全光谱RGBW LED光源特性分析

黄梓龙，陈 育，徐文倩，罗建浪，林俊鑫，姚 其，文尚胜

(1.华南理工大学大学材料科学与工程学院，广东 广州 510006；2.深圳市金源世纪科技有限公司，广东 深圳 518100；3.广东金源光能股份有限公司，广东 潮州 521000；4.复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200433；5.深圳市晶锐光电有限公司，广东 深圳 518100)

引言

随着LED照明技术的飞速发展，如今的LED灯具凭借着丰富的色彩表现能力、低耗能以及寿命长等优势快速占领照明市场的主体地位。LED光源主要有荧光粉式LED和RGB LED两种形式。在一般功能性照明中，主要采用荧光粉式LED，且主要是蓝光芯片激发黄光荧光粉，其光效和显色性基本可以满足日常需求。但随着人们生活水平的不断提高，对于光源性能的要求也在不断提升，传统的LED光源已经不能满足实际应用中多变的市场需求。在农业照明、模拟日光照明、情绪照明、精准照明等特殊的应用方面，对光环境有着具体的要求，需要在满足色温的基础上实现更高的显色性来提高光照品质。由于对光源品质要求的提高，更多的照明技术应运而生，主要产生了几种不同模式的LED应用方式，分别为全光谱LED光源、双色温LED光源以及RGBW LED光源[1]。其中全光谱LED更好地模拟太阳光谱，显著地提升了显色性，但其光效相比于传统LED要低，同时成本较高；双色温LED通常使用一个低色温光源(相关色温为2 700～3 000 K) 和一个高色温光源(相关色温为4 500～6 000 K)，实现从低色温到高色温范围的可调；而RGBW LED由于其良好的光谱可调性，引起越来越多的关注，但在产业界还未大面积推广使用[2]。

1 RGBW光源的性能特点

1.1 全光谱光源特点

全光谱光源的光谱接近太阳光谱，因光谱中蓝光峰值较低，可有效降低照明光源中的蓝光危害[3]，降低了紫外短波辐射对人体造成的光生物危害，且与普通LED相比，补充了可见光波段的紫、青、红光部分，光谱更加连续，一般显色指数Ra通常在95～98之间，能最大限度地还原被照射物的原本颜色，让所见的物体更加自然真实，主要应用于健康照明、农业照明等领域[4]。目前全光谱LED主要有两种：(1)单芯片涂敷荧光粉[5，6]；(2)将蓝、青、绿、红、黄5种颜色LED芯片组合形成连续光谱。本团队制备了色温2 700 K、3 000 K、4 000 K、5 700 K和6 500 K的全光谱LED光源，测出不同色温不同全光谱LED光源光谱如图1所示。结果表明，全光谱LED光源使用单一蓝色或紫色芯片复合多种颜色荧光粉，光谱连续性高，一般显色指数Ra大于95，显色性优异[7]。

图1 全光谱LED光谱能量分布(a)蓝色单晶，(b)蓝色双晶，(c)紫色单晶Fig.1 Spectral power distribution of full spectrum (a) Blue single crystal,(b) Blue double crystal,and (c) Purple single crystal LED

1.2 RGBW光源特点

RGBW是在原有RGB三原色组成光源组的基础上，增加了一个W光源，即白光通道，形成RGBW四色通道。RGBW通过增加白色通道实现了两个技术优势，第一个是相同亮度所消耗的功耗更低，在部分室内场景下，在达到相同亮度时，RGBW光源可开启白色通道光源，降低功耗，更加节能；第二个是在相同功耗下能达到更高亮度，W光源包含整个可见光谱区域，效率更高。在某些显示屏应用中，RGBW LED光源显示屏相较传统RGB LED光源显示屏最大亮度提升了约70%[8]，光源更亮、透光性更好、功耗更低，同时色彩更丰富、立体色域更广。

2 光源光谱及光色度特性

2.1 全光谱RGBW LED光源

实验光源采用了自行研发的全光谱RGBW LED，如图2所示，采用5050 RGBW LED贴片式光源，由蓝光芯片、红光芯片、绿光芯片和全光谱白光LED组成。全光谱RGBW LED光源与普通RGBW LED光源一样，具有高亮度、发光角度广、聚光性好等特点，可适用于各种需要色彩的多变场合。但是全光谱RGBW LED在光谱特性方面具有显著的优点，体现在CIE 1931-XYZ 色度系统色域中各色度点光谱连续性更好，各波长的分布连续而均匀，一般显色指数更高。

图2 5050 RGBW贴片式光源Fig.2 5050 RGBW patch type lamp source

2.2 RGBW LED光源特性

选用4 000 K全光谱W光源以及三种单色光源R、G、B，制备出5050型RGBW光源。全光谱W光源具有能耗低、寿命长、体积小、光效高、无污染等优点[9]，4 000 K全光谱W光源的光谱如图3所示，一般显色指数Ra为 97.7，光通量为21.72 lm，功率为0.2 W，对应色度坐标为(0.3815,0.3806)。可以看出，在380～780 nm可见光范围内，W光源光谱连续，应用于RGBW LED中，通过调整R、G、B、W四种成分间的相对通量贡献，可构建不同的混合光谱。相较于RGB LED光源，RGBW LED光源可调性好，在同样色度值层面上，亮度级别更高，能够形成更大的立体色域范围。

