三通道六色LED合成高品质白光的模拟和计算

金宇章，韩秋漪，张善端

(复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心；复旦大学电光源研究所，上海 200433)



三通道六色LED合成高品质白光的模拟和计算

金宇章，韩秋漪，张善端

(复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心；复旦大学电光源研究所，上海 200433)

综述了近年来LED白光混色技术的最新进展，提出了一种三通道六色白光LED混色方案，并将其与其他三种白光LED混色方案进行比较分析。这种全新的白光LED混色方案的显色指数和R9均大于85，色温调节范围为2000～10000K，与黑体线的色容差小于3，明显优于其他三种方案。

白光LED；混色技术；三通道；模拟

引言

作为新一代白光照明光源，发光二极管(LED)在拥有众多优点的同时，也需要达到高显色性和宽色温调节范围的要求，才能更快地被大众接受和使用，并带来全新的动态照明体验[1]。高显色性保证了灯光对于不同照明对象的色彩还原程度，使物体看起来更接近自然。而宽色温调节范围则是为了适应不同的情景需求，使灯光氛围根据环境功能动态可调[2]。传统的RGB LED三基色混合白光虽然具有较高的辐射光效，但缺少黄光波段，导致显色指数较低，不适用于一般照明用途[3]。而目前市场上主流的白光LED产品普遍使用的技术则是利用蓝光LED(峰值波长为440～480 nm)激发YAG荧光粉，荧光粉吸收蓝光后发出的黄光与透射过荧光粉的部分蓝光混合后产生白光。这种方法有效补充了黄光波段，使得混合后的白光显色指数达到了70以上，甚至80以上[4]。但是，相对于显色指数达到90以上的白炽灯、卤钨灯和陶瓷金卤灯，这种白光LED在还原色彩方面的能力仍显不足。因此，有必要研发新型白光LED，使其在较宽的色温调节范围内保持高显色性，以满足人们对于照明的光品质越来越高的要求。

本文立足于近几年白光LED混色技术的最新进展，结合人们对于白光照明的需求做了以下三部分工作：(1)提出一种三通道六色白光LED混色方案，与其他三种白光LED混色方案做对比；(2)编写VBA程序，对不同混色方案下各发光单元的光成分配比进行遍历仿真；(3)处理、分析仿真数据并比较各个白光混方案的优劣，找出最优的白光混色方案。

1 光谱仿真的理论基础

1.1 谱线轮廓的高斯近似与合成

LED白光光源发出的光辐射都是由各个波长的LED芯片或荧光粉辐射混合而成的。对以多色LED芯片混光，光源的总辐射通量即为各个波长LED的辐射通量之和。光源的相对能量分布曲线反映各个波段的光谱能量比例[5]。

考虑到单个LED的相对光谱分布模型(即谱线轮廓)非常接近于高斯分布，因此以高斯曲线来近似描述具有不同峰值波长和半宽的LED光源的相对能量分布情况[6]。谱线轮廓以高斯分布函数来表示，具体关系式如下：

(1)

式中S(λ)为波长λ处的光谱功率(单位：W)，Yc为中心波长λ0处的光谱功率(单位：W)，λ0为LED光源的中心波长，Δλ为LED光源的半宽。相关研究和计算表明，高斯拟合下的曲线与LED实际光谱分布相关指数达98%以上[7]。因此，使用高斯模型已经基本可以完全代替LED实际光谱。为了计算和仿真的简便性，本文不再探讨其他更为复杂的谱线轮廓的拟合模型。

1.2 (DR+R)+(Y+G)+(B+DB)三通道六色混光方案介绍

三通道六色混光方案包含3组LED光源，每组LED光源包含2个LED单元，每个LED单元提供相应波长、强度的可见光，混合得到高显色性的白光。上述3组LED光源分别发射红光、黄绿光以及蓝光，其中：

(1)红光组LED光源包含1个峰值波长为630 nm的深红色LED单元(DR)和1个峰值波长为615 nm的红色LED单元(R)，两个LED单元的光输出按固定比例混合；

(2)黄绿组LED光源包含1个峰值波长为580 nm的黄色LED单元(Y)和1个峰值波长为540的绿色LED单元(G)，两个LED单元的光输出按固定比例混合；

(3)蓝光组LED光源包含1个峰值波长为480 nm的蓝色LED单元(B)和1个峰值波长为450 nm的深蓝色LED单元(DB)，两个LED单元的光输出按固定比例混合。

