LED峰值波長對多光譜組合白光色參數的影響

楊 華，楊宇銘，李 燕，鄭懷文，伊曉燕，王軍喜，李晉閩

(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)

引言

隨著通用照明逐步完成LED器件的替代，照明也逐步向進一步發揮半導體器件可控優勢的功能性照明乃至超越照明快速發展[1,2]。其中面向健康照明、光環境控制的應用一般都要用到多光譜器件，而LED的多光譜應用必須解決發射光譜的可控性。特別是LED器件正在進一步向大電流、高亮度、高密度的方向發展，對于器件和器件模組光譜的可控性研究已經開始逐漸引起人們的重視[3-5]。采用多光譜混合的方法制備可調光譜的照明光源是健康照明中的主要技術路線之一，但現有技術方案無論是采用單色芯片還是熒光材料都面臨光參數分類的范圍，以及光源顏色與驅動其工作的電學參數之間存在非線性關聯關系等問題[6,7]。早期的紅綠藍三基色技術路線一直沒有成為照明市場的主流，一方面是由于成本和發光效率問題，另一方面也是由于在色度學控制方面存在需要解決的問題，這也導致相關的技術積累仍然難以支持該技術路線的廣泛使用。

作為解決上述問題的初步工作，本文針對6種單色光LED進行了仿真混光實驗研究，結合單色光LED的特性分析以及色度學理論，對與照明用多光譜LED的組合方式進行了研究，給出了用于照明的多光譜LED組合的原則和方案。

1 元器件特性

本文使用的6種LED采用實際LED的光譜，其歸一化的光譜分布函數如圖1所示，峰值波長分別為454 nm、480 nm、507 nm、528 nm、590 nm、631 nm，半高寬度分別為18 nm、30 nm、28 nm、36 nm、16 nm、18 nm。在額定電流下的色坐標(x,y)分別為(0.1482,0.03199)、(0.1043,0.1799)、(0.0924,0.6424)、(0.2197,0.7194)、(0.5614,0.4374)、(0.6942,0.3062)。

圖1 6種LED的歸一化發射光譜

2 光譜組合的仿真分析

考慮不同光譜的LED進行組合所得到的光譜，如圖2所示，采用全局搜索方法確定了典型色溫為2 700 K和5 500 K的兩種光譜組合，并對這些參數組合附近的波長差異導致的色度學穩定性進行評估。

圖2 6種單色LED組合而成的5 500 K和2 700 K典型白光光譜

考慮相關色溫5 500 K附近各單色LED峰值波長的變化對相關色溫的影響情況如圖3所示(其中橫坐標為波長漂移的納米數)：其中630 nm附近的紅色發生峰值波長的漂移對于色溫的影響最大，在漂移2 nm左右即可導致色溫100 K左右的變化，而且其影響是隨著峰值波長的增加，色溫迅速降低，其他波長的峰值波長增加一般會引起色溫的升高；綠色528 nm和橙色590 nm的單色LED的峰值波長漂移產生的影響略小，寶藍色480 nm的影響進一步減小，而藍綠色507 nm的影響更??；而藍色454 nm的峰值波長漂移在兩個方向有不同的效果，其峰值波長減小會導致色溫略有降低，而峰值波長增加會導致色溫先升高后降低，其相關色溫的最大值在455 nm附近。

圖3 5 500 K附近相關色溫與6種基本LED峰值波長漂移的關系

進一步考慮相關色溫2 700 K附近各單色LED峰值波長的變化對相關色溫的影響情況如圖4所示(其中橫坐標為波長漂移的納米數)：與5 500 K的情況相似，630 nm附近的紅色發生峰值波長的漂移對于色溫的影響較大，在漂移4 nm左右即可導致色溫100 K左右的變化，其影響同樣是隨著峰值波長的增加而導致色溫降低；但是這里對色溫影響最大的是橙色590 nm的單色LED的峰值波長漂移，其波長漂移2 nm左右即可導致色溫100 K左右的變化，但是其影響是隨著峰值波長的增加而導致色溫升高；其他單色LED的波長漂移對色溫的影響相對較小，藍色454 nm、寶藍480 nm和藍綠507 nm的單色LED隨著峰值波長增加會導致色溫略有降低；而綠色528 nm的峰值波長漂移在兩個方向有不同的效果，其峰值波長減小會導致色溫略有降低，而峰值波長增加會導致色溫先升高后降低，其相關色溫的最大值在530 nm附近。

圖4 2 700 K附近相關色溫與6種基本LED峰值波長漂移的關系

由圖3和圖4可見，多波長組合的白光LED的色溫和各單色LED的工作波長穩定性或分bin準確度有著較大關系，而且是紅色和橙色的對色溫的影響較大，低色溫的器件需要控制紅色和橙色的波長穩定性和一致性，高色溫的器件還需要對綠色和寶藍色器件進行控制，這些對于整個產業鏈和器件工藝技術提出了極高的要求，因此在LED器件的波長穩定性、一致性以及光譜分布特性等方面得到較大的進步之前，多光譜組合的技術方案用于常規的通用照明存在一定困難。

