高显色性多光谱LED光源、博物馆展品的展览照明灯及布展和照明方法与流程

本发明涉及一种高显色性多光谱LED光源，尤其涉及针对光照敏感文物照明的LED多光谱照明光源，以及博物馆展品的布展和照明方法。

光源对物体的显色能力称为显色性，是通过与同色温的参考或基准光源下物体外观颜色的比较。光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由许多、少数甚至仅仅两个单色的光波组成，对各个颜色的显色性亦大不相同。相同光色的光源会有相异的光谱组成，光谱组成较广的光源有可能提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差。色差程度越大，光源对该色的显色性越差。显色指数是目前定义光源显色性评价的普遍方法。

显色指数可参照国际照明委员会（CIE）的科学定义，GBT23863博物馆照明设计规范中规定：在陈列绘画、彩色织物以及其他多色展品等辨色要求高的场所，光源一般显色指数不应低于90。对辨色要求不高的场所，光源一般显色指数不应低于80。因此所谓高显色指数一般指显色指数90以上。

背景技术：

博物馆是保护和展示文化与自然遗产、开展社会教育的重要场所。其中，光环境是衡量博物馆的重要技术之一：设计师必须既要满足观众所需的良好的视觉环境，又要使展品避免受到光辐射的损害。这对博物馆的照明设计提出了很高的要求。

在博物馆光环境的规划和设计中，对于照明光源的选择是最重要的环节。目前的照明设计中，除了天然采光外，所采用的人工照明光源主要为日光灯（荧光灯）、节能灯、卤素灯等，近几年随着半导体照明LED光源技术加速发展，LED逐步进入博物馆照明。上述光源由于其发光原理各不相同而形成不同的光谱特性。

天然采光、日光灯（荧光灯）、节能灯一般只用于展厅照明光源，卤素灯照明是最为常见的博物馆文物照明。

天然采光以D65光源为例，D65光源为6500K的重组日光是一种宽谱光源，含有大量的紫外线成分，因此，天然采光的照明设计中，需增加滤除紫外光的滤光装置。卤素灯光源的相关色温一般在3000K左右。由于大多数光照敏感的脆弱文物受短波辐射的影响较大，而卤素灯短波能量较弱，同时非常好的显色指数，然而卤素灯的光谱能量主要集中在红外波段，其带来的红外热辐射不利用文物保存。尽管如此，卤素灯也是目前最合适的博物馆展品照明光源，被博物馆大量使用，是最为常见的对文物展品的人工照明光源。

在博物馆文物照明中，要考虑脆弱文物的光老化问题，例如对于有机质文物，光照影响就非常明显。其中紫外和红外波段对文物的影响已经是众所周知，紫外容易加速文物老化，红外传递热量，因此降低直至杜绝紫外和红外光谱是照明光源选择的主要考虑因数；在可见光波段范围内，以往的一些研究也已经对纸张、丝绸等的部分染料的光学褪色特性进行了测试分析，例如蚕丝织物上的茜草染料和真丝织物上槐米染料对450nm-500nm的蓝绿光波段较为敏感，具有较多长波含量的卤素灯光源对于青黛有比较明显的影响，而对槐米影响较小。

虽然相关研究给出了文物的光谱敏感波段，但是目前所采用的照明光源无法针对特定材质的文物，既能达到较好的照明效果及光源显色性以满足博物馆文物展览需求，又能降低脆弱文物的光老化，达到保护文物的目的。

比如，常规的RGB混光的LED光源，虽然其可调整红光、绿光、蓝光的输出能量，但RGB中一种成分的过度减少会造成显色指数大幅降低，严重影响展出效果。而且，RGB-LED光源本身在紫外和红外还有部分能量输出对文物保护不利；RGB-LED光源本身的显色指数一般在80以下，不能满足文物色彩还原的照明需求；RGB-LED也无法拟合出类似卤素灯等光源的光谱类型，很难在针对不同类型文物时调整光谱特性。

因此，目前的LED光源依然不能替代卤素灯作为文物照明而只能作为展厅的日常照明，针对不同文物，至今尚未有兼顾文物保护及展览需求的的展览照明灯。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是基于文物光照特性，针对光照敏感的脆弱文物照明，提供一种高显色性多光谱LED光源。为此，本发明采用以下技术方案：