上述3组LED光源各有一条控制通道，各条控制通道可以通过调节电流大小以改变各组LED光源的光输出比例。与现有的LED混光方案或系统相比，这种混色方案具有以下优势：

(1)这种可调色温的高显色性白光LED照明系统，采用3组LED光源，每组LED包含2个LED单元，丰富了混合后的白光光谱成分，增大了光谱的波长覆盖范围，不仅能有效提高白光的显色性能，而且能够拓宽色温调节范围。

(2)每组LED光源内部所对应的2个LED单元的光输出比例是恒定的，所以只采用三条控制通道分别对3组LED光源进行驱动以调节这3组光源的光输出比例，因此简化了控制系统，降低了对系统设计的要求。

此三通道六色LED白光混色方案已申请了一项发明专利《一种可调色温的高显色性白光LED照明系统》[8]。

1.3 (DR+R)+(Y+G)+(B+DB)及其他三种混色方案的基本参数

红黄蓝(R+Y+B)三色混光，红绿青蓝(R+G+C+B)四通道四色混光，红橙绿蓝(R+O+G+B)四通道四色混光，及(DR+R)+(Y+G)+(B+DB)三通道六色混光的光谱设定如表1所示。除R+Y+B方案采用了黄色半宽130 nm的荧光粉外，其余方案均采用非荧光粉的全LED芯片。

其中，R+Y+B三色混光采用红色LED(R)、黄色荧光粉(Y)、蓝色LED(B)，此处荧光粉光谱也用高斯模型近似；R+G+C+B四色混光采用红色(R)、绿色(G)、蓝绿色(C)、蓝色(B)LED；R+O+G+B四色混光采用红色(R)、橙色(O)、绿色(G)、蓝色(B)LED；(DR+R)+(Y+G)+(B+DB)六色混光采用深红色(DR)、红色(R)、黄色(Y)、绿色(G)、蓝色(B)、深蓝色(DB)LED。

控制方面，R+Y+B使用三通道控制三色的光输出，R+O+G+B和R+O+G+B分别使用四通道控制四色的光输出，而(DR+R)+(Y+G)+(B+DB)则使用三通道控制六色的光输出。

表1 四种方案的光谱设定Table 1 Center wavelength and the full width of half maximum for the 4 color mixing methods

1.4 色光成分比例的遍历方法

1.4.1 三色、四色遍历

R+Y+B三色混光、R+G+C+B四通道四色混光和R+O+G+B四通道四色混光这三种白光混色方案的遍历方法相同。由于每一个控制通道即对应于一种色光，因此只需循环遍历三种或四种色光的辐射通量比例，即可获得不同的色温及该色温下的光参数。具体遍历方法如下：

(1)以高斯拟合曲线的积分面积对应LED光源的辐射通量。取峰值能量为0.01944 W/nm(此为参考值，因计算只需相对值，取其他值不影响计算结果)，半宽为某单色LED半宽Δλ的高斯曲线的积分面积对应的该LED辐射通量为该单色LED的一个能量单元。

(2)改变各个单色LED的能量单元数而令其总数为定值，即可在一定程度上达到遍历各个单色LED的辐射通量比例的目的。令上述能量单元总数为100，以各个单色LED的能量单元作为该LED辐射通量变化的基本单位，遍历所有可能的能量单元比例。

(3)由于不同颜色LED的半宽Δλ不同，因此不同颜色LED的单个能量单元所代表的辐射能量值并不同。各个单色LED的能量单元比例并不能代表其辐射通量的比例，但两者显然是正相关的。如果需要进一步换算各个单色LED的辐射通量比例，则根据高斯曲线积分面积公式

(2)

可知，由于不同颜色LED能量单元的峰值相同，因此其辐射通量正比于该LED的半宽Δλ。以R+G+C+B为例：若R/G/C/B四色的能量单元比例UR∶UG∶UC∶UB= 10∶20∶30∶40，由表1的谱带半宽，则其辐射通量比例为PR∶PG∶PC∶PB=(UR×ΔλR)∶(UG×ΔλG)∶(UC×ΔλC)∶(UB×ΔλB)= 10∶24∶30∶32。

