優(yōu)質的熒光粉產生高品質的白光

[美]邁克·伍德

【摘? ?要】 本文闡述現(xiàn)有白光LED和RGB混光在白光獲取方式上存在的一些問題，介紹一款最新的白光LED，分析顯色性、 光譜功率分布等光學性能，展望其在演藝燈光行業(yè)的發(fā)展前景。

【關鍵詞】 白光LED;熒光粉;顯色性;TRI-R;SunLike;連續(xù)光譜;藍光峰值

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.12.001

毋庸置疑，白光LED是當下照明行業(yè)的熱點話題。歐洲和澳洲已頒布新規(guī)，進一步提高光源的最低光效，且具有法律效力，藍光輻射量在多少范圍內對人體是無害的，這個問題也引發(fā)了熱烈持久的討論，這真是一個經久不息的話題。

要獲得白光，可通過R、G、B三色LED用加色法來獲得（演藝燈光行業(yè)通常就是這么做的），也可通過藍光LED加黃色熒光粉來獲得。這兩種方式各有優(yōu)缺點，如今后面這項技術幾乎隨處可見，在家居、工業(yè)照明領域內得到廣泛應用。兩者都不理想，都會在450 nm附近產生一個過高的藍光峰值，而這個峰值會擾亂人類正常的晝夜節(jié)律，這是它所帶來的最嚴重的問題。藍光太多的話，也容易在人眼內發(fā)生散射（就像天空散射藍光一樣），導致整體對比度下降，并引發(fā)眩光。除了藍光問題，在深紅光方面，這兩項技術也都沒做好。此外，它們的光輸出中幾乎都不含青光（cyan），“RGB混光”中也缺少黃光（yellow），而人眼對這兩個區(qū)域的顏色辨認能力是最強的。這讓最終顯現(xiàn)出的顏色偏向卡通色，很單調，且顯色性差（注意：筆者不是討論舞臺劇中的色光混合，在那種場合中，人們當然需要紅光、綠光、藍光甚至其他色光來參與混合;筆者只是討論白光的產生方式）。

圖1展示了人眼對各個波長的顏色辨認能力，這正是筆者所要表達的意思。某波長的縱軸值越小，人眼對那個波長的顏色辨認能力就越強。屈居最后兩位的是：500 nm附近的青光和580 nm附近的黃光（譯者注：圖1中的JND是just noticeable difference的首字母縮寫，意為：最小可察覺差異）。

現(xiàn)在，用圖2和圖3來比較一下這方面的性能。這兩張圖分別展示了在最高光效狀態(tài)下，“藍光+黃色熒光粉”白光LED和“RGB混光”LED的光譜功率分布。

在這兩種情況中，青光處都有一個凹陷，它幾乎與人眼最佳顏色辨認位置完美重合，在“RGB混光”中，黃光處有一個凹陷，人眼在這個位置處的顏色辨認能力是第二個最強點。

以前人們擁有了白光LED，就像小孩擁有了新的玩具一樣。它具有超強的節(jié)能特性，就算犧牲一部分光質也心甘情愿。但是，現(xiàn)在人們只要花不到一美元，就能擁有一個家用LED燈泡，因而，對它的那份新鮮感已消磨殆盡，不過幸好，人們對它的鑒別能力正在不斷提升。

在演藝燈光行業(yè)中，為了改善顯色性和混色后的光質，人們采用的一種方式是往混色中添加其他色光。如今，至少在RGB基礎上添加了琥珀光（amber）和青檸光（lime），這種做法已蔚然成風，有些制造商還添加了青光和其他色光。青光比人們想象的還要重要得多，不僅在于它在顏色辨認方面是一個關鍵波長，還在于它對膚色的正確還原也很重要。在人體皮膚中有很多血管，呈現(xiàn)為低亮度的藍色，而青光能讓膚色顯現(xiàn)出深度。如果沒有青光的話，從皮膚上反射回來的光會略偏綠色調。筆者相信人們已經注意到，如果用“RGB混光”來照射皮膚，那么當改變其色光比時，所觀察到的膚色會在綠色和品紅色之間快速跳變，要獲得中間的均衡狀態(tài)，幾乎是不可能的。若添加了青光和琥珀光，就能輕而易舉地實現(xiàn)這種均衡狀態(tài)。

同樣，對于白光LED，制造商也已試圖減少其藍光峰值，添加了紅色熒光粉，且填補青光凹陷（譯者注：是有所嘗試，未完全填補），但這種單色或雙色（如添加了紅色，就是雙色）熒光粉的方式有其局限性。

無論人們采用哪種顯色性度量標準，過時的CRI（顯色指數）、CQS（色質指數）還是最新推薦的TM-30，基本問題依然沒有變。要讓白光獲得絕佳的顯色性，人們需要盡最大努力來模擬日光。也就是說，在整個可見光范圍內，即從深藍光到深紅光，都要求光譜是連續(xù)的。人眼的視覺是在那種光的環(huán)境中進化的，因此，那就是看上去正確的東西，那就是人們需要模擬的東西，如果少了一點點光譜，就一定有所欠缺。

