LED光管照明效果測試研究

李本亮 賈明輝 周光明

(1.國家半導(dǎo)體光源產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心 (廣東)/廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，廣東東莞 523808;2.柯尼卡美能達(dá) (中國)投資有限公司，廣東廣州 510620)

1 引言

隨著半導(dǎo)體照明示范工程的推廣及普及，大量的LED照明產(chǎn)品開始在酒店、會議室、寫字樓、博物館、體育館等室內(nèi)及戶外場所投入使用。LED光源擁有豐富的色彩和高能效的特點，但是，很多時候人們在LED照明產(chǎn)品使用的場所往往會意識到幾個問題:如某些LED燈管產(chǎn)品標(biāo)稱的光通量參數(shù)雖然不錯，可是實際的光照度無法滿足人眼觀察所需達(dá)到的要求;其次，有些LED產(chǎn)品雖然色彩絢麗，但是人眼對色溫的感覺往往與產(chǎn)品標(biāo)稱的不一致，光源對空間顏色的呈現(xiàn)沒有達(dá)到建筑設(shè)計的基本要求;還有在一些有高顯色要求的場所如珠寶手飾柜、化妝品專柜、商場超市、醫(yī)院、教室、博物館、影藝舞臺等，因為LED光源的顯色性不同而導(dǎo)致物體在光源下失真的情況經(jīng)常出現(xiàn)。目前，這類問題已引起了行業(yè)對LED光源的光色品質(zhì)研究的重視和探討。

LED光源的發(fā)光原理和特性比較獨特，以藍(lán)光芯片與YAG熒光粉混合的白光LED為例，其光譜波峰會在450nm～500nm之間發(fā)生移動，產(chǎn)品在混光后的效果不穩(wěn)定。而且，不同廠家會因為LED照明產(chǎn)品工藝上存在的不足而導(dǎo)致同型號批次的產(chǎn)品在實際的照明效果中出現(xiàn)良莠不齊的現(xiàn)狀。由于生產(chǎn)高性能的LED照明產(chǎn)品的技術(shù)水平要求高，使得大批性能較低的產(chǎn)品流入市場，影響了LED照明產(chǎn)品的普及和市場接受程度。

針對新出現(xiàn)的LED照明產(chǎn)品，相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開始制定，其中最重要的是GB 50034－2013［1］，由于該標(biāo)準(zhǔn)是建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，已明確要求在建筑照明場合使用色溫為4000K以下，顯色指數(shù)Ra﹥80，高光效的LED室內(nèi)筒燈和LED相關(guān)產(chǎn)品。本文根據(jù)新提出的LED照明效果技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需求，對LED照明產(chǎn)品進(jìn)行測試實驗，根據(jù)測試結(jié)果給出了產(chǎn)品改進(jìn)的建議，對LED照明產(chǎn)品的使用推廣有一定的指導(dǎo)意義。

2 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

新的國家標(biāo)準(zhǔn)對LED室內(nèi)照明產(chǎn)品的性能做了較為詳盡的要求，明確提出了LED照明產(chǎn)品的顯色指數(shù)及色容差等參數(shù)，對LED產(chǎn)品的使用環(huán)境等也做了比較詳盡的規(guī)范。現(xiàn)行的GB 50034－2004要求在不同照明場合安裝使用的LED產(chǎn)品均需達(dá)到額定的顯色指數(shù)和色溫，即將出臺的GB 50034－2013在此基礎(chǔ)上制定和補(bǔ)充了相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。為了深入了解LED光源的顏色品質(zhì)，我們需要對光源進(jìn)行現(xiàn)場評估。

3 光源的顯色指數(shù)及色溫

在照明、紡織、印刷等領(lǐng)域，光源的顏色特性是選擇光源時要考慮的一個重要因素。因為在光源照明的條件下，物體的顏色為人眼感知，并且人眼感知到的顏色，不僅與物體本身的特性，如反射比、透射比、光譜輻射亮度系數(shù)等相關(guān)，還與照明光源的顏色特性有很大關(guān)系。現(xiàn)在評價光源顏色特性的技術(shù)參數(shù)主要有光源顏色的三刺激值、色溫 (相關(guān)色溫)、顯色性等。其中顯色性反映了光源對物體的顯色能力的好壞，定義光源對物體自身顏色的呈現(xiàn)水平。光源的顯色性由其光譜所決定。