(4)每改变一次能量单元比例，由色度学公式计算并记录该比例下混合白光的相关色温CCT、显色指数CRI、标准色差SDCM、特殊显色指数R1～R14、辐射光效LER。遍历完所有比例后，可获得2000～10000 K色温范围内所有光谱组合的白光参数。进一步限定CRI、SDCM、R9等光评价指标进行筛选，即可得到典型CCT(如2500, 3000, 3500, …, 10000 K)下的各LED光成分能量单元比例或辐射通量比例及其对应的光评价指标。

1.4.2 六色遍历

(DR+R)+(Y+G)+(B+DB)三通道六色混光的遍历方法略微复杂。三条通道的辐射通量比例遍历方法与上述方法相同，但需要额外针对三组LED光源对其内部的两个LED的辐射通量比例进行遍历，即对其三组能量单元比例(UDR∶UR、UY∶UG、UB∶UDB)进行遍历，以找到最佳的组内LED固定比例。令每一组LED光源内部的两个LED的能量单元总数为10，则其能量单元需要遍历的比例为2∶9、2∶8、3∶7 … 9∶1。通过多重遍历，可以获得在不同的固定比例下(如UDR∶UR= 4∶6且UY∶UG= 4∶6且UB∶UDB= 5∶5时)，2000～10000 K色温范围内所有光谱组合的白光参数。经过数据分析找到一组最佳固定比例，在这个比例下可以达到最佳的CRI、SDCM、R9等评价指标值。确定这组比例后，进一步限定CRI、SDCM、R9等光评价指标进行筛选，即可得到典型CCT(如2500, 3000, 3500K, …, 10000 K)下的三组LED的能量单元比例或辐射通量比例及其对应的光色评价指标。

2 不同混色方案的仿真结果和数据分析

在给出不同混色方案的仿真结果之前，先对六色混光方案的仿真结果进行解释。1.4.2节已经描述过六色混光的遍历问题，即三组LED光源内部的两个LED的能量单元的固定比例需要与三个控制通道的能量单元比例同时遍历，以分别确定三组LED光源的相对光谱。仿真结果显示，当UDR∶UR= 4∶6且UY∶UG= 4∶6且UB∶UDB= 5∶5时，CRI、SDCM、R9等参数呈现最优化结果。因此下文给出的仿真数据中，六色混光部分的数据均为此比例对应的结果。

四种白光混色方案的仿真结果见表2，其中LER为辐射光效，单位为lm/W；(DR+R)+(Y+G)+(B+DB)简写为RRYGBB。

表2 不同色温下四种混色方案的光色参数Table 2 Photometric and colorimetric parameters of the 4 color mixing methods under different CCTs

表2综合了CRI、R9、SDCM、辐射光效，总体而言RRYGBB的混色效果最好，RYB次之，RGCB和ROGB较差。以下对较为重要的CRI和R9两个光参数进行比较分析。

不同色温下四种混色方案的CRI变化如图1所示。显然，RRYGBB方案的CRI总体保持最佳。这得益于它使用了六种颜色的光谱，丰富了混合后的白光光谱成分，增大了光谱的波长覆盖范围，不仅有效提高了白光的显色性能，而且能够拓宽了色温调节范围。而RYB方案得益于其黄色光谱的半宽很大，获得了仅次于RRYBBB的CRI表现，但在低色温端表现不佳。ROGB与RGCB方案的CRI表现较差，但RGCB方案在高色温段表现稍好，原因是其短波光谱由450 nm和495 nm两种光谱组成，光谱成分较为丰富。

不同色温下四种混色方案的R9变化如图2所示。由图可见，RRYGBB方案在整个色温变化范围内的R9值相当稳定，保持在85以上。而其他几种白光方案的R9值波动范围较大表现均不佳。

图1 不同色温下四种混色方案的显色指数Fig.1 CRI under different CCTs

图2 不同色温下四种混色方案的R9Fig.2 R9 under different CCTs

图3 不同色温下四种混色方案的SDCMFig.3 SDCM under different CCTs

图4 不同色温下四种混色方案辐射光效Fig.4 LER under different CCTs

不同色温下四种混色方案的SDCM变化如图3所示。SDCM值的变化与色温变化没有必然规律，但由于RRYGBB方案的光谱较为丰富，因此较容易在获得高CRI的同时把SDCM值控制在较小的数值(SDCM < 3)。

