如何在CIE色度空間來設(shè)計(jì)更好的發(fā)光二極管

動(dòng)翻譯，供參考

如何在CIE色度空間來設(shè)計(jì)更好的發(fā)光二極管

大多數(shù)燈光師帶LED工作明白是怎么委員會(huì)國(guó)際歌DE L’Eclairage(CIE)1931 X，Y色彩空間(或CIE色度空間上)被用作基礎(chǔ)表征白光LED。從純色或白色LED的輸出可以在顏色(色調(diào))和飽和度(純度)方面用x被定義并在圖上y坐標(biāo)。

然而，很少有工程師明白為什么CIE色度空間上運(yùn)作良好，為L(zhǎng)ED的分析工具。部分原因是自然光作為基準(zhǔn)LED輸出。這是因?yàn)樘?yáng)被認(rèn)為是完美的照明器(到我們的眼睛已經(jīng)變得完全演進(jìn))是黑體輻射發(fā)射在廣泛帶寬的光。照明技術(shù)，有關(guān)與波長(zhǎng)移熒光體純色LED中是唯一的是一個(gè)接近理想的人工光源，因?yàn)樗鼈兡軌蚪咏啬M太陽(yáng)的光譜功率分布(SPD)，同時(shí)限制能量發(fā)射到可見光譜。

從黑體輻射器的輸出可以被繪制在CIE顏色空間，可作為L(zhǎng)ED的顏色相關(guān)溫度(CCT)的基準(zhǔn)的軌跡的形式。 CCT是表征LED的一個(gè)重要參數(shù)，使得制造商能夠提供一系列的白光器件，以滿足多種應(yīng)用。

本文著眼于CIE色度空間上的起源 - 夢(mèng)想了很久以前的LED都是實(shí)用的主流照明的想法 - 并說明如何使用它來幫助現(xiàn)代LED的發(fā)展和表征。

大自然的黑體輻射

在人類發(fā)現(xiàn)人造光照射的唯一來源是太陽(yáng)。數(shù)百萬年的進(jìn)化已造成眼睛都運(yùn)行在陽(yáng)光下優(yōu)化和人類的自然光等舒適和安全聯(lián)系起來。

太陽(yáng)是(約)黑體輻射體發(fā)光熱過程的結(jié)果。光被定義為電磁輻射肉眼可見的。在陽(yáng)光下，這種電磁輻射的主要來源是從原子被融合的熱能在恒星的芯激勵(lì)。

這種激發(fā)是高度無規(guī)的，但在宏觀尺度上，從黑體光發(fā)射可使用普朗克定律準(zhǔn)確建模。該法描述了黑色機(jī)身的熱平衡，在一定的溫度下所發(fā)出的電磁輻射。在給定波長(zhǎng)(包括那些在不可見光譜例如紅外線和紫外線)為不同溫度的黑體改變發(fā)射的能量;例如，在較低溫度下更長(zhǎng)(更紅)波長(zhǎng)支配和黑色的機(jī)身將發(fā)出暗紅色。溫暖的黑色體從明亮的黃色，以藍(lán)白色發(fā)出在較短(更藍(lán))波長(zhǎng)更多的精力和范圍的顏色，因?yàn)樗麄冏兊酶鼰帷?/p>

黑體的SPD的曲線示出的濃度，作為波長(zhǎng)的函數(shù)，一個(gè)輻射或光度量的如從光源輻射能量或輻射通量。在太陽(yáng)表面的溫度約為5250 K和它發(fā)出的特征黃白色的中溫星峰值排放(也許并不奇怪考慮如何在Sun已經(jīng)影響了眼睛的進(jìn)化)中的可見部分譜。圖1示出了各種黑色機(jī)構(gòu)的SPD - 包括Sun的模擬發(fā)射在5000的K - 覆蓋在電磁波譜的可見部分。

黑體輻射光譜功率分布的圖像

圖1：黑體輻射在選定的溫度光譜能量分布。

(需要注意的是大氣，這尤其是散射藍(lán)光，改變了太陽(yáng)的顏色在地球表面，當(dāng)太陽(yáng)開銷通過更少的氣氛它的光線傳播，會(huì)出現(xiàn)更多的“自然”(即黃白色)，而在晚上，例如，光行進(jìn)通過的大氣的較厚層，因此會(huì)出現(xiàn)更紅的藍(lán)色波長(zhǎng)的光被散射到更大的程度。)

CIE色度空間

CIE色度空間上來源于一系列的實(shí)驗(yàn)由威廉大衛(wèi)·懷特和約翰協(xié)會(huì)在20世紀(jì)20年代末完成的。下圖提供了第一個(gè)確定的量化物理純色之間在可見電磁頻譜和生理感知顏色的人文色彩的視覺聯(lián)系。

