优质的荧光粉产生高品质的白光

[美]迈克·伍德

【摘   要】 本文阐述现有白光LED和RGB混光在白光获取方式上存在的一些问题，介绍一款最新的白光LED，分析显色性、 光谱功率分布等光学性能，展望其在演艺灯光行业的发展前景。

【关键词】 白光LED;荧光粉;显色性;TRI-R;SunLike;连续光谱;蓝光峰值

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.12.001

毋庸置疑，白光LED是当下照明行业的热点话题。欧洲和澳洲已颁布新规，进一步提高光源的最低光效，且具有法律效力，蓝光辐射量在多少范围内对人体是无害的，这个问题也引发了热烈持久的讨论，这真是一个经久不息的话题。

要获得白光，可通过R、G、B三色LED用加色法来获得（演艺灯光行业通常就是这么做的），也可通过蓝光LED加黄色荧光粉来获得。这两种方式各有优缺点，如今后面这项技术几乎随处可见，在家居、工业照明领域内得到广泛应用。两者都不理想，都会在450 nm附近产生一个过高的蓝光峰值，而这个峰值会扰乱人类正常的昼夜节律，这是它所带来的最严重的问题。蓝光太多的话，也容易在人眼内发生散射（就像天空散射蓝光一样），导致整体对比度下降，并引发眩光。除了蓝光问题，在深红光方面，这两项技术也都没做好。此外，它们的光输出中几乎都不含青光（cyan），“RGB混光”中也缺少黄光（yellow），而人眼对这两个区域的颜色辨认能力是最强的。这让最终显现出的颜色偏向卡通色，很单调，且显色性差（注意：笔者不是讨论舞台剧中的色光混合，在那种场合中，人们当然需要红光、绿光、蓝光甚至其他色光来参与混合;笔者只是讨论白光的产生方式）。

图1展示了人眼对各个波长的颜色辨认能力，这正是笔者所要表达的意思。某波长的纵轴值越小，人眼对那个波长的颜色辨认能力就越强。屈居最后两位的是：500 nm附近的青光和580 nm附近的黄光（译者注：图1中的JND是just noticeable difference的首字母缩写，意为：最小可察觉差异）。

现在，用图2和图3来比较一下这方面的性能。这两张图分别展示了在最高光效状态下，“蓝光+黄色荧光粉”白光LED和“RGB混光”LED的光谱功率分布。

在这两种情况中，青光处都有一个凹陷，它几乎与人眼最佳颜色辨认位置完美重合，在“RGB混光”中，黄光处有一个凹陷，人眼在这个位置处的颜色辨认能力是第二个最强点。

以前人们拥有了白光LED，就像小孩拥有了新的玩具一样。它具有超强的节能特性，就算牺牲一部分光质也心甘情愿。但是，现在人们只要花不到一美元，就能拥有一个家用LED灯泡，因而，对它的那份新鲜感已消磨殆尽，不过幸好，人们对它的鉴别能力正在不断提升。

在演艺灯光行业中，为了改善显色性和混色后的光质，人们采用的一种方式是往混色中添加其他色光。如今，至少在RGB基础上添加了琥珀光（amber）和青柠光（lime），这种做法已蔚然成风，有些制造商还添加了青光和其他色光。青光比人们想象的还要重要得多，不仅在于它在颜色辨认方面是一个关键波长，还在于它对肤色的正确还原也很重要。在人体皮肤中有很多血管，呈现为低亮度的蓝色，而青光能让肤色显现出深度。如果没有青光的话，从皮肤上反射回来的光会略偏绿色调。笔者相信人们已经注意到，如果用“RGB混光”來照射皮肤，那么当改变其色光比时，所观察到的肤色会在绿色和品红色之间快速跳变，要获得中间的均衡状态，几乎是不可能的。若添加了青光和琥珀光，就能轻而易举地实现这种均衡状态。

同样，对于白光LED，制造商也已试图减少其蓝光峰值，添加了红色荧光粉，且填补青光凹陷（译者注：是有所尝试，未完全填补），但这种单色或双色（如添加了红色，就是双色）荧光粉的方式有其局限性。

无论人们采用哪种显色性度量标准，过时的CRI（显色指数）、CQS（色质指数）还是最新推荐的TM-30，基本问题依然没有变。要让白光获得绝佳的显色性，人们需要尽最大努力来模拟日光。也就是说，在整个可见光范围内，即从深蓝光到深红光，都要求光谱是连续的。人眼的视觉是在那种光的环境中进化的，因此，那就是看上去正确的东西，那就是人们需要模拟的东西，如果少了一点点光谱，就一定有所欠缺。

