LED照明燈具的光效和光色品質(zhì)如何達(dá)到平衡？

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LED照明燈具的光效和光色品質(zhì)如何達(dá)到平衡？

去年某公司的LED光效取得重大突破，達(dá)303lm/W，很多業(yè)內(nèi)人士在嘖嘖贊嘆的同時(shí)，各種“磚家”也開(kāi)始進(jìn)行下一步的大膽預(yù)測(cè)，400lm/W，500lm/W，1000lm/W……

今天我們來(lái)扒一扒：光的最大極限光效是多少？

我們從小就知道：有了電，多方便，電的用處說(shuō)不完。其中之一就是解放了人類夜生活的電燈泡。

電是怎么轉(zhuǎn)化為光的呢？不同的光源各有不同原理，但總的來(lái)說(shuō)都是這樣：

所以，燈泡的發(fā)光效率的計(jì)算公式大家都很熟悉，即光通量除以總功率。

辣么，這個(gè)發(fā)光效率的極限又是多少呢？這個(gè)恐怕就不是所有人的都知道了。

電在燈泡里都變成了啥？

首先我們來(lái)回憶一下，當(dāng)年初中物理老師在我們耳朵邊一直嘮叨的“能量守恒定律”（指在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量必須保持守恒），這是不能違背的自然規(guī)律。

以LED燈泡為例，如果所有的電功率我們都用上了，LED器件工作在轉(zhuǎn)化電功率P時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種：一種用來(lái)發(fā)光（光功率PV），一種用來(lái)發(fā)熱（熱功率PH）。

所以，上面那個(gè)公式也可以變個(gè)形（學(xué)數(shù)學(xué)和物理跟我一樣最討厭變形的舉個(gè)手？）：

我們來(lái)舉個(gè)例子，下面這個(gè)圖呢，是一個(gè)COB器件的光電測(cè)試報(bào)告（不知道你看不看得懂？）：

圖：光電測(cè)試報(bào)告

報(bào)告中用紅色標(biāo)示的輻射通量Φe就是光功率，從能量守恒的角度理解就是LED消耗了31.21W的電功率，有11.97W（占38.36%）變成了光功率，19.24W（占61.64%）轉(zhuǎn)化成熱功率，發(fā)出了3922lm的光。

如果不考慮熱功率（假裝只耗了11.97W的電），這個(gè)器件能達(dá)到的極限光效或光視效能（LER）就是：

光視效能（LER）是個(gè)什么鬼？

上面我們說(shuō)到了一個(gè)專業(yè)名詞光視效能（LER），可是媽蛋，這是個(gè)什么鬼？憋急，問(wèn)我。

現(xiàn)在假設(shè)我們發(fā)明了一種理想的LED，不產(chǎn)生熱量，可將電功率P100%轉(zhuǎn)換成光功率PV。（在理論世界里，理想還是要有的，雖然總也實(shí)現(xiàn)不了）

這時(shí)的光效就是理論最大值了，這個(gè)值還有個(gè)學(xué)名，叫光視效能（luminous efficacy of radiation，簡(jiǎn)稱LER）。

LER的理論計(jì)算公式如下（我知道你看不懂～～）：

公式中的Km叫最大光視效能，等于683lm/W，意思是人眼最敏感的黃綠光（555nm），1W的光功率相當(dāng)于683lm光通量。

當(dāng)光譜的形狀確定了，光視效能（LER）也就確定了。（測(cè)光譜有個(gè)便攜神器你知道嗎？）

理論和公式不好（yong）懂，再舉個(gè)例子吧。

上面圖中，我們可以看到鹵素?zé)舻墓庖曅埽↙ER）只有130lm/W，也就是說(shuō)鹵素?zé)衾碚撋系淖罡吖庑茏?30lm/W，主要是鹵素?zé)舻墓庾V里面包含了大量的紅光，從視見(jiàn)函數(shù)V(λ)（黑色虛線所示）上看，這些紅光人眼都是不敏感的，導(dǎo)致光視效能（LER）比較低。

而LED1去掉了比較多的紅光，光譜里面大部分是人眼敏感的黃綠光，所以光視效能（LER）可達(dá)到330lm/W，但是因紅光去得比較多，導(dǎo)致顯指只有80。

LED2則包含較多的紅光，顯指有97，光視效能（LER）也能達(dá)到260lm/W。

所以，回到前面說(shuō)的貨幣兌換的比喻（原文點(diǎn)這里：《從貨幣兌換的角度理解LED光通量》）：

LER的意思相當(dāng)于你手上有很多種光（貨幣）根據(jù)V(λ)視見(jiàn)函數(shù)（匯率）折算成統(tǒng)一的光通量（價(jià)值）。

人眼最敏感的光是555nm的黃綠光，它的光視效能（LER）是683lm/W，這就是理論上的最高光效。（所以，LED再牛逼，也是追不上尾號(hào)683這輛車的?。谋?中也可以看到，455nm的藍(lán)光的光視效能（LER）只有32.8lm/W。

光效和光色品質(zhì)，自古萬(wàn)事難兩全

2013年美國(guó)Po-ChiehHung等在IEEE期刊發(fā)表過(guò)一篇文章，文章中他模擬計(jì)算了各種顯指、色溫的極限光效，并整理成一個(gè)圖表，如下圖所示。

圖：最大理論光效

從圖中我們可以看到，白光理論上的最高光效只有480lm/W，而且這時(shí)候的顯指只有30，顯色效果極差。

如果為了提高顯指，光譜中需要包含更多人眼不敏感的藍(lán)光和紅色（相當(dāng)于手上拿了很多不值錢的貨幣，面值再高，折算下來(lái)的價(jià)值還是很低）。

光效和光色品質(zhì)，就這么在一個(gè)燈泡里，相生相克相愛(ài)相殺著。也正因?yàn)槿绱耍彰髟O(shè)計(jì)時(shí)選擇光源時(shí)，往往沒(méi)有最好，只有最合適。

現(xiàn)在，您明白白光的光效為什么做不到1000lm/W了嗎？

PS：本文講的V(λ)都是明視覺(jué)視見(jiàn)函數(shù)。