LED生鮮燈的混光方案及模擬分析

生鮮燈為了滿足對(duì)各種顏色生鮮食品的照明需求，其光譜變得多樣化。雖然特制光譜的LED光源雖然理論上可行，但是實(shí)際上無(wú)法做到每種特殊光譜的LED產(chǎn)品都存在;所以很多生鮮燈依然會(huì)采用混光方案。但是為了獲得合適的混光方案，通常的計(jì)算方法非常繁瑣。為此，合理選擇現(xiàn)有的白光LED和彩色LED，利用LightTools進(jìn)行模擬得到混色光譜，通過(guò)對(duì)顏色參數(shù)的分析評(píng)價(jià)，進(jìn)而獲得合適的生鮮燈混光方案和效果指標(biāo)。

隨著固態(tài)照明的進(jìn)一步發(fā)展，人們對(duì)照明品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，很多照明領(lǐng)域提出了個(gè)性化的光譜要求，生鮮燈在食物方面的照明就是一個(gè)很好的例子。我們知道，在低顯指高色溫的燈管下，人臉會(huì)顯得蒼白無(wú)生氣，這在食品方面也是一樣，使用不合適的照明，超市里的水果、食物會(huì)變得顏色怪異，沒(méi)有賣相，不但會(huì)影響生意，而且會(huì)因?yàn)樯唐愤^(guò)保質(zhì)期而造成浪費(fèi)。

而在合適的生鮮燈下，可以使食物得顏色得以更好的還原，使它顯得更為新鮮和可口，讓顧客更愿意購(gòu)買，所以生鮮燈在食品照明領(lǐng)域非常重要。而LED由于極易得到各種光譜顏色而在應(yīng)用中成為理想光源。

多種單色光芯片的存在和藍(lán)光芯片配合特制的熒光粉，能現(xiàn)實(shí)大多數(shù)光譜。但是對(duì)于單顆LED,并不是每種光譜的LED都會(huì)變成產(chǎn)品，這是因?yàn)槭袌?chǎng)對(duì)每種特殊光譜的LED需求量一般不是很大;即便有產(chǎn)品存在，價(jià)格也會(huì)比較高，而且還可能存在供應(yīng)問(wèn)題。相對(duì)來(lái)說(shuō)，混色方案更為可行，由于只需要選用常規(guī)的LED,所以光源成本更低，方案靈活，而且供應(yīng)更為可靠。

我們通常借助色坐標(biāo)、CCT、CRI和CQS等參數(shù)來(lái)評(píng)定顏色。其中CRI除了常規(guī)的8種標(biāo)準(zhǔn)色樣的顯色指數(shù)之外，還有7個(gè)特殊色樣的顯色指數(shù)，而這15個(gè)色樣相對(duì)來(lái)說(shuō)都是非飽和色樣，前8個(gè)參數(shù)的的平均值是我們常用的顯色性Ra，例如表征紅光(“strong red”)的R9并不在Ra的表征內(nèi)容之內(nèi)，所以，即便Ra很大的LED，只要它的光譜沒(méi)有足夠的紅光部分，R9的值也會(huì)很低。NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)也發(fā)現(xiàn)，即使一種光的對(duì)非飽和色的顯色性很好，它對(duì)飽和色的顯色性也可能很差;NIST發(fā)現(xiàn)，只要選用一些飽和色作為一套新的色樣，就可以保證對(duì)顯色性的準(zhǔn)確表征，并提出了一種表征顯色性的新方法CQS(Color Quality Scale)，它采用了15種分布于整個(gè)可見(jiàn)光譜中的飽和色為其色樣。本文會(huì)借助這兩套表征顯色性的方法來(lái)分析混色后的結(jié)果。

給定光譜，就可以得到上述各種顏色信息，所以光譜涵蓋了更為全面的顏色信息。對(duì)于混色照明方案，其光譜信息非常重要，但是如何獲得會(huì)比較方便呢?

首先，雖然可以通過(guò)測(cè)量獲得，但是需要制作樣燈，這包括定制PCB、準(zhǔn)備散熱器和購(gòu)買電源驅(qū)動(dòng)、焊接和組裝等步驟，最后測(cè)量，過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，而且很難再次調(diào)整方案，方法不靈活。

其次，計(jì)算方法也非常繁瑣。光譜數(shù)據(jù)通常是經(jīng)過(guò)歸一化的，而且縱坐標(biāo)與mW(而非lm)相關(guān);而且LED的輻射特性也不同，如白光LED通常以光通量(lm)、紅光以輻射功率(mW)來(lái)表征，使得計(jì)算更為復(fù)雜。

最后，即本文中模擬方法，借助LightTools工具模擬，不但能簡(jiǎn)單地得到混色光譜結(jié)果，而且還可以獲得其他顏色參數(shù)幫助我們分析和評(píng)定方案。

當(dāng)然，隨著被照物的不同，所需的最佳光譜也會(huì)不同。我們以照明深紅色蘋(píng)果為例，水果商希望得到適量的深紅光摻雜，使得蘋(píng)果顯得紅潤(rùn)可口。同時(shí)也要強(qiáng)調(diào)一下，紅光也有很多種，在選擇紅色光源時(shí)也要先確保具備正確的主波長(zhǎng)和光譜信息，使得混光方案匹配照明要求。

