全光譜白光LED的混色研究

劉 康，王加賢，湯夢(mèng)饒，蘇倩倩

(廈門(mén)工學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

引言

實(shí)現(xiàn)白光LED的方法有很多種，目前使用最為普遍最為成熟的一種是采用藍(lán)光芯片上涂覆黃色熒光粉，使藍(lán)光和黃光混合成白光[1]。這種方法直接導(dǎo)致光效不高、顯色指數(shù)低、色溫空間分布不均勻等現(xiàn)象。而白光LED作為人造光源應(yīng)用于照明市場(chǎng)，對(duì)于光源的的品質(zhì)是有一定要求的，尤其是對(duì)于其色溫和顯色指數(shù)[2]。

隨著LED光源技術(shù)的不斷發(fā)展，人們提出了多種LED混色方案來(lái)達(dá)到色溫可調(diào)和高顯色指數(shù)[3-5]：白光+單色LED、白光+暖白光LED和多基色LED等。盡管不少人提出并采用不同色溫白光混色的方案，但是對(duì)于出光的光譜連續(xù)性并沒(méi)有要求,而作為照明用的LED發(fā)光光譜越接近太陽(yáng)光就越容易被人眼所接受[6]。太陽(yáng)光的光譜可以稱(chēng)作為全光譜，指的是光譜中包含紫外光、可見(jiàn)光和紅外光的連續(xù)光譜曲線(xiàn)，波峰和波谷沒(méi)有明顯比例失調(diào)，顯色指數(shù)Ra接近100[7]。

因此，要研究同時(shí)滿(mǎn)足與太陽(yáng)光譜分布相近、色溫可調(diào)且高顯色指數(shù)的白光LED的實(shí)現(xiàn)方法有著十分重要的意義[8]。目前市場(chǎng)上全光譜白光LED能夠做到在可見(jiàn)光范圍內(nèi)光譜連續(xù)，接近太陽(yáng)光光譜。本文基于這類(lèi)全光譜白光LED的混色方法，在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試上，采用三種不同色溫段的全光譜白光LED進(jìn)行混色，通過(guò)電流調(diào)節(jié)和不同組合方式，實(shí)現(xiàn)了高光效、色溫在3 000～5 000 K范圍內(nèi)可調(diào)，顯色指數(shù)高達(dá)92～97的白光LED。

1 理論基礎(chǔ)

本文通過(guò)matlab編程對(duì)白光LED相對(duì)功率光譜分布曲線(xiàn)進(jìn)行光譜擬合[9]，擬合函數(shù)S(λ)為

S(λ) =

(1)

其中λp為峰值波長(zhǎng)，Δλ為半波寬。

圖1為實(shí)驗(yàn)測(cè)得5 000 K全光譜白光LED的相對(duì)光譜與上述白光LED模型的比較，圖形基本保持一致。

圖1 5 000 K時(shí)實(shí)驗(yàn)與理論的光譜對(duì)比圖 Fig.1 The spectral contrast figure of experiment and theory at 5 000 K

再根據(jù)式(2)[10]

(2)

計(jì)算出白光的色坐標(biāo)值x，y。利用(McCamy，1992)公式[11]求出相關(guān)色溫Tc。式中n=(x-0.3320)/(y-0.1858)。

Tc=-437n3+3601n2-6861n+5514.31

(3)

光源的顯色指數(shù)是待評(píng)價(jià)光源下的顏色與參照光源下物體顏色相符程序的度量。設(shè)定參照光源的顯色指數(shù)為100。評(píng)價(jià)時(shí)采用一套15種試驗(yàn)顏色樣品，其中1～8用于光源一般顯色指數(shù)(8個(gè)數(shù)平均值)，各試驗(yàn)色樣的數(shù)值稱(chēng)之為特殊顯色指數(shù)[12]。我們平時(shí)說(shuō)的“顯色指數(shù)”，即是一般顯色指數(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)。若某個(gè)試驗(yàn)色樣在等評(píng)光源與參照光源照明下有顏色差ΔEi，那么特殊顯色指數(shù)Ri，由以下公式確定：

