高显色指数LED白光的色度学模拟方法研究

华强LED网 2011-01-21 a:0:{}

近年来，LED作为新一代光源受到越来越多的重视。从电源指示灯、汽车指示灯、交通指示灯到户外显示屏，LED得到了广泛的应用。随着蓝光芯片制造技术的发展，基于蓝光LED+YAG荧光粉的二基色白光LED的应用领域也逐渐从路灯等户外照明向室内普通照明延伸。目前，小功率白光LED的发光效率最高可达200lm/W左右，大功率白光LED也可达到120lm/W以上，使得白光LED与白炽灯和荧光灯相比，在节能方面的优势愈加明显。因此，白光LED在室内普通照明上的应用具有巨大的市场前景。

　　一般色度学参数测量方式的难点

　　白光LED在室内普通照明的应用中，需要解决散热、电源、配光等方面的技术问题。这些问题的解决会为LED光源进入普通照明领域扫清技术上的障碍。目前，LED照明率先进入了艺术馆、博物馆和图书馆等场所，并且这些场所的照明对色彩的还原能力有特殊的要求，即要求高显色指数LED照明灯具。同时，普通室内照明也对高显色指数有一定的需求，所以，获得显色指数大于90以上的LED白光成为未来LED照明的一个发展方向。但是,众所周知, 蓝光LED+YAG荧光粉的二基色白光LED的显色指数一直徘徊在60—80之间,其主要原因是在YAG光谱中,缺少红光部分的光谱，使获得的白光LED的一般显色指数偏低。提高传统蓝光LED+YAG荧光粉的二基色白光LED显色指数的方法是增加其白光光谱中的红光辐射成分，一般的做法是对于特定的原始LED白光中，加入一个红光LED，通过调整电流来调整白光和红光的亮度，然后测量显色指数等色度学参数，获得白光和红光的配比。这种方式的缺点是耗时繁琐。如果同时有几个白光和红光需要匹配，在不同红光亮度下测量结果的可能性是非常大的工作量。　　

　　中山大学半导体照明系统研究中心研发了电脑程序来模拟色度学参数。色度学参数主要包括色度坐标（x，y）或（u，v）、相关色温（CCT）、一般显色指数（Ra/CRI）和特殊显色指数（Ri，i=1-14）。这些参数都可以通过白光光谱计算而得，但是其中的计算过程比较繁琐，主要涉及大量数据的运算和处理，只有通过电脑程序快速地获得结果。另外一方面，输入不同的原始白光光谱和红光光谱，电脑程序可以自动进行模拟运算，获得一系列不同红光强度下的混合白光的色度学参数。或者，对于一个特定的原始白光光谱，可以让电脑程序自动模拟加入不同峰值波长、半高宽和强度的光谱，获得模拟的混合白光的色度学参数的结果，然后根据结果挑选合适的混合光谱。

　　本文选取了一个白光光谱（如图1中曲线1所示）为例，说明该电脑软件的用途。因为色度学参数与光谱的绝对强度没有关系，将该光谱的相对强度导入电脑程序，得到的色度坐标为(0.3321,0.3812)、相关色温为5541K、显色指数为70.5，特殊显色指数见表1。

　　表1 原始白光和优化后光谱的一半显色指数和特殊显色指数
　　电脑程序采用迭代的方法，在原始白光光谱中逐次加入一个峰值波长从380-730nm（步长1nm），半高宽为2-30nm（步长2nm），强度为0.2-3.0倍（步长0.2，强度相对于原始白光中的蓝光强度）的光谱（一共78975次），该光谱的波形为实测各种单色LED光谱后模拟所得。对结果分析后可知，对加入的光谱，混合后的白光的色度坐标和相关色温都发生了变化，我们主要对一般显色指数进行了分析，由于结果比较多，节选了一些进行分析，如图2所示。

　　图2 光谱1,原始白光光谱；2,优化后白光光谱；3,加入的红光光谱

　　对于这款LED白光，加入的单色光光谱会显著改变混合后白光的显色指数，一般而言，加入的光谱的峰值波长在380-475nm时，所得的混合白光的显色指数呈现有限的增大，但是当峰值波长在480-600nm范围时，混合光的显色指数相对于原始白光会下降，特别是当加入的峰值波长在500和570nm时，这两个波长对显色指数有不利的影响，称为干扰波长。当加入的波长在610nm以后时，所得到的混合白光的显色指数呈现显著的增大，说明610nm以后的红光辐射对LED白光的显色指数有优化作用，这也说明了恰恰是由于受激发的YAG荧光粉光谱中缺少红光辐射，使得传统蓝光LED+YAG荧光粉的二基色白光的显色指数在80以下。在针对这个原始白光的优化中，当加入的红光峰值波长在627nm，半高宽是24nm，强度是蓝光峰值的1.2倍时(如图1中曲线3所示)，混合得到的白光(如图1中曲线2所示)的一般显色指数是95.6，特殊显色指数也分别有不同程度的增大，如表1中所列。特别是饱和红色R9，由负值升高到95.0，说明红光辐射对饱和红色的色彩还原能力非常重要。

　　图2 当加入光谱的半高宽分别为12、16、20、24、和28nm，强度为1.2倍时其峰值波长和混合后白光的显色指数的关系

　　在实际应用中，一般是先有封装好的白光LED或不同的荧光粉，需要评估白光LED或不同的荧光粉所能优化到最高的显色指数，我们的电脑程序所导入的光谱，无论是从实际测量的各色光谱归一化而来或纯粹由程序模拟生成，都能实现很好的混光和模拟。当然，上文提及混合了不同光谱的白光的色度坐标和相关色温会发生变化，电脑程序也会根据结果进行排列，用户可以挑选合适市场需求的不同色品的白光。

　　用电脑程序实现白光色度学参数的模拟可以大大减小实际混光的工作量，对提高工作效率有非常大的帮助。同时，也可以对白光色度学做出一些前瞻性的评估和预言。