眼睛不檢測(cè)所有顏色一視同仁。例如，在視網(wǎng)膜上的彩傳感錐體最敏感的綠光。這些特殊的細(xì)胞的敏感度尾部脫迅速朝藍(lán)(和紅色)的光譜的一部分。錐體’在472毫微米靈敏度為藍(lán)色光，例如，僅10%的那對(duì)555nm處的綠色。

什么特別新穎關(guān)于CIE顏色空間是，它使用了一組的配色函數(shù)是一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”的人類觀察者的色響應(yīng)的數(shù)值的說明。的配色函數(shù)相關(guān)聯(lián)物理產(chǎn)生的光的光譜具有特定的三色值 - 因而考慮到眼睛的光感受器的變化的靈敏度。

CIE色度空間允許色度顏色使用兩個(gè)導(dǎo)出的參數(shù)，x和y被繪制的(顏色的質(zhì)量，獨(dú)立發(fā)光的指示)。不x和y中的顏色空間的所有值對(duì)應(yīng)于可見的顏色。而是，所有的可見顏色被包含由“光譜軌跡”和所定義的包絡(luò)線內(nèi)“紫色線。”該光譜軌跡是一條曲線，繪出的x，y的值的顏色包括在整個(gè)可見光譜的單一波長(zhǎng)。上的軌跡的編號(hào)對(duì)應(yīng)的顏色的波長(zhǎng)。紫線 - 直線軌跡由紅色和藍(lán)色的混合的 - 構(gòu)成了CIE色度空間的下邊界(圖2)。

CIE色度空間圖像

圖2：CIE顏色空間表示普朗克軌跡的位置。

一種彩色的色調(diào)是由它的頻譜上基本顏色(例如，紅色，橙色，黃色，綠色，藍(lán)色，或紫色)來確定。包括一個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)顏色的飽和度總是比光相同的色調(diào)，但具有更寬的光譜帶寬更大。越大光譜帶寬(降低飽和度)進(jìn)一步在x，y色度坐標(biāo)移動(dòng)從光譜軌跡。在該圖的顏色的中心區(qū)域是去飽和和表現(xiàn)出柔和的色調(diào)。移動(dòng)足夠遠(yuǎn)到圖中的中心和顏色成為白色和白色。白色通常被描述為一個(gè)不存在的顏色和由許多波長(zhǎng)。的最近點(diǎn)到在CIE顏色空間“純”白的是，相當(dāng)于將SPD在可見光譜的每個(gè)波長(zhǎng)表現(xiàn)出相等的能量的點(diǎn)。這點(diǎn)有時(shí)標(biāo)記為“E”上的CIE色空間，但是最小的感興趣LED制造商的，因?yàn)檫@種技術(shù)不容易本身借給相等能量的光源的制造。

即通常包括在CIE顏色空間的另一關(guān)鍵特征是普朗克(或黑體)位點(diǎn)。這些是各種溫度下的黑體的色度坐標(biāo)從1000 K(深紅色)至10,000 K和上面的曲線(藍(lán)白色)，參見圖2的上方。

表征LED燈

之前，他們被認(rèn)為用于照明應(yīng)用，LED燈開始流行的應(yīng)用，如指標(biāo)和標(biāo)志。紅，綠，藍(lán)設(shè)備繼續(xù)在他們的數(shù)十億美元，以制造和LED制造商加入了其他照明設(shè)備制造商使用CIE色度空間上，以自己的產(chǎn)品特點(diǎn)。

色調(diào)和飽和度(由LED的主波長(zhǎng)確定的)可以使用圖表明確定義。 LED的色調(diào)被定義為光譜軌跡通過從等于能量在點(diǎn)(E)的線通過在x，LED的y坐標(biāo)相交的波長(zhǎng)。飽和是由LED的x的位置來確定，Y沿著這條線的坐標(biāo)。如果x，y坐標(biāo)是一致E中的純度為0。的LED待著朝向光譜軌跡純度增大的線的坐標(biāo)，達(dá)到1在軌跡(圖3)。

色調(diào)和飽和度的LED圖像

圖3：CIE顏色空間可以用來明確定義的LED和其它光源的色調(diào)和飽和度。 (劍橋大學(xué)出版社提供)[1]

這么多的純顏色的LED，在這里我們關(guān)心的是用于照明應(yīng)用的白色設(shè)備。 CIE顏色空間可以被用于指示范圍(或“域”)的顏色的組合紅，綠，藍(lán)(RGB)LED可產(chǎn)生。的光的仔細(xì)混合是產(chǎn)生“白”發(fā)光二極管的一種方式?？赡躼和RGB組合的y坐標(biāo)的范圍將落入一個(gè)三角形，其頂點(diǎn)是在x內(nèi)，三源的y坐標(biāo)(參照技術(shù)專區(qū)文章“第三種方法為白光LED”)。

