高顯色指數(shù)LED光譜配比與色度參數(shù)的關(guān)系

楊宇銘，李 燕，周天亮，鄭懷文，楊 華，伊?xí)匝啵踯娤?，李晉閩

(1.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，中國科學(xué)院半導(dǎo)體照明研發(fā)中心，中國科學(xué)院大學(xué)，北京第三代半導(dǎo)體材料與應(yīng)用工程技術(shù)研發(fā)中心，半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.廈門大學(xué)材料學(xué)院，福建 廈門 361005)

引言

隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)在照明市場的滲透率逐步提高，在技術(shù)上對(duì)照明光源的控制能力不斷提升，這也使得人們對(duì)照明的的健康屬性愈加關(guān)注[1-4]，其中高顯色指數(shù)的LED照明光源在教室照明，桌面照明，電視轉(zhuǎn)播照明等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，高顯指白光LED的常見技術(shù)方案為藍(lán)光激發(fā)綠光段和紅光段熒光粉，多家制造商也提出了不同的技術(shù)方案[5-8]，這也是未來照明光源品質(zhì)提升的重要方向。一般來說，為了提高LED光源的顯色性一般需要在傳統(tǒng)藍(lán)光加黃綠熒光粉的基礎(chǔ)上增加一些不同發(fā)射光譜的熒光材料[9,10]，在理論上利用配比不同峰值發(fā)射光譜的熒光粉可以實(shí)現(xiàn)類似的色溫和顯色指數(shù)，這一方面為我們?cè)O(shè)計(jì)和使用更多的約束條件帶來的便利，同時(shí)也由于其多樣性為我們開展光生物效應(yīng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)增加了難度。因此，確認(rèn)當(dāng)前技術(shù)條件下的高顯色指數(shù)LED的主要光譜配比對(duì)于健康照明研究具有重要的參考價(jià)值。

為了簡要地分析上述問題，本文選取了5種典型的藍(lán)光二極管和紅/綠/黃綠色熒光粉進(jìn)行不同配比的白光LED光譜光色特性仿真研究，結(jié)合不同的基本光譜比例優(yōu)化相關(guān)色溫和顯色性等指標(biāo)，對(duì)獲得相近色溫和顯色性的比例關(guān)系進(jìn)行研究并考察其光譜形態(tài)。

1 仿真設(shè)置

研究中使用的藍(lán)光LED的發(fā)射光譜，峰值波長為455 nm，半高寬為25 nm。熒光材料的發(fā)射光譜如圖1所示，其中包括4種典型熒光材料分別為(SrBa)Si2O2N2:Eu、Sr2SiO4:Eu、Intematix GNYAG572、(SrCa)AlSiN3:Eu，計(jì)算采用的峰值波長和發(fā)射光譜半寬照顧了代表性，依次為495 nm、535 nm、572 nm、630 nm，半寬分別為35 nm、60 nm、120 nm、85 nm。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)用的5種基本光譜Fig.1 Five basic spectra for simulation experiments

2 仿真計(jì)算過程

采用以上藍(lán)光LED發(fā)射光譜、三種綠/黃綠熒光粉發(fā)射光譜、一種紅光熒光粉發(fā)射光譜共5種光譜為基本光譜功率分布函數(shù)，以1/10強(qiáng)度為步長，共有115=161 051種強(qiáng)度分布組合，光譜范圍為390～750 nm，間隔為5 nm。按照式(1)計(jì)算合成光譜：

(1)

其中SPDtotal是計(jì)算色度參數(shù)所用總光譜，ki是每個(gè)基本光譜的比例，SPDi是基本光譜，l是波長。通過Matlab計(jì)算工具對(duì)每一個(gè)合成光譜分別計(jì)算色度參數(shù)，具體包括利用三刺激值計(jì)算CIE1931色坐標(biāo)(x,y)，利用McCamy公式計(jì)算相關(guān)色溫CCT，參考CIE 015—2018計(jì)算一般顯色指數(shù)Ra。最終將計(jì)算得到的相關(guān)色溫、顯色指數(shù)及對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度比例輸出到結(jié)果文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

