多基色全光譜白光LED混光研究

吳一新 杜罡 李曉艷

摘 要：為了實現高顯色指數，色溫可調的全光譜白光LED，對多基色全光譜白光LED混光技術進行研究，基于Ohno單色光模型和光的疊加原理，通過改變多種LED芯片的組合方式（峰值波長、相對光功率配比），對不同色溫區的混合白光的顯色指數（Ra）進行了仿真計算和光譜優化選擇。結果表明：在2700～6000K色溫范圍內，可以獲得Ra大于88的白光。

關鍵詞：白光LED；混光；顯色指數

中圖分類號：TM923.34 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0024-02

Abstract： In order to realize full spectrum white LED with high color rendering index （Ra） and adjustable color temperature， the mixing technology of multi-primary color full-spectrum white LED is studied based on the Ohno monochromatic light model and the superposition principle of light. By changing the combination of various LED chips （peak wavelength， and relative light power ratio）， the color rendering index （Ra） of mixed white light in different color temperature regions was simulated and optimized. The results showed that the white light with Ra greater than 88 could be obtained in the range of 2700～6000 K.

Keywords： white LED； mixed light； color rendering index （Ra）

引言

隨著LED照明的發展，人們對它的質量、品質、服務等照明總體性能的要求全面提升。體現在光譜上，不是僅需單純的白光而是需要具有各種光色且更接近太陽光的人造光源。為人類提供更高光色品質、更舒適健康的照明環境才是照明技術發展的主流趨勢。全光譜照明概念提出后，人們一直在致力于開發高效的全光譜白光LED。目前，業內實現高顯色指數白光LED的一種方式是通過改變熒光粉材質，增加紅光激發的紅粉。這種方法雖然提高了顯色性，但紅粉受激發光譜及溫度的影響很大，在產品使用過程中散發的熱量使得LED白光的紅白光譜特性發生改變，降低了光效。另外一種實現高顯色指數白光LED的方式是多基色LED混光，多基色LED沒有因熒光粉轉化而損失能量，更有可能解決高光效及高顯色性的難題。

1 評價方法

1.1 顯色性

光源的顯色性越好，說明對顏色的體現能力越強，所看到的顏色越接近物體的自然原色。光源的顯色性也受到光源光譜功率分布的影響，因為顯色指數值由光源色坐標決定，光源的色坐標由光源的光譜組成決定。評價和計算光源的顯色性時需要采用14種樣品色。其中1-8號的樣品色來自孟塞爾色標，是用于計算一般顯色指數Ra。9-14號的樣品色用于計算特殊顏色顯色指數Ri。顯色指數的計算公式為：

1.2 色溫

色溫是在照明中用于定義光源顏色的一個物理量，是常用來衡量光源質量的標準。對色溫的計算用到的公式如下：

2 光譜理論模型

一般所說的白光是指太陽光，其光譜包含了從380-780nm范圍的連續光譜。LED只能發出單一的色光，為了得到可以發白光的LED光源，必須要通過混合兩種或者兩種以上色光得到。為了能夠有效的模擬LED光源的光譜，Ohno提出的數學模型經過實驗驗證發現模擬出的光譜與單芯片LED的實際發光光譜十分吻合。模型的表達式為：

3 仿真分析

3.1 藍光激發黃色熒光粉+紅光LED混光得到白光LED

傳統的藍光芯片激發YAG熒光粉的白光實現方式，即使不斷改變各混光比，得到的顯色指數的值都不是很好。如表1所示。

存在這個問題的原因是因為藍光激發黃色熒光粉得到的光譜的寬度有限，在得到的混合白光的光譜中缺少紅光成分，所以得到的顯色指數不是很高。在藍光芯片YAG熒光粉轉換的白光LED中加入紅光，顯色指數得到明顯改善，如表2所示。

3.2 三基色LED芯片混合白光

將紅色、綠色、藍色三個單色LED芯片組合封裝在一起，三色光混合在一起，得到白光LED光源。確定三色的峰值波長、半波寬度，然后改變三色的混合比，得到不同混合比時，計算分析白光光源的色溫和顯色指數。表3給出三色LED的波長和半波寬度，表4為色溫在2700k到6000K變化時，獲得大于85顯色指數時三色混光的比例。圖1為色溫為4000K，顯色指數為88時三色合成白光的光譜圖。

3.3 四基色LED芯片混光

在進行四色芯片組合得到白光LED時，通過控制不同的混光比，獲得顯色指數大于88的白光。

4 結束語

本文對多基色白光LED的色溫可調和顯色特性進行分析，建立仿真模型對混合白光的色溫，顯色指數進行分析，獲得多基色混光的全光譜白光LED最佳混光比例。仿真結果表明，在色溫2700～6000K時，通過合理的選擇峰值波長、半波寬度，控制混光比例，可以獲得顯色指數大于88優質白光。

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