户外全彩LED显示屏光污染防治及技术解决方案探讨

1、户外全彩led显示屏光污染防治及技术解决方案探讨摘要：本论文对led户外显示屏的光污染问题进行了探讨，对led显示屏的主要光污染，包括光 人侵、眩光、显示屏亮度、夜空辉光等光污染，参照国际照明委员会(c1e)与上海市的限制标准，提吐 了 led显示屏的光污染的参考限制参数。针对显示屏的光污染，提出了器件级的解决方案在有效巧 视范围内，光能量集中分布，有利于降低显示屏功耗，在无效可视范围内，尽量降低光能量分布，减少 光污染。经过实测数据的对比，这个器件级的降低光污染解决方案，能有效降低无效可视亮度范围内 10%50%的光污染。中图分类号：x505文献标识码：b文章编号：2095-8595 (20

2、14) 03-296-07the discussion of led displays light pollution and technical solutionmenglong tu(ledman optoelectronic co., ltd” guangzhou, shenzhen, 518108, china)abstract: in this paper, the light pollution of led outdoor display is discussed. the main light pollutions references limits , including l

3、ight invasion，the glare，the led displays brightness and sky glow, is proposed. the lee package level solution of the display light pollution has been proposed. within the valid visible range，the light energy is concentrated here，help to reduce the display power consumption. within the invalid visibl

4、e range, try to reduce the lighi energy distribution and light pollution. by comparison the data of the reduction of light pollution, led package leve solutions can reduce the brightness in the invalid visible range of 10% to 50% of the light pollution.key words: colorful led display; light pollutio

5、n; valid visible range; invalid visible range1引言随着全彩led显示屏技术的不断提高，户外全 彩led显示屏逐渐取代了传统的户外媒体，成为了主沆 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，随之而来的还有户外led显示屏带来的光污 染，给人们的视力健康、安全出行等带来了影响。 如何减少led显示屏的光污染，成为户外全彩lee 显示屏行业健康发展亟待解决的问题。目前国际上对户外灯光的光污染定义，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(cte)対户外灯光的光污染，进行过视觉研究，并

6、 针対不同的光污染类型，提出了相应的限制标准。针对led显示屏的光污染，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 还没有专门针対户外led显示屏的光污染限制标准。解决户外全彩led显示屏光污染的技术，主要 包括采用亮度自动调整系统、多级灰度矫正技术、安 装位置的合理选择和显示屏面积的合理规划、充 led显示屏的亮度分布和方向进行控制等。本论5 针対显示屏的亮度分布和方向进行控制方面，提出了 器件级的解决方案。通过对lamp器件的非対称升有效可视范围内，光能量集中分布，有利于降低显示 屏功耗，在无效可视范围内，尽量降低光能量分布， 减少光污染。2光污染概述2i光污染的

7、定义光污'染的讨论是相对较新的问题。现时仍没窄 一个获国际社会普遍接受的“光污染”定义和管理穿 构，而不同地方可能会以不同的方武定义光污染。根据国际暗黑夜空协会（international dark-sk） associati的定义，光污染是指人为光线造成的不g 影响，包括人工白昼现象、眩光、光人侵、混光、孩 间能见度降低，以及浪费能源p1。不同地方界定“光污染”的方法略有不同。例 如，日本环境省把光污染界定为因不当使用人为照明 设备造成光入侵引致的不良影响及骚扰。在英国， 环境' 食物及乡郊事务部（department for environment food and rur

8、al affairs）则把光污染界定为照亮所需照明 范围以外地方的任何形式的人为光线，包括在水平绍 以上射向夜空而造成人为白昼现象的光线，或发出眩 光造成危险的光线。在美国，联邦政府把光污染界淀 为“人为光源导致夜空光亮的现象”。对光污染的理解，目前还没有统一的定义。tt 较能接受的说法是：光污染是由外溢光、杂散光的孑 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、不舍 1 适、注意力不集中或降氏对于一些重要信息（如交遲 信号）的感知能力。对动物、植物亦会产生不良影响 的外溢光、杂散光即为有害光。从这个定义中，我们可以看出：（1）光污染是针对夜间光环