3 結(jié)果分析

1)分別在色坐標(biāo)圖上采用描點(diǎn)法繪制出2 700 K、4 000 K、5 000 K、5 500 K、6 500 K附近100 K范圍的滿足Ra要求的色坐標(biāo)位置?？梢钥吹讲煌浔群铣晒庾V的色坐標(biāo)范圍基本為該色溫附近的帶狀分布，同時(shí)顯色指數(shù)的提高使得可能的光譜配比向黑體曲線靠近。

對(duì)于相關(guān)色溫在(2 700±50)K范圍的情況如圖2所示，當(dāng)顯色指數(shù)從 70～75 范圍提高到90～95 范圍，其色坐標(biāo)所在帶狀區(qū)域的兩端也從(0.428 9，0.395 6)與(0.495 6，0.470 6)區(qū)間縮小到(0.451 8，0.399 7)與(0.471 5，0.425 0)區(qū)間。在這一色溫條件下沒有光譜配比能夠使Ra達(dá)到 95 以上，在這個(gè)色溫條件下Ra在 90 以上的配比其色坐標(biāo)沒有跨越黑體曲線，這表明在實(shí)際工藝中該色溫得到Ra達(dá)到 90 以上的光譜配比存在困難。

圖2 相關(guān)色溫2 700 K±50 K時(shí)，滿足一般顯色性要求的配比在色坐標(biāo)圖上的位置分布Fig.2 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 2 700 K±50 K

對(duì)于相關(guān)色溫在 4 000 K+50 K 范圍的情況如圖 3 所示，當(dāng)顯色指數(shù)從 70～75 范圍提高到90～95 范圍，其色坐標(biāo)所在帶狀區(qū)域的兩端也從(0.362 9，0.314 8)與(0.403 0，0.451 4)區(qū)間縮小到(0.374 9，0.359 5)與(0.388 6，0.400 0)區(qū)間。在這一色溫條件下Ra在 90～95 范圍內(nèi)不同配比的色坐標(biāo)跨越黑體曲線，這表明在實(shí)際工藝中對(duì)該配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化可能使其滿足色溫和顯色指數(shù)要求，而滿足Ra大于 95 要求的配比雖然仍有一定的數(shù)量，但是其與黑體曲線有一定的偏離，限制了其實(shí)際的應(yīng)用。

對(duì)于相關(guān)色溫在 5 000 K+50 K 范圍的情況如圖 4 所示，當(dāng)顯色指數(shù)從 70～75 范圍提高到90～95 范圍時(shí)，其色坐標(biāo)所在帶狀區(qū)域的兩端也從(0.3397，0.2964)與(0.3538，0.4326)區(qū)間縮小到(0.3431，0.3415)與(0.3490，0.3793)區(qū)間。顯色指數(shù)的提高同樣使得可能的光譜配比減少并整體上向黑體曲線靠近，而滿足Ra大于95要求的配比雖然有一定的數(shù)量，但是整體仍然存在與黑體曲線的少量偏離，在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于相關(guān)色溫在 5 500 K+50 K 范圍的情況如圖 5 所示，同樣的當(dāng)顯色指數(shù)從 70～75 范圍提高到 90～95 范圍時(shí)，其色坐標(biāo)所在帶狀區(qū)域的兩端也從(0.3318，0.3042)與(0.3335，0.4309)區(qū)間縮小到(0.3314，0.3509)與(0.3337，0.3656)區(qū)間。同時(shí)其滿足Ra大于 95要求的配比對(duì)應(yīng)的色度坐標(biāo)整體仍然存在與黑體曲線的少量偏離，在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)一步細(xì)化的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于相關(guān)色溫 6 500 K 的情況如圖 6 所示，當(dāng)顯色指數(shù)從 70～75 范圍提高到 90～95 范圍時(shí)，其色坐標(biāo)所在帶狀區(qū)域的兩端也從(0.301 6，0.401 3)與(0.319 9，0.280 3)區(qū)間縮小到(0.310 6，0.340 3)與(0.313 2，0.322 7)區(qū)間。和 2 700 K 的情況類似，在這個(gè)色溫條件下也沒有Ra大于 95 的光譜配比，同時(shí)在這個(gè)色溫條件下Ra在 90 以上的配比其對(duì)應(yīng)色坐標(biāo)沒有跨越黑體曲線，表明在實(shí)際工藝中該色溫得到Ra達(dá)到 90 以上的光譜配比存在一定困難。

