三基色白光LED光譜優(yōu)化及顏色評價體系分析

古志良，許毅欽，陳志濤

(廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州　510650)

?

三基色白光LED光譜優(yōu)化及顏色評價體系分析

古志良，許毅欽，陳志濤

(廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州510650)

摘要：隨著人們對光品質(zhì)的要求越來越高以及新光源的出現(xiàn)，光源的顏色評價體系也在不斷發(fā)展，新的顏色評價體系CQS(Color Quality Scale)顯示了一定的優(yōu)越性。本文采用理論計算，固定相關(guān)色溫為3000K，通過調(diào)配三基色白光LED光譜參數(shù)來分析CQS和CRI兩種顏色評價體系的差別及尋求光視效能LER和CQS的最佳平衡。結(jié)果表明在評價白光LED光源時，CQS比CRI具有優(yōu)越性。當(dāng)三基色峰值波長分別為464nm、540nm和611nm，半高寬分別為20nm、30nm和20nm，Qa達到80，LER最大為396lm/W，優(yōu)化后的峰值波長和半高寬的變化對CQS的影響很大，為保證LED光源的顏色穩(wěn)定性，三基色峰值波長的漂移和半高寬的展寬應(yīng)小于5nm。

關(guān)鍵詞：白光LED；光譜優(yōu)化；光色品質(zhì)(CQS)；顯色指數(shù)；光視效能；相關(guān)色溫

引言

近年來，以大功率白光LED為代表的固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展極其迅速。隨著白光LED光效的提高，人們開始關(guān)注白光LED的光品質(zhì)，包括色溫、顯色指數(shù)等參數(shù)，其中如何評價白光品質(zhì)是一個重要課題[1]。顯色指數(shù)決定著光源的顯色能力，自1965年起，國際照明委員會(CIE)制定的顯色指數(shù)(CRI)是最常用的評價顏色質(zhì)量的指數(shù)，但隨著新光源的出現(xiàn)和研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)其沒有很好地反映白光LED光源的顯色性優(yōu)劣[2]。美國[3,4]、日本[5]等研究者發(fā)現(xiàn)，CRI在用于評價白光LED光源的顯色性時，存在以下一些現(xiàn)象，如顏色樣品數(shù)量少且飽和度過低、平均值的取得會導(dǎo)致不恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)果、沒有表現(xiàn)色偏移現(xiàn)象、顯色指數(shù)沒有很好地反映視覺視差等。為了更好地評價白光照明光源，尤其是白光LED光源，美國NIST的Wendy Davis和Yoshi Ohno開發(fā)了一套新的評價系統(tǒng)CQS[7]，該方法幾乎彌補了CRI的缺點，其流程也與CRI方法相似。研究發(fā)現(xiàn)，CQS對LED光源的評價與人的觀感具有很好的匹配度[3]。

顯色指數(shù)(CRI)和光視效能(LER)是衡量白光光源性能的兩個重要指標。CRI決定著光源的顯色能力，而LER的高低則直接影響到光源的發(fā)光效率[1]。光視效能與顯色指數(shù)是一對矛盾的參數(shù)，光視效能的提高一般是以顯色指數(shù)的降低為代價的，因此，尋求這兩個參數(shù)的最佳平衡對于白光LED具有重要意義[8,9]。目前對白光LED光譜優(yōu)化的研究主要集中在平衡這兩個主要參數(shù)上，如吳海彬[10]等在相關(guān)色溫3000 K附近優(yōu)化綠粉和紅粉的組分，獲得了96的高顯色指數(shù)，但是光效僅有17.1 lm/W。蘇治平[17]等在5500K的條件下，優(yōu)化三基色白光LED光譜，得到三基色峰值波長分別為465nm、545nm和615nm，半峰寬分別為25nm、36nm和13nm時，顯色指數(shù)為89，光效視能是353 lm/W的最優(yōu)結(jié)果。