9、境中的事物而言的。（2）光污染不是以确定的光线的量的多少界定 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p。图1户外灯光造成的各类光污染对居民产生的眩光是指居民直视明亮照明设备而 引致的烦躁、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祁 明亮光源，感到烦躁、注意力分散或不适而引致的失 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。孩 空辉光增加了天空漆黑部分的光亮度，减弱星星或溟 他天

10、体与夜空背景之间的対比，以致影响天文学家双 测天体的能力。2.3国际上对光污染的防治及规定光污染防治的目的是在满足照明要求的前提下，将有害光的量减少到不对周围环境和人产生危害的氺 平。指导思想是减少或消除产生光污染的那部分光 线。对不同区域，光污染的防治有不同的办法。国际照明委员会（cie）建议，根据一般环境亮 度，把不同地区划分为四类照明区域，见表。表1 cie对照明区域的定义区域类型例子e1:本质上漆9j肉家公闲、共优芡人然风規的地点。e2低照明区域乡郊、小村落成照明度相对较低的市区迪点e3中照明x:域小镇中心成帘区地点*e4离照明区域夜间活动频繁的市镇、巿中心.2.2户外灯光的光污染国际

11、照明委员会（ c1e）关于户外灯光对居民逵 成的影响，主要采用四个技术参数进行评价，包括分 入侵、建筑物外墙及招牌的光度、眩光及夜空辉光。 各类光污染如图1所示w。光人侵是指经窗户溢散人屋的光线。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。2.3.1居住区的光入侵防治对雖娜亏厕方治，主蹦獻爾户觥人曼。cie捕挪獻侵!而臓2。 表2 cie对居住区光入侵的限制区域类®f扰光賊度限制f扰光光强限ma禁前熊后ft禁前禁ct1木质上漆2 lxolx2500 cdocdl2低照明h（域5 lx1 lx7500 cd500 cdl3中厢明区域10 lx2

12、 lx10000 cd1000 cde4离照明区域25 lx5 lx25000 cd2500 cd2.3.2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出光面 本身的亮度和路面或其他表面反射光线的亮度。cie 和一些发迖国家都采用规定灯具最大发光强度或亮s 的方法対此进行限制。cte对眩光源的安装高度与亮度的关系进行了视觉试验，眩光源的限制亮度可表示为lr5，与安装高 度的关系见表。表3 cie对不舒适眩光推荐值主观评价安装尚度眩光源a度限值k 好可以极受h4.5mla025<12504.5m<h<6mlao25<i5ooh6mlao15<2ooo打扰的

13、h<4.5mla6b<60004.5m<h<6mla6m<8000h>6mlad2i<10000备注：l一眩光源的亮度(cd/m2);a眩光源(以视张角表示大小)在视线方向 的投影面积(m2);2.3.3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k 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，対上射光都有 严格的控制，cie、英国对上射光占灯具总光通量的 比例做了限定，见表4nif51。表4 cie对

14、上射光占灯具总比例限定r域类型上射光占据灯w总光通s的比例(敁大值el:木质上漆魚0e2:低照明l><域5%e3:中照明|x:域15%e4:高照明r域25%3户外全彩led显示屏光污染户外全彩led显示屏的光污染研究，还是一个 比较新的领域，全球范围内对led显示屏的规管，还3.1 led显示屏的光污染led显示屏的光污染，到目前为止还没有一个诅 界都能接受的统一标准，参考cie对户外灯具光污 染的硏究结果，led显示屏的光污染也涉及到光a 侵、led显示屏的亮度、眩光及夜空辉光等几个文 面图2是led显示屏造成的主要光污染的示意图。3.2 led显示屏光污染的防治及规定到目前为止