Ri=100-4.6ΔEi

(4)

而我們照明測(cè)試常用的一般顯色指數(shù)Ra為

(5)

2 實(shí)驗(yàn)研究與理論計(jì)算

2.1 混色前性能測(cè)試與參數(shù)分析

實(shí)驗(yàn)采用相同基板、InGaN基藍(lán)光芯片(峰值波長(zhǎng)456 nm，半波寬為28 nm)、膠水和不同熒光粉配比制備不同色溫段高亮度貼片3 528型白光LED樣品，選取色溫段分別為：3 000、4 000 K和5 000 K，從中隨機(jī)抽取樣品，分別記為樣品1、樣品2和樣品3。采用遠(yuǎn)方LED自動(dòng)溫控光電分析測(cè)量系統(tǒng)和積分球測(cè)試得到在不同工作電流下(30～150 mA)，各樣品的光色電參數(shù)如表1、表2、表3所示，相對(duì)功率光譜分布如圖2～圖4所示。表1～表3數(shù)據(jù)顯示在不同工作電流下各單顆白光LED樣品顯色指數(shù)高達(dá)92以上，光效大于80 lm/W。圖2～圖4的各單顆白光LED隨電流變化的相對(duì)功率光譜圖可以看出彌補(bǔ)了普通LED的光譜中短波藍(lán)綠光、長(zhǎng)波紅光部分的不足，使得整體光譜連續(xù)性大大增加，從而接近于太陽(yáng)光全光譜。且隨著電流的變化，光譜的形狀沒(méi)有發(fā)生突變。

表1 不同電流下樣品1實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)Table 1 The experimental parameters of sample 1 at different current

表2 不同電流下樣品2實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)Table 2 The experimental parameters of sample 2 at different current

表3 不同電流下樣品3實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)Table 3 The experimental parameters of sample 3 at different current

圖2 樣品1的相對(duì)功率光譜分布圖Fig.2 The relative power spectrum distribution of sample 1

圖3 樣品2的相對(duì)功率光譜分布圖Fig.3 The relative power spectrum distribution of sample 2

圖4 樣品3的相對(duì)功率光譜分布圖Fig.4 The relative power spectrum distribution of sample 3

表中改變正向工作電流(30～150 mA)，測(cè)試得到的單顆白光LED色溫、顯色指數(shù)和光效隨電流的變化，可以明顯看出色溫隨電流幾乎沒(méi)有發(fā)生改變，而顯色指數(shù)隨電流變化波動(dòng)數(shù)值在2以?xún)?nèi)，也可以認(rèn)為不隨電流變化，說(shuō)明白光LED的相對(duì)功率光譜圖隨電流的變化幾乎沒(méi)有改變，色品坐標(biāo)沒(méi)有發(fā)生漂移，這也是全光譜LED的一個(gè)明顯的特點(diǎn)。光效隨電流增大都有明顯地下降，但光效值都保證在80 lm/W以上。

2.2 混色后理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量

將上述三種樣品進(jìn)行不同組合，樣品1和樣品2數(shù)量比分別為1∶1，2∶1和1∶2，樣品2和樣品3、樣品1和樣品3數(shù)量比同以上比例，樣品1、樣品2和樣品3數(shù)量比為1∶1∶1。同時(shí)將正向電流也進(jìn)行改變(30～150 mA)，根據(jù)表1～表3的數(shù)據(jù)和圖2～圖4的相對(duì)功率光譜圖，通過(guò)理論計(jì)算得到混色后色溫可調(diào)范圍(3 000～5 000 K)內(nèi)白光的顯色指數(shù)和色溫如表4所示，所對(duì)應(yīng)的相對(duì)功率光譜圖如圖5所示。在同一組合模式下，電流的改變對(duì)色參數(shù)幾乎沒(méi)有影響。