高显色性多光谱LED光源，其特征在于它包括LED光源芯片、光源安装基板、LED驱动模块；

所述多光谱LED光源里有十数种不同的LED光源芯片，每种LED光源芯片之间具有不同光谱波长和光谱带宽，所述十数种不同的LED光源芯片的光谱分散在从380nm-780nm的可见光谱波长范围内，每种LED光源芯片的数量为一颗或多颗，光谱带宽较窄为10nm-30nm之间，在430nm到690nm的光谱范围内，两种相邻波长的LED光源芯片峰值波长差不超过50nm；

所述多光谱LED光源中波长大于等于610nm且小于690nm的LED光源芯片所输出的光谱能量不小于波长小于600nm的LED光源芯片所输出的光谱能量；

所述多光谱LED光源不含紫外和红外光谱成份；

所述多光谱LED光源的相对光谱功率分布具有多于3个以上的峰值；

根据照明对象的光谱特性，至少有1种以上光源芯片输出的光谱能量是多光谱LED光源的峰值光谱能量的20%以下；

所述光源安装基板用于安装LED光源芯片，基板外缘具有所述十数种不同的LED光源芯片的引线接口；

所述LED驱动模块设有电源模块，微处理器模块，多路分离模块，计算机接口模块；

所述引线接口分别和多路分离模块相连；

所述微处理器模块和多路分离模块及计算机接口模块由电源模块供电；所述微处理器模块和电源模块、多路分离模块、计算机接口模块相连；所述计算机接口模块和所述微处理器模块相连，通过有线或者无线的方式和上位机通讯，为上位机控制多光谱LED光源的光谱能量提供智能接口；

所述LED驱动模块以微处理器模块为核心，由所述微处理器模块控制，对所述电源模块采用所述多路分离模块，分离出配合所述十数种不同的LED光源芯片的独立驱动电路，所述独立驱动电路是为每一路LED单独调节驱动能力而同时不影响其他路LED。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案或对这些进一步的技术方案组合使用：

所述多路分离模块由所述微处理器模块控制，所述微处理器模块根据所述十数种LED光源芯片的种类输出多路控制信号，所述多路控制信号的路数和所述十数种LED光源芯片的种类数相同，输出信号为PWM（脉宽调制）信号，由所述多路控制信号的每一路控制信号的占空比调节每一种LED光源芯片的输出能量。

所述LED光源芯片还可以与普通红绿蓝白（RGBW）宽光谱LED光源组合构成混合式的LED光源；所述普通红绿蓝白（RGBW）宽光谱LED光源中红光、绿光、蓝光的LED光源光谱带宽为100nm以上，白光宽光谱LED由蓝光LED光源激发黄色荧光粉形成。

所述十数种不同的LED光源芯片的光谱分散在从430nm-690nm的可见光谱波长范围内。

含有十二种不同的LED光源芯片，所述十二种不同的LED光源芯片的波长分别为：1，430nm；2，454nm：3，470nm；4，490nm；5，505nm；6，523nm；7，555nm；8，585nm；9，595nm；10，620nm；11，630nm；12，660nm；它们的光谱带宽为10-30nm。

所述安装基板上的十数种LED光源芯片的引线可以采用完全独立的引线方式，也可以采用共阳或者共阴的引线方式。

当每一种LED光源的最大光谱能量为P_n，通过微处理器模块输出控制信号调节每一种LED光源的光谱强度，其增益系数为K_n，此时多光谱LED光源的相对光谱功率分布为。

