高显指LED灯具的研究与开发

万 欢，陈建昌，曾 平，洪芸芸

(1. 中节能晶和照明有限公司，江西 南昌 330096；2.江西省建筑设计研究总院，江西 南昌 330000)

高显指LED灯具的研究与开发

万 欢1，陈建昌2，曾 平1，洪芸芸1

(1. 中节能晶和照明有限公司，江西 南昌 330096；2.江西省建筑设计研究总院，江西 南昌 330000)

目前市场上使用的白光LED大部分是使用蓝光芯片激发黄色荧光粉这一传统方式获得，虽然这种LED制作工艺成熟、成本低、光效高，但显色指数并不理想，不能满足优质照明要求。本文提出一种提高灯具显色指数的新方法，在常规白光LED中加入红光LED提升白光光谱中的红光成分，加入绿光LED提升混光系统的光色品质。通过实验找到混光系统显指最高且光色品质最佳时的光通量比例为ΦW∶ΦR∶ΦG=7.12∶1∶1。运用此方法，开发一款3 500 K色温高显指(90以上)灯具。与其他方法相比，本方案更易于实现，为高显色性高光色品质的照明灯具研究提供了新的思路。

显色指数；光色品质；混光；LED

引言

光源对物体颜色的还原能力称为显色性，色度学中将黑体(日光)或标准照明体D作为参照光源，将其显色指数定义为100[1-3]。目前使用最广泛的白光LED技术是蓝光芯片激发YAG黄色荧光粉技术[4-6]，但是YAG黄色荧光粉发射光谱不够宽，缺少红光成分，白光LED色温偏高、显色指数偏低，难以满足优质照明要求[7]。一般做法是在LED中加入红色荧光粉[8]，具体为加入氮化物红粉或硫化物红粉，硫化物红粉由于化学性质不稳定易与封装材料起化学反应，所以并不常用[9]。氮化物红粉虽然化学性质稳定，但其激发光谱几乎覆盖了整个黄绿波段导致白光光效下降[10]。

为解决以上问题，本文将白光LED中加入红光LED增加光谱中红光成分，同时加入绿光LED提升混光光色品质，得到高显指高光色品质的白光。

1 理论依据

CIE推荐定量评价光源显色性的“测验色”法规定用黑体或标准照明体D作为参考光源，将其显色指数定为100，并规定了若干测试用的标准颜色样品；通过在参照光源下和待测光源下对标准样品形成的色差，评定待测光源显色指数，用显色指数值来表示。光源对某一种标准样品的显色指数称为特殊显色指数Ri[11-13]。

(1)

式中，ΔEi为在参照光源下和待测光源下样品的色差。

光源对待定8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra。

(2)

光源的显色指数由光源的光谱组成唯一决定，混合光的光谱组成S(λ)是各色光光谱辐射功率Sn(λ)叠加的结果，反映在光度学中即是各光色光通量配比an的结果。

(3)

同时各光色混合需通过调节不同光色的光通量比例来控制混光光色色品坐标。此方法遵循格拉斯曼定律：若任何两个非补色相混合，便产生中间色，中间色的色调及饱和度随着这两种颜色的色调及相对数量不同而变化；颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否相同，在颜色混合中具有相同的效果。即凡是在视觉上相同的颜色都是等效的；混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色光的亮度的总和。

要通过单色光混合计算得到混合光色品坐标需先计算单色光的色品坐标，单色光的色品坐标由各光色的三刺激值决定。CIE色度系统三刺激值为

(4)

式中，积分范围在可见光波段范围内。实际计算用求和来近似积分。

(5)

式中，φ(λ)为发光物体辐射的相对光谱功率分布。常数k为归一化系数，对自发光体是将光源的Y指调整到100，即

(6)

计算出物体的颜色的三刺激值后，可计算出单色光的色品坐标：

(7)

当得到两种光色的色品坐标和亮度值后，混合色的色品坐标便可计算得到。

混合色与已知色的色品坐标之间没有线性叠加关系。混合色与已知色的三刺激值之间才存在着线性叠加关系。

混合色的三刺激值：

(8)

式中，X1，Y1，Z1，X2，Y2，Z2为用于混合的两种已知颜色的三刺激值。

上式可推广至更多种颜色相加混合，只要已知各个颜色的三刺激值，便可求得混合色的三刺激值。

当已知颜色的色品坐标x，y及亮度Y时也可用下式求得颜色的三刺激值。

(9)

