)如表3.1所示。我们利用JETI光谱量测仪，量测可调式色温照明灯于各种色温之演色性，皆具有CRI大于88并照度大于700勒克斯之照明效果。此照明应用于居家化妆灯或电视台打光灯之效果与应用于居家客厅照明，使用于不同需要之地区要有不同之色温照明，尤其是在工作区若照明光为可控制且自行调整显示出有较高之照明舒适度[5] ，本可调式色温之照明灯恰可满足此需要。另外，色温箱通常装配有数个标准光源，这会造成替换麻烦与占空间，以前述6种LED扩增为12个不同色之LED模块，可满足此需求。

　　表1 模拟最佳6种LED及实际应用

　　2 结论

　　一般LED高显色指数混光，系利用红绿蓝三色或红绿蓝琥珀色等四色，所能达到最高显色指数为85，我们利用六色LED所能达到之显色指数远大于此，此外，我们所建构之可调色温的LED照明光源，不同于目前一般市售固定且高色温的照明灯具，我们所建构之照明光源不仅可以降低下午时段的嗜睡度，而且可以调适我们的情绪，可依照不同使用的人在不同工作地点来调变色光。由于LED光源的颜色可以调变且具有高演色指数，这LED光源可以用在各种不同应用上。例如:色温箱光源、电视摄影棚之照明灯。因此，在一般照明情况下，我们可利用可调式色温照明光源来建构出智慧照明以取代一般照明。

编辑：Cedar