不同色温下四种混色方案的辐射光效变化如图4所示。辐射光效随色温的升高呈明显的下降趋势。ROGB方案的辐射光效总体保持最佳，而RYB方案的辐射光效总体最差。以2500 K为例，RYB方案的辐射光效为318 lm/W，而ROGB方案的辐射光效达到409 lm/W，两者相差91 lm/W。由此可见，在色温一定时，通过改变光谱组合来提高辐射光效是可能的，但是需要在CRI与辐射光效之间有所权衡。

根据上述分析可知，(DR+R)+(Y+G)+(B+DB)三通道六色混光方案在综合考量下明显优于其他三种方案，其具体色度学特征为：色温范围2000～10000 K；在整个色温范围内保持CRI≥85，SDCM≤3，R9≥85；辐射光效最高值369 lm/W(色温2495 K)，最低值292.1(色温9555 K)。

为了使得光谱特征的表达更为直观和清晰，这里给出RRYGBB方案在不同预设色温下的相对光谱曲线以作参考，如图5～图12所示。

图5 2500K相对光谱曲线Fig.5 Spectrum under 2500 K

图6 3000K相对光谱曲线Fig.6 Spectrum under 3000 K

图7 4000K相对光谱曲线Fig.7 Spectrum under 4000 K

图8 5000K相对光谱曲线Fig.8 Spectrum under 5000 K

图9 6000K相对光谱曲线Fig.9 Spectrum under 6000 K

图10 7000K相对光谱曲线Fig.10 Spectrum under 7000 K

图11 8000K相对光谱曲线Fig.11 Spectrum under 8000 K

图12 9500K相对光谱曲线Fig.12 Spectrum under 9500 K

3 已有技术的不足及未来的研究方向

虽然本文所提出的混色技术对于所选定波长的六色LED单元而言是最优方案，但是如果LED的选定波长发生改变，每组LED中最优的固定比例也需要重新计算。为了找出最完美的选定波长组合以及相匹配的最优固定比例，不仅需要遍历LED的选定波长，还需要遍历它们相应的固定比例，进而从亿万种遍历结果中筛选出最优方案。白光LED混色技术很多研究工作仍有待开展。

[1] 苏治平, 陈宇, 郭春威, 等. 多基色白光LED的配色研究[J]. 半导体光电, 2013, 34(6): 971-974.

[2] Doughty D A, Duggal A R, Liu Y S. Light-emitting diode white light source [P]. US 5851063, 1998-12-22.

[3] Moussa M, Durand P. Creating tunable white light with high color rendering index using color mixing [J]. LED Journal, 2009,(3/4): 22-25.

[4] 刘康, 郭震宁, 林介本, 等. 高亮度白光LED混色理论及其实验研究[J]. 照明工程学报, 2012, 23(1): 51-57.

[5] 刘康, 郭震宁, 林介本. 高亮度白光LED色温动态可调及显色指数的研究[J].半导体光电, 2012, 33(3): 357-360.

[6] Zhang M H, Chen Y, He G X. Color temperature tunable white-light LED cluster with extrahigh color rendering index [J/OL]. The Scientific World Journal, 2014:897960[2014-22-1].http://dx.doi.org/10.1155/2014/897960.

[7] 顾晓玲, 郭霞, 林巧明, 等. 两基色、三基色和荧光粉转换白光LED配色研究[J]. 固体电子学研究与进展, 2008, 28(4): 532-536.

[8] 张善端, 韩秋漪, 金宇章, 等. 一种可调色温的高显色性白光LED照明系统:201410316021.4[P].2014-07-04.

Simulation and Calculation of High Quality White Light Mixed with Three Channels and Six Color LEDs

Jin Yuzhang, Han Qiuyi, Zhang Shanduan

(EngineeringResearchCentreofAdvancedLightingTechnology,MinistryofEducation;InstituteforElectricLightSources,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

This paper reviewed the latest progress of LED white-light mixing technology, and on the basis of these achievements proposed a 3-channel white-light mixing solution with 6 LEDs, and compared it with the other 3 kinds of white-light mixing solutions. This brand new white-light mixing solution boasts a CRI and R9 higher than 85, a CCT adjustable range of 2000～10000 K and a SDCM with the Planckian locus less than 3, which is obviously advantageous over the other solutions.

white light LED; color mixing; three channels; simulation

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.012