考慮CIE的顯色指數(shù)對評價白光LED的不足，本文通過平衡CQS與LER這兩個參數(shù)而非CRI與LER來優(yōu)化三基色白光LED的光譜，系統(tǒng)研究三基色LED的峰值波長、半高寬和相對光功率配比分別對白光LED的LER、CQS和CRI的影響。

1理論基礎(chǔ)

1.1　LER

發(fā)光效能(ηv)簡稱光效，是LED的一個重要參量，為光通量和電輸入功率的比值，可用公式(1)表示：

ηv=ηe×K

(1)

式中，ηe為電光轉(zhuǎn)換效率；K為光視效能，用公式(2)表示：

(2)

其中Km=683lm/W，S(λ)為光源的光譜功率分布，V(λ)為明視覺下的人眼視見函數(shù)。

1.2　CRI

CRI是衡量光源顯色能力的指標，它是由光源的光譜分布S(λ)決定的。計算CRI時，首先計算14種標準樣品色在標準光源和待測光源下的色差ΔEi，然后通過式(3)計算14個特殊顯色指數(shù)Ri：

Ri=100-4.6ΔEi

(3)

一般顯色指數(shù)Ra為

(4)

通常CRI就是指Ra值，CRI越接近100，顯色性越好。

1.3　CQS

CQS采用完全不同標準色板，具體包含有15塊色板，而且全部是具有高飽和度的色彩，使得在顏色表現(xiàn)上更符合人的視覺感知。在色空間選擇上，選擇更具均勻性的色空間，即CIE1976年推薦使用的L*a*b*色空間進行色差的計算。色差計算過后放棄平均值策略，改用均方值來計算，使得各個色板的權(quán)重相較一致性，即

(5)

一般光色品質(zhì)平均值為

Qa,rms=100-3.1ΔE

(6)

為了使CQS指數(shù)是在0~100內(nèi)，避免CRI的負值和零值的出現(xiàn)，在最后的取值中進行修正，即

(7)

則一般光色品質(zhì)指數(shù)為

Qa=MCCT×Qa,0~100

(8)

其中，MCCT為色溫因子，當(dāng)色溫小于3500K時，對光色品質(zhì)指數(shù)進行懲罰，用公式(9)表示：

(9)

1.4　光譜模型

在模擬基于LED的多基色光源的光譜時，單色光的光譜分布P(λ)由式(10)給定[4]：

(10)

其中λ0為峰值波長，Δλ0.5為半高寬。通過調(diào)整基色光之間的功率配比并混合而得到白光輸出，輸出的白光的相對光功率分布為S(λ)。

2光譜優(yōu)化與結(jié)果分析

固定相對色溫為3000K,對三基色LED光譜進行計算優(yōu)化。根據(jù)目前商業(yè)應(yīng)用的藍、綠、紅光芯片的主流峰值波長，本文將RGB的峰值波長優(yōu)化范圍分別設(shè)為440~470nm、510~560nm和600~640nm，半高寬分別為20nm、30nm和20nm。模擬過程中，峰值波長迭代間隔為1，相對光功率值均從0連續(xù)調(diào)變至1，間隔為0.005，通過迭代計算，可以得到不同的峰值波長和相對光功率配比的組合，尋求LER、CRI和CQS的最佳平衡。

2.1　顯色指數(shù)(CRI)的不足

表1給出了部分優(yōu)化后的計算結(jié)果，LED-1是Qa為最大值84.5時所得到的組合，LED-2是Ra為最大值90.2時所得到的組合，LED-3是在Qa>80條件下，LER為最大值396lm/W所得到的組合，LED-4是在Ra>80條件下，LER為最大值423lm/W所得到的組合。

