LED峰值波长对多光谱组合白光色参数的影响

杨 华，杨宇铭，李 燕，郑怀文，伊晓燕，王军喜，李晋闽

(中国科学院半导体研究所，中国科学院半导体照明研发中心，中国科学院大学，北京第三代半导体材料与应用工程技术研发中心，半导体照明联合创新国家重点实验室，北京 100083)

引言

随着通用照明逐步完成LED器件的替代，照明也逐步向进一步发挥半导体器件可控优势的功能性照明乃至超越照明快速发展[1,2]。其中面向健康照明、光环境控制的应用一般都要用到多光谱器件，而LED的多光谱应用必须解决发射光谱的可控性。特别是LED器件正在进一步向大电流、高亮度、高密度的方向发展，对于器件和器件模组光谱的可控性研究已经开始逐渐引起人们的重视[3-5]。采用多光谱混合的方法制备可调光谱的照明光源是健康照明中的主要技术路线之一，但现有技术方案无论是采用单色芯片还是荧光材料都面临光参数分类的范围，以及光源颜色与驱动其工作的电学参数之间存在非线性关联关系等问题[6,7]。早期的红绿蓝三基色技术路线一直没有成为照明市场的主流，一方面是由于成本和发光效率问题，另一方面也是由于在色度学控制方面存在需要解决的问题，这也导致相关的技术积累仍然难以支持该技术路线的广泛使用。

作为解决上述问题的初步工作，本文针对6种单色光LED进行了仿真混光实验研究，结合单色光LED的特性分析以及色度学理论，对与照明用多光谱LED的组合方式进行了研究，给出了用于照明的多光谱LED组合的原则和方案。

1 元器件特性

本文使用的6种LED采用实际LED的光谱，其归一化的光谱分布函数如图1所示，峰值波长分别为454 nm、480 nm、507 nm、528 nm、590 nm、631 nm，半高宽度分别为18 nm、30 nm、28 nm、36 nm、16 nm、18 nm。在额定电流下的色坐标(x,y)分别为(0.1482,0.03199)、(0.1043,0.1799)、(0.0924,0.6424)、(0.2197,0.7194)、(0.5614,0.4374)、(0.6942,0.3062)。

图1 6种LED的归一化发射光谱

2 光谱组合的仿真分析

考虑不同光谱的LED进行组合所得到的光谱，如图2所示，采用全局搜索方法确定了典型色温为2 700 K和5 500 K的两种光谱组合，并对这些参数组合附近的波长差异导致的色度学稳定性进行评估。

图2 6种单色LED组合而成的5 500 K和2 700 K典型白光光谱

考虑相关色温5 500 K附近各单色LED峰值波长的变化对相关色温的影响情况如图3所示(其中横坐标为波长漂移的纳米数)：其中630 nm附近的红色发生峰值波长的漂移对于色温的影响最大，在漂移2 nm左右即可导致色温100 K左右的变化，而且其影响是随着峰值波长的增加，色温迅速降低，其他波长的峰值波长增加一般会引起色温的升高；绿色528 nm和橙色590 nm的单色LED的峰值波长漂移产生的影响略小，宝蓝色480 nm的影响进一步减小，而蓝绿色507 nm的影响更小；而蓝色454 nm的峰值波长漂移在两个方向有不同的效果，其峰值波长减小会导致色温略有降低，而峰值波长增加会导致色温先升高后降低，其相关色温的最大值在455 nm附近。

图3 5 500 K附近相关色温与6种基本LED峰值波长漂移的关系

进一步考虑相关色温2 700 K附近各单色LED峰值波长的变化对相关色温的影响情况如图4所示(其中横坐标为波长漂移的纳米数)：与5 500 K的情况相似，630 nm附近的红色发生峰值波长的漂移对于色温的影响较大，在漂移4 nm左右即可导致色温100 K左右的变化，其影响同样是随着峰值波长的增加而导致色温降低；但是这里对色温影响最大的是橙色590 nm的单色LED的峰值波长漂移，其波长漂移2 nm左右即可导致色温100 K左右的变化，但是其影响是随着峰值波长的增加而导致色温升高；其他单色LED的波长漂移对色温的影响相对较小，蓝色454 nm、宝蓝480 nm和蓝绿507 nm的单色LED随着峰值波长增加会导致色温略有降低；而绿色528 nm的峰值波长漂移在两个方向有不同的效果，其峰值波长减小会导致色温略有降低，而峰值波长增加会导致色温先升高后降低，其相关色温的最大值在530 nm附近。

图4 2 700 K附近相关色温与6种基本LED峰值波长漂移的关系

由图3和图4可见，多波长组合的白光LED的色温和各单色LED的工作波长稳定性或分bin准确度有着较大关系，而且是红色和橙色的对色温的影响较大，低色温的器件需要控制红色和橙色的波长稳定性和一致性，高色温的器件还需要对绿色和宝蓝色器件进行控制，这些对于整个产业链和器件工艺技术提出了极高的要求，因此在LED器件的波长稳定性、一致性以及光谱分布特性等方面得到较大的进步之前，多光谱组合的技术方案用于常规的通用照明存在一定困难。

