解析LED白光照明灯具中的色散问题

罗晓霞 荣浩磊 曹 钧

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司光环境规划设计研究所，北京 100085)

1 LED照明市场分析

根据照明灯具统计数据［1］，2008年LED照明仅占市场的7%，而2011年LED灯具在项目中的应用就超过了65%，预计在2020年LED将占据市场的75%以上 (见图1)。

图1 LED照明市场应用现状Fig.1 Application of LED lighting market

在所有LED照明灯具中，白光LED灯具的市场份额几乎占据50%［2］，而白光LED照明面临着一系列问题，比如:单颗LED的光通量难以满足普通照明的需求、色差大、稳定性不足等。对不同应用的要求，生产出真正符合设计水平的市场化产品仍然是一个需要关注的问题。本文主要针对白光LED的色差问题进行分析论证，为灯具的生产研发给出建议方向。

2 LED白光色差问题

LED白光灯具的色差问题主要包括边缘黄斑/蓝斑、彩边、混光不均等颜色不均匀现象［3，4］，如图2所示。这种灯具光色的不均匀性，大幅减低了照明质量，也给设计师带来很大的烦恼与不便。目前，随着业主对照明效果的要求越来越高，在灯具选择中，光色均匀性，逐渐列入设计师选用灯具的重要指标之中。

我们知道，一个好的LED灯具，必须具备四个基本条件，即好的LED光源、好的散热设计、相匹配的驱动设计以及合理的光学设计，任意一项的缺陷都会带来灯具各种各样的问题。

图2 LED白光灯具色差现象Fig.2 Color difference of white LED lights

引起白光光色不均匀的原因有很多，上述提到的四个基本要素中，任何一项的不合理都会引起灯具的颜色漂移。其中散热设计和驱动设计是通过影响LED光源的特性，间接引起辐射波长的变化，从而引起光色质量的下降。LED光源和光学设计则是引起光色变化的直接因素。本文针对这两个直接因素，分析总结LED灯具颜色不均匀现象的症结所在。

3 影响因素分析及其解决方案

3.1 LED光源本身的影响

实现白光LED的方法主要有两种［5］:一种是荧光粉转换白光，即利用LED芯片所发出的光激发荧光粉，芯片再与荧光粉发出的光混合形成白光;另一种方法是多芯片型白光，即利用RGB三基色混合制备白光LED。

3.1.1 荧光粉转换法

在荧光粉转换法中，目前市场上普遍采用的是蓝光芯片与黄色荧光粉组合的方式，如图3所示。荧光粉的分布结构是影响色均匀的关键因素［6］，如图4所示。

为了实现颜色一致的光，要求各种结构都要合理控制荧光粉的分布，保障各方向的浓度一致。在保型结构中，则需要注意芯片四周的荧光粉涂覆，否则，蓝色的光线从侧边的四周出来，会有蓝光圈产生;在离散型结构中，荧光粉被均匀的涂敷在反射杯中，由于倾斜方向相对荧光粉浓度比较高，过多的荧光粉剩余，容易产生边缘黄斑现象;远程荧光粉结构在一定程度上可以克服浓度的不均匀分布，但是增加了荧光粉的用量，增大了光源的体积。

图3 荧光粉法产生白光的原理图Fig.3 Principle producing white light using phosphor powder

图4 白光LED制作中常用荧光粉结构Fig.4 Phosphor powder structure in the making of white LED

所有这些因素的影响都对芯片的上游厂家提出更大的挑战，一方面要求LED上游企业提高自身工艺［7］，通过合理调整荧光粉的分布密度，获取品质较好的光源。另一方面，厂家可购置专业的分光分色机，对每个LED光源进行分光分色处理［8］，对LED光源本身光电性能不良的产品进行筛选。灯具厂商在选择光源时，尽可能选择优质光源，也是保证灯具性能的基本前提。

3.1.2 多芯片组合法

另一种白光LED是选用RGB三基色LED芯片进行混合获得，利用RGB三基色芯片混色制作白光LED时，存在色差更为严重的现象［9］。因为三种颜色的LED随着温度、驱动电流变化各异，随时间的衰减速度也不相同。为了保持颜色的一致性，必须增加动态反馈电路，时时调整三基色的配比来获得白光。在这种方法中对控制系统的合理设计变得尤其重要。但是由于目前控制技术不成熟，该种光源的成本较高，市场应用的不多。由于该种方法的可控性较强，随着技术的不断进度，这种产生白光的方法是未来的发展趋势。