所述多路分离模块由LED驱动芯片及外围电路所组成；LED驱动电路输入电压范围为6-36V，具有降压恒流驱动、PWM调光、内部限流、抖频等功能。

本发明另一个所要解决的技术问题是基于文物光照特性，针对光照敏感的脆弱文物照明，提供一种博物馆展品的文物保护光。为此，本发明采用以下技术方案：

博物馆展品的文物保护光源，其特征在于它采用上述的任意一种高显色性多光谱LED光源。

本发明再一个所要解决的技术问题是基于文物光照特性，针对光照敏感的脆弱文物照明，提供一种博物馆展品的布展和照明方法。为此，本发明采用以下技术方案：

博物馆展品的布展和照明方法，其特征在于将统一展区的展品，按照其敏感光谱进行分类；对于敏感光谱相同或接近的展品分为同一类，并将其在同一区域或同一展柜中展览，并对于展品采用上述的任意一种高显色性多光谱LED光源进行展览照明，并且将发光光谱包含所述敏感光谱的LED光源的输出光谱能量调至峰值波长输出的光谱能量的20%以下。

由于采用本发明的技术方案，本发明所提供的高显色性多光谱LED光源不仅具有高显色性而且具有避开文物展品敏感光谱的特点，能避免或减少在展出中受到的光氧化作用。而且，本发明所提供的高显色性多光谱LED光源支持光谱独立驱动技术和多光谱光源测试及自动控制系统，能通过光谱独立驱动技术和多光谱光源测试及自动控制系统达到对照明光源中不同波段光强的精密控制，适应不同文物的需求，使得应用本发明展览照明灯的博物馆展品的布展和照明，在实际工程中，对各个展柜只需根据不同类文物的光学特点，通过独立调节各光谱能量以降低光源中的敏感波段输出能量，而不会像传统RGB-LED光源那样会影响显色指数，也可以根据文物光谱特性，设定特定的LED光谱特性。总之，可以在保证光源显色性充分展示文物展品的同时，减少光源对文物的影响。

附图说明

图1为本发明高显色性多光谱LED光源的方框示意图。

图2为明视觉光谱光视效率曲线图。

图3为本发明基于PWM的调光控制原理图。

图4为多光谱LED光源的多路分离模块电路图。

图5为多光谱光源测试及自动控制系统框图。

图6为本发明光源安装基板的示意图。

图7-1为本发明多光谱LED光源所模拟的2700K卤素灯的光谱图。

图7-2为本发明多光谱LED光源所模拟的2856K卤素灯的光谱图。

图7-3为本发明多光谱LED光源所模拟的3000K卤素灯的光谱图。

图7-4为本发明多光谱LED光源所模拟的3500K卤素灯的光谱图。

图8为具有减蓝光谱特性的本发明多光谱LED光源的光谱图。

具体实施方式

参照附图。本发明所提供的高显色性多光谱LED光源包括LED光源芯片、光源安装基板、LED驱动模块。

本发明中设有十数种不同的LED光源芯片，每种LED光源芯片之间具有不同光谱波长和光谱带宽，每种LED光源芯片的数量为一颗或多颗。所述十数种LED的光谱分散在从380nm-780nm的可见光谱范围内，每种LED的带宽较窄为10nm-30nm之间。可见光波长的科学定义为380nm-780nm，整个可见光波段为400nm；然而根据人眼的明视觉光谱光视效率曲线如图2，对于小于430nm的短波和大于690nm的长波，人眼的相对光谱灵敏度不到峰值的1%，因此基于视觉特性，在LED光源制作中，可以尽量采用430nm-690nm的波段的LED提高发光效率，上述波段范围为260nm。采用带宽为10nm-30nm的十数种窄带宽的LED，可以比较均匀地分布在上述波段。同时为保证在430nm到690nm的光谱范围内不能出现光谱能量相对较低的波段，两种相邻波长的LED峰值波长差不超过50nm。

在博物馆照明中，卤素灯已经广泛被接受为一种较为合适的文物照明光源。卤素灯的光谱特性表现为可见光波段内，由短波至长波的光谱能量逐渐增强。而本发明的多光谱LED光源作为文物照明光源，可以调节光谱能量使之光谱能量分布趋近于卤素灯，这可以通过调节各路独立的驱动电路，使多光谱LED光源中的长波能量输出高于短波能量输出，同时基于视觉特性，610nm的人眼相对光谱灵敏度为峰值的50%左右，因此所述十数种LED光源中波长大于等于610nm且小于690nm的LED光源所输出的光谱能量不小于波长小于600nm的LED光源所输出的光谱能量，并在此基础上，该光源不含紫外和红外光谱成份。