下面继续考虑相关色温5 500 K附近各单色LED峰值波长的变化对显色指数的影响，具体情况如图5所示(其中横坐标为波长漂移的纳米数)：与相关色温的影响不同，橙色590 nm的峰值波长漂移对于显色指数的影响最大，在漂移2 nm左右即可导致显色指数的变化大于2，而且其影响是随着峰值波长的增加而导致显色指数迅速升高；相对的除蓝色454 nm与橙色590 nm的峰值波长增加引起显色指数提高，其他波长的峰值波长增加一般会引起显色指数的降低；其中红色630 nm峰值波长的增加导致显色指数的降低不是线性的而是存在一个最小值。

图5 5 500 K附近显色指数与6种基本LED峰值波长漂移的关系

进一步考虑相关色温2 700 K附近各单色LED峰值波长的变化对显色指数的影响，具体情况如图6所示(其中横坐标为波长漂移的纳米数)：与5 500 K的情况类似，橙色590 nm的峰值波长漂移对于显色指数的影响最大，仍然是漂移2 nm左右即可导致显色指数的变化大于2，而且其影响是随着峰值波长的增加而导致显色指数迅速升高；类似的除蓝色454 nm与宝蓝480 nm的峰值波长增加引起显色指数提高，其他3种波长的峰值波长增加一般会引起显色指数的降低；其中红色630 nm峰值波长的增加导致显色指数的降低不是线性的而且在向多波长漂移方向存在一个最小值。

图7 5 500 K附近色坐标(x,y)与6种基本LED峰值波长漂移的关系

图6 2 700 K附近显色指数与6种基本LED峰值波长漂移的关系

类似上面的分析，由图5和图6可见多波长组合的白光LED的显色指数和单色LED的工作波长稳定性或分bin准确度有着较大关系，而且是绿色、红色和橙色的影响较大，显色指数会随长波长器件的峰值波长变化而产生较大的变化，这为在一定条件约束下通过对波长的选择来获得更高的显色指数提供了线索。

下面再考察波长漂移导致的色坐标移动情况。如图7所示，在5 500 K附近，蓝光454 nm的波长漂移会导致色坐标的回旋移动，而480 nm、507 nm、530 nm和631 nm的波长变大会导致色坐标x和y同向减小，590 nm的波长变大会导致色坐标x减小而有增加，x坐标的最大变化量0.016出现在红光631 nm的波长变化中，y坐标的最大变化量0.015出现在宝蓝色480 nm的波长变化中。

图8 2 700 K附近色坐标(x,y)与6种基本LED峰值波长漂移的关系

如图8所示，在2700 K附近，蓝光454 nm的波长漂移会导致色坐标的回旋移动，而宝蓝480 nm、蓝绿507 nm和绿色530 nm的波长变大会导致色坐标x和y同向减小，橙色590 nm和红色631 nm的波长变大会导致色坐标x减小而有增加。x坐标的最大变化量0.016出现在橙色590 nm和红色631 nm的波长变化中，y坐标的最大变化量0.017出现在橙色590 nm的波长变化中。

3 结论

我们采用6种单色LED使用光谱组合的方式构建了典型色温5 500 K和2 700 K的白光器件，并对组成白光的单色LED的光谱稳定性进行了分析。通过仿真实验研究了多种单色LED峰值波长的漂移对色温、显色指数和色坐标的影响情况。两种色温下分别是红色630 nm和橙色590 nm附近的峰值波长漂移对于色温的影响最大，在漂移2 nm左右即可导致色温100 K左右的变化；而橙色590 nm的峰值波长漂移对于显色指数的影响最大，在漂移2 nm左右即可导致显色指数的变化大于2；在5 500 K附近x坐标的最大变化量0.016出现在红光631 nm的波长变化中，y坐标的最大变化量0.015出现在宝蓝色480 nm的波长变化中，在2 700 K附近，x坐标的最大变化量0.016出现在橙色590 nm和红色631 nm的波长变化中，y坐标的最大变化量0.017出现在橙色590 nm的波长变化中。这一实验思路为控制多光谱组合光源的色度参数变化提供了重要的参考。

我们认为，多波长组合的白光LED的色温和各单色LED的工作波长稳定性或分bin准确度有着较大关系，其中红色和橙色的对色温的影响较大，低色温白光器件需要控制红色和橙色的波长稳定性和一致性，高色温白光器件还需要对绿色和宝蓝色器件进行控制，这些对于整个产业链和器件工艺技术提出了新的要求，因此下一步针对动态照明、功能照明的光生物、光健康研究需要高度关注LED器件的光谱分布特性、波长稳定性和一致性等方面。