表1　CCT為3000K時，不同峰值波長和相對光功率組合的優(yōu)化結(jié)果

圖1為LED-3組合和LED-4組合的相對光功率譜圖，從圖中可以看出，兩個組合的光譜變化不大，三基色LED的峰值波長相差僅±5nm，但兩個組合的光源參數(shù)卻不一樣。從表1中可以看出，從組合LED-3變化到LED-4時，Ra變化不大，由83.1變?yōu)?0.2。參數(shù)R9變化巨大，由5變?yōu)?76.9。可以看出Ra無法直接反映R9的變化。R9是白光光源的一個重要的參數(shù)指標，它表示飽和紅色，當(dāng)R9<0時，說明光源的紅光成份不足，紅色嚴重失真。從組合LED-3變化到LED-4時，Qa的值從80變化到51.2，很好地回應(yīng)了R9的變化。因此評價一個LED光源的顏色表現(xiàn)時，僅考慮顯色指數(shù)Ra是不完善的。這與2007年CIE的技術(shù)報告[6]中提出的觀點是一致的，目前的顯色指數(shù)CRI不能有效反映包括白光LED在內(nèi)的白光照明光源的顯色性優(yōu)劣。Mike Wood[12]通過在同一場景中使用兩種不同CRI和CQS的白光LED光源照射進行對比，發(fā)現(xiàn)CQS在評價白光LED光源時更精確。因此，在評價白光LED光源時，CQS比CRI具有優(yōu)越性。

圖1　在CCT=3000K下，LED-3和LED-4的相對光譜功率分布Fig.1　Distribution of the relative spectral power of LED-3 and LED-4 (CCT=3000K)

2.2　峰值波長和半高寬對CRI、CQS的影響

考慮組合LED-3的Ra和Qa同時大于80，且光視效能達到396lm/W，是四個組合里的最佳優(yōu)化組合，故本文采用組合LED-3，分別固定三基色LED的峰值波長為464nm、540nm、611nm和半高寬為20nm、30nm、20nm，探討峰值波長、半高寬變化對三基色LED光源的CRI和CQS的影響。

圖2展示了三基色LED峰值波長變化對Ra、Qa數(shù)值的影響，當(dāng)藍、綠、紅三部分的峰值波長增加時，Ra和Qa均呈先增加后減少的趨勢。對于藍光，Qa的變化更加明顯，當(dāng)藍光峰值波長大于470nm時，Qa快速下降，藍光峰值波長每增加5nm，Qa的值下降10～20，可見藍光峰值波長在445～485nm的變化對CQS的影響更加明顯。綠光和紅光的峰值波長變化時，Ra和Qa的變化趨勢及幅度相似，兩個參數(shù)體系的最優(yōu)波長不同，Ra最大時，綠光的峰值波長為550nm，紅光的峰值波長為618nm，Qa最大時，綠光的峰值波長為542nm，紅光的峰值波長為616nm；從圖中還可以看出，Qa大于80時，三基色峰值波長的范圍分別為460～465nm、537～542nm、610～615nm；Ra大于80時，三基色峰值波長的范圍分別為450～480nm、535nm～550nm和605～614nm，Ra大于80時三基色的峰值波長范圍更大；綜合以上分析，Qa比Ra要求更嚴格，尤其是短波部分，要同時獲得較優(yōu)的Qa和Ra，三基色峰值波長的選擇范圍較小，而且要保證優(yōu)化后的三基色峰值波長的漂移較小，一般要小于5nm，才能保障光源的光色品質(zhì)。

圖2　三基色LED峰值波長變化對Ra、Qa數(shù)值的影響變化Fig.2　Effect of peak wavelength variation of LED on Ra and Qa

圖3展示了三基色半高寬和Ra、Qa的關(guān)系，三基色的半高寬變化對Ra的影響較小。隨著藍、紅光半高寬的增加，CRI基本保持不變；隨著綠光半高寬的增大，CRI越來越大，當(dāng)綠光的半高寬為40nm時，Ra達到最大88。可見在三基色白光LED中，為了獲得更高的CRI值，需選取較大半高寬的綠光進行組合。

