高显色指数LED光谱配比与色度参数的关系

杨宇铭，李 燕，周天亮，郑怀文，杨 华，伊晓燕，王军喜，李晋闽

(1.中国科学院半导体研究所，中国科学院半导体照明研发中心，中国科学院大学，北京第三代半导体材料与应用工程技术研发中心，半导体照明联合创新国家重点实验室，北京 100083；2.厦门大学材料学院，福建 厦门 361005)

引言

随着半导体照明技术在照明市场的渗透率逐步提高，在技术上对照明光源的控制能力不断提升，这也使得人们对照明的的健康属性愈加关注[1-4]，其中高显色指数的LED照明光源在教室照明，桌面照明，电视转播照明等领域有着广泛的应用，高显指白光LED的常见技术方案为蓝光激发绿光段和红光段荧光粉，多家制造商也提出了不同的技术方案[5-8]，这也是未来照明光源品质提升的重要方向。一般来说，为了提高LED光源的显色性一般需要在传统蓝光加黄绿荧光粉的基础上增加一些不同发射光谱的荧光材料[9,10]，在理论上利用配比不同峰值发射光谱的荧光粉可以实现类似的色温和显色指数，这一方面为我们设计和使用更多的约束条件带来的便利，同时也由于其多样性为我们开展光生物效应相关的实验增加了难度。因此，确认当前技术条件下的高显色指数LED的主要光谱配比对于健康照明研究具有重要的参考价值。

为了简要地分析上述问题，本文选取了5种典型的蓝光二极管和红/绿/黄绿色荧光粉进行不同配比的白光LED光谱光色特性仿真研究，结合不同的基本光谱比例优化相关色温和显色性等指标，对获得相近色温和显色性的比例关系进行研究并考察其光谱形态。

1 仿真设置

研究中使用的蓝光LED的发射光谱，峰值波长为455 nm，半高宽为25 nm。荧光材料的发射光谱如图1所示，其中包括4种典型荧光材料分别为(SrBa)Si2O2N2:Eu、Sr2SiO4:Eu、Intematix GNYAG572、(SrCa)AlSiN3:Eu，计算采用的峰值波长和发射光谱半宽照顾了代表性，依次为495 nm、535 nm、572 nm、630 nm，半宽分别为35 nm、60 nm、120 nm、85 nm。

图1 仿真实验用的5种基本光谱Fig.1 Five basic spectra for simulation experiments

2 仿真计算过程

采用以上蓝光LED发射光谱、三种绿/黄绿荧光粉发射光谱、一种红光荧光粉发射光谱共5种光谱为基本光谱功率分布函数，以1/10强度为步长，共有115=161 051种强度分布组合，光谱范围为390～750 nm，间隔为5 nm。按照式(1)计算合成光谱：

(1)

其中SPDtotal是计算色度参数所用总光谱，ki是每个基本光谱的比例，SPDi是基本光谱，l是波长。通过Matlab计算工具对每一个合成光谱分别计算色度参数，具体包括利用三刺激值计算CIE1931色坐标(x,y)，利用McCamy公式计算相关色温CCT，参考CIE 015—2018计算一般显色指数Ra。最终将计算得到的相关色温、显色指数及对应的光谱强度比例输出到结果文件进行统计和分析。

3 结果分析

1)分别在色坐标图上采用描点法绘制出2 700 K、4 000 K、5 000 K、5 500 K、6 500 K附近100 K范围的满足Ra要求的色坐标位置。可以看到不同配比合成光谱的色坐标范围基本为该色温附近的带状分布，同时显色指数的提高使得可能的光谱配比向黑体曲线靠近。

对于相关色温在(2 700±50)K范围的情况如图2所示，当显色指数从 70～75 范围提高到90～95 范围，其色坐标所在带状区域的两端也从(0.428 9，0.395 6)与(0.495 6，0.470 6)区间缩小到(0.451 8，0.399 7)与(0.471 5，0.425 0)区间。在这一色温条件下没有光谱配比能够使Ra达到 95 以上，在这个色温条件下Ra在 90 以上的配比其色坐标没有跨越黑体曲线，这表明在实际工艺中该色温得到Ra达到 90 以上的光谱配比存在困难。

图2 相关色温2 700 K±50 K时，满足一般显色性要求的配比在色坐标图上的位置分布Fig.2 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 2 700 K±50 K

对于相关色温在 4 000 K+50 K 范围的情况如图 3 所示，当显色指数从 70～75 范围提高到90～95 范围，其色坐标所在带状区域的两端也从(0.362 9，0.314 8)与(0.403 0，0.451 4)区间缩小到(0.374 9，0.359 5)与(0.388 6，0.400 0)区间。在这一色温条件下Ra在 90～95 范围内不同配比的色坐标跨越黑体曲线，这表明在实际工艺中对该配比进行实验优化可能使其满足色温和显色指数要求，而满足Ra大于 95 要求的配比虽然仍有一定的数量，但是其与黑体曲线有一定的偏离，限制了其实际的应用。

