高顯色指數(shù)LED白光的色度學(xué)模擬方法研究

　　近年來(lái)，LED作為新一代光源受到越來(lái)越多的重視。從電源指示燈、汽車(chē)指示燈、交通指示燈到戶外顯示屏，LED得到了廣泛的應(yīng)用。隨著藍(lán)光芯片制造技術(shù)的發(fā)展，基于藍(lán)光LED+YAG熒光粉的二基色白光LED的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸從路燈等戶外照明向室內(nèi)普通照明延伸。目前，小功率白光LED的發(fā)光效率最高可達(dá)200lm/W左右，大功率白光LED也可達(dá)到120lm/W以上，使得白光LED與白熾燈和熒光燈相比，在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)愈加明顯。因此，白光LED在室內(nèi)普通照明上的應(yīng)用具有巨大的市場(chǎng)前景。

　　一般色度學(xué)參數(shù)測(cè)量方式的難點(diǎn)

　　白光LED在室內(nèi)普通照明的應(yīng)用中，需要解決散熱、電源、配光等方面的技術(shù)問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決會(huì)為L(zhǎng)ED光源進(jìn)入普通照明領(lǐng)域掃清技術(shù)上的障礙。目前，LED照明率先進(jìn)入了藝術(shù)館、博物館和圖書(shū)館等場(chǎng)所，并且這些場(chǎng)所的照明對(duì)色彩的還原能力有特殊的要求，即要求高顯色指數(shù)LED照明燈具。同時(shí)，普通室內(nèi)照明也對(duì)高顯色指數(shù)有一定的需求，所以，獲得顯色指數(shù)大于90以上的LED白光成為未來(lái)LED照明的一個(gè)發(fā)展方向。但是,眾所周知, 藍(lán)光LED+YAG熒光粉的二基色白光LED的顯色指數(shù)一直徘徊在60—80之間,其主要原因是在YAG光譜中,缺少紅光部分的光譜，使獲得的白光LED的一般顯色指數(shù)偏低。提高傳統(tǒng)藍(lán)光LED+YAG熒光粉的二基色白光LED顯色指數(shù)的方法是增加其白光光譜中的紅光輻射成分，一般的做法是對(duì)于特定的原始LED白光中，加入一個(gè)紅光LED，通過(guò)調(diào)整電流來(lái)調(diào)整白光和紅光的亮度，然后測(cè)量顯色指數(shù)等色度學(xué)參數(shù)，獲得白光和紅光的配比。這種方式的缺點(diǎn)是耗時(shí)繁瑣。如果同時(shí)有幾個(gè)白光和紅光需要匹配，在不同紅光亮度下測(cè)量結(jié)果的可能性是非常大的工作量。　　

　　中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心研發(fā)了電腦程序來(lái)模擬色度學(xué)參數(shù)。色度學(xué)參數(shù)主要包括色度坐標(biāo)（x，y）或（u，v）、相關(guān)色溫（CCT）、一般顯色指數(shù)（Ra/CRI）和特殊顯色指數(shù)（Ri，i=1-14）。這些參數(shù)都可以通過(guò)白光光譜計(jì)算而得，但是其中的計(jì)算過(guò)程比較繁瑣，主要涉及大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，只有通過(guò)電腦程序快速地獲得結(jié)果。另外一方面，輸入不同的原始白光光譜和紅光光譜，電腦程序可以自動(dòng)進(jìn)行模擬運(yùn)算，獲得一系列不同紅光強(qiáng)度下的混合白光的色度學(xué)參數(shù)?；蛘撸瑢?duì)于一個(gè)特定的原始白光光譜，可以讓電腦程序自動(dòng)模擬加入不同峰值波長(zhǎng)、半高寬和強(qiáng)度的光譜，獲得模擬的混合白光的色度學(xué)參數(shù)的結(jié)果，然后根據(jù)結(jié)果挑選合適的混合光譜。

　　本文選取了一個(gè)白光光譜（如圖1中曲線1所示）為例，說(shuō)明該電腦軟件的用途。因?yàn)樯葘W(xué)參數(shù)與光譜的絕對(duì)強(qiáng)度沒(méi)有關(guān)系，將該光譜的相對(duì)強(qiáng)度導(dǎo)入電腦程序，得到的色度坐標(biāo)為(0.3321,0.3812)、相關(guān)色溫為5541K、顯色指數(shù)為70.5，特殊顯色指數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原始白光和優(yōu)化后光譜的一半顯色指數(shù)和特殊顯色指數(shù)