然而，當(dāng)今的大多數(shù)商業(yè)白光LED照明應(yīng)用結(jié)合了寶藍(lán)色釔鋁石榴石(YAG)熒光粉LED。大多數(shù)LED的光子被磷光體吸收，并且，通過稱為斯托克斯移位的處理，被重新發(fā)射在光譜的黃色和紅色部分。剩余的藍(lán)色光子發(fā)射不受影響，并用黃色和紅色的光結(jié)合產(chǎn)生白光(見技術(shù)專區(qū)的文章“更白，更亮的LED”)。

圖4顯示了歐司朗的OSLON SSL白光LED的相對(duì)光譜發(fā)射(該芯片具有106流明/瓦，在350毫安/的功效2.95 V)。需要注意的是大的峰值出現(xiàn)在藍(lán)色區(qū)域(從LED的直接貢獻(xiàn))，以進(jìn)一步駝峰由磷光體產(chǎn)生的黃色和紅色區(qū)域。

歐司朗OSLON SSL白光LED光譜功率分布的圖像

圖4：來自歐司朗OSLON SSL白光LED光譜功率分布。虛線鐘形曲線是人眼的靈敏度函數(shù)。

完美的人造光

雖然在CIE顏色空間由幾十年早商業(yè)的LED，但事實(shí)上，純色LED與波長(zhǎng)移熒光結(jié)盟是一個(gè)接近理想的人工光源，用于匹配黑體輻射體的SPD和限制能量發(fā)射到在可見光譜使得圖中的理想機(jī)制，開發(fā)和檢定白光LED。

與傳統(tǒng)照明競(jìng)爭(zhēng)，LED廠商努力生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。顯色指數(shù)(CRI)和相關(guān)色溫度(CCT)定義了從設(shè)備質(zhì)量輕。

CRI是的光源的重現(xiàn)各種物體的顏色忠實(shí)地在與理想的或天然的光源比較的能力的定量測(cè)量。陽(yáng)光作為基準(zhǔn)，具有100的CRI(見技術(shù)專區(qū)的文章“什么是顯色指數(shù)，它為什么如此重要?”)。當(dāng)代的LED，如Cree的的XLamp XM-L2芯片)和歐司朗的OSLON SSL家族(在700毫安/ 2.9V的153流明/瓦)具有的CRI為8085的范圍內(nèi)。

雖然CRI沒有在CIE色度空間定義，CCT最絕的是。 CCT被定義為“普朗克[或黑體]散熱器的感知的顏色最相似，一個(gè)給定的刺激在相同的亮度和在特定觀看條件下的溫度”。

通過稍微改變的熒光化學(xué)，制造商可以改變他們的白光LED的色溫。圖5示出了如何白色LED具有不同色溫的光譜變化。這個(gè)例子顯示了Cree公司的XLamp XM-L2系列LED。

相對(duì)光譜排放量為Cree白光LED的圖片

圖5：相對(duì)光譜排放不同色溫的Cree公司白光LED。

請(qǐng)注意，“暖”白光LED實(shí)際上有較低的相關(guān)色溫。來自這些設(shè)備的輸出中含有較多的紅色波長(zhǎng)的光，其中將移動(dòng)到普朗克軌跡的較冷端的輻射，即使人的感知決定了顏色是溫暖。 “冷”白光LED發(fā)射更藍(lán)，和輻射被歸類為熱，盡管再次，人類有一個(gè)替代的感知，其確定的光冷卻器。制造商生產(chǎn)白色LED，歸類為“暖白”(2600至3700CCT)，“中性白”(3700為5000 K CCT)和“冷白”(50008300 K)輸出。

這些產(chǎn)品系列適合不同的應(yīng)用。例如，消費(fèi)者更喜歡暖白色家用設(shè)備，而企業(yè)發(fā)現(xiàn)，員工在冷白光照明效率更高。

這是不可能的可靠制造完全相同的CCT的發(fā)光二極管。相反，制造商組具有相似CIE色坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成“垃圾桶”的分組是通過與這些四邊形具有相同CCT垂直套CIE色度空間小四邊形確定(見技術(shù)專區(qū)的文章“定義的白光LED的顏色特性“)。

卓越的LED設(shè)計(jì)

消費(fèi)者愿意代替短暫的，低效率的傳統(tǒng)光源與固態(tài)照明，如果制造商能提供的產(chǎn)品發(fā)出高品質(zhì)的光。 CIE色度空間上已經(jīng)證明一個(gè)寶貴的工具LED廠商開發(fā)這樣的產(chǎn)品，因?yàn)樗紤]到了眼睛的不同感光度不同的顏色，并采用人工照明在普朗克軌跡的形式確定排放量的顏色的重要依據(jù)溫度升高的黑色體。

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