求出的混合色的三刺激值和色品坐标代表了混合色的色度特性。在其他计算中混合色又可作为单独颜色处理。

2 实验与分析

光源显色指数及色品坐标等色品参数由光源光谱唯一决定，本实验首先向白光LED中加入缺失的红光，研究红光LED光谱的加入对白光LED显色指数及色品的影响。

白光光源选取由447nm蓝光LED激发YAG黄色荧光粉得到的高光效LED，记为光源W，W光源相关色温为5 048K，显指70.1、一般显色指数R9=-36、色品落点(0.345 6，0.373 2)；红光LED标记为R，R光源的峰值波长为631.6nm、半波宽14.8nm、色品落点(0.693 6，0.305 7)。W及R光源的相对辐射功率光谱分布如图1和图2所示。

图1 白光W相对光谱Fig.1 Relative intensity of white LED(W)

图2 红光R相对光谱Fig.2 Relative intensity of Red LED(R)

由格拉斯曼定律可知：两种光色相混合，混合光色的色品落点、色温、显指等色品参数由两种光色组成混合光的光谱决定即由两种光色的光通量比值决定。表1列出混合光色品参数随W和R光源光通量比例变化而变化的实验测试数据，图3为根据表1得到的混合光显指随白光W与红光R光通量比例变化趋势图。

由表1及图3可知：红光的加入，混光显指明显提升，由70CRI快速提升到85CRI以上；混合光色中随着光源R光通量比例的增加，混光光色显色指数呈现先增加后减小的趋势；当ΦW∶ΦR=7.12∶1时，混光系统显色指数最高为91.6；混光色温随着R光通量的增加而减小。当使用光谱成分不同的白光LED光源为实验对象时得到的最高显指对应的光通量比例不同，但显指随光通量比例变化趋势相同。

表1 W与R混光色品参数

图3 不同光通量比例的W与R对Ra的影响Fig.3 Dependance of Ra on different proportions of W and R luminous flux

将表1中各比例下W、R混合光色品落点反映在色品坐标图4中。由图4可知：所有的色品落点均在ANSI固态照明标准定义色区范围(7步椭圆)以外，此时的色品落点均在普朗克曲线下方。而理想的室内照明灯具光色色品落点是在3步麦克亚当椭圆以内，可见表1中混光显指虽然表现优异，但偏离黑体曲线不适合功能性照明灯具使用。要得到高显指高品质的光色需将混合光的色品坐标拉升使其落在3步麦克亚当椭圆以内。

图4 W及R混光色品落点Fig.4 Chromaticity coordinates of white and red light mixing

图5为白光W与红光R在CIE1931色品坐标图中的色品落点。W与R相混合，其混合光色品落点位于两者的连线上，由图5可知，此连线位于普朗克曲线下方。在可见光中绿光色品区域位于CIE1931色品图上方，同时绿光波长接近最大光谱光效视能波长555nm，拥有较高的光效视能，绿光的加入可提升混光系统的Y轴使混光色品接近黑体辐射的普朗克曲线，提升混光系统的光色品质，同时绿光的加入可提升混光系统的整体光效。

图5 W、R、G在CIE1931色品图中落点Fig.5 Chromaticity coordinates of W,Rand G

图6 绿光LED相对光谱Fig.6 Relative intensity of green LED(G)

将绿光G加入混光系统，研究绿光加入对混光系统显指及色品的影响。使用的G光源峰值波长526nm，半波宽36.6nm，色品落点(0.170 6，0.710 1)，相对功率光谱分布如图6所示。

固定混光系统中红光光通量比例，调整白光和绿光光通量，观察在白光光通量与红光光通量比例不同情况下，绿光对混光系统色品参数的影响。将ΦW∶ΦR的比值设为K，在每个K值下调整绿光G的光通量比例，由0开始逐步增加。图7为不同K值下，绿光光通量逐步增加，混光系统显色指数Ra的变化趋势图。图8为随绿光光通量逐步增加，混光光色色品落点变化图。

图7 不同光通量比例的W、R、G对Ra的影响Fig.7 Dependance of Ra on different proportions of W,R and G luminous flux