表4 混色后理論計(jì)算參數(shù)Table 4 The parameters of theoretical calculation after color mixing

圖5 3 000～5 000 K白光相對(duì)功率光譜分布圖Fig.5 The relative power spectrum distribution of white LED at 3 000～5 000 K

實(shí)驗(yàn)仍采用遠(yuǎn)方LED自動(dòng)溫控光電分析測(cè)量系統(tǒng)和積分球測(cè)量混色后效果，對(duì)應(yīng)表4理論計(jì)算時(shí)選取的工作模式得到相應(yīng)的可調(diào)色溫范圍內(nèi)白光光色參數(shù)如表5所示，相對(duì)光譜功率圖如圖6所示。

表5 混色后實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)Table 5 The parameters of experimental measurement after color mixing

圖6 3 000～5 000 K白光相對(duì)功率光譜分布圖Fig.6 The relative power spectrum distribution of white LED at 3 000～5 000 K

由表5可知，通過(guò)不同組合方式和電流的變化，色溫在3 000～5 000 K范圍內(nèi)變化，且在這色溫范圍期間，顯色指數(shù)Ra在92以上，最高可達(dá)97。在3 000 K左右色溫時(shí)，混合光中暖光的比重比較大，從單顆燈的測(cè)試結(jié)果看暖白光LED(樣品1)的顯色指數(shù)最高，所以混色的白光顯色指數(shù)接近樣品1。同理，在4 000 K和5 000 K色溫區(qū)域，混合光得到的顯色指數(shù)都與同色溫下單顆白光LED的顯色指數(shù)靠近。同單顆白光LED樣品測(cè)試一樣，電流的改變對(duì)色參數(shù)幾乎沒(méi)有影響。從光效來(lái)看，可調(diào)色溫的白光光效都可達(dá)100 lm/W，這與所選的白光LED自身的光效有關(guān)。由此可看出全光譜白光LED能夠達(dá)到高顯色指數(shù)同時(shí)滿(mǎn)足高光效，而不會(huì)與普通LED一樣出現(xiàn)高顯色指數(shù)低光效的情況而造成混合后白光光效的大幅度降低。

因色溫值直接影響到顯色指數(shù)的理論計(jì)算，在對(duì)應(yīng)同一工作模式下通過(guò)matlab編程理論計(jì)算的色溫值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差小于0.02，如圖7所示。最后看顯色指數(shù)的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比曲線(xiàn)圖，如圖8所示。顯色指數(shù)的誤差值很小，在±2以?xún)?nèi)，表明混色后光源的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與理論計(jì)算是吻合的。

圖7 混色后色溫理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比Fig.7 The color temperature with theory and experiment after color mixing

圖8 混色后顯色指數(shù)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比Fig.8 The color rendering index with theory and experiment after color mixing

3 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了高光效高顯色指數(shù)的LED混光技術(shù)，采用不同色溫段的全光譜白光LED組合，獲得了高顯色指數(shù)且高光效的白光。通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了不同色溫的全光譜白光LED混色前后光效、色溫Tc及顯色指數(shù)Ra的變化。實(shí)驗(yàn)采用3 000、4 000 K和5 000 K三種全光譜白光LED樣品進(jìn)行混色，選取的這類(lèi)全光譜白光LED，顯色指數(shù)達(dá)92以上，最高可達(dá)98，光效最高可達(dá)150 lm/W，電流的改變對(duì)單顆白光LED的色度學(xué)參數(shù)影響不大。混色過(guò)程通過(guò)控制工作電流和不同組合方式實(shí)現(xiàn)色溫可以在3 000～5 000 K可調(diào)，顯色指數(shù)Ra可以達(dá)到92～97，光效100 lm/W以上。且色溫、顯色指數(shù)等色度學(xué)參數(shù)的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值保持一致。