因此，当笔者了解到首尔半导体公司（Seoul Semiconductor）和东芝材料公司（Toshiba Materials）联合开发制造出了一种具有连续光谱的白光LED时，对此产生了浓厚的兴趣。有意思的是，虽然它更接近于人们所采用的那种“RGB混光”方式，但是这3种颜色全都由荧光粉发出。三色荧光粉是由东芝材料公司所制造，里面含有红色、绿色和蓝色荧光粉，它们都受一个LED泵（pump）的激发。首尔半导体公司把该LED泵发出的色光称作紫光（purple），但笔者更倾向于把它称作靛蓝光（indigo）。（在笔者看来，“紫光”隐含了混光中带有红光的意思，而靛蓝光就是指纯短波色光。）东芝材料公司把这项技术称作TRI-R，首尔半导体公司正在将最终产品投放市场，品牌名为SunLike（意为：像太阳一样）。靛蓝光/紫光LED泵并不是什么新鲜事物，但是，东芝材料公司宣称他们的荧光粉是最新产品，其消除了光输出中的紫光或蓝光峰值。

图4展示了这套系统，并将其与一款常规的白光LED作比较。在这项技术中使用了具有宽光谱特性的荧光粉，其发出的光谱要比各种单色LED发出的光谱宽得多。还能对它们进行调节，使其相互之间略有重叠，以消除青光和黄光“死区”。正如首尔半导体公司和东芝材料公司所称，其最终目的就是要逼真地模拟自然光，它大大减少了蓝光峰值，并且在整个可见光范围内，光谱都是连续的。图5展示了它的光谱功率分布（SPD），只在一点点紫光/靛蓝光处有一个很小的波峰，之后就是一条连续曲线，一直到650 nm附近处。之后的红光段下降得很快，超出了笔者的预期，不过与人们所熟知的“蓝光+黄色荧光粉”白光LED相比，仍然要好太多。

这两家制造商只是于2018年年初时宣称其研制出了这些产品，并且到目前为止，发布消息时也都十分谨慎。笔者相信两家公司为此申请了很多专利，因此，不太肯定的是，三色荧光粉中的每一个颜色的光谱范围是从哪里到哪里，它们之间存在多少重叠部分。两家公司均宣称，用TM-30来测量的话，显色性超过95，它们与自然光的匹配程度要优于其他所有同类产品。从数据上看，确实给人们留下了深刻的印象，但笔者未见过实物。他们计划从2018年夏天开始展出样品，笔者期待能亲眼看到一款产品（译者注：TM-30提供两个指标来衡量显色性：Rf <色保真度指数>和Rg <色域指数>，这里的95是Rf值）。

这项技术面向哪个产品？首尔半导体公司和东芝材料公司对SunLike产品满怀信心。两家公司认为，它适用于所有对显色性要求很高的场所，特别是家居、建筑、医疗和零售照明领域。据称，首批产品已于2018年7月推出，其目标是取代荧光灯管。图6是所发布的一张宣传照，一幅绘制于两千年前的壁画，这是它在庞贝古城中的一个照明应用案例，左图采用一盏常规的“蓝光+黄色/红色荧光粉”白光LED来照明，而右图采用SunLike产品来照明。笔者一向对这类新闻图片持保留态度，但绝对感兴趣。

“好的，迈克，”笔者听到有人說。“这些东西全都非常有意思，不过，我不太关注荧光灯管和庞贝壁画照明方面的内容，按理说这是一本演艺科技类的杂志。我干嘛要去关注新的白色荧光粉呢？”笔者认为，之所以它对演艺灯光有用，有这么几个原因。首先，在演艺灯光行业中，白光很重要，有着很多的应用。只要涉及到拍摄，就能从中获益。其次，这种荧光粉的研发使得加色法混色灯的发展前景更加广阔，它改善了显色性，填补了光谱中的凹陷。SunLike荧光粉具有宽光谱的特性，因此，三基色的饱和度不会很高，但是可以用它们来混出低至中等饱和度的色调，这或许是一大改进。人们已经采用了青柠光LED来填补光谱中的凹陷，现在也开始使用蓝色和红色荧光粉来填补。

图7展示了它所蕴含的潜力，若对新的荧光粉采用不同的混合方式，可用来模拟2 700 K、4 000 K和5 000 K的日光。其色温具有可调性，这一点至关重要。

最后一点，这项技术的光效如何？首尔半导体公司宣称，目前其光效要比常规的白光LED低10%左右，不过该公司希望能在接下来一年多的时间里补上这块短板。笔者认为，这种说法是可信的。回顾笔者写过的一篇文章（见《演艺科技》2016年第6期《电光源的功效及其测算》一文，P13-P16），可知LED所拥有的潜在最高光效，以及“RGB混光”是如何打败“蓝光+黄色荧光粉”的。调节各波长的混合量，使其与人眼视觉灵敏度相符合，这样就能让光效最大化，这些荧光粉一定更接近这一目标。

目前，人们正处在观望中，但是，如果这些LED的性能确如这两家制造商所言，那么笔者相信，用不了多长时间，人们就能在演艺灯光产品中看到它们的身影，当然也可能会看到其他制造商生产的同类产品。

（本文编译自美国《PROTOCOL》杂志2018年夏季刊《Better Phosphors = Better Whites》一文。）

（编辑   王   芳）