博物馆需要有良好的视觉环境，其中光源的显色指数是影响视觉环境的一个重要参数，根据博物馆照明设计规范，对于辨色要求较高的场所，光源显色指数应不低于90。已证明针对光源显色指数的评价和计算方法，提高某些波段的光谱能量可以有效的改善光源的显色性。由于目前的RGB-LED（三个峰值）显色性不能达到90的要求，因此为改善光源显色指数，所述多光谱LED光源的相对光谱功率分布具有多于3个以上的峰值，实现高显色性。

不论何种文物，必然具有一定的敏感光谱波段，因此在文物照明中，在所述十数种不同光谱波长和光谱带宽的LED光源中，针对文物的敏感光谱波段，至少有1种以上光源芯片输出的光谱能量是多光谱LED光源的峰值光谱能量的20%以下。这样可以通过降低文物敏感光谱波段的能量输出，达到文物光辐射保护的目的。

所述光源安装基板用于安装LED光源芯片，基板外缘具有所述十数种不同的LED光源芯片的引线接口。

基于上述多光谱LED光源的文物照明优势，完善其光源的驱动和控制系统具有重要的研究意义。多光谱LED光源和传统博物馆照明光源及普通LED光源不同，具有十数种波长的组合且需要独立驱动；同时，由于文物光学特性千差万别，因此多光谱LED光源控制最好能适应不同文物的光学特性，设定具有文物针对性的光谱照明光源。

所述LED驱动模块设有电源模块，微处理器模块，多路分离模块，计算机接口模块。

所述引线接口分别和多路分离模块相连。

所述微处理器模块和多路分离模块及计算机接口模块由电源模块供电；所述微处理器模块和光源模块、多路分离模块、计算机接口模块相连；所述计算机接口模块和所述微处理器模块相连，通过有线或者无线的方式和上位机通讯，为上位机控制多光谱LED光源的光谱能量提供智能接口。

所述多路分离模块由所述微处理器模块控制，所述微处理器模块根据所述十数种LED光源芯片的种类输出多路控制信号，所述多路控制信号的路数和所述十数种LED光源芯片的种类数相同，输出信号为PWM（脉宽调制）信号，由所述多路控制信号的每一路控制信号的占空比调节每一种LED光源芯片的输出能量。

所述LED驱动模块以微处理器模块为核心，由所述微处理器模块控制，对所述电源模块采用所述多路分离模块，分离出配合所述十数种不同的LED光源芯片的独立驱动电路，所述独立驱动电路是为每一路LED单独调节驱动能力而同时不影响其他路LED。

采用分路驱动的控制技术具有体积大、线路复杂等缺点。高显色性多光谱LED光源主要是由多颗波长不同的LED芯片组成，本发明在LED驱动设计中采用多路分离模块，其采用多路LED的并行恒流控制，采用多路恒流控制芯片作为驱动电路核心，通过控制电路产生PWM信号，控制LED驱动芯片正常工作和关断的时间，从而调节流过LED芯片的平均电流，达到调节LED灯的光谱、相关色温、显色指数及光通量的效果，并解决了体积大、线路复杂等问题。

控制电路选用微处理器作为控制芯片，产生多路PWM控制信号，且每路PWM信号的占空比独立可调。从而实现调节每种波长的LED芯片的导通和关断时间。因此，LED驱动模块中，所述多路分离模块由LED驱动芯片及外围电路所组成。LED驱动芯片采用宽电压输入，驱动电路输入电压范围为6-36V，具有降压恒流驱动、PWM调光、内部限流、抖频等功能。

图4为多光谱LED光源的多路分离模块电路图。该电路采用德州仪器公司生产的LED电源驱动芯片TPS61196作为电路的核心器件。TPS61196是一个电流模式升压控制器，能够驱动由多个 LED 串联组成的灯串。每个灯串具有一个独立电流稳压器，此稳压器提供 50mA 至 400mA 范围内可调的 LED 电流。它能自动调节升压控制器的输出电压以只提供 LED 灯串所需的电压，即正向最大压降加上那个灯串的 IFB 引脚上的所需最小电压，起到对并联的LED灯串起到保护作用。