為達(dá)到我們預(yù)想的混色光譜結(jié)果，首先我們要選用合適的LED光源。OSRAM有很豐富多彩的彩光產(chǎn)品(包括高功率OSLON系列和中功率Duris P5)，尤其是在紅光方面更是有三種波段的產(chǎn)品;白光LED也有三種顯色指數(shù)和各個(gè)色溫可選。所以本文就以其產(chǎn)品為例，選用適當(dāng)主波長(zhǎng)的紅光LED和適當(dāng)光譜的白光LED,獲取它們的光譜信息，并通過(guò)LightTools軟件進(jìn)行模擬。

我們選用主波長(zhǎng)數(shù)值最大的(640nm)紅光(Hyper Red)LED(LH)，和顯色指數(shù)為80的白光LED(LCW)，使用(m LCW + n LH)混色方案：

1. 獲取LED的光譜數(shù)據(jù)。通常規(guī)格書(shū)中有歸一化的光譜圖，進(jìn)而得到光譜數(shù)據(jù);如果沒(méi)有光譜圖，則可以通過(guò)現(xiàn)有夾具夾持LED樣品，通過(guò)積分球測(cè)量系統(tǒng)輕松獲得。

2. 在LightTools中輸入每種LED的光譜數(shù)據(jù)。只需將Excel 表格中得到的光譜數(shù)據(jù)復(fù)制到軟件中即可。而且可以通過(guò)“Spectral Region Chart”檢 查光譜輸入結(jié)果，如圖1所示。

3. 在LightTools中輸入每種LED的輻射功率/光通量。在規(guī)格書(shū)里，白光LED是以光通量(lm)表征，而紅光LED則是以輻射功率(mW)為單位的，這里我們不必?fù)Q算單位，直接在軟件中的“Emittance”中選擇光通量(“Photometric Flux”)或輻射功率(Rediometric Power)，并分別輸入數(shù)值即可。通常在輸入亮度信息時(shí)，需要考慮驅(qū)動(dòng)電流和結(jié)點(diǎn)溫度的影響，但是這里作為一個(gè)例子，都采用典型電流驅(qū)動(dòng)，并忽略結(jié)點(diǎn)溫度等因素影響，以簡(jiǎn)化過(guò)程突出重點(diǎn)。

4. 運(yùn)行模擬，并分析評(píng)價(jià)光譜結(jié)果。當(dāng)然，并非第一次就可以得到最合適的混色方案，所以可能需要回到第三步，重新調(diào)整功率/光通量比例，甚至可能需要添加或改變LED種類。

5. 選擇得到合適的混色方案，和相應(yīng)顏色、亮度信息。

圖1. 白光和深紅光LED光源光譜數(shù)據(jù)的輸入和光譜圖查看

圖2. 白光LED的CRI和CQS結(jié)果

單獨(dú)分析白光LED光譜可以發(fā)現(xiàn)，雖然其Ra = 83，但是其代表紅光成分的R9值只有11，說(shuō)明該光源對(duì)這一紅色物品的顏色還原能力很差，不適合凸顯紅色物品的照明。這也是為什么紅色食品的生鮮燈需要富含一定量紅光的原因，也凸顯了生鮮燈的重要性。當(dāng)然也不能過(guò)量添加紅光，否則，雖然紅色還原能力很高，但是會(huì)大大降低其他顏色的顯色性。

假設(shè)白光LED與紅光LED的比例為k=M:N，那么這里白光LED個(gè)數(shù)應(yīng)設(shè)置為k倍的白光光通量。我們假定每顆紅光LED為0.3W輻射功率，每顆白光LED為100lm，如果輸入500lm白光，那么這里k=5。

圖3. 混光光譜及其CRI和CQS結(jié)果

添加“Far field receiver”，并運(yùn)行模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這一方案很好地添加了紅光部分光譜，CCT=2750K,得到了更好的CRI(92)和CQS(90)，其中表征紅色還原能力的指數(shù)R9=70,VS1=90,兩者差異的主要原因是紅色標(biāo)準(zhǔn)色樣的選取不同，結(jié)果都比白光LED具備了更高的數(shù)值，說(shuō)明這一生鮮燈方案更有利于紅色食品的顏色還原;同時(shí)其他顏色樣本的顯色指數(shù)也都保留了較高或更高的數(shù)值。在達(dá)到該生鮮燈對(duì)紅色還原能力的同時(shí)，還提升了整體的照明品質(zhì)。

食品照明等領(lǐng)域?qū)艟吖庾V的要求越來(lái)越多樣化，但是訂制光譜的光源卻很難實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而且價(jià)格昂貴，所以通常采用混色方案。由于視見(jiàn)曲線和光源光譜曲線的存在，在輻射功率和光通量之間的計(jì)算會(huì)非常的麻煩，本文利用現(xiàn)有的工具LightTools,通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置，對(duì)混光光譜進(jìn)行了模擬，除了得到了光譜，還可以獲得很多其他顏色的信息;結(jié)果顯示，本方案獲得的照明效果很好，顯色性超過(guò)90，富含深紅色，適合對(duì)很多紅色食品照明。