图5 多芯片组合法产生白光的原理图Fig.5 Principle producing white light using combined chips

3.2 光学透镜的影响

白光是一种复色光，当复色光在介质中发生折射时，介质对不同波长的光有不同的折射率，各种色光将发生不同程度的偏折而分离，而产生色散现象，如图6所示。

图6 光的色散现象Fig.6 Color dispersion of light

这种由于光的色散产生的彩光现象，可以借助成像光学中的消色差思想对照明透镜进行全新设计。在传统成像光学中，光线的偏折与透镜形状有关，由于光学材料的阿贝数为正值，单片透镜无法消色差，必须采用正负透镜组合才能实现，双胶合透镜是最常用的解决方案，如图7所示。而正负透镜组合会使系统的结构变得复杂，增大系统体积。

衍射结构的色散特性与材料本身无关，只与入射波长相关。因此可以利用衍射面的负色散效应补偿透镜产生的色差。衍射面的色散特性可以解决单片透镜无法校正色差的问题，把衍射光学理论［10］应用到LED非成像光学透镜中，不失为一种优秀的解决方案。

3.2.1 手电筒光学消色差设计

图7 双胶合透镜消色差Fig.7 Double agglutination lens to eliminate the color difference

如图所示为LED手电筒的透镜结构，λ1＞λ2，当含有不同波长的白光经过透镜后，由于不同的折射率会产生分光现象。如果在LED的二次透镜表面加工衍射面即可使长波与短波长光线沿相同方向出射，实现色差校正。

图8 衍射原理消色差Fig.8 Diffraction principle to eliminate the color difference

可见光波段常使用F、d、C三个波长表达，如图9所示。

图9 可见光波段的光谱特性Fig.9 Spectral characteristics of visible light

若想实现消色差，则需满足式 (1)、式(2)［11］:

式中φr、φd分别为折射元件及衍射元件的光焦度，φ为系统的总光焦度，Vr是折射元件的阿贝数，Vd为衍射元件的阿贝数，可以用下式计算:

其中，λF、λd、λC分别是系统接收谱段的长波长、中心波长和短波长;nF、nd、nC分别是光学元件的材料对应上述波长的折射率。

对可见光而言，λF、λd、λC分别对应 486.13nm，587.56nm，656.27nm三个波长。因此，Vd=

透镜材料一般选用PMMA，此时，λF、λd、λC分别为1.4978，1.4918，1.4892，

3.2.2 洗墙类灯具色散现象模拟

在LED洗墙类灯具中，透镜大多采用折射－全反射透镜结构，如图10所示，光线行为更为复杂。本文试图在Matlab中模拟光线的色散现象。选用的透镜结构，初始参数为A=35°，d=4，t=1，h=15，透镜材料选为PMMA，设计透镜满足在500mm实现光斑半径为150mm的均匀照明。

图10 透镜的折射－全反射结构Fig.10 Refraction-diffraction structure of lens

以下为在Matlab中模拟PMMA的色散特性的部分代码。

%PMMA的各项系数

a0=2.1864582;

a1=－2.4475348E－4;

a2=1.4155787E－2;

a3=－4.4329781E－4;

a4=7.7664259E－5;

a5=－2.9936382E－6;

%各色光的波长

b_f=0.48613;

b_d=0.58756;

b_c=0.65627;

%对应波长的折射率

图11 色散现象模拟Fig.11 Simulation of color dispersion

从图11中可以看出，中间折射部分的色散表现效果类似单透镜，边缘全反射部分却正好与之相反，在具体设计时，要考虑两部分光线是否完全独立，光线重叠部分，自身会有一定程度的抵消。在完全独立情况下可按照上述类似方法求解衍射参数。

4 结论

本文对LED白光灯具的色均匀现象进行汇总，主要从两方面分析了引起光色分布不均匀原因，并首次提出将衍射理论应用到非成像光学，给出一种创新性的非成像光学设计思想，推导了手电筒中单透镜消色差计算公式，并对透射－全反射结构的透镜进行了色散的模拟，最后，提出对于复杂透镜结构，需要具体分析光线行为，分类分区域进行衍射的处理。

［1］荣浩磊.照明设计的平衡之道.OFweek半导体照明网，2013.

［2］印琰，杨宝东，朱月华等.白光LED用荧光粉的发展现状.中国照明电器，2009年第3期.

［3］李自力.LED光源及LED灯具的色度空间分布不均匀性.中国LED照明论坛，2011.

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