顯色指數(shù)是用來表征顯色性的數(shù)目值。指物體在被測光源下的顏色與參照光源下物體的顏色符合程度的器量。按CIE規(guī)定，普朗克輻射體作為低色溫光源的參考標(biāo)準(zhǔn)，把標(biāo)準(zhǔn)照明體D作為高色溫光源的參考標(biāo)準(zhǔn)，并將其顯色指數(shù)定為100。還規(guī)定了若干檢測用的規(guī)范顏色樣品，以這些樣品在參照光源下和另一色溫為3000K的規(guī)范熒光燈下的色差為標(biāo)準(zhǔn)，商定規(guī)范熒光燈的顯色指數(shù)為50。CIE依據(jù)在參照光源和被測光源下顏色樣品的色差，聯(lián)合上述定量標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)出公式。

顯色指數(shù)由CIE規(guī)定的14種顏色組成，中國在計算顯色指數(shù)時又加入了亞洲婦女膚色，變成15種色樣，并分別標(biāo)記為 R1、R2、R3……R14、R15。特殊顯色指數(shù)Ri可用任何一種顏色樣品來計算，一般顯色指數(shù)Ra用1～8號顏色樣品的特殊顯色指數(shù)計算得到，Ra=(∑Ri)/8(i=1，2，…，8)。因為這8種顏色是最常見的顏色，常用的照明光源只要求參考Ra的值。對大多數(shù)白光LED來說，由于是混合型光源，其光譜多為非連續(xù)性，與白熾燈和三基色熒光燈這類有連續(xù)光譜的光源相比，顯色能力不容易提高。原因是主流的白光LED追求高光效，會在調(diào)光時把紅光比例忽略。對非連續(xù)光譜光源來說，代表飽和紅色的R9對光源的顯色性評價有著重要的參考意義。CIE在光源的顯色指數(shù)計算方法中規(guī)定的14種色試樣如表1所示。

表1 CIE顯色指數(shù)計算方法的14種色試樣Table 1 Fourteen samples of calculation for CIE color rendering index

在孟塞爾表色系中，R代表紅色，飽和紅色R9是第9號顏色樣品 (孟塞爾編號為4.5R 4/13)對光源真實顏色的復(fù)現(xiàn)有很重要的影響。我們在實驗中用分光輻射照度計CL-500A對被測光源進(jìn)行光譜輻射測量得到被測光源的x、y和u、v色度坐標(biāo)。通過測得的被測光源的相對光譜功率分布數(shù)據(jù)和1－15試樣色的光譜輻射因素，計算被測光源下1－15號試驗色的色度坐標(biāo)xk，yk，然后計算被測光源與參照光源的色差ΔEi，再根據(jù)公式Ri=100－4.6×ΔEi計算出被測光源的特殊顯色指數(shù)。

色溫的概念則起源于物體被加熱至不同溫度時，它表現(xiàn)出來相對應(yīng)的不同顏色。顏色與溫度之間有聯(lián)系，當(dāng)溫度升高時，物體的輻射會改變導(dǎo)致其顏色發(fā)生變化。某類特殊的發(fā)光物體當(dāng)被加熱時，它能以100%的效率輻射。人們把這類理想的完全輻射稱作黑體輻射，這種輻射體稱為黑體。理想黑體輻射時的顏色根據(jù)特定的溫度而變化，色相范圍可以在CIE色度圖上顯示為一條曲線，這條曲線稱作黑體輻射軌跡 (或叫普朗克軌跡)。當(dāng)溫度上升時，顏色會從深紅色轉(zhuǎn)為橙色、黃色、白色直至最終略帶藍(lán)色的白色。大多數(shù)自然光源如太陽光、星光和火焰的色彩溫度特性都非常接近普朗克軌跡。當(dāng)一個完全輻射體處于特定溫度下，某些光源的色彩與它的色彩相對應(yīng)。對于某些特定的應(yīng)用，引入色溫的概念對這類光源的區(qū)分十分方便 (測量單位為:開爾文)。如果被測光源和一個黑體類似，測量結(jié)果會非常精確。因此，這條軌跡在對白色分類時非常有用，在燈及顯示設(shè)備制造領(lǐng)域的應(yīng)用尤為廣泛。

