高顯指LED燈具的研究與開發(fā)

萬 歡，陳建昌，曾 平，洪蕓蕓

(1. 中節(jié)能晶和照明有限公司，江西 南昌 330096；2.江西省建筑設計研究總院，江西 南昌 330000)

高顯指LED燈具的研究與開發(fā)

萬 歡1，陳建昌2，曾 平1，洪蕓蕓1

(1. 中節(jié)能晶和照明有限公司，江西 南昌 330096；2.江西省建筑設計研究總院，江西 南昌 330000)

目前市場上使用的白光LED大部分是使用藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉這一傳統(tǒng)方式獲得，雖然這種LED制作工藝成熟、成本低、光效高，但顯色指數(shù)并不理想，不能滿足優(yōu)質(zhì)照明要求。本文提出一種提高燈具顯色指數(shù)的新方法，在常規(guī)白光LED中加入紅光LED提升白光光譜中的紅光成分，加入綠光LED提升混光系統(tǒng)的光色品質(zhì)。通過實驗找到混光系統(tǒng)顯指最高且光色品質(zhì)最佳時的光通量比例為ΦW∶ΦR∶ΦG=7.12∶1∶1。運用此方法，開發(fā)一款3 500 K色溫高顯指(90以上)燈具。與其他方法相比，本方案更易于實現(xiàn)，為高顯色性高光色品質(zhì)的照明燈具研究提供了新的思路。

顯色指數(shù)；光色品質(zhì)；混光；LED

引言

光源對物體顏色的還原能力稱為顯色性，色度學中將黑體(日光)或標準照明體D作為參照光源，將其顯色指數(shù)定義為100[1-3]。目前使用最廣泛的白光LED技術(shù)是藍光芯片激發(fā)YAG黃色熒光粉技術(shù)[4-6]，但是YAG黃色熒光粉發(fā)射光譜不夠?qū)?，缺少紅光成分，白光LED色溫偏高、顯色指數(shù)偏低，難以滿足優(yōu)質(zhì)照明要求[7]。一般做法是在LED中加入紅色熒光粉[8]，具體為加入氮化物紅粉或硫化物紅粉，硫化物紅粉由于化學性質(zhì)不穩(wěn)定易與封裝材料起化學反應，所以并不常用[9]。氮化物紅粉雖然化學性質(zhì)穩(wěn)定，但其激發(fā)光譜幾乎覆蓋了整個黃綠波段導致白光光效下降[10]。

為解決以上問題，本文將白光LED中加入紅光LED增加光譜中紅光成分，同時加入綠光LED提升混光光色品質(zhì)，得到高顯指高光色品質(zhì)的白光。

1 理論依據(jù)

CIE推薦定量評價光源顯色性的“測驗色”法規(guī)定用黑體或標準照明體D作為參考光源，將其顯色指數(shù)定為100，并規(guī)定了若干測試用的標準顏色樣品；通過在參照光源下和待測光源下對標準樣品形成的色差，評定待測光源顯色指數(shù)，用顯色指數(shù)值來表示。光源對某一種標準樣品的顯色指數(shù)稱為特殊顯色指數(shù)Ri[11-13]。

(1)

式中，ΔEi為在參照光源下和待測光源下樣品的色差。

光源對待定8個顏色樣品的平均顯色指數(shù)稱為一般顯色指數(shù)Ra。

(2)

光源的顯色指數(shù)由光源的光譜組成唯一決定，混合光的光譜組成S(λ)是各色光光譜輻射功率Sn(λ)疊加的結(jié)果，反映在光度學中即是各光色光通量配比an的結(jié)果。

(3)

同時各光色混合需通過調(diào)節(jié)不同光色的光通量比例來控制混光光色色品坐標。此方法遵循格拉斯曼定律：若任何兩個非補色相混合，便產(chǎn)生中間色，中間色的色調(diào)及飽和度隨著這兩種顏色的色調(diào)及相對數(shù)量不同而變化；顏色外貌相同的光，不管它們的光譜組成是否相同，在顏色混合中具有相同的效果。即凡是在視覺上相同的顏色都是等效的；混合色的總亮度等于組成混合色的各種顏色光的亮度的總和。

要通過單色光混合計算得到混合光色品坐標需先計算單色光的色品坐標，單色光的色品坐標由各光色的三刺激值決定。CIE色度系統(tǒng)三刺激值為

(4)

式中，積分范圍在可見光波段范圍內(nèi)。實際計算用求和來近似積分。

(5)

