LED光源的颜色——LED知的识（七）

施克孝

（中广国际建筑设计研究院，北京 100034）

1 加色法与减色法

在谈到LED光源颜色的时候，经常有人说“LED光源是加法，换色器是减法”。

颜色真的有加法和减法吗？在色度学中，确实有相加混色法，简称加色法，也有相减混色法，简称减色法。

在加色法中，两种光源的颜色按不同比例相加（共同照射在白色背景上），会产生各种新的颜色。前文已述，两种颜色的混合比例决定新颜色的色调及饱和度，即色度，新颜色的亮度是两种颜色的亮度和。如图1所示，图中的红光和绿光相加（红、绿重叠的部分）得到黄光，黄光的亮度等于红光与绿光的亮度和，如果用照度表去测黄光区域的照度，它也是红光与绿光的照度和。同理，红色和蓝色相加得到品红色，蓝色和绿色相加得到青色，红、绿、蓝三色相加得到白色。

加色法又分光谱混色法、空间混色法、时间混色法和生理混色法等。影视、舞台灯光中的颜色光，就是光谱混色法。彩色电视接收机的显示器是空间混色法。彩色电视接收机显示器的屏幕由很多小光点组成，三个点为一组，三个点分别是红、绿、蓝三基色，三基色的比例不同，就可以得到各种各样的颜色。只要小点足够小，小点间的距离足够近，眼睛就看不出小点，看到的就是一幅连续的彩色画面。

彩色电影、彩色印刷及灯光常用的滤色片、换色器等采用减色法。所谓减色法就是从白光或复合光中减去某种或某些色光而得到另一种色光的方法。例如，电脑灯光源前的红色滤色片，就是白光通过滤色片时，只透过红光，滤掉了其他光谱，即从白光中减掉了红光以外的其他光，所以称为减色法。例如麦秆黄（旋丽彩色灯光滤色片，N0512）滤色片的透光率为69.8%，就是说，不加滤色片时测试点的照度如果是1 000 lx，加麦秆黄滤色片后，同样地点的照度就变成698 lx；如果是深蓝（旋丽彩色灯光滤色片，N0802）滤色片，它的透光率只有18.5%，那么，同样是1 000 lx的白光，加深蓝滤色片后就变成了185 lx，这个损失是很大的。从这个角度讲，减色法中光的能量损失很大，而加色法具有突出的优点。LED多色光源除本身发光效率高以外，采用加色法比换色器的减色法大大节约了能源。

图1 三原色相加

2 LED的发光颜色

LED的发光颜色、发光效率与制作LED的材料和制作工艺有关。目前已经可以制作出各种颜色的LED光源，其中使用最广泛的颜色有红、绿、蓝、白、琥珀色等多种颜色。

不同的材料可以产生不同波长的光子。前面已经说过，波长不同，颜色也就不同。历史上， LED光源使用的第一种材料是砷化镓，其发出的光线为红外线。另一种常用的LED材料为磷化镓，其发出的光线为绿光。通常，把用GaAs（砷化镓，改进制作工艺后可发红光）、GaP（磷化镓，发绿光）、GaN（氮化镓，发蓝光）这些用两种元素生产的LED称为二元素LED；把Ga、As、P三种元素生产的LED称为三元素LED；而目前最新的工艺是用混合铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）、氮（N）四种元素生产的LED，称为四元素LED。四元素LED的颜色可以涵盖所有可见光及部分紫外线的光谱范围。

在许多功能性照明中，都需要白光，影视、舞台行业尤其如此。特别是人物光，不但需要白光，而且对光源的色温及显色指数还有要求。严格地讲，人物光、话剧舞台的场景光等对光源光谱的连续性、光谱的分布都有很苛刻的要求。

3 实现白光LED的方法

虽然上个世纪60年代就生产出LED光源，但一直到1998年，白光LED才开发成功。这种LED是将发蓝光的GaN芯片和YAG（钇铝石榴石）荧光粉封装在一起做成的。GaN发蓝光，它的主波长是465 nm，该蓝光的一部分激发YAG荧光粉发出黄光。蓝光与黄光是互补色，它们相加得到白光，如图2所示。

现在，通过改变YAG荧光粉的化学组成及调节荧光粉层的厚度，可以获得不同色温（2 700 K～8 000 K）的白光。目前，采用这种方法制造的白光LED已实现批量生产。影视照明灯具中用得最多的就是这种白光LED。这种白光LED，荧光粉的质量是影响光源色温、显色指数及寿命的重要因素。

另外，用多芯片LED也可以形成白光。如图1所示，分别用红光LED、绿光LED、蓝光LED封装在一起产生白光。这种方法还可以分别调节红、绿、蓝三色光的比例得到各种色光。这种方法可以得到最高的发光效率，但也存在一些问题，就是各个色光的驱动电流和温度变化时，会导致各个色光发光不一致，同时，随着时间的延长，光通量的衰减速度也不相同。此外，散热问题比较突出，生产成本居高不下。

