全光谱白光LED的混色研究

刘 康，王加贤，汤梦饶，苏倩倩

(厦门工学院，福建 厦门 361021)

引言

实现白光LED的方法有很多种，目前使用最为普遍最为成熟的一种是采用蓝光芯片上涂覆黄色荧光粉，使蓝光和黄光混合成白光[1]。这种方法直接导致光效不高、显色指数低、色温空间分布不均匀等现象。而白光LED作为人造光源应用于照明市场，对于光源的的品质是有一定要求的，尤其是对于其色温和显色指数[2]。

随着LED光源技术的不断发展，人们提出了多种LED混色方案来达到色温可调和高显色指数[3-5]：白光+单色LED、白光+暖白光LED和多基色LED等。尽管不少人提出并采用不同色温白光混色的方案，但是对于出光的光谱连续性并没有要求,而作为照明用的LED发光光谱越接近太阳光就越容易被人眼所接受[6]。太阳光的光谱可以称作为全光谱，指的是光谱中包含紫外光、可见光和红外光的连续光谱曲线，波峰和波谷没有明显比例失调，显色指数Ra接近100[7]。

因此，要研究同时满足与太阳光谱分布相近、色温可调且高显色指数的白光LED的实现方法有着十分重要的意义[8]。目前市场上全光谱白光LED能够做到在可见光范围内光谱连续，接近太阳光光谱。本文基于这类全光谱白光LED的混色方法，在理论计算和实验测试上，采用三种不同色温段的全光谱白光LED进行混色，通过电流调节和不同组合方式，实现了高光效、色温在3 000～5 000 K范围内可调，显色指数高达92～97的白光LED。

1 理论基础

本文通过matlab编程对白光LED相对功率光谱分布曲线进行光谱拟合[9]，拟合函数S(λ)为

S(λ) =

(1)

其中λp为峰值波长，Δλ为半波宽。

图1为实验测得5 000 K全光谱白光LED的相对光谱与上述白光LED模型的比较，图形基本保持一致。

图1 5 000 K时实验与理论的光谱对比图 Fig.1 The spectral contrast figure of experiment and theory at 5 000 K

再根据式(2)[10]

(2)

计算出白光的色坐标值x，y。利用(McCamy，1992)公式[11]求出相关色温Tc。式中n=(x-0.3320)/(y-0.1858)。

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

(3)

光源的显色指数是待评价光源下的颜色与参照光源下物体颜色相符程序的度量。设定参照光源的显色指数为100。评价时采用一套15种试验颜色样品，其中1～8用于光源一般显色指数(8个数平均值)，各试验色样的数值称之为特殊显色指数[12]。我们平时说的“显色指数”，即是一般显色指数的简称。若某个试验色样在等评光源与参照光源照明下有颜色差ΔEi，那么特殊显色指数Ri，由以下公式确定：

Ri=100-4.6ΔEi

(4)

而我们照明测试常用的一般显色指数Ra为

(5)

2 实验研究与理论计算

2.1 混色前性能测试与参数分析

实验采用相同基板、InGaN基蓝光芯片(峰值波长456 nm，半波宽为28 nm)、胶水和不同荧光粉配比制备不同色温段高亮度贴片3 528型白光LED样品，选取色温段分别为：3 000、4 000 K和5 000 K，从中随机抽取样品，分别记为样品1、样品2和样品3。采用远方LED自动温控光电分析测量系统和积分球测试得到在不同工作电流下(30～150 mA)，各样品的光色电参数如表1、表2、表3所示，相对功率光谱分布如图2～图4所示。表1～表3数据显示在不同工作电流下各单颗白光LED样品显色指数高达92以上，光效大于80 lm/W。图2～图4的各单颗白光LED随电流变化的相对功率光谱图可以看出弥补了普通LED的光谱中短波蓝绿光、长波红光部分的不足，使得整体光谱连续性大大增加，从而接近于太阳光全光谱。且随着电流的变化，光谱的形状没有发生突变。

表1 不同电流下样品1实验测量参数Table 1 The experimental parameters of sample 1 at different current

表2 不同电流下样品2实验测量参数Table 2 The experimental parameters of sample 2 at different current

表3 不同电流下样品3实验测量参数Table 3 The experimental parameters of sample 3 at different current