式中，φ(λ)為發(fā)光物體輻射的相對光譜功率分布。常數(shù)k為歸一化系數(shù)，對自發(fā)光體是將光源的Y指調(diào)整到100，即

(6)

計算出物體的顏色的三刺激值后，可計算出單色光的色品坐標：

(7)

當?shù)玫絻煞N光色的色品坐標和亮度值后，混合色的色品坐標便可計算得到。

混合色與已知色的色品坐標之間沒有線性疊加關(guān)系?；旌仙c已知色的三刺激值之間才存在著線性疊加關(guān)系。

混合色的三刺激值：

(8)

式中，X1，Y1，Z1，X2，Y2，Z2為用于混合的兩種已知顏色的三刺激值。

上式可推廣至更多種顏色相加混合，只要已知各個顏色的三刺激值，便可求得混合色的三刺激值。

當已知顏色的色品坐標x，y及亮度Y時也可用下式求得顏色的三刺激值。

(9)

求出的混合色的三刺激值和色品坐標代表了混合色的色度特性。在其他計算中混合色又可作為單獨顏色處理。

2 實驗與分析

光源顯色指數(shù)及色品坐標等色品參數(shù)由光源光譜唯一決定，本實驗首先向白光LED中加入缺失的紅光，研究紅光LED光譜的加入對白光LED顯色指數(shù)及色品的影響。

白光光源選取由447nm藍光LED激發(fā)YAG黃色熒光粉得到的高光效LED，記為光源W，W光源相關(guān)色溫為5 048K，顯指70.1、一般顯色指數(shù)R9=-36、色品落點(0.345 6，0.373 2)；紅光LED標記為R，R光源的峰值波長為631.6nm、半波寬14.8nm、色品落點(0.693 6，0.305 7)。W及R光源的相對輻射功率光譜分布如圖1和圖2所示。

圖1 白光W相對光譜Fig.1 Relative intensity of white LED(W)

圖2 紅光R相對光譜Fig.2 Relative intensity of Red LED(R)

由格拉斯曼定律可知：兩種光色相混合，混合光色的色品落點、色溫、顯指等色品參數(shù)由兩種光色組成混合光的光譜決定即由兩種光色的光通量比值決定。表1列出混合光色品參數(shù)隨W和R光源光通量比例變化而變化的實驗測試數(shù)據(jù)，圖3為根據(jù)表1得到的混合光顯指隨白光W與紅光R光通量比例變化趨勢圖。

由表1及圖3可知：紅光的加入，混光顯指明顯提升，由70CRI快速提升到85CRI以上；混合光色中隨著光源R光通量比例的增加，混光光色顯色指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當ΦW∶ΦR=7.12∶1時，混光系統(tǒng)顯色指數(shù)最高為91.6；混光色溫隨著R光通量的增加而減小。當使用光譜成分不同的白光LED光源為實驗對象時得到的最高顯指對應的光通量比例不同，但顯指隨光通量比例變化趨勢相同。

表1 W與R混光色品參數(shù)

圖3 不同光通量比例的W與R對Ra的影響Fig.3 Dependance of Ra on different proportions of W and R luminous flux

將表1中各比例下W、R混合光色品落點反映在色品坐標圖4中。由圖4可知：所有的色品落點均在ANSI固態(tài)照明標準定義色區(qū)范圍(7步橢圓)以外，此時的色品落點均在普朗克曲線下方。而理想的室內(nèi)照明燈具光色色品落點是在3步麥克亞當橢圓以內(nèi)，可見表1中混光顯指雖然表現(xiàn)優(yōu)異，但偏離黑體曲線不適合功能性照明燈具使用。要得到高顯指高品質(zhì)的光色需將混合光的色品坐標拉升使其落在3步麥克亞當橢圓以內(nèi)。

圖4 W及R混光色品落點Fig.4 Chromaticity coordinates of white and red light mixing

圖5為白光W與紅光R在CIE1931色品坐標圖中的色品落點。W與R相混合，其混合光色品落點位于兩者的連線上，由圖5可知，此連線位于普朗克曲線下方。在可見光中綠光色品區(qū)域位于CIE1931色品圖上方，同時綠光波長接近最大光譜光效視能波長555nm，擁有較高的光效視能，綠光的加入可提升混光系統(tǒng)的Y軸使混光色品接近黑體輻射的普朗克曲線，提升混光系統(tǒng)的光色品質(zhì)，同時綠光的加入可提升混光系統(tǒng)的整體光效。

圖5 W、R、G在CIE1931色品圖中落點Fig.5 Chromaticity coordinates of W,Rand G

圖6 綠光LED相對光譜Fig.6 Relative intensity of green LED(G)

