全光譜白光LED的混色研究

劉 康，王加賢，湯夢饒，蘇倩倩

(廈門工學院，福建 廈門 361021)

引言

實現白光LED的方法有很多種，目前使用最為普遍最為成熟的一種是采用藍光芯片上涂覆黃色熒光粉，使藍光和黃光混合成白光[1]。這種方法直接導致光效不高、顯色指數低、色溫空間分布不均勻等現象。而白光LED作為人造光源應用于照明市場，對于光源的的品質是有一定要求的，尤其是對于其色溫和顯色指數[2]。

隨著LED光源技術的不斷發展，人們提出了多種LED混色方案來達到色溫可調和高顯色指數[3-5]：白光+單色LED、白光+暖白光LED和多基色LED等。盡管不少人提出并采用不同色溫白光混色的方案，但是對于出光的光譜連續性并沒有要求,而作為照明用的LED發光光譜越接近太陽光就越容易被人眼所接受[6]。太陽光的光譜可以稱作為全光譜，指的是光譜中包含紫外光、可見光和紅外光的連續光譜曲線，波峰和波谷沒有明顯比例失調，顯色指數Ra接近100[7]。

因此，要研究同時滿足與太陽光譜分布相近、色溫可調且高顯色指數的白光LED的實現方法有著十分重要的意義[8]。目前市場上全光譜白光LED能夠做到在可見光范圍內光譜連續，接近太陽光光譜。本文基于這類全光譜白光LED的混色方法，在理論計算和實驗測試上，采用三種不同色溫段的全光譜白光LED進行混色，通過電流調節和不同組合方式，實現了高光效、色溫在3 000～5 000 K范圍內可調，顯色指數高達92～97的白光LED。

1 理論基礎

本文通過matlab編程對白光LED相對功率光譜分布曲線進行光譜擬合[9]，擬合函數S(λ)為

S(λ) =

(1)

其中λp為峰值波長，Δλ為半波寬。

圖1為實驗測得5 000 K全光譜白光LED的相對光譜與上述白光LED模型的比較，圖形基本保持一致。

圖1 5 000 K時實驗與理論的光譜對比圖 Fig.1 The spectral contrast figure of experiment and theory at 5 000 K

再根據式(2)[10]

(2)

計算出白光的色坐標值x，y。利用(McCamy，1992)公式[11]求出相關色溫Tc。式中n=(x-0.3320)/(y-0.1858)。

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

(3)

光源的顯色指數是待評價光源下的顏色與參照光源下物體顏色相符程序的度量。設定參照光源的顯色指數為100。評價時采用一套15種試驗顏色樣品，其中1～8用于光源一般顯色指數(8個數平均值)，各試驗色樣的數值稱之為特殊顯色指數[12]。我們平時說的“顯色指數”，即是一般顯色指數的簡稱。若某個試驗色樣在等評光源與參照光源照明下有顏色差ΔEi，那么特殊顯色指數Ri，由以下公式確定：

Ri=100-4.6ΔEi

(4)

而我們照明測試常用的一般顯色指數Ra為

(5)

2 實驗研究與理論計算

2.1 混色前性能測試與參數分析

實驗采用相同基板、InGaN基藍光芯片(峰值波長456 nm，半波寬為28 nm)、膠水和不同熒光粉配比制備不同色溫段高亮度貼片3 528型白光LED樣品，選取色溫段分別為：3 000、4 000 K和5 000 K，從中隨機抽取樣品，分別記為樣品1、樣品2和樣品3。采用遠方LED自動溫控光電分析測量系統和積分球測試得到在不同工作電流下(30～150 mA)，各樣品的光色電參數如表1、表2、表3所示，相對功率光譜分布如圖2～圖4所示。表1～表3數據顯示在不同工作電流下各單顆白光LED樣品顯色指數高達92以上，光效大于80 lm/W。圖2～圖4的各單顆白光LED隨電流變化的相對功率光譜圖可以看出彌補了普通LED的光譜中短波藍綠光、長波紅光部分的不足，使得整體光譜連續性大大增加，從而接近于太陽光全光譜。且隨著電流的變化，光譜的形狀沒有發生突變。

表1 不同電流下樣品1實驗測量參數Table 1 The experimental parameters of sample 1 at different current

表2 不同電流下樣品2實驗測量參數Table 2 The experimental parameters of sample 2 at different current

表3 不同電流下樣品3實驗測量參數Table 3 The experimental parameters of sample 3 at different current