　　電腦程序采用迭代的方法，在原始白光光譜中逐次加入一個(gè)峰值波長(zhǎng)從380-730nm（步長(zhǎng)1nm），半高寬為2-30nm（步長(zhǎng)2nm），強(qiáng)度為0.2-3.0倍（步長(zhǎng)0.2，強(qiáng)度相對(duì)于原始白光中的藍(lán)光強(qiáng)度）的光譜（一共78975次），該光譜的波形為實(shí)測(cè)各種單色LED光譜后模擬所得。對(duì)結(jié)果分析后可知，對(duì)加入的光譜，混合后的白光的色度坐標(biāo)和相關(guān)色溫都發(fā)生了變化，我們主要對(duì)一般顯色指數(shù)進(jìn)行了分析，由于結(jié)果比較多，節(jié)選了一些進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 光譜1,原始白光光譜；2,優(yōu)化后白光光譜；3,加入的紅光光譜

對(duì)于這款LED白光，加入的單色光光譜會(huì)顯著改變混合后白光的顯色指數(shù)，一般而言，加入的光譜的峰值波長(zhǎng)在380-475nm時(shí)，所得的混合白光的顯色指數(shù)呈現(xiàn)有限的增大，但是當(dāng)峰值波長(zhǎng)在480-600nm范圍時(shí)，混合光的顯色指數(shù)相對(duì)于原始白光會(huì)下降，特別是當(dāng)加入的峰值波長(zhǎng)在500和570nm時(shí)，這兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)顯色指數(shù)有不利的影響，稱(chēng)為干擾波長(zhǎng)。當(dāng)加入的波長(zhǎng)在610nm以后時(shí)，所得到的混合白光的顯色指數(shù)呈現(xiàn)顯著的增大，說(shuō)明610nm以后的紅光輻射對(duì)LED白光的顯色指數(shù)有優(yōu)化作用，這也說(shuō)明了恰恰是由于受激發(fā)的YAG熒光粉光譜中缺少紅光輻射，使得傳統(tǒng)藍(lán)光LED+YAG熒光粉的二基色白光的顯色指數(shù)在80以下。在針對(duì)這個(gè)原始白光的優(yōu)化中，當(dāng)加入的紅光峰值波長(zhǎng)在627nm，半高寬是24nm，強(qiáng)度是藍(lán)光峰值的1.2倍時(shí)(如圖1中曲線3所示)，混合得到的白光(如圖1中曲線2所示)的一般顯色指數(shù)是95.6，特殊顯色指數(shù)也分別有不同程度的增大，如表1中所列。特別是飽和紅色R9，由負(fù)值升高到95.0，說(shuō)明紅光輻射對(duì)飽和紅色的色彩還原能力非常重要。

圖2 當(dāng)加入光譜的半高寬分別為12、16、20、24、和28nm，強(qiáng)度為1.2倍時(shí)其峰值波長(zhǎng)和混合后白光的顯色指數(shù)的關(guān)系

　　在實(shí)際應(yīng)用中，一般是先有封裝好的白光LED或不同的熒光粉，需要評(píng)估白光LED或不同的熒光粉所能優(yōu)化到最高的顯色指數(shù)，我們的電腦程序所導(dǎo)入的光譜，無(wú)論是從實(shí)際測(cè)量的各色光譜歸一化而來(lái)或純粹由程序模擬生成，都能實(shí)現(xiàn)很好的混光和模擬。當(dāng)然，上文提及混合了不同光譜的白光的色度坐標(biāo)和相關(guān)色溫會(huì)發(fā)生變化，電腦程序也會(huì)根據(jù)結(jié)果進(jìn)行排列，用戶可以挑選合適市場(chǎng)需求的不同色品的白光。

　　用電腦程序?qū)崿F(xiàn)白光色度學(xué)參數(shù)的模擬可以大大減小實(shí)際混光的工作量，對(duì)提高工作效率有非常大的幫助。同時(shí)，也可以對(duì)白光色度學(xué)做出一些前瞻性的評(píng)估和預(yù)言。