多基色全光谱白光LED混光研究

吴一新 杜罡 李晓艳

摘 要：为了实现高显色指数，色温可调的全光谱白光LED，对多基色全光谱白光LED混光技术进行研究，基于Ohno单色光模型和光的叠加原理，通过改变多种LED芯片的组合方式（峰值波长、相对光功率配比），对不同色温区的混合白光的显色指数（Ra）进行了仿真计算和光谱优化选择。结果表明：在2700～6000K色温范围内，可以获得Ra大于88的白光。

关键词：白光LED；混光；显色指数

中图分类号：TM923.34 文献标志码：A 文章编号：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

隨着LED照明的发展，人们对它的质量、品质、服务等照明总体性能的要求全面提升。体现在光谱上，不是仅需单纯的白光而是需要具有各种光色且更接近太阳光的人造光源。为人类提供更高光色品质、更舒适健康的照明环境才是照明技术发展的主流趋势。全光谱照明概念提出后，人们一直在致力于开发高效的全光谱白光LED。目前，业内实现高显色指数白光LED的一种方式是通过改变荧光粉材质，增加红光激发的红粉。这种方法虽然提高了显色性，但红粉受激发光谱及温度的影响很大，在产品使用过程中散发的热量使得LED白光的红白光谱特性发生改变，降低了光效。另外一种实现高显色指数白光LED的方式是多基色LED混光，多基色LED没有因荧光粉转化而损失能量，更有可能解决高光效及高显色性的难题。

1 评价方法

1.1 显色性

光源的显色性越好，说明对颜色的体现能力越强，所看到的颜色越接近物体的自然原色。光源的显色性也受到光源光谱功率分布的影响，因为显色指数值由光源色坐标决定，光源的色坐标由光源的光谱组成决定。评价和计算光源的显色性时需要采用14种样品色。其中1-8号的样品色来自孟塞尔色标，是用于计算一般显色指数Ra。9-14号的样品色用于计算特殊颜色显色指数Ri。显色指数的计算公式为：

1.2 色温

色温是在照明中用于定义光源颜色的一个物理量，是常用来衡量光源质量的标准。对色温的计算用到的公式如下：

2 光谱理论模型

一般所说的白光是指太阳光，其光谱包含了从380-780nm范围的连续光谱。LED只能发出单一的色光，为了得到可以发白光的LED光源，必须要通过混合两种或者两种以上色光得到。为了能够有效的模拟LED光源的光谱，Ohno提出的数学模型经过实验验证发现模拟出的光谱与单芯片LED的实际发光光谱十分吻合。模型的表达式为：

3 仿真分析

3.1 蓝光激发黄色荧光粉+红光LED混光得到白光LED

传统的蓝光芯片激发YAG荧光粉的白光实现方式，即使不断改变各混光比，得到的显色指数的值都不是很好。如表1所示。

存在这个问题的原因是因为蓝光激发黄色荧光粉得到的光谱的宽度有限，在得到的混合白光的光谱中缺少红光成分，所以得到的显色指数不是很高。在蓝光芯片YAG荧光粉转换的白光LED中加入红光，显色指数得到明显改善，如表2所示。

3.2 三基色LED芯片混合白光

将红色、绿色、蓝色三个单色LED芯片组合封装在一起，三色光混合在一起，得到白光LED光源。确定三色的峰值波长、半波宽度，然后改变三色的混合比，得到不同混合比时，计算分析白光光源的色温和显色指数。表3给出三色LED的波长和半波宽度，表4为色温在2700k到6000K变化时，获得大于85显色指数时三色混光的比例。图1为色温为4000K，显色指数为88时三色合成白光的光谱图。

3.3 四基色LED芯片混光

在进行四色芯片组合得到白光LED时，通过控制不同的混光比，获得显色指数大于88的白光。

4 结束语

本文对多基色白光LED的色温可调和显色特性进行分析，建立仿真模型对混合白光的色温，显色指数进行分析，获得多基色混光的全光谱白光LED最佳混光比例。仿真结果表明，在色温2700～6000K时，通过合理的选择峰值波长、半波宽度，控制混光比例，可以获得显色指数大于88优质白光。

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