圖2 樣品1的相對功率光譜分布圖Fig.2 The relative power spectrum distribution of sample 1

圖3 樣品2的相對功率光譜分布圖Fig.3 The relative power spectrum distribution of sample 2

圖4 樣品3的相對功率光譜分布圖Fig.4 The relative power spectrum distribution of sample 3

表中改變正向工作電流(30～150 mA)，測試得到的單顆白光LED色溫、顯色指數和光效隨電流的變化，可以明顯看出色溫隨電流幾乎沒有發生改變，而顯色指數隨電流變化波動數值在2以內，也可以認為不隨電流變化，說明白光LED的相對功率光譜圖隨電流的變化幾乎沒有改變，色品坐標沒有發生漂移，這也是全光譜LED的一個明顯的特點。光效隨電流增大都有明顯地下降，但光效值都保證在80 lm/W以上。

2.2 混色后理論計算與實驗測量

將上述三種樣品進行不同組合，樣品1和樣品2數量比分別為1∶1，2∶1和1∶2，樣品2和樣品3、樣品1和樣品3數量比同以上比例，樣品1、樣品2和樣品3數量比為1∶1∶1。同時將正向電流也進行改變(30～150 mA)，根據表1～表3的數據和圖2～圖4的相對功率光譜圖，通過理論計算得到混色后色溫可調范圍(3 000～5 000 K)內白光的顯色指數和色溫如表4所示，所對應的相對功率光譜圖如圖5所示。在同一組合模式下，電流的改變對色參數幾乎沒有影響。

表4 混色后理論計算參數Table 4 The parameters of theoretical calculation after color mixing

圖5 3 000～5 000 K白光相對功率光譜分布圖Fig.5 The relative power spectrum distribution of white LED at 3 000～5 000 K

實驗仍采用遠方LED自動溫控光電分析測量系統和積分球測量混色后效果，對應表4理論計算時選取的工作模式得到相應的可調色溫范圍內白光光色參數如表5所示，相對光譜功率圖如圖6所示。

表5 混色后實驗測量參數Table 5 The parameters of experimental measurement after color mixing

圖6 3 000～5 000 K白光相對功率光譜分布圖Fig.6 The relative power spectrum distribution of white LED at 3 000～5 000 K

由表5可知，通過不同組合方式和電流的變化，色溫在3 000～5 000 K范圍內變化，且在這色溫范圍期間，顯色指數Ra在92以上，最高可達97。在3 000 K左右色溫時，混合光中暖光的比重比較大，從單顆燈的測試結果看暖白光LED(樣品1)的顯色指數最高，所以混色的白光顯色指數接近樣品1。同理，在4 000 K和5 000 K色溫區域，混合光得到的顯色指數都與同色溫下單顆白光LED的顯色指數靠近。同單顆白光LED樣品測試一樣，電流的改變對色參數幾乎沒有影響。從光效來看，可調色溫的白光光效都可達100 lm/W，這與所選的白光LED自身的光效有關。由此可看出全光譜白光LED能夠達到高顯色指數同時滿足高光效，而不會與普通LED一樣出現高顯色指數低光效的情況而造成混合后白光光效的大幅度降低。

因色溫值直接影響到顯色指數的理論計算，在對應同一工作模式下通過matlab編程理論計算的色溫值與實驗值相對誤差小于0.02，如圖7所示。最后看顯色指數的理論計算與實驗測量值的對比曲線圖，如圖8所示。顯色指數的誤差值很小，在±2以內，表明混色后光源的實驗參數與理論計算是吻合的。

圖7 混色后色溫理論計算值與實驗測量值對比Fig.7 The color temperature with theory and experiment after color mixing

圖8 混色后顯色指數理論計算值與實驗測量值對比Fig.8 The color rendering index with theory and experiment after color mixing

3 結論

本文實驗研究了高光效高顯色指數的LED混光技術，采用不同色溫段的全光譜白光LED組合，獲得了高顯色指數且高光效的白光。通過理論計算與實驗測試研究了不同色溫的全光譜白光LED混色前后光效、色溫Tc及顯色指數Ra的變化。實驗采用3 000、4 000 K和5 000 K三種全光譜白光LED樣品進行混色，選取的這類全光譜白光LED，顯色指數達92以上，最高可達98，光效最高可達150 lm/W，電流的改變對單顆白光LED的色度學參數影響不大?；焐^程通過控制工作電流和不同組合方式實現色溫可以在3 000～5 000 K可調，顯色指數Ra可以達到92～97，光效100 lm/W以上。且色溫、顯色指數等色度學參數的理論計算與實驗測量值保持一致。