图3 4 000 K全光谱W光源光谱能量分布Fig.3 The spectrum of the 4 000 K full spectrum W light source

2.3 RGB光源的峰值波长及半峰宽

相对光谱能量分布曲线上，两个半极大值强度处对应的波长差标志着光谱纯度，LED的发光光谱的半峰宽一般分布在30～100 nm[10]。在LED光源所发出的光中，某一波长的光功率比附近波长的光功率大，即所发出的光在某一波长处具有光功率极大值，这一波长就称为LED光源的峰值波长。一般LED光源三通道中蓝色峰值波长范围为440～475 nm，绿色峰值波长范围为492～577 nm，红色峰值波长范围为625～740 nm。实验中选用的蓝色、绿色、红色三通道峰值波长和半峰宽分别为455/25 nm、525/35 nm、625/35 nm，如图4所示。LED光谱能量分布对色域产生影响，本文选用的LED光源三原色半峰宽较窄，因此拥有很高的色彩纯度与饱和度，可以表现出更广的颜色范围。

图4 实验采用的RGB光源三通道光谱能量分布Fig.4 The spectrum of the experiment the three-channel RGB light source

2.4 色域表现

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

图5 CIE 1931-XYZ系统中RGBW光源色域图Fig.5 Color gamut diagram of RGBW light source in CIE 1931-XYZ system

3 RGBW光源的照明应用

3.1 R、G、B、W效率计算

引入光谱辐射发光效率(LER)分别计算R、G、B、W 四通道的效率，LER值完全由光源的光谱功率分布函数(SPD)决定，计算公式如下：

(8)

其中，P(λ)是光源光谱功率分布函数，V(λ)是光视觉灵敏度曲线，在555 nm处达到最大值(图6)，校正系数Km=683 lm/W。依据光谱分别计算了R、G、B、W光源的理论光效见表1，实际LED光效受到芯片本身量子效率影响，光效相比较于理论光效要低很多。

图6 光视觉灵敏度曲线归一化光谱V(λ)Fig.6 The normalized spectra of photopic vision sensitivity V(λ)

表1 R、G、B、W四通道理论光效Table 1 Theoretical efficiency of R,G,B,W channel

3.2 显色性贡献

一般显色指数Ra是通过将CIE-1974颜色测试样本(编号1～8)的八个特殊显色指数Ri进行算术平均得到，由光源光谱决定，其中ΔEi是在参考光源下和待测光源下各试验色的色差，其计算如下：

Ri=100-4.6ΔEi

(9)

(10)

目前Ra在照明行业中广泛应用，是国际国内标准和技术规范中用于评价光源颜色的重要指标[12]。通过光谱仪测量得到的数据计算得出，RGBW LED测试光源的Ra值为97以上，具有较好的显色性，说明利用RGBW LED光源进行照明可以让被照物体颜色更丰富。同时在色域中各光色合成部分也会具有较好的显色性，大部分范围能够达到90以上的显色指数。

3.3 空间照明中模拟EML指标结果

等效褪黑激素照度值(EML)按ipRGCs对光的响应进行加权，转换光源的光谱刺激，以此定量描述光线对人的生物效应，为健康的昼夜节律提供支持[13]。EML数值高的光源会抑制褪黑素的分泌，从而提高人们的工作效率，所以在办公场所应采用EML数值高的光源；EML数值低的光源会促进褪黑素分泌，提升人们的睡眠质量，进而改善人体机能。EML的计算如下：

(11)

其中，λ是波长数，Km是明视觉最大光谱光视效能常数，V(λ)明视觉最大光谱光视效能函数，Ee,λ(λ)是单位面积光谱功率密度分布实测数值，Nz(λ)是视黑素光谱光效能函数。通过计算得出RGBW LED的EML指数为212，符合WELL Building标准规范中规定的日间光源EML大于200的指标。

3.4 LED光源特性分析比较

本文对双色温LED、RGBW LED两种光源进行特性分析，见表2，结果表明在EML数值、显色性、光效方面，RGBW LED性能更优。从R、G、B三通道光源中任意选取两种与W光源进行组合，形成RGW、GBW和RBW三通道LED，利用MATLAB R2019a软件对三通道光源的理论光效和EML进行等高线计算，建立了CIE 1931色度与性能特性的关系，如图7和图8所示，可以直观地评估具有色度信息的特定作用光谱的性能[14]。其中LER的取值范围是83～503 lm/W，EML的取值范围是10～1043，等高线几乎呈直线，各光度性能指标均呈单调递增趋势。

表2 两种光源性能分析Table 2 Performance analysis of two light sources

图7 RGBW LED理论光效等高线Fig.7 RGBW LED theoretical light efficiency contour line

图8 RGBW LED黑视素照度值等高线Fig.8 RGBW LED melanopsin illuminance value contour line

4 结论

综上所述，本文提出新型全光谱RGBW LED光源，通过对光源相关特性进行分析，R、G、B、W 四通道的理论光谱效率分别为216.2 lm/W、516.7 lm/W、49.9 lm/W和204.8 lm/W；测试光源的一般显色指数Ra值是97以上，使用此光源进行照明可以提供良好的显色品质；测试光源黑视素照度值为212，符合WELL Building标准规范中规定的日间光源EML大于200的指标。与常用LED光源相比，全光谱RGBW LED光源显色性良好，立体色域更大，并且在相同的功耗下亮度更高，具有一定的应用优势。