圖3 相關(guān)色溫4 000 K±50 K時(shí)，滿足一般顯色性要求的配比在色坐標(biāo)圖上的位置分布Fig.3 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 4 000 K±50 K

圖4 相關(guān)色溫5 000 K±50 K時(shí)，滿足一般顯色性要求的配比在色坐標(biāo)圖上的位置分布Fig.4 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 5 000 K±50 K

圖5 相關(guān)色溫5 500 K±50 K時(shí)，滿足一般顯色性要求的配比在色坐標(biāo)圖上的位置分布Fig.5 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 5 500 K±50 K

圖6 相關(guān)色溫6 500 K±50 K時(shí)，滿足一般顯色性要求的配比在色坐標(biāo)圖上的位置分布Fig.6 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 6 500 K±50 K

2)統(tǒng)計(jì)以上計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，不同色溫下和一般顯色指數(shù)所對(duì)應(yīng)的配比數(shù)量關(guān)系如圖 7 所示，其中相關(guān)色溫限制了光譜配比的最大數(shù)量，在同一組相關(guān)色溫范圍內(nèi)，顯色指數(shù)的提高可以大幅度的限制光譜配比的可能性，如在顯色指數(shù)大于 95 的條件下，2 700 K和6 500 K 沒有適當(dāng)?shù)呐浔龋? 000 K 有 11 個(gè)組合，5 000 K 有 8 個(gè)組合，5 500 K 有4個(gè)組合。當(dāng)然，圖7所示的高顯色指數(shù)配比并不能滿足全部色度指標(biāo)要求，但這一結(jié)果說明了在一定的基本光譜條件下，更高的顯色指數(shù)要求會(huì)顯著地限制可能選取的光譜配比。但是在顯色指數(shù)從低到高增加的過程中，相關(guān)色溫 2 700 K 的情況存在一定特殊性，其光譜配比數(shù)量先增加后減少，這說明本文所選基本光譜在這一色溫段更易于實(shí)現(xiàn)較高的顯色指數(shù)。

圖7 不同相關(guān)色溫、顯色指數(shù)與光譜配比數(shù)量的關(guān)系Fig.7 Relationship between correlated color temperature, color rendering index and the counts of spectral ratios

3)在全部計(jì)算結(jié)果中篩選出一般顯色指數(shù)大于 60 的 104 810 個(gè)配比并在色坐標(biāo)圖上繪制出其配比數(shù)量與色坐標(biāo)的關(guān)系(如圖8所示)，其中相近的色坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的光譜配比數(shù)量在(0.36，0.46)左右達(dá)到峰值，在色度圖上(0.01×0.01)的面積內(nèi)有近1 200 個(gè)配比，該配比密度在峰值周邊較快的下降，這一趨勢與2)中的描述基本相當(dāng)。

圖8 顯色指數(shù)大于60的光譜配比在色坐標(biāo)(x,y)上的數(shù)量分布圖Fig.8 Distribution of the counts of spectral ratios on color coordinates (x, y) with the color rendering index greater than 60

4 結(jié)論

我們對(duì)提高 LED 光源的顯色性所需要的的熒光粉成分及其強(qiáng)度配比進(jìn)行了仿真研究，在不考慮不同熒光粉之間再吸收的條件下，采用典型的藍(lán)光 LED、3 種不同峰值波長的綠色/黃綠色熒光材料與典型紅色熒光材料進(jìn)行 5 種基本光譜的 115(161 051)種組合的分析，對(duì)每種組合的色度學(xué)參數(shù)包括色坐標(biāo)、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)等進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對(duì)相近色溫下的技術(shù)方案和顯色性的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。結(jié)果表明，在一個(gè)特定基本光譜組合方案下，更高的顯色指數(shù)可以更好的約束光譜組合所能采用的配比，色度圖上的配比數(shù)量密度與基本光譜相關(guān)。該結(jié)果一方面為我們?cè)O(shè)計(jì)和開發(fā)高顯色指數(shù) LED 提供了指導(dǎo)，另一方面也為我們?cè)诮】倒庠囱芯恐幸肫渌s束條件具有一定的參考價(jià)值。