圖3　三基色半高寬和Ra、Qa的關(guān)系Fig.3　Relationship of FWHM shift and Ra, Qa

從圖3中還可以看出，三基色的半高寬變化對Qa的影響較大。當(dāng)藍、紅光半高寬小于20nm時，隨著半高寬的減少，CQS值越來越小；當(dāng)藍、紅光半高寬大于20nm時，隨著半高寬的增加，CQS值同樣越來越小，但下降較為緩慢。隨著綠光半高寬的增加，CQS呈現(xiàn)先上升后減少的趨勢。結(jié)果表明，藍、綠、紅光的半高寬并非越寬越好，其選取要綜合考慮到三基色光半高寬的最佳平衡。

在不同三基色組合中，當(dāng)Qa>80時，Ra也大于80，而Ra>80時，Qa不一定大于80，可見CQS對三基色半高寬變化的反應(yīng)更為靈敏。

2.3　峰值波長和半高寬對LER、CCT的影響

圖4和圖5分別是三基色峰值波長、半高寬和光視效能、相關(guān)色溫的關(guān)系。由圖4可見，藍光峰值波長的變化對光視效能的影響較小；對于綠光，光視效能隨其峰值波長變大而增大，并在555nm附近達到最大值，這是因為在明視覺條件下,光效視能的最大值對應(yīng)波長為555 nm；當(dāng)紅光峰值波長較低時，光視效能較好。而在圖5中，隨著藍光和紅光的半高寬變大，光視效能近似線性減小，每展寬10nm，光視效能下降約20lm/W；對于綠光，光視效能隨其半高寬變大而增大，并在40nm時趨于平穩(wěn)。綜上分析，要獲得較高的LER和CQS，藍光和紅光的半高寬應(yīng)為20nm～25nm，綠光的半高寬應(yīng)為30nm～35nm。

通過分析圖4和圖5可知，藍光的峰值波長和半高寬的變化對CCT的影響是最小的；綠光的影響次之，CCT隨其峰值波長變大而先增大后減小，并在530nm附近，CCT達到最大，對于綠光的半高寬， CCT隨其半高寬變大而增大；對CCT影響最大的是紅光，CCT隨其峰值波長變大而先減小后增大，并在610nm附近達到最小值，而CCT隨著紅光半高寬減小而增大，增大幅值較大，這是由于紅光對CCT的影響最大，當(dāng)紅光半高寬越來越小時，紅光對光譜的貢獻也越來越弱，導(dǎo)致CCT增大。由于CQS對低色溫光源(<3500K)有一個懲罰因子，CCT的變化對Qa有影響，當(dāng)綠光峰值波長大于535nm和紅光半高寬大于20nm時，CCT都低于3000K并快速下降，導(dǎo)致CQS的減小，所以為保持CQS指數(shù)大于80，要盡量控制三基色峰值波長的漂移和半高寬的展寬。

圖4　三基色峰值波長和K、CCT的關(guān)系Fig.4　Relationship of peak wavelength and K、CCT

圖5　三基色FWHM和K、CCT的關(guān)系Fig.5　Relationship of FWHM and K、CCT

3結(jié)論

在低色溫3000K下，通過調(diào)整三基色峰值波長和相對光功率值優(yōu)化了三基色白光LED的光譜，得到最佳的CQS和LER平衡的組合，峰值波長分別為464、540nm和616nm，半高寬分別為20nm、30nm、20nm時，LER最高達到396lm/W(Ra>80，Qa>80)。并且通過比較分析LED-3和LED-4的顏色表現(xiàn)，表明在評價白光LED光源時，CQS比CRI更有優(yōu)勢，因此，系統(tǒng)研究了峰值波長和半高寬的變化對LER、CQS及CRI的影響。

通過分析CQS、CRI、LER和CCT隨光譜參數(shù)變化的關(guān)系。結(jié)果表明，CCT受紅光的峰值波長和半高寬影響最大；在藍光峰值波長為460～465nm、綠光峰值波長為537～542nm、紅光峰值波長為610～615nm，藍、紅光的半高寬為20～25nm，綠光半

