基于高顯色指數(shù)白光LED的混色研究

黃　婷，郭震寧,，林介本

(1.華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門　361021；2.福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門　361021)

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基于高顯色指數(shù)白光LED的混色研究

黃婷1，郭震寧1,2，林介本2

(1.華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門361021；2.福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門361021)

采用基于低色溫高顯色性白光LED(Light Emitting Diode)的混色方法，通過實驗到理論計算研究了不同色溫白光LED混色后色溫TC、顯色指數(shù)Ra以及藍光危害輻射值的變化。進一步研究了不同電流下顯色指數(shù)及其藍光危害的變化情況。采用低色溫(2 200 K、2 700 K、4 000 K)三種白光LED樣品進行并聯(lián)混色，通過控制正向電流來觀察和記錄顯色指數(shù)變化及其調(diào)光效果，再通過MATLAB計算出所產(chǎn)生的藍光危害光輻射值的變化情況。實驗結(jié)果表明：選取Ra1>94,Ra2>95，Ra3>93，兩兩混合，可得到Ra12、13、23>95，且隨電流變化，藍光危害輻值較小的，高顯色指數(shù)、且同時滿足健康照明需求的優(yōu)質(zhì)白光。

白光LED；顯色指數(shù)；藍光危害；健康照明

引言

目前提高白光LED顯色指數(shù)的方法通常有：①多芯片加熒光粉：增加紅色熒光粉，激發(fā)紅色熒光粉改善LED的顯色指數(shù)，成本低，缺點是降低LED亮度[3]。②采用不同顏色LED組合，提高光源的顯色性，成本高，電路復雜程度高[4]。

現(xiàn)有研究證明，435nm～440nm的藍光對眼睛的危害效應最大[6],而LED光源中，光譜能量的峰值正好處于藍光波段[7]。Dirk Norren等人的大鼠實驗表明，藍光危害有可能引起感光細胞的損傷[9]。

因此，研究同時滿足高顯色指數(shù)且低藍光危害的LED光源是非常有意義的。本文基于不同色溫白光LED的混色方法，在混色理論、顯色指數(shù)理論以及藍光輻照度理論基礎(chǔ)上，采用不同顯色指數(shù)的低色溫白光LED進行混色，通過電流調(diào)節(jié)，實現(xiàn)較好顯色性及較低藍光危害的白光LED。

1　理論研究

1.1LED光譜數(shù)學模型

沈海平[17]等人研究了一種新型的數(shù)學模型來表示白光LED的相對光譜功率分布：

(1)

式中，S(λ)表示LED的相對光譜功率分布；λ0表示峰值波長；Δλ表示光譜半高。

劉康[16]等人用兩種不同色溫(Tc1和Tc2)的白光LED進行混合，將分別擬合出的兩種光源的相對光譜功率分布轉(zhuǎn)換成絕對光譜功率分布后進行疊加，然后將疊加后的數(shù)值歸一化得出混合后光源的相對光譜功率分布P(λ)，再根據(jù)

(2)

計算得出白光的色坐標值x,y，再根據(jù)

(3)

求出混色后白光的色溫T。

1.2顯色指數(shù)的計算

CIE規(guī)定用完全輻射體或照明體D作為參照光源，并將其顯色指數(shù)定為100。還規(guī)定了若干測試用的標準顏色樣品。根據(jù)在參照光源和待測光源照明下，上述標準樣品形成的色差來評定待測光源顯色性的好壞。光源對某一種標準樣品的顯色指數(shù)稱為特殊顯色指數(shù)Ri[12]：

Ri=100-4.6ΔEi

(4)

式中ΔEi為在參照光源和待測光源照明下樣品的色差。

光源對特定的8個標準顏色樣品的平均顯色指數(shù)稱為一般顯色指數(shù)Ra：

(5)

1.3藍光危害的計算

國內(nèi)目前主要參考IEC62471《Photo biological safety of lamps and lamp systems》和GB/T 20145—2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》兩個標準，其對藍光對視網(wǎng)膜危害的閾值進行了規(guī)定，即[13]

(6)

式中Lλ(λ,t)為光譜幅亮度，單位W·m-2·sr-1·nm-1;B(λ)為視網(wǎng)膜藍光危害加權(quán)函數(shù);Δλ為波長帶寬，單位nm;t為輻照時間，單位s。

