高顯色指數LED光譜配比與色度參數的關系

楊宇銘，李 燕，周天亮，鄭懷文，楊 華，伊曉燕，王軍喜，李晉閩

(1.中國科學院半導體研究所，中國科學院半導體照明研發中心，中國科學院大學，北京第三代半導體材料與應用工程技術研發中心，半導體照明聯合創新國家重點實驗室，北京 100083；2.廈門大學材料學院，福建 廈門 361005)

引言

隨著半導體照明技術在照明市場的滲透率逐步提高，在技術上對照明光源的控制能力不斷提升，這也使得人們對照明的的健康屬性愈加關注[1-4]，其中高顯色指數的LED照明光源在教室照明，桌面照明，電視轉播照明等領域有著廣泛的應用，高顯指白光LED的常見技術方案為藍光激發綠光段和紅光段熒光粉，多家制造商也提出了不同的技術方案[5-8]，這也是未來照明光源品質提升的重要方向。一般來說，為了提高LED光源的顯色性一般需要在傳統藍光加黃綠熒光粉的基礎上增加一些不同發射光譜的熒光材料[9,10]，在理論上利用配比不同峰值發射光譜的熒光粉可以實現類似的色溫和顯色指數，這一方面為我們設計和使用更多的約束條件帶來的便利，同時也由于其多樣性為我們開展光生物效應相關的實驗增加了難度。因此，確認當前技術條件下的高顯色指數LED的主要光譜配比對于健康照明研究具有重要的參考價值。

為了簡要地分析上述問題，本文選取了5種典型的藍光二極管和紅/綠/黃綠色熒光粉進行不同配比的白光LED光譜光色特性仿真研究，結合不同的基本光譜比例優化相關色溫和顯色性等指標，對獲得相近色溫和顯色性的比例關系進行研究并考察其光譜形態。

1 仿真設置

研究中使用的藍光LED的發射光譜，峰值波長為455 nm，半高寬為25 nm。熒光材料的發射光譜如圖1所示，其中包括4種典型熒光材料分別為(SrBa)Si2O2N2:Eu、Sr2SiO4:Eu、Intematix GNYAG572、(SrCa)AlSiN3:Eu，計算采用的峰值波長和發射光譜半寬照顧了代表性，依次為495 nm、535 nm、572 nm、630 nm，半寬分別為35 nm、60 nm、120 nm、85 nm。

圖1 仿真實驗用的5種基本光譜Fig.1 Five basic spectra for simulation experiments

2 仿真計算過程

采用以上藍光LED發射光譜、三種綠/黃綠熒光粉發射光譜、一種紅光熒光粉發射光譜共5種光譜為基本光譜功率分布函數，以1/10強度為步長，共有115=161 051種強度分布組合，光譜范圍為390～750 nm，間隔為5 nm。按照式(1)計算合成光譜：

(1)

其中SPDtotal是計算色度參數所用總光譜，ki是每個基本光譜的比例，SPDi是基本光譜，l是波長。通過Matlab計算工具對每一個合成光譜分別計算色度參數，具體包括利用三刺激值計算CIE1931色坐標(x,y)，利用McCamy公式計算相關色溫CCT，參考CIE 015—2018計算一般顯色指數Ra。最終將計算得到的相關色溫、顯色指數及對應的光譜強度比例輸出到結果文件進行統計和分析。

3 結果分析

1)分別在色坐標圖上采用描點法繪制出2 700 K、4 000 K、5 000 K、5 500 K、6 500 K附近100 K范圍的滿足Ra要求的色坐標位置。可以看到不同配比合成光譜的色坐標范圍基本為該色溫附近的帶狀分布，同時顯色指數的提高使得可能的光譜配比向黑體曲線靠近。

對于相關色溫在(2 700±50)K范圍的情況如圖2所示，當顯色指數從 70～75 范圍提高到90～95 范圍，其色坐標所在帶狀區域的兩端也從(0.428 9，0.395 6)與(0.495 6，0.470 6)區間縮小到(0.451 8，0.399 7)與(0.471 5，0.425 0)區間。在這一色溫條件下沒有光譜配比能夠使Ra達到 95 以上，在這個色溫條件下Ra在 90 以上的配比其色坐標沒有跨越黑體曲線，這表明在實際工藝中該色溫得到Ra達到 90 以上的光譜配比存在困難。

圖2 相關色溫2 700 K±50 K時，滿足一般顯色性要求的配比在色坐標圖上的位置分布Fig.2 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 2 700 K±50 K

對于相關色溫在 4 000 K+50 K 范圍的情況如圖 3 所示，當顯色指數從 70～75 范圍提高到90～95 范圍，其色坐標所在帶狀區域的兩端也從(0.362 9，0.314 8)與(0.403 0，0.451 4)區間縮小到(0.374 9，0.359 5)與(0.388 6，0.400 0)區間。在這一色溫條件下Ra在 90～95 范圍內不同配比的色坐標跨越黑體曲線，這表明在實際工藝中對該配比進行實驗優化可能使其滿足色溫和顯色指數要求，而滿足Ra大于 95 要求的配比雖然仍有一定的數量，但是其與黑體曲線有一定的偏離，限制了其實際的應用。