高寬30～35nm的范圍里，CQS和 LER具有較好的表現(xiàn)。由于CQS對于三基色的峰值波長和半高寬的變化很靈敏，一般在最優(yōu)化后的峰值位置向兩邊減小，而CRI受到的影響則沒有CQS大，所以，當(dāng)我們采用CQS來評價一個三基色LED光源時，這就要求三基色光源的穩(wěn)定性要很好，峰值波長漂移應(yīng)小于5nm，對藍、紅光半高寬展寬不能超過25nm，綠光不能超過35nm。本文結(jié)果表明使用LER和CQS來評價白光LED光源更精確和更有優(yōu)勢，對制備三基色白光LED有較好的指導(dǎo)作用。

參考文獻

[1] ZUKAUSKAS A, VAICEKAUSKAS R, IVANAUSKAS F, et al. Optimization of white polychromatic semiconductor lamps[J].Appl.Phys.Lett.,2002,80(2):234-236.

[2] LED Measurement Series. Color Rendering Index and LED.DOE publications PNNL-SA-56891,2008.

[3] WENDY Davis, YOSHI Ohno. Toward an improved color rendering metric[C].SPIE, 2004:59411G-8.

[4] YOSHI Ohno. Color rendering and luminous efficacy of white LED spectra[C]. SPIE, 2004(5530): 88-98.

[5] NAKANO Y, TAHARA H, SUEHARA K, et al. Application of multispectral camera to color rendering simulator[C]. Proc.AIC Colour,2005:1625-1628.

[6] CIE Technical Report 177: 2007.Color rendering of white LED light sources, ISBN 978 3 901 906 57 2.

[7] WENDY Davis, YOSHI Ohno. Color quality scale[J]. Optical Engineering, 2010,49(3):033602-16.

[8] ZUKAUSKAS A, VAICEKAUSKAS R, IVANAUSKAS F, et al. Spectral optimization of phosphor-Convers-ion light-emitting diodes for ultimate color rendering [J].Appl.Phys.Lett.,2008,93(5):051115-1-3.

[9] THORNTON W A. Luminosity and color-rendering capability of white light [J]. J. Opt. Soc. Am.,1971,61(9):1155-1163.

[10] 吳海彬, 王昌鈴, 何素梅, 等. 綠熒光粉的白光LED顯色性研究[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2008 ,28(9): 1777-1782.

[11] 蘇治平, 陳宇, 郭春威, 等. 多基色白光LED的配色研究[J]. 半導(dǎo)體光電, 2013, 6: 013.

[12] 邁克·伍德，姚涵春. 光源顯色性度量標準的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 演藝科技, 2014(9):15-19.

Spectrum Optimization and Color Quality Evaluation

of Tri-color White Light LED

Gu Zhiliang, Xu Yiqin, Chen Zhitao

(GuangdongResearchInstituteofSemiconductorIndustrialTechnology,Guangzhou510650,China)

Abstract：The failure of the current CIE Color Rendering Index (CRI) for light sources (especially LED) has been demonstrated, and the new index CQS (Color Quality Scale) may replace it. In the condition of correlated color temperature of 3000K, through the deployment of tri-color white LED spectral parameters to find the best balance of the LER and CQS. The results showed that with peak wavelength at 464 nm, 540 nm and 611 nm, FWHM at 20 nm, 30 nm and 20nm, we achieve K=396lm/W, Qa=80, which is the best result when Qamore than 80 and it was found that the peak wavelength and the FWHM that had optimized have a great influence on the CQS, to ensure the stability of the LED light source, the peak wavelength shifting and the FWHM broadening of the tri-color white LED should less than 5nm.

Key words:white LED; spectrum optimization; color quality scale(CQS); color rendering index; luminous efficacy of radiation; correlated color temperature

中圖分類號：O432

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.004