还有一种方法也可以得到白光，那就是用发紫外线的LED激发三基色荧光粉得到白光。其特点是光谱的可见光部分完全由荧光粉产生，白光比较纯正。不过，它的电光转换效率较低，同时封装材料在紫外线的照射下容易老化，寿命较短，也存在紫外线泄露的隐患。

在影视灯具中，目前用得最多的是在一台灯具中安排多颗1 W 、3 W或5 W的LED光源，按一定比例选用红、绿、蓝、白4种颜色或红、绿、蓝、白、琥珀色5种颜色。这种灯具的好处是各色光可以分别控制，从而可得到丰富多彩的颜色。缺点是用单色光时，只有一部分光源工作，所以照度较低。还有的厂家在一个灯具中安装7色LED光源，由于它色域更广，显色就会更好一些。当然，造价也就更高。最近，飞利浦公司推出一款130 W的LED灯具，最大特点是使用的4色（红、绿、蓝、白）芯片尺寸很小（4色总发光面积小于10 × 10 mm2），接近点光源，光路设计合理，光斑质量好，光通利用率高。由于采用光子晶格技术从LED高效导出光，再由光导管导出并混色，所以，灯具效率高，混色效果好，即使距离灯具很近，也看不出色彩不均匀的现象。

白光LED具有许多诱人的优点，但它要想成为功能性照明，特别是影视、舞台照明的主角，还要攻克一些技术难题，例如，LED的显色性、光效、寿命还有待进一步提高，而成本应大幅度下降。

4 光谱分布与LED光源的显色性

物体色除本身的反射特性外，还直接受光源的光谱分布的影响。可以这样说，从光源的光谱分布就可以很便捷地看出各种物体色的显色效果。

光源可以用色温、显色指数、色度图坐标、光谱分布来表述，光源的参数，特别是光谱分布这个参数，不但说明“自己”，还在一定程度上说明“物体色”。光源相对能量较高的波长部分，物体色就较明亮；相对能量较低的波长部分，物体色就显得暗淡。

以下是几种光源的光谱分布对物体颜色的影响。

（1）很长一段时间，我国的路灯都是汞灯（俗称“水银灯”），光谱分布见图3，由于它的光谱以蓝光、绿光为主（红光很少），所以，偏红的颜色显色性很差，汞灯下人的肤色发青，很难看。

（2）上世纪70年代中期以后，我国的路灯逐渐换成了高压钠灯。高压钠灯的光效较汞灯提高了很多，路面亮了很多，但它以黄色光谱为主，如图4所示。由于钠灯缺少蓝光，所以，各种蓝色的物体（例如各种蓝色及深冷色调颜色的汽车）在高压钠灯下就看不清楚。

（3）图5是卤钨灯的光谱分布。由于卤钨灯的显色性接近日光，因此，它一直是影视、舞台照明光源的主角。与日光比较，它相对红光较多，蓝光较少，所以，在卤钨灯下，看肉色就显得红一些，看蓝色就没有在日光下鲜艳。另外，它的光效较低，不节能，肯定要被光效更高、显色性好的新光源代替，这只是个时间问题。

（4）图6是日光的光谱分布，它在可见光的范围内基本上是均匀的，接近“等能量分布”。之所以把日光的显色指数定义为100，就是因为我们长期生活在日光下，接受了日光下的各种颜色，认为各种物体的颜色在日光下“最正”。

（5）在追求高光效的同时，提高显色性，以满足影视、舞台对光源高显色性的要求，是LED光源的一个重要的发展方向。

要提高LED光源的显色性，就要向日光、向等能量分布“看齐”。目前的LED光源，不管哪种白光LED光源，光谱分布都不同程度存在“高峰”和“谷地”，本文中图2是双色白光LED光源的光谱分布图，图7是三基色白光LED光源的光谱分布图。可以说，LED光源要提高显色指数，就要削“峰”填“谷”，向等能量分布发展。

如图8所示，同样是蓝光激发荧光粉得到黄光，蓝光加黄光得到白光，绿色曲线是改进前的光谱分布曲线，粉色曲线是改进后的光谱分布曲线。从粉色曲线可以看出，黄光部分变宽了，而“低谷”抬高了一些，这样做就提高了显色指数。粉色曲线如在不降低黄色光谱成分的前提下，蓝光峰值再低一些光谱分布会更合理一些。

图9是七色白光LED的光谱分布曲线。从图中可以看出，虽然色域宽了，光谱分布改善了，但仍有明显的“高峰”与“低谷”。只要有“高峰”与“低谷”，“高峰”处的物体色就显得较为明亮，“低谷”处的物体色就会相对暗淡。LED光源的颜色取决于制作它的材料，如果能找到三色（红、绿、蓝）LED材料的主波长（光谱分布的最高点）符合用户的不同要求，且每种颜色覆盖的宽度足够大（例如每种颜色的波长变化接近余弦分布），就可以使整个光谱分布比较平齐，光源的显色性也就会大大提高。

当然，对LED光源而言，如果显色指数高，光效也高是最理想的。事实上，目前二者往往是矛盾的。光效高了，就要牺牲一些显色指数；显色指数高了，光效往往就难以做得很高。在显色指数满足使用要求的前提下，尽量追求高光效是一个不错的选择。