因此，當筆者了解到首爾半導體公司（Seoul Semiconductor）和東芝材料公司（Toshiba Materials）聯(lián)合開發(fā)制造出了一種具有連續(xù)光譜的白光LED時，對此產生了濃厚的興趣。有意思的是，雖然它更接近于人們所采用的那種“RGB混光”方式，但是這3種顏色全都由熒光粉發(fā)出。三色熒光粉是由東芝材料公司所制造，里面含有紅色、綠色和藍色熒光粉，它們都受一個LED泵（pump）的激發(fā)。首爾半導體公司把該LED泵發(fā)出的色光稱作紫光（purple），但筆者更傾向于把它稱作靛藍光（indigo）。（在筆者看來，“紫光”隱含了混光中帶有紅光的意思，而靛藍光就是指純短波色光。）東芝材料公司把這項技術稱作TRI-R，首爾半導體公司正在將最終產品投放市場，品牌名為SunLike（意為：像太陽一樣）。靛藍光/紫光LED泵并不是什么新鮮事物，但是，東芝材料公司宣稱他們的熒光粉是最新產品，其消除了光輸出中的紫光或藍光峰值。

圖4展示了這套系統(tǒng)，并將其與一款常規(guī)的白光LED作比較。在這項技術中使用了具有寬光譜特性的熒光粉，其發(fā)出的光譜要比各種單色LED發(fā)出的光譜寬得多。還能對它們進行調節(jié)，使其相互之間略有重疊，以消除青光和黃光“死區(qū)”。正如首爾半導體公司和東芝材料公司所稱，其最終目的就是要逼真地模擬自然光，它大大減少了藍光峰值，并且在整個可見光范圍內，光譜都是連續(xù)的。圖5展示了它的光譜功率分布（SPD），只在一點點紫光/靛藍光處有一個很小的波峰，之后就是一條連續(xù)曲線，一直到650 nm附近處。之后的紅光段下降得很快，超出了筆者的預期，不過與人們所熟知的“藍光+黃色熒光粉”白光LED相比，仍然要好太多。

這兩家制造商只是于2018年年初時宣稱其研制出了這些產品，并且到目前為止，發(fā)布消息時也都十分謹慎。筆者相信兩家公司為此申請了很多專利，因此，不太肯定的是，三色熒光粉中的每一個顏色的光譜范圍是從哪里到哪里，它們之間存在多少重疊部分。兩家公司均宣稱，用TM-30來測量的話，顯色性超過95，它們與自然光的匹配程度要優(yōu)于其他所有同類產品。從數據上看，確實給人們留下了深刻的印象，但筆者未見過實物。他們計劃從2018年夏天開始展出樣品，筆者期待能親眼看到一款產品（譯者注：TM-30提供兩個指標來衡量顯色性：Rf <色保真度指數>和Rg <色域指數>，這里的95是Rf值）。

這項技術面向哪個產品？首爾半導體公司和東芝材料公司對SunLike產品滿懷信心。兩家公司認為，它適用于所有對顯色性要求很高的場所，特別是家居、建筑、醫(yī)療和零售照明領域。據稱，首批產品已于2018年7月推出，其目標是取代熒光燈管。圖6是所發(fā)布的一張宣傳照，一幅繪制于兩千年前的壁畫，這是它在龐貝古城中的一個照明應用案例，左圖采用一盞常規(guī)的“藍光+黃色/紅色熒光粉”白光LED來照明，而右圖采用SunLike產品來照明。筆者一向對這類新聞圖片持保留態(tài)度，但絕對感興趣。

“好的，邁克，”筆者聽到有人說。“這些東西全都非常有意思，不過，我不太關注熒光燈管和龐貝壁畫照明方面的內容，按理說這是一本演藝科技類的雜志。我干嘛要去關注新的白色熒光粉呢？”筆者認為，之所以它對演藝燈光有用，有這么幾個原因。首先，在演藝燈光行業(yè)中，白光很重要，有著很多的應用。只要涉及到拍攝，就能從中獲益。其次，這種熒光粉的研發(fā)使得加色法混色燈的發(fā)展前景更加廣闊，它改善了顯色性，填補了光譜中的凹陷。SunLike熒光粉具有寬光譜的特性，因此，三基色的飽和度不會很高，但是可以用它們來混出低至中等飽和度的色調，這或許是一大改進。人們已經采用了青檸光LED來填補光譜中的凹陷，現(xiàn)在也開始使用藍色和紅色熒光粉來填補。

圖7展示了它所蘊含的潛力，若對新的熒光粉采用不同的混合方式，可用來模擬2 700 K、4 000 K和5 000 K的日光。其色溫具有可調性，這一點至關重要。

最后一點，這項技術的光效如何？首爾半導體公司宣稱，目前其光效要比常規(guī)的白光LED低10%左右，不過該公司希望能在接下來一年多的時間里補上這塊短板。筆者認為，這種說法是可信的?；仡櫣P者寫過的一篇文章（見《演藝科技》2016年第6期《電光源的功效及其測算》一文，P13-P16），可知LED所擁有的潛在最高光效，以及“RGB混光”是如何打敗“藍光+黃色熒光粉”的。調節(jié)各波長的混合量，使其與人眼視覺靈敏度相符合，這樣就能讓光效最大化，這些熒光粉一定更接近這一目標。

目前，人們正處在觀望中，但是，如果這些LED的性能確如這兩家制造商所言，那么筆者相信，用不了多長時間，人們就能在演藝燈光產品中看到它們的身影，當然也可能會看到其他制造商生產的同類產品。

（本文編譯自美國《PROTOCOL》雜志2018年夏季刊《Better Phosphors = Better Whites》一文。）

（編輯? ?王? ?芳）