图2 样品1的相对功率光谱分布图Fig.2 The relative power spectrum distribution of sample 1

图3 样品2的相对功率光谱分布图Fig.3 The relative power spectrum distribution of sample 2

图4 样品3的相对功率光谱分布图Fig.4 The relative power spectrum distribution of sample 3

表中改变正向工作电流(30～150 mA)，测试得到的单颗白光LED色温、显色指数和光效随电流的变化，可以明显看出色温随电流几乎没有发生改变，而显色指数随电流变化波动数值在2以内，也可以认为不随电流变化，说明白光LED的相对功率光谱图随电流的变化几乎没有改变，色品坐标没有发生漂移，这也是全光谱LED的一个明显的特点。光效随电流增大都有明显地下降，但光效值都保证在80 lm/W以上。

2.2 混色后理论计算与实验测量

将上述三种样品进行不同组合，样品1和样品2数量比分别为1∶1，2∶1和1∶2，样品2和样品3、样品1和样品3数量比同以上比例，样品1、样品2和样品3数量比为1∶1∶1。同时将正向电流也进行改变(30～150 mA)，根据表1～表3的数据和图2～图4的相对功率光谱图，通过理论计算得到混色后色温可调范围(3 000～5 000 K)内白光的显色指数和色温如表4所示，所对应的相对功率光谱图如图5所示。在同一组合模式下，电流的改变对色参数几乎没有影响。

表4 混色后理论计算参数Table 4 The parameters of theoretical calculation after color mixing

图5 3 000～5 000 K白光相对功率光谱分布图Fig.5 The relative power spectrum distribution of white LED at 3 000～5 000 K

实验仍采用远方LED自动温控光电分析测量系统和积分球测量混色后效果，对应表4理论计算时选取的工作模式得到相应的可调色温范围内白光光色参数如表5所示，相对光谱功率图如图6所示。

表5 混色后实验测量参数Table 5 The parameters of experimental measurement after color mixing

图6 3 000～5 000 K白光相对功率光谱分布图Fig.6 The relative power spectrum distribution of white LED at 3 000～5 000 K

由表5可知，通过不同组合方式和电流的变化，色温在3 000～5 000 K范围内变化，且在这色温范围期间，显色指数Ra在92以上，最高可达97。在3 000 K左右色温时，混合光中暖光的比重比较大，从单颗灯的测试结果看暖白光LED(样品1)的显色指数最高，所以混色的白光显色指数接近样品1。同理，在4 000 K和5 000 K色温区域，混合光得到的显色指数都与同色温下单颗白光LED的显色指数靠近。同单颗白光LED样品测试一样，电流的改变对色参数几乎没有影响。从光效来看，可调色温的白光光效都可达100 lm/W，这与所选的白光LED自身的光效有关。由此可看出全光谱白光LED能够达到高显色指数同时满足高光效，而不会与普通LED一样出现高显色指数低光效的情况而造成混合后白光光效的大幅度降低。

因色温值直接影响到显色指数的理论计算，在对应同一工作模式下通过matlab编程理论计算的色温值与实验值相对误差小于0.02，如图7所示。最后看显色指数的理论计算与实验测量值的对比曲线图，如图8所示。显色指数的误差值很小，在±2以内，表明混色后光源的实验参数与理论计算是吻合的。

图7 混色后色温理论计算值与实验测量值对比Fig.7 The color temperature with theory and experiment after color mixing

图8 混色后显色指数理论计算值与实验测量值对比Fig.8 The color rendering index with theory and experiment after color mixing

3 结论

本文实验研究了高光效高显色指数的LED混光技术，采用不同色温段的全光谱白光LED组合，获得了高显色指数且高光效的白光。通过理论计算与实验测试研究了不同色温的全光谱白光LED混色前后光效、色温Tc及显色指数Ra的变化。实验采用3 000、4 000 K和5 000 K三种全光谱白光LED样品进行混色，选取的这类全光谱白光LED，显色指数达92以上，最高可达98，光效最高可达150 lm/W，电流的改变对单颗白光LED的色度学参数影响不大。混色过程通过控制工作电流和不同组合方式实现色温可以在3 000～5 000 K可调，显色指数Ra可以达到92～97，光效100 lm/W以上。且色温、显色指数等色度学参数的理论计算与实验测量值保持一致。