15、，全球各国以及各专业协会，对lec 显示屏的光污染均缺少统一的规定，结合cie对名 类户外光源的规定，本文对led显示屏的光污染进 行初步探讨。3.2.1居住区的光入侵防治led显示屏对居住区的光人侵，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cie的相 关限制，具体参见表2，但是无法单独区分led显亓 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a 过调节led显示屏的亮度，以及减少上射光的麩 量，来降低led显示屏的光入侵。3.2.2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s 示屏亮

16、度的主观评价，比较难于限定。根据cie茫 眩光源的视觉试验硏究，可以参照表3中c1e对眩为 源亮度的限制。除了 cie对眩光源亮度的限制外，上海市质董 技术监督局在2013年6月17日发布了全国首个lee 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，対 led显乐屏的最大亮度值进行了限制6。(1 )户外led显示屏a)当户外自然环境照度(e)不大于2001x时， led显示屏的最大可视亮度应不超过表5的规定。 其中，区域的划分参照db31/1316-2004。表5户外led显示屏最大可视亮度的限值要求显示面积 s(mj)公人衬视

17、哎限tfucd/m)商业中心区行政办公h(成公 共活动r居住小区1s< 108006003002$>10600400300b)当户外自然开境照度大于200lx时，对led 显示屏的最大可视亮度不作规定。(2)室内led显示屏a)当屏幕周边环境照度(e)不大于4001x时,led 显示屏的最大可视亮度应不超过表6的规定。文提出了一种器件级的解决方案，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。4.1术语与定义4.1.1上视角与下视角表6室内led显示屏最大可视亮度的限值要显示面织s(m2)s< 10sio最人可视在吱限们(cd/m2)2001x<e<

18、400lx1200960501x<e<2001x800640b)当屏幕周边环境照度(e)大于4001x时，对 led垂直于led显示屏的法平面，将 led显示屏分为上下两个部分，见图3。led显示屏的下视角，是垂直于显 茜屏前濟平面以下可视范围，这是led显示屏的有效麵示范围，观看者通常仰视；led显示屏的上视辨，是睦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。ifr- r±t3.2.3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，成为了居住区光人侵，以及夜空辉光的光 污染来源。由于led显示屏对

19、称发光的特性，无法采用羡 4中cie规定的上射光占据总体光通量的最大比例涞 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，最佳的方案是显汗 屏通过技术手段，尽量减少上射光的数量，从而迖至【 减少上射光的光污染问题。4 led显示屏减少光污染器件级解决方案为了减少显示屏的的光污染，业界提出了许多 led显示屏光污染的解决方案，主要措施如下：(1 )合理规划显示屏面积的和安装位置根据观 看距离、周围环境，以及观看角度，合理规划显示面积和位置。(2) 播放内容的选择和设计播放画面尽量不采 用白色的底，尽量要采用比较柔和的底色，画面在变换

20、的时候要有一个过渡，不要 采用闪烁太多的画面。(3) 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。(4) 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，能自动拔 算适合环境的播出亮度，避免光污染。除了以上业界常用的控制光污染的措施外，本论图3 led显示屏的上视角与下视4.1.2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，具体见图4。垂直

21、有效可视范围有效4视范围法平面水平有效可视范围图4 led显示屏的有效可视范围与无效可视范从图4中可以看到，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 范围进行描述。垂直有效可视范围角度在与水平法平 面为5=45d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， 具体见图4所示范围。图5非对称lamp器件与常规lamp器件视角示意器件光学非対称的设想。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

22、围内，从而到迖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。为了进行量化研究，制作了非对称ab系歹! lamp器件与正常lamp器件的对比箱体逬行测 试，用于制作对比箱体的非对称ab系列lamp器 件与正常lamp器件的参数如下表所示17。型号iv(nicd)wd(nm)h-h50% h-hv.v50%v-vll2407eyhr4-b02100()624110°左55° 55°60°h-20°下"40°ll24o7pupg4-bo2-oi2200525ll24o7plbu-bo2.o1480470