將綠光G加入混光系統(tǒng)，研究綠光加入對混光系統(tǒng)顯指及色品的影響。使用的G光源峰值波長526nm，半波寬36.6nm，色品落點(0.170 6，0.710 1)，相對功率光譜分布如圖6所示。

固定混光系統(tǒng)中紅光光通量比例，調(diào)整白光和綠光光通量，觀察在白光光通量與紅光光通量比例不同情況下，綠光對混光系統(tǒng)色品參數(shù)的影響。將ΦW∶ΦR的比值設為K，在每個K值下調(diào)整綠光G的光通量比例，由0開始逐步增加。圖7為不同K值下，綠光光通量逐步增加，混光系統(tǒng)顯色指數(shù)Ra的變化趨勢圖。圖8為隨綠光光通量逐步增加，混光光色色品落點變化圖。

圖7 不同光通量比例的W、R、G對Ra的影響Fig.7 Dependance of Ra on different proportions of W,R and G luminous flux

圖8 W、R、G混光色品落點Fig.8 Chromaticity coordinates of W,G and R light mixing

由圖7可知：隨著綠光光通量逐步增加，混光系統(tǒng)顯指呈現(xiàn)下降趨勢，且在不同K值下曲線斜率大致相同，即ΦW∶ΦR數(shù)值不同時，隨著綠光的加入系統(tǒng)顯指都呈現(xiàn)下降趨勢，且下降速率大致相同。由此可見，綠光的加入會降低混光系統(tǒng)的顯色指數(shù)，綠光的光通量比例越高，混光系統(tǒng)的顯色指數(shù)越低。由圖8可知：隨著綠光光通量比例的增加，混光色品坐標逐漸提升，由位于普朗克曲線下方到接近普朗克曲線最后偏向曲線上方。

由以上實驗可知：紅光LED光譜的加入補充了白光LED光譜中缺失的紅光成分，可以大大提升系統(tǒng)顯色指數(shù)，但顯色指數(shù)隨紅光成分的增加存在極值，且紅光LED成分的加入會使混光色品坐標偏離普朗克曲線；綠光LED加入可以提升混光系統(tǒng)色品坐標的Y軸，使混光色品坐標落在白光區(qū)域3步麥克亞當橢圓以內(nèi)，綠光的加入會少量降低系統(tǒng)顯色指數(shù)，加入的綠光成分越多系統(tǒng)顯指越低?？梢姡玫礁唢@指高品質(zhì)的混光，需要確定白光、紅光、綠光的最優(yōu)光通量比例值，最終使混光顯指最高的同時色品落點位于3步橢圓以內(nèi)。本文以開發(fā)3 500 K相關(guān)色溫高顯指燈具為例說明確定各款光源光通量比例的方法。

3 高顯指燈具開發(fā)

對于實際功能性照明燈具，在C78.377固態(tài)照明產(chǎn)品色度指標中指定了8個標稱CCT值(2 700 K、3 000 K、3 500 K、4 000 K、4 500 K、5 000 K、5 700 K、6 500 K)。所有的固態(tài)照明產(chǎn)品色溫需在指定的色溫范圍之內(nèi)。本文以制作3 500 K目標色溫范圍燈具為例，說明使用白光、紅光、綠光LED開發(fā)高顯指燈具的方法。

各色光源色品坐標的選擇及光通量的配比最終決定混光的色品落點及顯色指數(shù)等光電參數(shù)。3 500 K色溫范圍中心點坐標為(0.4073，0.3917)，本文使用各色光源參數(shù)如下：

白光LED：150 mA下光通量Φw=118.3 lm、光效131.69 lm/W、輻射功率898.4 mW、色品坐標xw=0.376 9，yw=0.373 4、相關(guān)色溫4 055K、顯色指數(shù)71.5、R9=-19。

紅光LED：350 mA下光通量ΦR=71.43 lm、光效97.77 lm/W、輻射功率361.8 mW、色品坐標xR=0.678 5，yR=0.321 3、峰值波長632.9 nm、半波寬15.4 nm。

綠光LED：350 mA下光通量ΦG=110.3 lm、光效105.41 lm/W、輻射功率1 047 mW、色品坐標xG=0.162 8，yG=0.696 6、峰值波長518.8 nm、半波寬36.5 nm。

首先測試白光與紅光相混合數(shù)據(jù)，找到顯色指數(shù)最高時對應的白光光通量與紅光光通量的比值為ΦW∶ΦR=7.12∶1。由此可計算，白光LED、紅光LED相混合后在此光通量比例下，混光三刺激值和色品坐標。