當(dāng)光源的特性與完全輻射體的特征完全吻合時，色溫的概念是適用的。但一般光源發(fā)出的光接近但不完全吻合于黑體輻射，色溫概念因此需要被延伸。當(dāng)要描述一個光源的色溫與黑體輻射體的色溫接近時，我們會用相關(guān)色溫 (CCT)來衡量。我們在色溫曲線上引入等溫線，等溫線是一些直線，它表示被測光源的色溫與黑體輻射色溫在看起來相似時，它與黑體輻射曲線之間的同色溫點上色差，通常用Δuv來表示，最大的色差大小Δuv為±0.02。

4 LED光管實驗室測試

為了使LED光源的色品質(zhì)評估具體化，本文進(jìn)一步以不同廠家生產(chǎn)的白光LED燈管進(jìn)行現(xiàn)場的效果測試實驗。針對目前的LED應(yīng)用示范工程中需要涉及到的現(xiàn)場驗收情況，本文實測了10種不同的LED燈管產(chǎn)品，分別評估它們在現(xiàn)場的照明效果。在實驗中，需要對這類LED光管的幾個方面進(jìn)行評判:1)在LED光管安裝后，它是否能滿足人眼在照明環(huán)境觀察所需要到的照度?2)光管對物體的顏色真實還原程度如何?3)光管對人眼的觀察會不會造成眩暈或帶來不舒適的色調(diào)感覺?4)光源對物體照明是否會產(chǎn)生重影等問題?這些我們都需要通過照度、顯色指數(shù)、色溫、色坐標(biāo)等基本參數(shù)的測量進(jìn)行評估。

測量工具:本文采用了柯尼卡美能達(dá)的分光輻射照度計CL-500A作為測量儀器，可以讀取光源的一般顯色指數(shù)Ra、特殊顯色指數(shù)R1～R15、色溫、照度、色坐標(biāo)、光譜圖線、特征波長、色純度等參數(shù)。這臺分光輻射照度計在實驗前已通過國家計量院的計量，在照度和光譜數(shù)據(jù)方面均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。測量數(shù)據(jù)可在電腦軟件CL-S10w中分析和判斷，具體的測量功能如圖1～圖4所示。

測量方法:選取10個不同廠家型號的白光LED燈管產(chǎn)品，燈管均由LED封裝陣列組成，正常燃點30分鐘后，在距離LED光管發(fā)光面正下方2米處用CL-500A測量產(chǎn)品的照明效果參數(shù)。

測量環(huán)境:在環(huán)境溫度為25℃，背景照度＜0.01lx的暗房。

測量參數(shù):照度、色坐標(biāo)、色溫、特征波長、一般顯色指數(shù)Ra、特殊顯色指數(shù)R9

測量數(shù)據(jù)如表2所示:10個廠家LED光管產(chǎn)品的測試參數(shù)結(jié)果。

圖1 測量一般顯色指數(shù)Ra和特殊顯色指數(shù)R1～R15Fig.1 Measure the general color rendering index Ra and the special color rendering index R1～R15

圖2 顯示光源的譜線圖線和特征波長Fig.2 The spectral lines and the characteristic wavelength of the displaying light source

圖3 CL-500A連接電腦輸出顯色指數(shù)和光譜數(shù)據(jù)Fig.3 The color rendering index and spectral datas outputting by the computer connecting to CL-500A

圖4 用CL-500A測量環(huán)境光源的照度和色溫Fig.4 Measure the illuminance and color temperature of ambient light source using CL-500A

表2 10個廠家LED光管產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)Table 2 Testing data for the ten LED light tube samples

從表2可以看到，如果按照GB 50034－2013的要求，使用LED燈具要求4000K以下色溫，則9家廠家的LED產(chǎn)品均不能符合要求。如按一般顯色指數(shù)Ra﹥80的要求，則8種型號的LED產(chǎn)品符合要求，2種型號的LED產(chǎn)品不符合要求。針對國家LED產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中要求的R9＞0，同樣8種型號的LED產(chǎn)品符合要求。其中廠家編號為5和廠家編號為8的LED燈管的R9值為負(fù)，且差值很大，產(chǎn)品的Ra均＜80。通過以上顯色指數(shù)的比較，直觀體現(xiàn)了Ra與R9在LED光源的顏色復(fù)現(xiàn)能力上有必然的聯(lián)系，當(dāng)R9的值接近或者大于0時，一般LED產(chǎn)品的顯色指數(shù)Ra基本上能保持在80以上，可見LED產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)提到的R9＞0是提高產(chǎn)品顯色性的一項關(guān)鍵指標(biāo)，必須加以重視。我們以廠家編號為1款型號和廠家編號為5款型號的產(chǎn)品比較為例，具體如圖5和圖6所示。

