防治户外LED屏光污染要从器件源头抓起

 中国电子报、电子信息产业网  作者:深圳雷曼光电科技股份有限公司产品总监、封装研发总监 屠孟龙
发布时间:2014-09-19
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  随着全彩LED显示屏技术不断提高,户外全彩LED显示屏逐渐取代了传统的户外媒体,成为了主流的户外信息显示媒体。伴随户外全彩LED显示屏而来的,除了丰富多彩的多媒体广告、绚丽的色彩之外,还有户外LED显示屏带来的光污染,它给人们的视力健康、安全出行等带来了影响。

  为此,国内部分城市于近期相继出台了一系列控制光污染的法规,同时拆除了大量造成严重光污染的LED显示屏。那么,如何从源头减少LED显示屏的光污染,成为户外全彩LED显示屏行业健康发展亟待解决的问题。

  防治户外灯光光污染不同类型有不同办法

  对光污染目前没有统一的定义,比较能接受的说法是:光污染是由外溢光、杂散光的不利影响造成的不良照明环境。

  目前,关于户外灯光的光污染,国际上还没有各个国家普遍接受的定义与限制标准。国际照明委员会(CIE)对户外灯光的光污染,进行过视觉研究,并针对不同的光污染类型,提出了相应的限制标准。

  关于LED显示屏的光污染防治,在全球范围内,除了上海市颁布了LED显示屏最大亮度的限定值外,全球还没有专门针对户外LED显示屏的光污染限制标准。

  对光污染的理解,目前还没有统一的定义。比较能接受的说法是:光污染是由外溢光、杂散光的不利影响造成的不良照明环境。狭义地讲,即为有害光的消极影响,其数量或方向足以引起人们烦躁、不舒适、注意力不集中或降低对于一些重要信息(如交通信号)的感知能力。对动物、植物亦会产生不良影响的外溢光、杂散光都属于有害光。

  从这个定义中,可以看出两点:一是光污染是针对夜间光环境中的事物而言的;二是光污染不是以确定的光线量多少界定的,而是考察出射光线是否对环境产生负面的影响,所以不能单纯根据一个区域或一个照明设备的亮度水平或出光量来评价光污染。

  国际照明委员会(CIE)关于户外灯光对居民造成的影响,主要采用4个技术参数进行评价,包括光入侵、建筑物外墙及招牌的光度、眩光及夜空辉光。

  光入侵是指经窗户溢散入屋的光线。建筑物外墙及招牌光度是以发光体为基础的参数,用以评估来自建筑物外墙表面和招牌的光度。

  对居民产生的眩光是指居民直视明亮照明设备而导致的烦躁、注意力分散或不适。对道路使用者产生的眩光,是用来量度道路使用者从正常观察方向直视明亮光源,感到烦躁、注意力分散或不适而导致的失能眩光。

  夜空辉光是指夜空被人工照明和自然大气及天体因素而照亮。户外灯光装置发出的光线(包括直接向上溢散及从地面反射的光线)均可引致夜空辉光。夜空辉光增加了天空漆黑部分的光亮度,减弱星星或其它天体与夜空背景之间的对比,以致影响天文学家观测天体的能力。

  防治光污染的目的是在满足照明要求的前提下,将有害光量减少到不对周围环境和人产生危害的水平。指导思想是减少或消除产生光污染的那部分光线。国际照明委员会(CIE)建议,根据一般环境亮度,把不同地区划分为本质上漆黑、低照明区域、中照明区域和高照明区域等4类照明区域。对不同区域,光污染的防治有不同的办法。

  一是对居住区的光入侵防治。对居住区光污染的防治,主要是减少居民住宅窗户的光入侵。国际照明委员会(CIE)对住宅的光入侵进行了严格的限制。

  二是影响行人的眩光防治。对行人构成危害的光污染主要来自于灯具光面本身的亮度和路面或其他表面反射光线的亮度。国际照明委员会(CIE)和一些发达国家都采用规定灯具最大发光强度或亮度的方法对此进行限制。

  三是对产生夜空辉光的上射光的防治。户外灯具的光源向不同方向射出光线,在需要照射的有效范围内的光是有用的,但是在不需要照射的范围内也会有溢出光,形成光污染。特别是上射光会产生夜空辉光,形成严重的夜空光污染。国际上不同的国家、专业协会等,对上射光都有严格的控制,国际照明委员会(CIE)、英国对上射光占灯具总光通量的比例均做了限定。

  户外全彩LED屏光污染防治是新领域

  为了解决显示屏上射光污染,最佳的方案是显示屏通过技术手段,尽量减少上射光的数量,从而达到减少上射光的光污染问题。

  户外全彩LED显示屏的光污染研究,还是一个比较新的领域,目前还没有一个业界都能接受的统一标准,参考国际照明委员会(CIE)对户外灯具光污染的研究结果,LED显示屏的光污染也涉及到光入侵、LED显示屏的亮度、眩光及夜空辉光等几个方面。

  全球及各专业协会,对LED显示屏的光污染均缺少统一的规定,结合国际照明委员会(CIE)对各类户外光源的规定,本文将对LED显示屏的光污染进行初步探讨。

  一是居住区的光入侵防治。LED显示屏对居住区的光入侵,无法单独定义。因为除了LED显示屏之外,还有户外路灯等其他光源。对居住区的光入侵限制,可以参照国际照明委员会(CIE)的相关限制,但是无法单独区分LED显示屏光污染的具体数值。要减少LED显示屏对居住区的光入侵,可以通过调节LED显示屏的亮度,以及减少上射光的数量,来降低LED显示屏的光入侵。