2　實驗研究

我們選擇Lumileds公司的低色溫2 200 K,2 700 K,4 000 K三種白光LED樣品進行混合調(diào)色，研究混色后白光LED的光譜、色溫、顯色指數(shù)和藍光危害，以及隨電流變化所產(chǎn)生的調(diào)光效果和藍光危害值的變化。再此我們選用并聯(lián)調(diào)試方法保證各個燈珠的電壓相同，而電流處于可調(diào)狀態(tài)。在初始狀態(tài)，由于燈珠的阻抗差別小于我們研究的精確度，我們認為此方法能夠保證混色中流過兩個燈珠的電流是相同的。在室溫下，調(diào)節(jié)正向電流IF,令I(lǐng)F的電流從20 mA～240 mA變化，記錄S12，S13，S23白光光譜、色溫、顯色指數(shù)及其所產(chǎn)生的視網(wǎng)膜藍光輻射危害值的變化規(guī)律。

選取顯色指數(shù)為Ra1>94,Ra2>95為LB1=1.1355,LB2=1.7573混合后，可實現(xiàn)顯色指數(shù)為Ra12>95，額定電流下，色溫TC12=2 480 K且藍光危害輻值為LB12=1.3545的白光S12；選取Ra1>94,Ra3>93，額定電流下藍光危害輻值為LB1=1.1355,LB3=4.9856混合后，可實現(xiàn)顯色指數(shù)為Ra12>95，額定電流下，色溫TC13=3 030 K且藍光危害輻值為LB13=2.9061的白光S13；選取Ra2>95,Ra3>93，額定電流下藍光危害輻值為LB2=1.7573,LB3=4.9856混合后，可實現(xiàn)顯色指數(shù)為Ra23>95，額定電流下，色溫TC23=3 400 K且藍光危害輻值為LB23=3.8075的白光S23。

本實驗的實驗裝置是杭州遠方光電信息股份有限公司的LED光色電綜合測試系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)控高精度恒流電源給待測LED供電，積分球和光譜計能夠快速測量待測LED的光通量和光譜分布，通過電腦處理，可以得到待測LED的色坐標，恒溫夾具給LED提供穩(wěn)定的基底溫度。

圖1　光色電綜合分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　System structure diagram of light color electricity comprehensive analysis

2.1混合光譜特性

白光LED樣品，其色溫分別為2 200 K,2 700 K,4 000 K，從中隨機抽取樣品分別記為：S1,S2,S3,混合后的記為S12，S13，S23，他們的光色電參數(shù)采用杭州遠方沅電信息有限公司的光電綜合分析系統(tǒng)測試記錄。測試結(jié)果如圖2(a)(b)(c)所示。

圖2　不同樣品額定電流下的絕對光譜圖Fig.2　Different Sample absolute spectrum chart under rating current

從圖2中可看出，混合后光源的光譜功率曲線，是所取樣品光源光譜功率曲線的線性疊加。圖2(b)混合光源的光譜S13相較于所取3號樣品光譜S3，出現(xiàn)了光譜右移，這樣可以減少藍光成分，結(jié)果表明，通過LED白光混合的方法，可以減少LED光源的藍光部分對視網(wǎng)膜造成的損害。

2.2光譜特性隨電流變化情況

圖3(a)(b)(c)所示為混合光源隨電流IF分別從20 mA～240 mA(電流調(diào)節(jié)的間隔取10 mA)的相對光譜圖。

圖3　混合光源隨電流變化的相對光譜圖Fig.3　Mixed light source relative spectrum chart of different current

2.3顯色指數(shù)Ra變化情況

圖4(a)(b)(c)分別是IS1,IS2,IS3=10 mA～120 mA,IS12，IS13，IS23=20 mA～240 mA，每隔10 mA取樣，顯色指數(shù)的變化情況。從圖4中可以看出，混合光源的顯色指數(shù)相比于取的樣品的顯色指數(shù)有了明顯的提高，且隨電流的變化，混合光源的顯色指數(shù)，隨著電流的增大不程線性減小的趨勢，混合光源A，顯色指數(shù)94.8≤Ra12≤96.4，混合光源B，顯色指數(shù)94.8≤Ra13≤96.3，混合光源C，顯色指數(shù)94.7≤Ra23≤95.9，顯色指數(shù)相對穩(wěn)定，且都保持在95以上。

圖4　不同樣品及混合光源的顯色指數(shù)變化情況Fig.4　The CRI (color rendering index) changes of different samples and mlxing light source