對于相關色溫在 5 000 K+50 K 范圍的情況如圖 4 所示，當顯色指數從 70～75 范圍提高到90～95 范圍時，其色坐標所在帶狀區域的兩端也從(0.3397，0.2964)與(0.3538，0.4326)區間縮小到(0.3431，0.3415)與(0.3490，0.3793)區間。顯色指數的提高同樣使得可能的光譜配比減少并整體上向黑體曲線靠近，而滿足Ra大于95要求的配比雖然有一定的數量，但是整體仍然存在與黑體曲線的少量偏離，在實際應用中需要進一步進行優化實驗。

對于相關色溫在 5 500 K+50 K 范圍的情況如圖 5 所示，同樣的當顯色指數從 70～75 范圍提高到 90～95 范圍時，其色坐標所在帶狀區域的兩端也從(0.3318，0.3042)與(0.3335，0.4309)區間縮小到(0.3314，0.3509)與(0.3337，0.3656)區間。同時其滿足Ra大于 95要求的配比對應的色度坐標整體仍然存在與黑體曲線的少量偏離，在實際應用中需要進一步細化的優化實驗。

對于相關色溫 6 500 K 的情況如圖 6 所示，當顯色指數從 70～75 范圍提高到 90～95 范圍時，其色坐標所在帶狀區域的兩端也從(0.301 6，0.401 3)與(0.319 9，0.280 3)區間縮小到(0.310 6，0.340 3)與(0.313 2，0.322 7)區間。和 2 700 K 的情況類似，在這個色溫條件下也沒有Ra大于 95 的光譜配比，同時在這個色溫條件下Ra在 90 以上的配比其對應色坐標沒有跨越黑體曲線，表明在實際工藝中該色溫得到Ra達到 90 以上的光譜配比存在一定困難。

圖3 相關色溫4 000 K±50 K時，滿足一般顯色性要求的配比在色坐標圖上的位置分布Fig.3 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 4 000 K±50 K

圖4 相關色溫5 000 K±50 K時，滿足一般顯色性要求的配比在色坐標圖上的位置分布Fig.4 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 5 000 K±50 K

圖5 相關色溫5 500 K±50 K時，滿足一般顯色性要求的配比在色坐標圖上的位置分布Fig.5 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 5 500 K±50 K

圖6 相關色溫6 500 K±50 K時，滿足一般顯色性要求的配比在色坐標圖上的位置分布Fig.6 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 6 500 K±50 K

2)統計以上計算得到的數據，不同色溫下和一般顯色指數所對應的配比數量關系如圖 7 所示，其中相關色溫限制了光譜配比的最大數量，在同一組相關色溫范圍內，顯色指數的提高可以大幅度的限制光譜配比的可能性，如在顯色指數大于 95 的條件下，2 700 K和6 500 K 沒有適當的配比，4 000 K 有 11 個組合，5 000 K 有 8 個組合，5 500 K 有4個組合。當然，圖7所示的高顯色指數配比并不能滿足全部色度指標要求，但這一結果說明了在一定的基本光譜條件下，更高的顯色指數要求會顯著地限制可能選取的光譜配比。但是在顯色指數從低到高增加的過程中，相關色溫 2 700 K 的情況存在一定特殊性，其光譜配比數量先增加后減少，這說明本文所選基本光譜在這一色溫段更易于實現較高的顯色指數。

圖7 不同相關色溫、顯色指數與光譜配比數量的關系Fig.7 Relationship between correlated color temperature, color rendering index and the counts of spectral ratios

3)在全部計算結果中篩選出一般顯色指數大于 60 的 104 810 個配比并在色坐標圖上繪制出其配比數量與色坐標的關系(如圖8所示)，其中相近的色坐標對應的光譜配比數量在(0.36，0.46)左右達到峰值，在色度圖上(0.01×0.01)的面積內有近1 200 個配比，該配比密度在峰值周邊較快的下降，這一趨勢與2)中的描述基本相當。

圖8 顯色指數大于60的光譜配比在色坐標(x,y)上的數量分布圖Fig.8 Distribution of the counts of spectral ratios on color coordinates (x, y) with the color rendering index greater than 60

4 結論

我們對提高 LED 光源的顯色性所需要的的熒光粉成分及其強度配比進行了仿真研究，在不考慮不同熒光粉之間再吸收的條件下，采用典型的藍光 LED、3 種不同峰值波長的綠色/黃綠色熒光材料與典型紅色熒光材料進行 5 種基本光譜的 115(161 051)種組合的分析，對每種組合的色度學參數包括色坐標、相關色溫、顯色指數等進行了仿真計算，并對相近色溫下的技術方案和顯色性的關系進行了統計和分析。結果表明，在一個特定基本光譜組合方案下，更高的顯色指數可以更好的約束光譜組合所能采用的配比，色度圖上的配比數量密度與基本光譜相關。該結果一方面為我們設計和開發高顯色指數 LED 提供了指導，另一方面也為我們在健康光源研究中引入其他約束條件具有一定的參考價值。