由式(9)可知：白光三刺激值為

(10)

紅光三刺激值為

(11)

由式(8)可知：白光紅光混色三刺激值為

(12)

由式(7)可知：白光紅光混光色品坐標為

(13)

白光與紅光的混光與綠光進行配比可計算三色混合光的三刺激值及色品坐標。

由式(9)可知：綠光三刺激值為

(14)

由式(8)可知：白光、紅光、綠光混合色三刺激值為

(15)

由式(7)可知：白光、紅光、綠光混合色色品坐標為

(16)

根據(jù)C78.377固態(tài)照明產(chǎn)品色度指標白光、紅光、綠光混合光色品坐標需與3 500K色區(qū)范圍中心點相近。

則可設

(17)

將式(16)代入式(17)解得

YG1=0.753 6,YG2=1.297 9

所以，綠光比例Y需在(0.753 6，1.297 9)之間取值。本文將綠光比例取值為1，則由式(7)混光色品坐標計算得(0.403 6，0.386 2)。將混光落點反映在色品坐標中如圖9所示，混光色品坐標落在3 500K3步橢圓以內(nèi)。由此確定三款光源比例為ΦW∶ΦR∶ΦG=7.12∶1∶1。

圖9 混光色品落點Fig.9 Chromaticity coordinates oflight mixing

確定各光色光通量比例后，綜合考慮各款光源電流電壓與光通量關(guān)系及燈具線路板串并方式，確定各款光源的數(shù)量及排布方式。圖10為樣品燈具燈板，圖11為樣品燈具在480 mA輸入電流下的光譜分布圖。

圖10 高顯指燈具燈板Fig.10 Light board of high CRI lamp

圖11 480 mA電流下樣品燈具光譜分布Fig.11 Spectral distribution on 480 mA of lamp

樣品燈具實測光電參數(shù)為：

電流I=0.48 A、電壓U=17.6 V、功率P=8.5 W、光通量Φ=915 lm、光效η=108 m/W、色品坐標x=0.406 4，y=0.394 2，相關(guān)色溫CCT=3 505 K、顯色指數(shù)Ra=90、R9=95。

對樣品燈具進行老化，老化電流480 mA、Ts溫度55 ℃，測試燈具光通量維持率及色漂移Δu′v′，老化數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知：通過此方法開發(fā)的LED燈具光衰小，光通維持率滿足要求，同時色漂移量Δu′v′遠遠小于0.007的色漂移限制，光通量及光色擁有良好的穩(wěn)定性，完全滿足室內(nèi)照明對高品質(zhì)光色的要求。

表2 樣品燈具老化數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

將市場上的常規(guī)白光LED與紅光LED進行混光，紅光LED的加入補充了白光LED光譜中缺失的紅光成分，顯色指數(shù)由70CRI提升到90CRI以上。隨著光源R光通量比例的增加，混光光色顯色指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當ΦW∶ΦR=7.12∶1時，混光系統(tǒng)顯色指數(shù)最高為91.6，且紅光LED成分的加入會使混光色品坐標偏離普朗克曲線。當使用光譜成分不同的白光LED光源為實驗對象時得到的最高顯指對應的光通量比例不同，但顯指隨光通量比例變化趨勢相同。綠光LED的加入提升了混光系統(tǒng)色品坐標的Y軸，使混光色品坐標落在白光區(qū)域3步麥克亞當橢圓以內(nèi)，但綠光加入會適量降低系統(tǒng)顯色指數(shù)。當ΦW∶ΦR∶ΦG=7.12∶1∶1時，混光系統(tǒng)顯指最高且光色品質(zhì)最好。以開發(fā)3 500 K相關(guān)色溫高顯指燈具為例，選取ΦW∶ΦR∶ΦG=7.12∶1∶1時可得到色溫3 500 K、顯色指數(shù)Ra=90、特殊顯色指數(shù)R9=95色品落點位于3步橢圓以內(nèi)的白光。此光色可以完全滿足現(xiàn)室內(nèi)照明對高品質(zhì)光色的要求。通過老化數(shù)據(jù)可知：由此方法開發(fā)的LED燈具光衰小，光通維持率滿足要求，同時色漂移量Δu′v′遠遠小于0.007的色漂移限制，光通量及光色擁有良好的穩(wěn)定性。與單色光混光系統(tǒng)相比，采用白光LED與紅光LED、綠光LED的混光系統(tǒng)，由于白光LED光譜范圍較寬，與單色光(紅光、綠光等)搭配使用具有較好的容錯性，能夠彌補單色光光衰不一致帶來的色漂移等缺陷，大大提高混光系統(tǒng)的光色穩(wěn)定性。此方法完全可以在燈具應用端實現(xiàn)，規(guī)避了高顯指LED燈具在LED上游芯片及封裝端工藝上的制約，使LED燈具應用端開發(fā)高顯指燈具有更多自主性的同時，大大降低了高顯指燈具的開發(fā)成本，為照明燈具高顯色性高光色品質(zhì)的研究提供了新的思路。

