多基色全光譜白光LED混光研究

吳一新 杜罡 李曉艷

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)，色溫可調(diào)的全光譜白光LED，對(duì)多基色全光譜白光LED混光技術(shù)進(jìn)行研究，基于Ohno單色光模型和光的疊加原理，通過改變多種LED芯片的組合方式（峰值波長(zhǎng)、相對(duì)光功率配比），對(duì)不同色溫區(qū)的混合白光的顯色指數(shù)（Ra）進(jìn)行了仿真計(jì)算和光譜優(yōu)化選擇。結(jié)果表明：在2700～6000K色溫范圍內(nèi)，可以獲得Ra大于88的白光。

關(guān)鍵詞：白光LED；混光；顯色指數(shù)

中圖分類號(hào)：TM923.34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0024-02

Abstract： In order to realize full spectrum white LED with high color rendering index （Ra） and adjustable color temperature， the mixing technology of multi-primary color full-spectrum white LED is studied based on the Ohno monochromatic light model and the superposition principle of light. By changing the combination of various LED chips （peak wavelength， and relative light power ratio）， the color rendering index （Ra） of mixed white light in different color temperature regions was simulated and optimized. The results showed that the white light with Ra greater than 88 could be obtained in the range of 2700～6000 K.

Keywords： white LED； mixed light； color rendering index （Ra）

引言

隨著LED照明的發(fā)展，人們對(duì)它的質(zhì)量、品質(zhì)、服務(wù)等照明總體性能的要求全面提升。體現(xiàn)在光譜上，不是僅需單純的白光而是需要具有各種光色且更接近太陽光的人造光源。為人類提供更高光色品質(zhì)、更舒適健康的照明環(huán)境才是照明技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)。全光譜照明概念提出后，人們一直在致力于開發(fā)高效的全光譜白光LED。目前，業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)白光LED的一種方式是通過改變熒光粉材質(zhì)，增加紅光激發(fā)的紅粉。這種方法雖然提高了顯色性，但紅粉受激發(fā)光譜及溫度的影響很大，在產(chǎn)品使用過程中散發(fā)的熱量使得LED白光的紅白光譜特性發(fā)生改變，降低了光效。另外一種實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)白光LED的方式是多基色LED混光，多基色LED沒有因熒光粉轉(zhuǎn)化而損失能量，更有可能解決高光效及高顯色性的難題。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 顯色性

光源的顯色性越好，說明對(duì)顏色的體現(xiàn)能力越強(qiáng)，所看到的顏色越接近物體的自然原色。光源的顯色性也受到光源光譜功率分布的影響，因?yàn)轱@色指數(shù)值由光源色坐標(biāo)決定，光源的色坐標(biāo)由光源的光譜組成決定。評(píng)價(jià)和計(jì)算光源的顯色性時(shí)需要采用14種樣品色。其中1-8號(hào)的樣品色來自孟塞爾色標(biāo)，是用于計(jì)算一般顯色指數(shù)Ra。9-14號(hào)的樣品色用于計(jì)算特殊顏色顯色指數(shù)Ri。顯色指數(shù)的計(jì)算公式為：

1.2 色溫

色溫是在照明中用于定義光源顏色的一個(gè)物理量，是常用來衡量光源質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)色溫的計(jì)算用到的公式如下：

2 光譜理論模型

一般所說的白光是指太陽光，其光譜包含了從380-780nm范圍的連續(xù)光譜。LED只能發(fā)出單一的色光，為了得到可以發(fā)白光的LED光源，必須要通過混合兩種或者兩種以上色光得到。為了能夠有效的模擬LED光源的光譜，Ohno提出的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)模擬出的光譜與單芯片LED的實(shí)際發(fā)光光譜十分吻合。模型的表達(dá)式為：

3 仿真分析

3.1 藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉+紅光LED混光得到白光LED

傳統(tǒng)的藍(lán)光芯片激發(fā)YAG熒光粉的白光實(shí)現(xiàn)方式，即使不斷改變各混光比，得到的顯色指數(shù)的值都不是很好。如表1所示。

存在這個(gè)問題的原因是因?yàn)樗{(lán)光激發(fā)黃色熒光粉得到的光譜的寬度有限，在得到的混合白光的光譜中缺少紅光成分，所以得到的顯色指數(shù)不是很高。在藍(lán)光芯片YAG熒光粉轉(zhuǎn)換的白光LED中加入紅光，顯色指數(shù)得到明顯改善，如表2所示。

3.2 三基色LED芯片混合白光

將紅色、綠色、藍(lán)色三個(gè)單色LED芯片組合封裝在一起，三色光混合在一起，得到白光LED光源。確定三色的峰值波長(zhǎng)、半波寬度，然后改變?nèi)幕旌媳龋玫讲煌旌媳葧r(shí)，計(jì)算分析白光光源的色溫和顯色指數(shù)。表3給出三色LED的波長(zhǎng)和半波寬度，表4為色溫在2700k到6000K變化時(shí)，獲得大于85顯色指數(shù)時(shí)三色混光的比例。圖1為色溫為4000K，顯色指數(shù)為88時(shí)三色合成白光的光譜圖。

3.3 四基色LED芯片混光

在進(jìn)行四色芯片組合得到白光LED時(shí)，通過控制不同的混光比，獲得顯色指數(shù)大于88的白光。

4 結(jié)束語

本文對(duì)多基色白光LED的色溫可調(diào)和顯色特性進(jìn)行分析，建立仿真模型對(duì)混合白光的色溫，顯色指數(shù)進(jìn)行分析，獲得多基色混光的全光譜白光LED最佳混光比例。仿真結(jié)果表明，在色溫2700～6000K時(shí)，通過合理的選擇峰值波長(zhǎng)、半波寬度，控制混光比例，可以獲得顯色指數(shù)大于88優(yōu)質(zhì)白光。

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