  二是影响行人的眩光及显示屏亮度的防治。LED显示屏眩光对行人的干扰,涉及到个人对显示屏亮度的主观评价,比较难限定。国际照明委员会(CIE)对眩光源进行过视觉试验研究,并对眩光源亮度进行了限制。此外,上海市质量技术监督局在2013年6月17日发布了全国首个LED显示屏亮度限制标准DB31/708-2013,《公共场所发光二极管(LED)显示屏最大可视亮度限值和测量方法》,对LED显示屏的最大亮度值进行了限制。

  三是对产生夜空辉光的上射光的防治。LED显示屏由于是对称发光,因此上视角范围内的上射光,成为了居住区光入侵以及夜空辉光的光污染来源。由于LED显示屏对称发光的特性,无法采用国际照明委员会(CIE)规定的上射光占据总体光通量的最大比例来进行限制。到目前为止,对于LED显示屏上射光的光污染问题,全球都还没有相关的限制。

  为了解决显示屏上射光污染,最佳的方案是显示屏通过技术手段,尽量减少上射光的数量,从而达到减少上射光的光污染问题。

  为了减少显示屏的光污染,业界提出了许多LED显示屏光污染的解决方案,主要措施有4种:一是合理规划显示屏面积和安装位置。根据观看的距离、周围环境和观看角度,合理规划显示面积和位置。二是播放内容的选择和设计。播放画面尽量不采用白色的底色,尽量要采用比较柔和的底色,画面在变换的时候要有一个过渡,不要采用闪烁太多的画面。三是采用多级灰度矫正技术改善色彩柔和度。LED显示屏采用更多的灰度等级,看起来色彩柔和,过渡自然。四是采用可自动调节亮度的调节系统。不同的时间、环境亮度变化很大,如果显示屏的亮度大于环境过多,特别是在晚上,强烈的眩光会造成人们眼睛的不适应。通过自动亮度调整系统,就能自动换算适合环境的播出亮度,避免光污染。

  LED显示屏减少光污染器件级解决方案

  可以通过对LAMP器件进行非对称的光学设计,将上视角的部分能量,转移到下视角的可视范围内,从而减少光污染。

  除了以上业界常用的控制光污染的措施外,还有一种器件级的解决方案,即通过减少上射光以及无效可视范围内的光的亮度,来减少光污染。

  要减少LED显示屏的光污染,最佳的方法是控制光线的出光方向与光能量的分布范围。也就是在有效可视范围内,全部是有用光,需要将光能量尽量多地集中在有效可视范围内。在无效可视范围的光,是有害光,需要尽量减少光能量在无效可视范围内的分布,从而达到减少光污染的目标。

  LAMP器件非对称光学设计可以减少光污染。显示屏通常安装于一定的高度,且垂直于水平面安装,人们通常是仰视观看显示屏,下视角为有效可视范围,上视角为无效可视范围,会造成严重的光污染。为了达到节能与减少光污染的目的,依照LED显示屏通常仰视的应用环境和观看习惯,提出了LAMP器件光学非对称的设想。通过对LAMP器件进行非对称的光学设计,将上视角的部分能量,转移到下视角的可视范围内,从而达到增加下视角有效可视范围内亮度,同时减少上视角无效可视范围内光污染的目的。

  减少上视角无效可视范围内的光污染。为了对比非对称LAMP器件与正常LAMP器件在上视角无效可视范围内的光污染,将非对称LAMP器件箱体与正常LAMP器件箱体功率调整为相同,对上视角范围内不同仰视角度下的亮度进行对比。在上视角范围内,从非对称LAMP箱体亮度与正常LAMP箱体亮度对比来看,采用非对称光学设计的LAMP器件,在不同的俯视角度下,可以减少光污染10%~50%。

  减少下视角无效可视范围内的光污染。在下视角有效可视范围内的亮度是有效亮度,非对称LAMP比正常LAMP的亮度越高越好。在下视角无效可视范围内的亮度是有害亮度,非对称的LAMP的亮度要越小越好,可以减少无效可视范围内的光污染。当水平0°视角亮度值相同时,在下视角无效可视范围内,当水平视角大于±60°时,非对称AB系列LAMP器件箱体的亮度下降速度,远高于正常LAMP器件箱体的下降速度,因此非对称LAMP箱体的亮度低于正常LAMP箱体的亮度,也就是在下视角无效可视范围内,非对称LAMP器件的光污染低于正常LAMP器件的光污染。

  相关链接

  上视角与下视角

  垂直于LED显示屏的法平面,将LED显示屏分为上下两个部分,分别叫做上视角和下视角。

  LED显示屏的下视角,是垂直于显示屏的法平面以下可视范围,这是LED显示屏的有效显示范围,观看者通常仰视。LED显示屏的上视角,是垂直于显示屏的法平面以上可视范围,这是LED显示屏的无效显示范围,观看者通常俯视。

  有效可视范围与无效可视范围

  LED显示屏的有效可视范围,是指观看者在合理的观看距离、合理的观看角度下,由垂直视角与水平视角组成的一个空间范围。

  有效可视范围是观看者仰视观看显示屏,可以从垂直视角与水平视角组成的空间范围的描述。垂直有效可视范围角度在与水平法平面为5°~45°的视角范围,水平有效可视范围为与垂直法平面左右各为60°,共计120°的一个视角范围,此范围内组成的空间成为有效可视范围。除了有效可视范围之外的其他范围,成为无效可视范围。


来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:赵晨
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