圖5 廠家編號1:一般顯色指數(shù)Ra=82，R9=5Fig.5 Sample 1:general color rendering index Ra=82，special color rendering index R9=5

圖6 廠家編號5:一般顯色指數(shù)Ra=72，R9=－31Fig.6 Sample 5:general color rendering index Ra=72，special color rendering index R9= －31

通過表2的10個產(chǎn)品的色溫可以看出，目前測試10個型號的LED光管產(chǎn)品，只有廠家編號為9的產(chǎn)品色溫＜4000K，為3974K;其余的有5款型號的產(chǎn)品色溫位于4500K～5500K之間，3款型號的產(chǎn)品色溫位于5500K～6500K之間，1款型號的產(chǎn)品色溫＞6500K，為6922K。按照GB 50034－2004征求意見稿要求，室內(nèi)使用的LED照明產(chǎn)品的色溫＜4000K，通過測試只有1家能夠符合要求，而如果按照通常的室內(nèi)色溫＜6500K的要求，則9家產(chǎn)品的色溫均能符合要求。由于白光LED主要以藍(lán)光激發(fā)為主，藍(lán)光成分的增加會使色溫增加，色溫越高，白光LED產(chǎn)生的不舒適眩光越強(qiáng)。目前其他國際標(biāo)準(zhǔn)未見對LED照明的嚴(yán)格色溫要求，但一般的制備經(jīng)驗表明，減少白光LED混光中的藍(lán)光成分，保持合適的色溫是解決白光LED眩光問題的一個重要手段。室內(nèi)使用的LED照明產(chǎn)品的色溫＜4000K的要求，其理論和應(yīng)用合理性還有待進(jìn)一步研究。

以廠家編號為4和廠家編號為5的產(chǎn)品的光譜成分進(jìn)行分析 (見圖7、圖8)，由光譜測量結(jié)果可以知道廠家編號為4的產(chǎn)品的一般顯色指數(shù)Ra為83，特殊顯色指數(shù)R9為41，特征波長為451nm，同時在550nm和650nm對應(yīng)的黃綠光和紅光有激發(fā)能量的波峰;廠家編號為5的產(chǎn)品的一般顯色指數(shù)Ra為72，特殊顯色指數(shù) R9為31，特征波長為448nm，在黃綠光對應(yīng)波段550nm處有能量集中波峰，但是在紅光譜段明顯缺乏。經(jīng)過兩個產(chǎn)品的光譜成分對比，不難發(fā)現(xiàn)廠家為4的產(chǎn)品在藍(lán)光、紅光、黃綠光的譜段都有一定比例的混合。廠家編號為5的產(chǎn)品的光譜主要來自藍(lán)光和黃綠光過渡的混合，對紅光補(bǔ)償不足所以會造成產(chǎn)品的一般顯色指數(shù)偏低。而且實驗發(fā)現(xiàn)，對于不連續(xù)光譜的光源，含有500 nm和580 nm波長附近的光譜對顏色顯現(xiàn)有不利影響，容易使一些顏色失真。如果在混光中消除450 nm，540 nm，616 nm的波長功率，又會導(dǎo)致顯色性明顯下降。以450nm左右的藍(lán)光芯片配備的白光LED為例，盡量提高紅光在650nm左右的光譜成分并配以峰值波長為567nm的黃色熒光粉和一定比例的綠色熒光粉;或者是保持450nm藍(lán)光、540nm綠光和616nm桔紅光以適當(dāng)比例混合對產(chǎn)品整體顯色性的提升有很好的幫助。

