LED光源的顏色——LED知的識（七）

施克孝

（中廣國際建筑設計研究院，北京 100034）

1 加色法與減色法

在談到LED光源顏色的時候，經常有人說“LED光源是加法，換色器是減法”。

顏色真的有加法和減法嗎？在色度學中，確實有相加混色法，簡稱加色法，也有相減混色法，簡稱減色法。

在加色法中，兩種光源的顏色按不同比例相加（共同照射在白色背景上），會產生各種新的顏色。前文已述，兩種顏色的混合比例決定新顏色的色調及飽和度，即色度，新顏色的亮度是兩種顏色的亮度和。如圖1所示，圖中的紅光和綠光相加（紅、綠重疊的部分）得到黃光，黃光的亮度等于紅光與綠光的亮度和，如果用照度表去測黃光區域的照度，它也是紅光與綠光的照度和。同理，紅色和藍色相加得到品紅色，藍色和綠色相加得到青色，紅、綠、藍三色相加得到白色。

加色法又分光譜混色法、空間混色法、時間混色法和生理混色法等。影視、舞臺燈光中的顏色光，就是光譜混色法。彩色電視接收機的顯示器是空間混色法。彩色電視接收機顯示器的屏幕由很多小光點組成，三個點為一組，三個點分別是紅、綠、藍三基色，三基色的比例不同，就可以得到各種各樣的顏色。只要小點足夠小，小點間的距離足夠近，眼睛就看不出小點，看到的就是一幅連續的彩色畫面。

彩色電影、彩色印刷及燈光常用的濾色片、換色器等采用減色法。所謂減色法就是從白光或復合光中減去某種或某些色光而得到另一種色光的方法。例如，電腦燈光源前的紅色濾色片，就是白光通過濾色片時，只透過紅光，濾掉了其他光譜，即從白光中減掉了紅光以外的其他光，所以稱為減色法。例如麥稈黃（旋麗彩色燈光濾色片，N0512）濾色片的透光率為69.8%，就是說，不加濾色片時測試點的照度如果是1 000 lx，加麥稈黃濾色片后，同樣地點的照度就變成698 lx；如果是深藍（旋麗彩色燈光濾色片，N0802）濾色片，它的透光率只有18.5%，那么，同樣是1 000 lx的白光，加深藍濾色片后就變成了185 lx，這個損失是很大的。從這個角度講，減色法中光的能量損失很大，而加色法具有突出的優點。LED多色光源除本身發光效率高以外，采用加色法比換色器的減色法大大節約了能源。

圖1 三原色相加

2 LED的發光顏色

LED的發光顏色、發光效率與制作LED的材料和制作工藝有關。目前已經可以制作出各種顏色的LED光源，其中使用最廣泛的顏色有紅、綠、藍、白、琥珀色等多種顏色。

不同的材料可以產生不同波長的光子。前面已經說過，波長不同，顏色也就不同。歷史上， LED光源使用的第一種材料是砷化鎵，其發出的光線為紅外線。另一種常用的LED材料為磷化鎵，其發出的光線為綠光。通常，把用GaAs（砷化鎵，改進制作工藝后可發紅光）、GaP（磷化鎵，發綠光）、GaN（氮化鎵，發藍光）這些用兩種元素生產的LED稱為二元素LED；把Ga、As、P三種元素生產的LED稱為三元素LED；而目前最新的工藝是用混合鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）、氮（N）四種元素生產的LED，稱為四元素LED。四元素LED的顏色可以涵蓋所有可見光及部分紫外線的光譜范圍。

在許多功能性照明中，都需要白光，影視、舞臺行業尤其如此。特別是人物光，不但需要白光，而且對光源的色溫及顯色指數還有要求。嚴格地講，人物光、話劇舞臺的場景光等對光源光譜的連續性、光譜的分布都有很苛刻的要求。

3 實現白光LED的方法

雖然上個世紀60年代就生產出LED光源，但一直到1998年，白光LED才開發成功。這種LED是將發藍光的GaN芯片和YAG（釔鋁石榴石）熒光粉封裝在一起做成的。GaN發藍光，它的主波長是465 nm，該藍光的一部分激發YAG熒光粉發出黃光。藍光與黃光是互補色，它們相加得到白光，如圖2所示。

現在，通過改變YAG熒光粉的化學組成及調節熒光粉層的厚度，可以獲得不同色溫（2 700 K～8 000 K）的白光。目前，采用這種方法制造的白光LED已實現批量生產。影視照明燈具中用得最多的就是這種白光LED。這種白光LED，熒光粉的質量是影響光源色溫、顯色指數及壽命的重要因素。

另外，用多芯片LED也可以形成白光。如圖1所示，分別用紅光LED、綠光LED、藍光LED封裝在一起產生白光。這種方法還可以分別調節紅、綠、藍三色光的比例得到各種色光。這種方法可以得到最高的發光效率，但也存在一些問題，就是各個色光的驅動電流和溫度變化時，會導致各個色光發光不一致，同時，隨著時間的延長，光通量的衰減速度也不相同。此外，散熱問題比較突出，生產成本居高不下。