下面繼續考慮相關色溫5 500 K附近各單色LED峰值波長的變化對顯色指數的影響，具體情況如圖5所示(其中橫坐標為波長漂移的納米數)：與相關色溫的影響不同，橙色590 nm的峰值波長漂移對于顯色指數的影響最大，在漂移2 nm左右即可導致顯色指數的變化大于2，而且其影響是隨著峰值波長的增加而導致顯色指數迅速升高；相對的除藍色454 nm與橙色590 nm的峰值波長增加引起顯色指數提高，其他波長的峰值波長增加一般會引起顯色指數的降低；其中紅色630 nm峰值波長的增加導致顯色指數的降低不是線性的而是存在一個最小值。

圖5 5 500 K附近顯色指數與6種基本LED峰值波長漂移的關系

進一步考慮相關色溫2 700 K附近各單色LED峰值波長的變化對顯色指數的影響，具體情況如圖6所示(其中橫坐標為波長漂移的納米數)：與5 500 K的情況類似，橙色590 nm的峰值波長漂移對于顯色指數的影響最大，仍然是漂移2 nm左右即可導致顯色指數的變化大于2，而且其影響是隨著峰值波長的增加而導致顯色指數迅速升高；類似的除藍色454 nm與寶藍480 nm的峰值波長增加引起顯色指數提高，其他3種波長的峰值波長增加一般會引起顯色指數的降低；其中紅色630 nm峰值波長的增加導致顯色指數的降低不是線性的而且在向多波長漂移方向存在一個最小值。

圖7 5 500 K附近色坐標(x,y)與6種基本LED峰值波長漂移的關系

圖6 2 700 K附近顯色指數與6種基本LED峰值波長漂移的關系

類似上面的分析，由圖5和圖6可見多波長組合的白光LED的顯色指數和單色LED的工作波長穩定性或分bin準確度有著較大關系，而且是綠色、紅色和橙色的影響較大，顯色指數會隨長波長器件的峰值波長變化而產生較大的變化，這為在一定條件約束下通過對波長的選擇來獲得更高的顯色指數提供了線索。

下面再考察波長漂移導致的色坐標移動情況。如圖7所示，在5 500 K附近，藍光454 nm的波長漂移會導致色坐標的回旋移動，而480 nm、507 nm、530 nm和631 nm的波長變大會導致色坐標x和y同向減小，590 nm的波長變大會導致色坐標x減小而有增加，x坐標的最大變化量0.016出現在紅光631 nm的波長變化中，y坐標的最大變化量0.015出現在寶藍色480 nm的波長變化中。

圖8 2 700 K附近色坐標(x,y)與6種基本LED峰值波長漂移的關系

如圖8所示，在2700 K附近，藍光454 nm的波長漂移會導致色坐標的回旋移動，而寶藍480 nm、藍綠507 nm和綠色530 nm的波長變大會導致色坐標x和y同向減小，橙色590 nm和紅色631 nm的波長變大會導致色坐標x減小而有增加。x坐標的最大變化量0.016出現在橙色590 nm和紅色631 nm的波長變化中，y坐標的最大變化量0.017出現在橙色590 nm的波長變化中。

3 結論

我們采用6種單色LED使用光譜組合的方式構建了典型色溫5 500 K和2 700 K的白光器件，并對組成白光的單色LED的光譜穩定性進行了分析。通過仿真實驗研究了多種單色LED峰值波長的漂移對色溫、顯色指數和色坐標的影響情況。兩種色溫下分別是紅色630 nm和橙色590 nm附近的峰值波長漂移對于色溫的影響最大，在漂移2 nm左右即可導致色溫100 K左右的變化；而橙色590 nm的峰值波長漂移對于顯色指數的影響最大，在漂移2 nm左右即可導致顯色指數的變化大于2；在5 500 K附近x坐標的最大變化量0.016出現在紅光631 nm的波長變化中，y坐標的最大變化量0.015出現在寶藍色480 nm的波長變化中，在2 700 K附近，x坐標的最大變化量0.016出現在橙色590 nm和紅色631 nm的波長變化中，y坐標的最大變化量0.017出現在橙色590 nm的波長變化中。這一實驗思路為控制多光譜組合光源的色度參數變化提供了重要的參考。

我們認為，多波長組合的白光LED的色溫和各單色LED的工作波長穩定性或分bin準確度有著較大關系，其中紅色和橙色的對色溫的影響較大，低色溫白光器件需要控制紅色和橙色的波長穩定性和一致性，高色溫白光器件還需要對綠色和寶藍色器件進行控制，這些對于整個產業鏈和器件工藝技術提出了新的要求，因此下一步針對動態照明、功能照明的光生物、光健康研究需要高度關注LED器件的光譜分布特性、波長穩定性和一致性等方面。