圖7 廠家編號為4的LED光管譜線圖Fig.7 The spectrum of Sample－4 LED white light tube

圖8 廠家編號為5的LED光管譜線圖Fig.8 The spectrum of Sample－5 LED white light tube

5 測試結(jié)果分析

一般情況下，國家標(biāo)準(zhǔn)要求室內(nèi)LED照明產(chǎn)品的顯色指數(shù)Ra＞80，R9＞0。如果白光LED燈管的光譜中局部缺乏紅色，只呈現(xiàn)局部藍(lán)光及黃光就會導(dǎo)致特殊顯色指數(shù)R9＜0。由于目前白光LED通常是使用藍(lán)色LED芯片加YAG熒光粉混光，通過藍(lán)色LED激發(fā)熒光粉產(chǎn)生黃綠光和藍(lán)光來混合形成視覺上的白光。該技術(shù)的缺陷在于產(chǎn)品中缺乏紅色光譜，導(dǎo)致顯色指數(shù)偏低。對色溫低于4000K的白光LED來說，如果紅色熒光粉不足會導(dǎo)致產(chǎn)品的一般顯色指數(shù)偏低，不適合用于顯色性要求高的場所。在RGB三基色中，紅色所對應(yīng)的白光指標(biāo)是顯色指數(shù)，紅光成分越多則顯色指數(shù)越高;藍(lán)光對應(yīng)色溫，藍(lán)光成分越多色溫越高。這表明產(chǎn)品在紅色熒光粉或者紅光不足的情況下，需要增加紅色熒光粉或補(bǔ)償紅光以提高產(chǎn)品的顯色指數(shù)。所以，廠家在追求產(chǎn)品的高光通量同時，既要考慮高顯色性，又要做到額定色溫，就需要調(diào)整好混光的比例和提升熒光材料的激發(fā)效率。這也成為白光LED所需要克服的技術(shù)難點。

提高白光LED產(chǎn)品的顯色指數(shù)主要遵循混色原理，基本上有如下幾種方法:(1)利用RGB芯片來進(jìn)行混色，可以顯著提高產(chǎn)品顯色指數(shù)，但缺點是不易于掌握RGB三色的混色份額，且不利于提高產(chǎn)品的光效，產(chǎn)品研發(fā)成本比較高。(2)使用藍(lán)色芯片和紅、綠熒光粉進(jìn)行混合制備白光，通過適當(dāng)?shù)谋壤梢灾圃斐鲲@色指數(shù)高于90的產(chǎn)品。缺點同樣比較明顯，由于綠色熒光粉的激發(fā)效率不高，抑制了大部分藍(lán)色光輻射，導(dǎo)致器件光效降低。(3)使用藍(lán)色芯片和紅、綠、黃三色熒光粉混合制備白光，通過此種辦法制備的器件在顯色指數(shù)上有顯著提高，但由于熒光粉的衰減問題，在顯色指數(shù)維持率上往往達(dá)不到技術(shù)文件的要求。目前，大部分廠家的配方仍以藍(lán)色芯片配備黃、紅色熒光粉為主，也會混入一定比例綠色熒光粉提高光通量。大多數(shù)產(chǎn)品在黃色熒光粉和紅色熒光粉的激發(fā)效率上仍需要提升，才可以制備出高顯色和高光效的白光產(chǎn)品。

另外，即使是兩個LED燈管測得相同的顯色指數(shù)，可是其配方的不同或者在混光工藝上的差異也有可能使人眼產(chǎn)生不舒適的感覺。如何保持顯色指數(shù)和色溫協(xié)調(diào)一致，在室內(nèi)照明中不會對人眼造成不自然的感覺，是LED廠家在產(chǎn)品的改良和技術(shù)的提升方面都需要考慮的問題。隨著LED產(chǎn)品在酒店、醫(yī)院、博物館、體育館等場所使用增加，人們對照明光源的顏色感知越來越敏感，客觀上要求廠家在研發(fā)和生產(chǎn)時考慮好LED產(chǎn)品的顯色性、色溫、照度均衡的問題。因為這些因素都將成為決定其產(chǎn)品能否被用作建筑照明光源的重要參考指標(biāo)。

6 結(jié)論

本文結(jié)合最新提出的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，對不同廠家的白光LED燈管產(chǎn)品的照明效果進(jìn)行了測試和研究，測試的結(jié)果顯示，為符合最新國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的要求，部分廠家的白光LED產(chǎn)品的顯色性和色溫還需要進(jìn)行設(shè)計性調(diào)整，即LED照明產(chǎn)品的熒光粉配方或者在混光制備工藝上仍需要改進(jìn)，以滿足即將頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)的最新要求。

［1］趙建平 等.GB 50034－2004，建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).

［2］趙建平 等.GB 50034－2013，建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) (征求意見稿).

［3］李自力等.GB24832－2009，普通照明用LED模塊性能要求.

［4］施曉紅 等.GB＊＊＊＊－2013，LED筒燈性能要求.

［5］譚力，劉玉玲，余飛鴻.光源顯色指數(shù)的計算方法研究.

［6］柯尼卡美能達(dá).光的語言.