還有一種方法也可以得到白光，那就是用發紫外線的LED激發三基色熒光粉得到白光。其特點是光譜的可見光部分完全由熒光粉產生，白光比較純正。不過，它的電光轉換效率較低，同時封裝材料在紫外線的照射下容易老化，壽命較短，也存在紫外線泄露的隱患。

在影視燈具中，目前用得最多的是在一臺燈具中安排多顆1 W 、3 W或5 W的LED光源，按一定比例選用紅、綠、藍、白4種顏色或紅、綠、藍、白、琥珀色5種顏色。這種燈具的好處是各色光可以分別控制，從而可得到豐富多彩的顏色。缺點是用單色光時，只有一部分光源工作，所以照度較低。還有的廠家在一個燈具中安裝7色LED光源，由于它色域更廣，顯色就會更好一些。當然，造價也就更高。最近，飛利浦公司推出一款130 W的LED燈具，最大特點是使用的4色（紅、綠、藍、白）芯片尺寸很小（4色總發光面積小于10 × 10 mm2），接近點光源，光路設計合理，光斑質量好，光通利用率高。由于采用光子晶格技術從LED高效導出光，再由光導管導出并混色，所以，燈具效率高，混色效果好，即使距離燈具很近，也看不出色彩不均勻的現象。

白光LED具有許多誘人的優點，但它要想成為功能性照明，特別是影視、舞臺照明的主角，還要攻克一些技術難題，例如，LED的顯色性、光效、壽命還有待進一步提高，而成本應大幅度下降。

4 光譜分布與LED光源的顯色性

物體色除本身的反射特性外，還直接受光源的光譜分布的影響。可以這樣說，從光源的光譜分布就可以很便捷地看出各種物體色的顯色效果。

光源可以用色溫、顯色指數、色度圖坐標、光譜分布來表述，光源的參數，特別是光譜分布這個參數，不但說明“自己”，還在一定程度上說明“物體色”。光源相對能量較高的波長部分，物體色就較明亮；相對能量較低的波長部分，物體色就顯得暗淡。

以下是幾種光源的光譜分布對物體顏色的影響。

（1）很長一段時間，我國的路燈都是汞燈（俗稱“水銀燈”），光譜分布見圖3，由于它的光譜以藍光、綠光為主（紅光很少），所以，偏紅的顏色顯色性很差，汞燈下人的膚色發青，很難看。

（2）上世紀70年代中期以后，我國的路燈逐漸換成了高壓鈉燈。高壓鈉燈的光效較汞燈提高了很多，路面亮了很多，但它以黃色光譜為主，如圖4所示。由于鈉燈缺少藍光，所以，各種藍色的物體（例如各種藍色及深冷色調顏色的汽車）在高壓鈉燈下就看不清楚。

（3）圖5是鹵鎢燈的光譜分布。由于鹵鎢燈的顯色性接近日光，因此，它一直是影視、舞臺照明光源的主角。與日光比較，它相對紅光較多，藍光較少，所以，在鹵鎢燈下，看肉色就顯得紅一些，看藍色就沒有在日光下鮮艷。另外，它的光效較低，不節能，肯定要被光效更高、顯色性好的新光源代替，這只是個時間問題。

（4）圖6是日光的光譜分布，它在可見光的范圍內基本上是均勻的，接近“等能量分布”。之所以把日光的顯色指數定義為100，就是因為我們長期生活在日光下，接受了日光下的各種顏色，認為各種物體的顏色在日光下“最正”。

（5）在追求高光效的同時，提高顯色性，以滿足影視、舞臺對光源高顯色性的要求，是LED光源的一個重要的發展方向。

要提高LED光源的顯色性，就要向日光、向等能量分布“看齊”。目前的LED光源，不管哪種白光LED光源，光譜分布都不同程度存在“高峰”和“谷地”，本文中圖2是雙色白光LED光源的光譜分布圖，圖7是三基色白光LED光源的光譜分布圖。可以說，LED光源要提高顯色指數，就要削“峰”填“谷”，向等能量分布發展。

如圖8所示，同樣是藍光激發熒光粉得到黃光，藍光加黃光得到白光，綠色曲線是改進前的光譜分布曲線，粉色曲線是改進后的光譜分布曲線。從粉色曲線可以看出，黃光部分變寬了，而“低谷”抬高了一些，這樣做就提高了顯色指數。粉色曲線如在不降低黃色光譜成分的前提下，藍光峰值再低一些光譜分布會更合理一些。

圖9是七色白光LED的光譜分布曲線。從圖中可以看出，雖然色域寬了，光譜分布改善了，但仍有明顯的“高峰”與“低谷”。只要有“高峰”與“低谷”，“高峰”處的物體色就顯得較為明亮，“低谷”處的物體色就會相對暗淡。LED光源的顏色取決于制作它的材料，如果能找到三色（紅、綠、藍）LED材料的主波長（光譜分布的最高點）符合用戶的不同要求，且每種顏色覆蓋的寬度足夠大（例如每種顏色的波長變化接近余弦分布），就可以使整個光譜分布比較平齊，光源的顯色性也就會大大提高。

當然，對LED光源而言，如果顯色指數高，光效也高是最理想的。事實上，目前二者往往是矛盾的。光效高了，就要犧牲一些顯色指數；顯色指數高了，光效往往就難以做得很高。在顯色指數滿足使用要求的前提下，盡量追求高光效是一個不錯的選擇。