全光譜RGBW LED光源特性分析

黃梓龍，陳 育，徐文倩，羅建浪，林俊鑫，姚 其，文尚勝

(1.華南理工大學大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510006；2.深圳市金源世紀科技有限公司，廣東 深圳 518100；3.廣東金源光能股份有限公司，廣東 潮州 521000；4.復旦大學工程與應用技術研究院，上海 200433；5.深圳市晶銳光電有限公司，廣東 深圳 518100)

引言

隨著LED照明技術的飛速發展，如今的LED燈具憑借著豐富的色彩表現能力、低耗能以及壽命長等優勢快速占領照明市場的主體地位。LED光源主要有熒光粉式LED和RGB LED兩種形式。在一般功能性照明中，主要采用熒光粉式LED，且主要是藍光芯片激發黃光熒光粉，其光效和顯色性基本可以滿足日常需求。但隨著人們生活水平的不斷提高，對于光源性能的要求也在不斷提升，傳統的LED光源已經不能滿足實際應用中多變的市場需求。在農業照明、模擬日光照明、情緒照明、精準照明等特殊的應用方面，對光環境有著具體的要求，需要在滿足色溫的基礎上實現更高的顯色性來提高光照品質。由于對光源品質要求的提高，更多的照明技術應運而生，主要產生了幾種不同模式的LED應用方式，分別為全光譜LED光源、雙色溫LED光源以及RGBW LED光源[1]。其中全光譜LED更好地模擬太陽光譜，顯著地提升了顯色性，但其光效相比于傳統LED要低，同時成本較高；雙色溫LED通常使用一個低色溫光源(相關色溫為2 700～3 000 K) 和一個高色溫光源(相關色溫為4 500～6 000 K)，實現從低色溫到高色溫范圍的可調；而RGBW LED由于其良好的光譜可調性，引起越來越多的關注，但在產業界還未大面積推廣使用[2]。

1 RGBW光源的性能特點

1.1 全光譜光源特點

全光譜光源的光譜接近太陽光譜，因光譜中藍光峰值較低，可有效降低照明光源中的藍光危害[3]，降低了紫外短波輻射對人體造成的光生物危害，且與普通LED相比，補充了可見光波段的紫、青、紅光部分，光譜更加連續，一般顯色指數Ra通常在95～98之間，能最大限度地還原被照射物的原本顏色，讓所見的物體更加自然真實，主要應用于健康照明、農業照明等領域[4]。目前全光譜LED主要有兩種：(1)單芯片涂敷熒光粉[5，6]；(2)將藍、青、綠、紅、黃5種顏色LED芯片組合形成連續光譜。本團隊制備了色溫2 700 K、3 000 K、4 000 K、5 700 K和6 500 K的全光譜LED光源，測出不同色溫不同全光譜LED光源光譜如圖1所示。結果表明，全光譜LED光源使用單一藍色或紫色芯片復合多種顏色熒光粉，光譜連續性高，一般顯色指數Ra大于95，顯色性優異[7]。

圖1 全光譜LED光譜能量分布(a)藍色單晶，(b)藍色雙晶，(c)紫色單晶Fig.1 Spectral power distribution of full spectrum (a) Blue single crystal,(b) Blue double crystal,and (c) Purple single crystal LED

1.2 RGBW光源特點

RGBW是在原有RGB三原色組成光源組的基礎上，增加了一個W光源，即白光通道，形成RGBW四色通道。RGBW通過增加白色通道實現了兩個技術優勢，第一個是相同亮度所消耗的功耗更低，在部分室內場景下，在達到相同亮度時，RGBW光源可開啟白色通道光源，降低功耗，更加節能；第二個是在相同功耗下能達到更高亮度，W光源包含整個可見光譜區域，效率更高。在某些顯示屏應用中，RGBW LED光源顯示屏相較傳統RGB LED光源顯示屏最大亮度提升了約70%[8]，光源更亮、透光性更好、功耗更低，同時色彩更豐富、立體色域更廣。

2 光源光譜及光色度特性

2.1 全光譜RGBW LED光源

實驗光源采用了自行研發的全光譜RGBW LED，如圖2所示，采用5050 RGBW LED貼片式光源，由藍光芯片、紅光芯片、綠光芯片和全光譜白光LED組成。全光譜RGBW LED光源與普通RGBW LED光源一樣，具有高亮度、發光角度廣、聚光性好等特點，可適用于各種需要色彩的多變場合。但是全光譜RGBW LED在光譜特性方面具有顯著的優點，體現在CIE 1931-XYZ 色度系統色域中各色度點光譜連續性更好，各波長的分布連續而均勻，一般顯色指數更高。

圖2 5050 RGBW貼片式光源Fig.2 5050 RGBW patch type lamp source

2.2 RGBW LED光源特性

選用4 000 K全光譜W光源以及三種單色光源R、G、B，制備出5050型RGBW光源。全光譜W光源具有能耗低、壽命長、體積小、光效高、無污染等優點[9]，4 000 K全光譜W光源的光譜如圖3所示，一般顯色指數Ra為 97.7，光通量為21.72 lm，功率為0.2 W，對應色度坐標為(0.3815,0.3806)。可以看出，在380～780 nm可見光范圍內，W光源光譜連續，應用于RGBW LED中，通過調整R、G、B、W四種成分間的相對通量貢獻，可構建不同的混合光譜。相較于RGB LED光源，RGBW LED光源可調性好，在同樣色度值層面上，亮度級別更高，能夠形成更大的立體色域范圍。