致謝：感謝中節(jié)能晶和照明有限公司對本研究提供的資金支持，感謝研發(fā)人員和實驗室技術(shù)人員對本研究提供的技術(shù)支持。

[1] 文尚勝. LED燈具的光品質(zhì)分析[J]. 照明工程學報, 2011,22(5):107-110.

[2] 吳繼宗, 葉光榮. 光輻射測量[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,1992:358-364.

[3] ROYA Mirhosseini, MARTIN F. Schubert, SAMEER Chhajed,etal. Improved color rendering and luminous efficacy in phosphor-converted white light-emitting diodes by use of dual-blue emitting active regions[J]. Optics Express, 2009, 17(13):10806-10813.

[4] 江磊, 倪凱凱, 劉木清. 采用藍光激發(fā)黃色熒光粉生成白光技術(shù)的LED光效和顯色指數(shù)研究[J]. 照明工程學報, 2014, 25(6):16-19.

[5] 趙洪濤, 安雪娥, 李明金,等. 熒光粉對白光LED色溫和顯色指數(shù)影響的研究[J]. 照明工程學報, 2013, 24(3):69-72.

[6] 李成馳,范廣涵,郭光華,等. 光譜擬合反演法制備高顯色指數(shù)白光LED的研究[J]. 半導體光電, 2015, 36(5):713-719.

[7] 崔德勝, 郭偉玲, 崔碧峰,等. 高顯色白光LED的制備及其變溫特性[J]. 光學學報, 2012, 32(1):0123005-1-0123005-4.

[8] 吳海彬, 王昌鈴, 何素梅. 涂敷紅、綠熒光粉的白光LED顯色性研究[J]. 光學學報, 2008,28(9): 1777-1782.

[9] 張梅, 何鑫, 丁唯嘉, 等. 白光LED用氮(氧)化合物熒光粉[J]. 化學進展, 2010,22(0203):376-383.

[10] 古志良, 許毅飲, 陳志濤. 三基色白光LED光譜優(yōu)化及顏色評價體系分析[J]. 照明工程學報, 2016, 27(1):18-22.

[11] 譚力, 劉玉玲, 俞飛鴻. 光源顯色指數(shù)的計算方法研究[J]. 光學儀器, 2004,26(4):41-44.

[12] 曹宇杰, 金尚忠, 岑松原. 高顯色指數(shù)LED燈的設計[J]. 光學學報, 2011, 31(12):1222002-1-1222002-7.

[13] 余建華,陳日廣,鄂雷,等. 可調(diào)色溫的高顯色指數(shù)LED白光光源的實驗研究[J]. 半導體光電, 2014, 35(3):395-398.

Study and Develop of High Color Rendering Index of LED Lamp

WAN Huan1， CHEN Jianchang2, ZENG Ping1， HONG Yunyun1

(1.China Energy Conservation and Environmental Protection Group Latticelighting Co.,Ltd, Nanchang 330096, China;2.JiangxiProvinceArchitecturalDesign&ResearchGeneralInstitute,Nanchang330000,China)

Most white LED in the market uses a blue chip and a yellow-emitting yttrium aluminum garnet (YAG) phosphor. This kind of LED is mature in production process, with low consumption and high efficiency. However, its color rendering index (CRI) is low due to the deficiency in red spectral components. Thus, it could not satisfy the requirements of quality lighting. This paper presents a new method to improve the color rendering index of LED lamp. White LED and red LED light are mixed to enhance the red component of the white light spectrum, and green LED light is added to enhance the quality of the light mixing. Experiment results show that the flux ration of light mixing system with the highest CRI and the best quality isΦW∶ΦR∶ΦG=7.12∶1∶1. In addition, using the method, the lamp with color temperature at 3 500 K and high color rendering index (above 90) was developed. Compared with other methods, this program is easier to be implemented. This result may provide some guidance for the design of LED lamps with high CRI and photochromic quality.

color rendering index; photochromic quality; light mixing; LED

國家863計劃“新型低成本硅襯底LED光源模組技術(shù)研究”(2015AA03A102)

TN312.8

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.016