对于相关色温在 5 000 K+50 K 范围的情况如图 4 所示，当显色指数从 70～75 范围提高到90～95 范围时，其色坐标所在带状区域的两端也从(0.3397，0.2964)与(0.3538，0.4326)区间缩小到(0.3431，0.3415)与(0.3490，0.3793)区间。显色指数的提高同样使得可能的光谱配比减少并整体上向黑体曲线靠近，而满足Ra大于95要求的配比虽然有一定的数量，但是整体仍然存在与黑体曲线的少量偏离，在实际应用中需要进一步进行优化实验。

对于相关色温在 5 500 K+50 K 范围的情况如图 5 所示，同样的当显色指数从 70～75 范围提高到 90～95 范围时，其色坐标所在带状区域的两端也从(0.3318，0.3042)与(0.3335，0.4309)区间缩小到(0.3314，0.3509)与(0.3337，0.3656)区间。同时其满足Ra大于 95要求的配比对应的色度坐标整体仍然存在与黑体曲线的少量偏离，在实际应用中需要进一步细化的优化实验。

对于相关色温 6 500 K 的情况如图 6 所示，当显色指数从 70～75 范围提高到 90～95 范围时，其色坐标所在带状区域的两端也从(0.301 6，0.401 3)与(0.319 9，0.280 3)区间缩小到(0.310 6，0.340 3)与(0.313 2，0.322 7)区间。和 2 700 K 的情况类似，在这个色温条件下也没有Ra大于 95 的光谱配比，同时在这个色温条件下Ra在 90 以上的配比其对应色坐标没有跨越黑体曲线，表明在实际工艺中该色温得到Ra达到 90 以上的光谱配比存在一定困难。

图3 相关色温4 000 K±50 K时，满足一般显色性要求的配比在色坐标图上的位置分布Fig.3 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 4 000 K±50 K

图4 相关色温5 000 K±50 K时，满足一般显色性要求的配比在色坐标图上的位置分布Fig.4 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 5 000 K±50 K

图5 相关色温5 500 K±50 K时，满足一般显色性要求的配比在色坐标图上的位置分布Fig.5 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 5 500 K±50 K

图6 相关色温6 500 K±50 K时，满足一般显色性要求的配比在色坐标图上的位置分布Fig.6 The color coordinate distribution of spectral ratio under different general color rendering index, when the correlated color temperature is 6 500 K±50 K

2)统计以上计算得到的数据，不同色温下和一般显色指数所对应的配比数量关系如图 7 所示，其中相关色温限制了光谱配比的最大数量，在同一组相关色温范围内，显色指数的提高可以大幅度的限制光谱配比的可能性，如在显色指数大于 95 的条件下，2 700 K和6 500 K 没有适当的配比，4 000 K 有 11 个组合，5 000 K 有 8 个组合，5 500 K 有4个组合。当然，图7所示的高显色指数配比并不能满足全部色度指标要求，但这一结果说明了在一定的基本光谱条件下，更高的显色指数要求会显著地限制可能选取的光谱配比。但是在显色指数从低到高增加的过程中，相关色温 2 700 K 的情况存在一定特殊性，其光谱配比数量先增加后减少，这说明本文所选基本光谱在这一色温段更易于实现较高的显色指数。

图7 不同相关色温、显色指数与光谱配比数量的关系Fig.7 Relationship between correlated color temperature, color rendering index and the counts of spectral ratios

3)在全部计算结果中筛选出一般显色指数大于 60 的 104 810 个配比并在色坐标图上绘制出其配比数量与色坐标的关系(如图8所示)，其中相近的色坐标对应的光谱配比数量在(0.36，0.46)左右达到峰值，在色度图上(0.01×0.01)的面积内有近1 200 个配比，该配比密度在峰值周边较快的下降，这一趋势与2)中的描述基本相当。

图8 显色指数大于60的光谱配比在色坐标(x,y)上的数量分布图Fig.8 Distribution of the counts of spectral ratios on color coordinates (x, y) with the color rendering index greater than 60

4 结论

我们对提高 LED 光源的显色性所需要的的荧光粉成分及其强度配比进行了仿真研究，在不考虑不同荧光粉之间再吸收的条件下，采用典型的蓝光 LED、3 种不同峰值波长的绿色/黄绿色荧光材料与典型红色荧光材料进行 5 种基本光谱的 115(161 051)种组合的分析，对每种组合的色度学参数包括色坐标、相关色温、显色指数等进行了仿真计算，并对相近色温下的技术方案和显色性的关系进行了统计和分析。结果表明，在一个特定基本光谱组合方案下，更高的显色指数可以更好的约束光谱组合所能采用的配比，色度图上的配比数量密度与基本光谱相关。该结果一方面为我们设计和开发高显色指数 LED 提供了指导，另一方面也为我们在健康光源研究中引入其他约束条件具有一定的参考价值。