TPS61196芯片有一个内置的线性稳压器，该稳压器将通过芯片VIN管脚的输入电压降压至芯片工作所需的VDD，来为内部电路供电。为保证芯片能获得稳定的工作电压，VDD管脚外接了一个C4电容器。同时为减小输入电压波动对芯片的影响，在管脚VIN输入处放置了电容器C1、C2、C3。大部分电源芯片都有欠压保护的功能，TPS61196也不例外。该电路通过电阻器R1、R2和R3分压向芯片的ULVO管脚提供输入电压信号，供芯片判断输入电压是否满足欠压保护条件，进而起到欠压保护的功能。为防止信号干扰在R2与地之间并联电容器C13。当欠压保护功能不使用时，可通过电阻R23连接到VDD管脚。EN作为芯片的使能管脚，通过电阻器R4，R5获得高电平使能信号。电阻器R7主要是为防止EN管脚流入过高电流，电容器C5是为了防止尖峰电压损坏EN管脚。芯片的FAULT管脚为芯片非正常工作信号输出管脚。当芯片正常工作时该管脚输出低电平，非正常工作时输出高电平。不用该功能时可通过R6连接至VDD，或使管脚悬空。芯片的ISET管脚和6个PWM管脚为芯片调节输出电流的管脚。通过电阻器R16连接ISET管脚来设定每一路的最大输出电流，即PWM信号为100%时的输出电流。通过PWM管脚接收外部PWM信号，来调节每一路的输出电流，进而达到对LED灯串的电流控制。GDRV管脚连接MOS管的门极，控制MOS管的导通与关断。ISNS和PGND管脚通过电阻R9来检测流过MOS管的电流，为芯片控制MOS管的关断提供输入信号。R8和C6在此处主要是起保护和稳定作用。芯片OVP管脚通过电阻R10，R11检测输出电压，起过压保护的作用。芯片通过在FSW管脚外接电阻R13设定芯片的转换的开关频率。通过电容C11连接至芯片的REF管脚，来设置芯片的软启动时间。电阻R12和电容C9、C10组成的RC网络主要是对芯片内部的补偿网络起稳定的作用，连接在COMP管脚上。管脚IFBV通过电阻R14和与ISET管脚连接的R16共同设定了灌电流的最小电压以符合不同的LED电流设置。电路中电容C12起防止干扰作用。芯片的IFB1到IFB6为每个LED灯串的负极接入端。为防止LED灯串开路或短路对芯片产生破坏，每个IFB管脚都需要通过一个电阻与地连接。图中的R17到R22起的就是这个作用。由于TPS61196采用具有 PowerPAD 的28引脚 HTSSOP 封装。为保证芯片的良好散热性能，PAD管脚需通过焊盘连接到地。

在每个工作周期开始时，芯片GDRV管脚输出信号，推动MOS管Q1使其导通，此时电感L1，MOS管Q1，电阻R9形成回路，L1开始储能，二极管D1截止，LED灯串由输出电容C7提供能量。当芯片通过电阻R9两端电压检查到流过MOS管的电流过高时，芯片通过GDRV管脚关闭MOS管。此时二极管D1导通，电感L1开始对C7充电，并为LED灯串供能量。此处C7作为储能元件，而C8电容主要是起滤波作用。

对于十数种LED光源芯片，可以采用2到4路上述多路分离模块电路完成多光谱LED光源的驱动。

对于多光谱LED光源，所述LED光源芯片还可以与普通红绿蓝白（RGBW）宽光谱LED光源组合构成混合式的LED光源；所述普通红绿蓝白（RGBW）宽光谱LED光源中红光、绿光、蓝光的LED光源光谱带宽为100nm以上，白光宽光谱LED由蓝光LED光源激发黄色荧光粉形成。

多光谱LED光源的十数种光谱特性可由如下12种波长的LED光源芯片确定：

所述12种波长分别为：1，430nm；2，454nm：3，470nm；4，490nm；5，505nm；6，523nm；7，555nm；8，585nm；9，595nm；10，620nm；11，630nm；12，660nm；它们的光谱带宽为10-30nm。