2.4藍光危害值LB隨電流變化情況

標準IEC62471:2006規(guī)定：對于邊角小于0.011弧度的小型光源，有一個基于光譜輻照度而不是基于光譜輻亮度的簡單方程。眼睛的光譜輻照度EB與藍光危害函數(shù)B(λ)加權(quán)積分:

100(J·m-2)(t≤100 s)

(7)

式中：Eλ(λ,t)——光譜幅照度，單位W·m-2·sr-1·nm-1;B(λ)——視網(wǎng)膜藍光危害加權(quán)函數(shù);Δλ——波長帶寬，單位nm;t——輻照時間，單位s。

式中，Eλ(λ,t)是光譜幅照度，B(λ)為視網(wǎng)膜藍光危害加權(quán)函數(shù)，標準給出。為了計算方便，選取1個LED樣品光源為參考對象，忽略待測光源在測量時間內(nèi)光譜的變化，則其他待測光源的相對藍光加權(quán)幅照度為[14-15]

(8)

S(λ，t)為待測LED的光譜，S1(λ，t)為參考LED光譜，將所測得的不同電流下的不同光譜數(shù)據(jù)代入公式，可得到相應的EB隨電流的變化規(guī)律。

通過測得的光譜數(shù)據(jù)，代入公式，用MATLAB編寫算法程序，計算得出選取的各樣品LED以及混合后光源所產(chǎn)生的藍光危害幅照度。圖5(a)(b)(c)為各樣品光源以及混合光源藍光危害值隨電流的變化情況。

圖5　不同樣品及混合光源的藍光危害變化情況Fig.5　The blue light hazard changes of different samples and mixing light source

從圖中可以看出：①通過白光混合后的LED光源，所產(chǎn)生的藍光危害幅照度相校于其中色溫校高的樣品所產(chǎn)生的藍光危害幅照度有明顯的降低，從色溫較高的樣品LED的光譜圖看來，藍色比明顯高于低色溫LED，因此混合后，光譜進行線性疊加，降低了藍色比，從而降低混合光源所產(chǎn)生的視網(wǎng)膜藍光危害。②圖5(a)(b)(c)可以看出色溫越高，藍光危害幅照度越大，且隨電流的增大而增大；色溫越低，所產(chǎn)生的藍光危害幅照度越低，且受電流影響較小；而混合光源的藍光危害幅照度，隨電流變化幅度不大。

3　結(jié)論

通過不同色溫白光LED混合后色溫、顯色指數(shù)以及藍光危害輻射值的變化。測試不同電流下顯色指數(shù)及其藍光危害的變化情況。采用低色溫(2 200 K、2 700 K、4 000 K)三種白光LED樣品進行混合，得出混合光源的顯色指數(shù)相比于取的樣品的顯色指數(shù)有了明顯的提高，且隨電流的變化，混合光源的顯色指數(shù)呈相對穩(wěn)定狀態(tài)。測出相應的光譜數(shù)據(jù)，再通過MATLAB計算出所產(chǎn)生的藍光危害光輻射值的變化情況。選取，兩兩混合，可得到且藍光危害幅照度較小，顯色指數(shù)、且同時滿足健康照明需求的優(yōu)質(zhì)白光。

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Health Lighting Research Based on Mixing White LEDs of High Color Rendering Index

HUANG Ting1,GUO Zhenning1,2,LIN Jjieben2

(1.Institute of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen361021,China;2.FujianProvincialKeyLaboratoryofLightPropagationandtransformation,Xiamen361021,China)

The color temperature(TC),color rendering index(Ra) and blue light hazard(LB) were analyzed by experiments and theories after mixing low color temperature and high color index white LEDs with different color temperatures.We have further researched the change of blue light hazard(LB) under the condition of different current.We adopt the method of mixing three different low color temperature(2 200 K,2 700 K,4 000 K) white LEDs,in the same time,we observed and recorded the change of the color rendering index and the lighting effect.Than we could calculate the changes of blue light hazard(LB) through writing a MATLAB program.The results of experiment and simulation show that,we can obtain the high quality white LEDs of high color Rendering Index(Ra12、13、23>95) and low-blue light hazard.It also can meet the demand of healthy lighting.

white LEDs;color rendering index;blue light hazard;healthy lighting

福建省科技計劃引導性重點項目(2016H0022)；光傳輸與變換福建省重點實驗室開放基金；泉州市科技計劃(2015TZ31)；華僑大學研究生科研創(chuàng)新能力培育計劃(1400401014)資助項目

郭震寧，E-mail: znguo@hqu.edu.cn

O432.3

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.019