圖3 4 000 K全光譜W光源光譜能量分布Fig.3 The spectrum of the 4 000 K full spectrum W light source

2.3 RGB光源的峰值波長及半峰寬

相對光譜能量分布曲線上，兩個半極大值強度處對應的波長差標志著光譜純度，LED的發光光譜的半峰寬一般分布在30～100 nm[10]。在LED光源所發出的光中，某一波長的光功率比附近波長的光功率大，即所發出的光在某一波長處具有光功率極大值，這一波長就稱為LED光源的峰值波長。一般LED光源三通道中藍色峰值波長范圍為440～475 nm，綠色峰值波長范圍為492～577 nm，紅色峰值波長范圍為625～740 nm。實驗中選用的藍色、綠色、紅色三通道峰值波長和半峰寬分別為455/25 nm、525/35 nm、625/35 nm，如圖4所示。LED光譜能量分布對色域產生影響，本文選用的LED光源三原色半峰寬較窄，因此擁有很高的色彩純度與飽和度，可以表現出更廣的顏色范圍。

圖4 實驗采用的RGB光源三通道光譜能量分布Fig.4 The spectrum of the experiment the three-channel RGB light source

2.4 色域表現

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

圖5 CIE 1931-XYZ系統中RGBW光源色域圖Fig.5 Color gamut diagram of RGBW light source in CIE 1931-XYZ system

3 RGBW光源的照明應用

3.1 R、G、B、W效率計算

引入光譜輻射發光效率(LER)分別計算R、G、B、W 四通道的效率，LER值完全由光源的光譜功率分布函數(SPD)決定，計算公式如下：

(8)

其中，P(λ)是光源光譜功率分布函數，V(λ)是光視覺靈敏度曲線，在555 nm處達到最大值(圖6)，校正系數Km=683 lm/W。依據光譜分別計算了R、G、B、W光源的理論光效見表1，實際LED光效受到芯片本身量子效率影響，光效相比較于理論光效要低很多。

圖6 光視覺靈敏度曲線歸一化光譜V(λ)Fig.6 The normalized spectra of photopic vision sensitivity V(λ)

表1 R、G、B、W四通道理論光效Table 1 Theoretical efficiency of R,G,B,W channel

3.2 顯色性貢獻

一般顯色指數Ra是通過將CIE-1974顏色測試樣本(編號1～8)的八個特殊顯色指數Ri進行算術平均得到，由光源光譜決定，其中ΔEi是在參考光源下和待測光源下各試驗色的色差，其計算如下：

Ri=100-4.6ΔEi

(9)

(10)

目前Ra在照明行業中廣泛應用，是國際國內標準和技術規范中用于評價光源顏色的重要指標[12]。通過光譜儀測量得到的數據計算得出，RGBW LED測試光源的Ra值為97以上，具有較好的顯色性，說明利用RGBW LED光源進行照明可以讓被照物體顏色更豐富。同時在色域中各光色合成部分也會具有較好的顯色性，大部分范圍能夠達到90以上的顯色指數。

3.3 空間照明中模擬EML指標結果

等效褪黑激素照度值(EML)按ipRGCs對光的響應進行加權，轉換光源的光譜刺激，以此定量描述光線對人的生物效應，為健康的晝夜節律提供支持[13]。EML數值高的光源會抑制褪黑素的分泌，從而提高人們的工作效率，所以在辦公場所應采用EML數值高的光源；EML數值低的光源會促進褪黑素分泌，提升人們的睡眠質量，進而改善人體機能。EML的計算如下：

(11)

其中，λ是波長數，Km是明視覺最大光譜光視效能常數，V(λ)明視覺最大光譜光視效能函數，Ee,λ(λ)是單位面積光譜功率密度分布實測數值，Nz(λ)是視黑素光譜光效能函數。通過計算得出RGBW LED的EML指數為212，符合WELL Building標準規范中規定的日間光源EML大于200的指標。

3.4 LED光源特性分析比較

本文對雙色溫LED、RGBW LED兩種光源進行特性分析，見表2，結果表明在EML數值、顯色性、光效方面，RGBW LED性能更優。從R、G、B三通道光源中任意選取兩種與W光源進行組合，形成RGW、GBW和RBW三通道LED，利用MATLAB R2019a軟件對三通道光源的理論光效和EML進行等高線計算，建立了CIE 1931色度與性能特性的關系，如圖7和圖8所示，可以直觀地評估具有色度信息的特定作用光譜的性能[14]。其中LER的取值范圍是83～503 lm/W，EML的取值范圍是10～1043，等高線幾乎呈直線，各光度性能指標均呈單調遞增趨勢。

表2 兩種光源性能分析Table 2 Performance analysis of two light sources

圖7 RGBW LED理論光效等高線Fig.7 RGBW LED theoretical light efficiency contour line

圖8 RGBW LED黑視素照度值等高線Fig.8 RGBW LED melanopsin illuminance value contour line

4 結論

綜上所述，本文提出新型全光譜RGBW LED光源，通過對光源相關特性進行分析，R、G、B、W 四通道的理論光譜效率分別為216.2 lm/W、516.7 lm/W、49.9 lm/W和204.8 lm/W；測試光源的一般顯色指數Ra值是97以上，使用此光源進行照明可以提供良好的顯色品質；測試光源黑視素照度值為212，符合WELL Building標準規范中規定的日間光源EML大于200的指標。與常用LED光源相比，全光譜RGBW LED光源顯色性良好，立體色域更大，并且在相同的功耗下亮度更高，具有一定的應用優勢。