对于多光谱LED光源的制作，其引线方式如下：所述安装基板上的十数种LED光源芯片的引线可以采用完全独立的引线方式，也可以采用共阳或者共阴的引线方式。

传统的博物馆照明控制系统，针对普通荧光灯照明无法控制，展柜用卤素灯照明可以实现光照强度控制，但是传统的博物馆照明缺少长期监测的光环境传感器，因此博物馆的调光控制大多没有实现，更没有针对文物光谱能量的照明控制系统。同时，无线传感器网络技术使得大规模的光环境监测成为可能，国家文物局正正有计划地推广馆藏文物保存环境监测系统，结合传感网/物联网技术，以光环境传感器网络为基础，融合红外探测、图像跟踪、RFID电子标签等多传感器技术融合，结合本发明的光谱可控的文物保护性照明光源，可以对博物馆光环境进行整体监测与控制，达到文物光环境保护与展陈视觉效果的平衡。其中多光谱LED光源的光谱能量调整方法是针对光照敏感文物不同敏感波段照明的需求。

多光谱LED光源的光谱调整方法如下：当每一种LED光源的最大光谱能量为P_n，通过微处理器模块输出控制信号调节每一种LED光源的光谱强度，其增益系数为K_n，此时LED光源的相对光谱功率分布为。

鉴于多光谱LED光源可以独立控制不同波长的光谱能量输出，因此针对某种特定光谱类型例如卤素灯光谱，本发明提供了多光谱LED光源快速测试系统进行光源性能的检测与评价。

图5为多光谱光源测试及自动控制系统框图。该测试及自动控制系统主要由积分球、光谱仪和计算机组成。测量时，把多光谱LED光源置于积分球中，其光谱信号由光纤传输至光谱仪，光谱仪在计算机控制下进行光谱测量及分析。所测的光谱信号为多光谱LED光源的相对光谱功率分布。根据目标光谱能量分布，计算机通过LED驱动模块的计算机智能接口改变敏感波段的光谱能量，在对调整后的光源光谱功率分布进行测量后，可以计算出当前的光源相关色温。根据CIE1976光源色差计算模型，通过逐次逼近法计算当前光源的相关色温，并计算出目标色温的颜色坐标和当前光源颜色坐标的色差，获得光源的色差DE及颜色指向作为进一步调整光谱能量的参数，同时通过对显色指数所涉及的14种参考色品坐标计算当前光源的一般显色指数及特殊显色指数。

以一种多光谱LED光源为例，在可见光谱范围内选用12种窄光谱LED光源芯片，型号为3528，它们的光谱带宽约20nm，波长为：1，430nm； 2，454nm： 3，470nm；4，490nm；5，505nm； 6，523nm；7，555nm；8，585nm； 9，595nm ；10，620nm；11，630nm；12，660nm；共十二种光谱。设计16mm´14mm铝基板，每一种光谱LED芯片封装在铝基板上，每种LED芯片有独立的引脚，并由外部恒流供电系统控制。工作电流200mA，最大输出总功率约6W，总光通量500流明。以前述多光谱LED光源快速测试系统为基础，采用多光谱LED光源的光谱调整方法，可以以不同色温的卤素灯光谱特性为目标光源光谱，实现各种色温的模拟卤素灯光谱的多光谱LED光源如图7-1、7-2、7-3、7-4的光谱测试数据，其显色指数Ra在95左右，且无紫外和红外成分，适用于博物馆文物照明。图7-1、7-2、7-3、7-4为分别以2700K、2856K、3000K、3500K卤素灯光谱为目标光源光谱，通过调整和控制多光谱LED光源实现的模拟卤素灯的光源光谱测试结果。采用多光谱LED光源的光谱调整方法，其显色指数Ra在95左右，且无紫外和红外成分，并且可以根据不同文物的光谱敏感波段，针对特定材质的文物，来调整光源的光谱分布，从而达到较好的照明效果及光源显色性以满足博物馆文物展览需求，又能降低脆弱文物的光老化，达到保护文物的目的。

针对多数文物对短波光辐射敏感的特点，也可以通过降低蓝光光谱能量输出，实现具有减蓝光谱特性的的多光谱LED光源，如图8所示。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。