图8 W、R、G混光色品落点Fig.8 Chromaticity coordinates of W,G and R light mixing

由图7可知：随着绿光光通量逐步增加，混光系统显指呈现下降趋势，且在不同K值下曲线斜率大致相同，即ΦW∶ΦR数值不同时，随着绿光的加入系统显指都呈现下降趋势，且下降速率大致相同。由此可见，绿光的加入会降低混光系统的显色指数，绿光的光通量比例越高，混光系统的显色指数越低。由图8可知：随着绿光光通量比例的增加，混光色品坐标逐渐提升，由位于普朗克曲线下方到接近普朗克曲线最后偏向曲线上方。

由以上实验可知：红光LED光谱的加入补充了白光LED光谱中缺失的红光成分，可以大大提升系统显色指数，但显色指数随红光成分的增加存在极值，且红光LED成分的加入会使混光色品坐标偏离普朗克曲线；绿光LED加入可以提升混光系统色品坐标的Y轴，使混光色品坐标落在白光区域3步麦克亚当椭圆以内，绿光的加入会少量降低系统显色指数，加入的绿光成分越多系统显指越低。可见，要得到高显指高品质的混光，需要确定白光、红光、绿光的最优光通量比例值，最终使混光显指最高的同时色品落点位于3步椭圆以内。本文以开发3 500 K相关色温高显指灯具为例说明确定各款光源光通量比例的方法。

3 高显指灯具开发

对于实际功能性照明灯具，在C78.377固态照明产品色度指标中指定了8个标称CCT值(2 700 K、3 000 K、3 500 K、4 000 K、4 500 K、5 000 K、5 700 K、6 500 K)。所有的固态照明产品色温需在指定的色温范围之内。本文以制作3 500 K目标色温范围灯具为例，说明使用白光、红光、绿光LED开发高显指灯具的方法。

各色光源色品坐标的选择及光通量的配比最终决定混光的色品落点及显色指数等光电参数。3 500 K色温范围中心点坐标为(0.4073，0.3917)，本文使用各色光源参数如下：

白光LED：150 mA下光通量Φw=118.3 lm、光效131.69 lm/W、辐射功率898.4 mW、色品坐标xw=0.376 9，yw=0.373 4、相关色温4 055K、显色指数71.5、R9=-19。

红光LED：350 mA下光通量ΦR=71.43 lm、光效97.77 lm/W、辐射功率361.8 mW、色品坐标xR=0.678 5，yR=0.321 3、峰值波长632.9 nm、半波宽15.4 nm。

绿光LED：350 mA下光通量ΦG=110.3 lm、光效105.41 lm/W、辐射功率1 047 mW、色品坐标xG=0.162 8，yG=0.696 6、峰值波长518.8 nm、半波宽36.5 nm。

首先测试白光与红光相混合数据，找到显色指数最高时对应的白光光通量与红光光通量的比值为ΦW∶ΦR=7.12∶1。由此可计算，白光LED、红光LED相混合后在此光通量比例下，混光三刺激值和色品坐标。

由式(9)可知：白光三刺激值为

(10)

红光三刺激值为

(11)

由式(8)可知：白光红光混色三刺激值为

(12)

由式(7)可知：白光红光混光色品坐标为

(13)

白光与红光的混光与绿光进行配比可计算三色混合光的三刺激值及色品坐标。

由式(9)可知：绿光三刺激值为

(14)

由式(8)可知：白光、红光、绿光混合色三刺激值为

(15)

由式(7)可知：白光、红光、绿光混合色色品坐标为

(16)

根据C78.377固态照明产品色度指标白光、红光、绿光混合光色品坐标需与3 500K色区范围中心点相近。

则可设

(17)

将式(16)代入式(17)解得

YG1=0.753 6,YG2=1.297 9

所以，绿光比例Y需在(0.753 6，1.297 9)之间取值。本文将绿光比例取值为1，则由式(7)混光色品坐标计算得(0.403 6，0.386 2)。将混光落点反映在色品坐标中如图9所示，混光色品坐标落在3 500K3步椭圆以内。由此确定三款光源比例为ΦW∶ΦR∶ΦG=7.12∶1∶1。

图9 混光色品落点Fig.9 Chromaticity coordinates oflight mixing

确定各光色光通量比例后，综合考虑各款光源电流电压与光通量关系及灯具线路板串并方式，确定各款光源的数量及排布方式。图10为样品灯具灯板，图11为样品灯具在480 mA输入电流下的光谱分布图。