23、型兮iv(mcd)wd(nm)h-h50% h-hv.v50%v-vll2418eyhr4-a02-c1200624105°左zi=52.5°50°h«25°下=25°ll24i8pupg4.ao2-c2400525ll2418plbl4-a02-c520470表7雷®非对称ab系列lamp 346器件参表8雷曼正常lamp346器件参4.2 led显示屏光污染器件级解决方案要减少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。也就是右 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

24、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。将光能量尽量多地分布在有效可视范围，迖到搾 加有用光能量的目的，在本作者的另外一篇论文全 彩led显示屏用非对称节能型lamp器件的设计 中已有详细阐述，在此不再赘述。在本论文中，将诗 细阐述在无效可视范围内的光能量分布，从而迖到满 少光污染的目标。水f殆度 (度非对称lamp 亮度 (nit)1卜:常lamp亮度 (nit)非对称比n:常减少光污染 灼分比(7550106199706-23.75%4.2.1 lamp器件非对称光学设计减少光污染如图5所示，常规的lamp器件，上视

25、角)1与下视角e2相等，上视角与下视角内光能力对称分 布。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 白诚污染。为+迖到节能与减少光污染的目的，依照lee 显示屏通常仰视的应用环境和观看习惯，提出了lamp4.2.2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，将非对拘 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了 对比，具体见下列数据。表9俯视10度不同水平角度亮度分布水f角度 (垵)ii对

26、称lamp 亮度 (nit)1卜:常lamp亮度 (nil)非对称比士:常减少光污染 w分比(6069007159.5593.76%45699076158828.95%3069407836 176-12.91%1574508528.529-1448%07420885897119.39%157400824529410 08%306790764735312 63%4564007285 441-13 84%6060606577.3538.54%75460053501630%在上视角范围内，从非对称lamp 箱体亮度与正常lamp箱体亮度对比涞 看，采用非对称光学设计的lamp器 件，在不同的俯视角度

27、下，可以减少光 污染10%表10俯视20度不同水平角度亮度分水t角度 (度)lh对称 lamp 度(nit)ih常lamp亮度 (nit)非对称比n:常减少光污染 百分比(%)7545505507.353-21.04%6063206325.5880 00%4560406593.0889 16%-3062606876.3249.85%1564907112.3539.59%065507552.941-15.31%1566707080.882-6.16%3060006734.706-12 25%4557806624.559-14.61%6057406357.059-10.75%7546205161.

28、176-11.71%4.2.3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。为了对比非对称lamp箱体与正常 lamp箱体，在下视角的无效可视范围内 减少光污染的程度，在进行对比时，将二 者在水平()q的亮度调整为相同，测试右 不同视角范围内的亮度值，对比二者的为 污染数据，具体对比数据见下图。表11俯视30度不同水平角度亮度分水y角度北对称lamp亮 度(nit)1卜:常i.amp亮度 mtl非对称比|卜:常

29、减少光污染 西分比()-7535404264.265-20.46%6043604421.618-1.41%4544904689 1184.43%3040904799 265-17.34%1544405035.294-13 41%047604830 735 1 49%1545204704.8530.32%3039804484 559-12 68%45412042803 88%603900394955912.23%75375037450 13%图6仰视20°无效可视范围光污染对表12俯视40度不同水平角度亮度分图7仰视30"无效可视范围光污染对水乎用度 (度)非对林lamp亮

30、度(nit)汇常lamp從度 <nit)布对称比正常臧少光污论 百分比(%)7520702879.559-39.11%6027303540.441-29.69%-4526203713.529-41.74%-3027603918.088-41.96%-1529704122.64738.81%028804516.029-56.81%1528004028235-43 87%3025603697.794-4445%4522203792 2061777%6022003398 824-5447%7520703288676-5887%从图中可以看出，当水平视角亮 度值相同时，在下视角无效可视范围内， 水平视角大于+600时，非对称ab系 列lamp器件箱体的亮度下降速度，迗 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 可视范围内，非对称lamp器件的光汚 染低于正常lamp器件的光污染。5结论5.1