图10 高显指灯具灯板Fig.10 Light board of high CRI lamp

图11 480 mA电流下样品灯具光谱分布Fig.11 Spectral distribution on 480 mA of lamp

样品灯具实测光电参数为：

电流I=0.48 A、电压U=17.6 V、功率P=8.5 W、光通量Φ=915 lm、光效η=108 m/W、色品坐标x=0.406 4，y=0.394 2，相关色温CCT=3 505 K、显色指数Ra=90、R9=95。

对样品灯具进行老化，老化电流480 mA、Ts温度55 ℃，测试灯具光通量维持率及色漂移Δu′v′，老化数据如表2所示。由表2可知：通过此方法开发的LED灯具光衰小，光通维持率满足要求，同时色漂移量Δu′v′远远小于0.007的色漂移限制，光通量及光色拥有良好的稳定性，完全满足室内照明对高品质光色的要求。

表2 样品灯具老化数据

4 结论

将市场上的常规白光LED与红光LED进行混光，红光LED的加入补充了白光LED光谱中缺失的红光成分，显色指数由70CRI提升到90CRI以上。随着光源R光通量比例的增加，混光光色显色指数呈现先增加后减小的趋势；当ΦW∶ΦR=7.12∶1时，混光系统显色指数最高为91.6，且红光LED成分的加入会使混光色品坐标偏离普朗克曲线。当使用光谱成分不同的白光LED光源为实验对象时得到的最高显指对应的光通量比例不同，但显指随光通量比例变化趋势相同。绿光LED的加入提升了混光系统色品坐标的Y轴，使混光色品坐标落在白光区域3步麦克亚当椭圆以内，但绿光加入会适量降低系统显色指数。当ΦW∶ΦR∶ΦG=7.12∶1∶1时，混光系统显指最高且光色品质最好。以开发3 500 K相关色温高显指灯具为例，选取ΦW∶ΦR∶ΦG=7.12∶1∶1时可得到色温3 500 K、显色指数Ra=90、特殊显色指数R9=95色品落点位于3步椭圆以内的白光。此光色可以完全满足现室内照明对高品质光色的要求。通过老化数据可知：由此方法开发的LED灯具光衰小，光通维持率满足要求，同时色漂移量Δu′v′远远小于0.007的色漂移限制，光通量及光色拥有良好的稳定性。与单色光混光系统相比，采用白光LED与红光LED、绿光LED的混光系统，由于白光LED光谱范围较宽，与单色光(红光、绿光等)搭配使用具有较好的容错性，能够弥补单色光光衰不一致带来的色漂移等缺陷，大大提高混光系统的光色稳定性。此方法完全可以在灯具应用端实现，规避了高显指LED灯具在LED上游芯片及封装端工艺上的制约，使LED灯具应用端开发高显指灯具有更多自主性的同时，大大降低了高显指灯具的开发成本，为照明灯具高显色性高光色品质的研究提供了新的思路。

致谢：感谢中节能晶和照明有限公司对本研究提供的资金支持，感谢研发人员和实验室技术人员对本研究提供的技术支持。

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Study and Develop of High Color Rendering Index of LED Lamp

WAN Huan1， CHEN Jianchang2, ZENG Ping1， HONG Yunyun1

(1.China Energy Conservation and Environmental Protection Group Latticelighting Co.,Ltd, Nanchang 330096, China;2.JiangxiProvinceArchitecturalDesign&ResearchGeneralInstitute,Nanchang330000,China)

Most white LED in the market uses a blue chip and a yellow-emitting yttrium aluminum garnet (YAG) phosphor. This kind of LED is mature in production process, with low consumption and high efficiency. However, its color rendering index (CRI) is low due to the deficiency in red spectral components. Thus, it could not satisfy the requirements of quality lighting. This paper presents a new method to improve the color rendering index of LED lamp. White LED and red LED light are mixed to enhance the red component of the white light spectrum, and green LED light is added to enhance the quality of the light mixing. Experiment results show that the flux ration of light mixing system with the highest CRI and the best quality isΦW∶ΦR∶ΦG=7.12∶1∶1. In addition, using the method, the lamp with color temperature at 3 500 K and high color rendering index (above 90) was developed. Compared with other methods, this program is easier to be implemented. This result may provide some guidance for the design of LED lamps with high CRI and photochromic quality.

color rendering index; photochromic quality; light mixing; LED

国家863计划“新型低成本硅衬底LED光源模组技术研究”(2015AA03A102)

TN312.8

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.016