全光譜RGBW LED光源特性分析

黃梓龍，陳 育，徐文倩，羅建浪，林俊鑫，姚 其，文尚勝

(1.華南理工大學(xué)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.深圳市金源世紀(jì)科技有限公司，廣東 深圳 518100；3.廣東金源光能股份有限公司，廣東 潮州 521000；4.復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海 200433；5.深圳市晶銳光電有限公司，廣東 深圳 518100)

引言

隨著LED照明技術(shù)的飛速發(fā)展，如今的LED燈具憑借著豐富的色彩表現(xiàn)能力、低耗能以及壽命長等優(yōu)勢快速占領(lǐng)照明市場的主體地位。LED光源主要有熒光粉式LED和RGB LED兩種形式。在一般功能性照明中，主要采用熒光粉式LED，且主要是藍(lán)光芯片激發(fā)黃光熒光粉，其光效和顯色性基本可以滿足日常需求。但隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)于光源性能的要求也在不斷提升，傳統(tǒng)的LED光源已經(jīng)不能滿足實(shí)際應(yīng)用中多變的市場需求。在農(nóng)業(yè)照明、模擬日光照明、情緒照明、精準(zhǔn)照明等特殊的應(yīng)用方面，對(duì)光環(huán)境有著具體的要求，需要在滿足色溫的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高的顯色性來提高光照品質(zhì)。由于對(duì)光源品質(zhì)要求的提高，更多的照明技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，主要產(chǎn)生了幾種不同模式的LED應(yīng)用方式，分別為全光譜LED光源、雙色溫LED光源以及RGBW LED光源[1]。其中全光譜LED更好地模擬太陽光譜，顯著地提升了顯色性，但其光效相比于傳統(tǒng)LED要低，同時(shí)成本較高；雙色溫LED通常使用一個(gè)低色溫光源(相關(guān)色溫為2 700～3 000 K) 和一個(gè)高色溫光源(相關(guān)色溫為4 500～6 000 K)，實(shí)現(xiàn)從低色溫到高色溫范圍的可調(diào)；而RGBW LED由于其良好的光譜可調(diào)性，引起越來越多的關(guān)注，但在產(chǎn)業(yè)界還未大面積推廣使用[2]。

1 RGBW光源的性能特點(diǎn)

1.1 全光譜光源特點(diǎn)

全光譜光源的光譜接近太陽光譜，因光譜中藍(lán)光峰值較低，可有效降低照明光源中的藍(lán)光危害[3]，降低了紫外短波輻射對(duì)人體造成的光生物危害，且與普通LED相比，補(bǔ)充了可見光波段的紫、青、紅光部分，光譜更加連續(xù)，一般顯色指數(shù)Ra通常在95～98之間，能最大限度地還原被照射物的原本顏色，讓所見的物體更加自然真實(shí)，主要應(yīng)用于健康照明、農(nóng)業(yè)照明等領(lǐng)域[4]。目前全光譜LED主要有兩種：(1)單芯片涂敷熒光粉[5，6]；(2)將藍(lán)、青、綠、紅、黃5種顏色LED芯片組合形成連續(xù)光譜。本團(tuán)隊(duì)制備了色溫2 700 K、3 000 K、4 000 K、5 700 K和6 500 K的全光譜LED光源，測出不同色溫不同全光譜LED光源光譜如圖1所示。結(jié)果表明，全光譜LED光源使用單一藍(lán)色或紫色芯片復(fù)合多種顏色熒光粉，光譜連續(xù)性高，一般顯色指數(shù)Ra大于95，顯色性優(yōu)異[7]。

圖1 全光譜LED光譜能量分布(a)藍(lán)色單晶，(b)藍(lán)色雙晶，(c)紫色單晶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光源特點(diǎn)

RGBW是在原有RGB三原色組成光源組的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)W光源，即白光通道，形成RGBW四色通道。RGBW通過增加白色通道實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)技術(shù)優(yōu)勢，第一個(gè)是相同亮度所消耗的功耗更低，在部分室內(nèi)場景下，在達(dá)到相同亮度時(shí)，RGBW光源可開啟白色通道光源，降低功耗，更加節(jié)能；第二個(gè)是在相同功耗下能達(dá)到更高亮度，W光源包含整個(gè)可見光譜區(qū)域，效率更高。在某些顯示屏應(yīng)用中，RGBW LED光源顯示屏相較傳統(tǒng)RGB LED光源顯示屏最大亮度提升了約70%[8]，光源更亮、透光性更好、功耗更低，同時(shí)色彩更豐富、立體色域更廣。

2 光源光譜及光色度特性

2.1 全光譜RGBW LED光源

實(shí)驗(yàn)光源采用了自行研發(fā)的全光譜RGBW LED，如圖2所示，采用5050 RGBW LED貼片式光源，由藍(lán)光芯片、紅光芯片、綠光芯片和全光譜白光LED組成。全光譜RGBW LED光源與普通RGBW LED光源一樣，具有高亮度、發(fā)光角度廣、聚光性好等特點(diǎn)，可適用于各種需要色彩的多變場合。但是全光譜RGBW LED在光譜特性方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)在CIE 1931-XYZ 色度系統(tǒng)色域中各色度點(diǎn)光譜連續(xù)性更好，各波長的分布連續(xù)而均勻，一般顯色指數(shù)更高。

圖2 5050 RGBW貼片式光源Fig.2 5050 RGBW patch type lamp source

2.2 RGBW LED光源特性

選用4 000 K全光譜W光源以及三種單色光源R、G、B，制備出5050型RGBW光源。全光譜W光源具有能耗低、壽命長、體積小、光效高、無污染等優(yōu)點(diǎn)[9]，4 000 K全光譜W光源的光譜如圖3所示，一般顯色指數(shù)Ra為 97.7，光通量為21.72 lm，功率為0.2 W，對(duì)應(yīng)色度坐標(biāo)為(0.3815,0.3806)?？梢钥闯?，在380～780 nm可見光范圍內(nèi)，W光源光譜連續(xù)，應(yīng)用于RGBW LED中，通過調(diào)整R、G、B、W四種成分間的相對(duì)通量貢獻(xiàn)，可構(gòu)建不同的混合光譜。相較于RGB LED光源，RGBW LED光源可調(diào)性好，在同樣色度值層面上，亮度級(jí)別更高，能夠形成更大的立體色域范圍。

圖3 4 000 K全光譜W光源光譜能量分布Fig.3 The spectrum of the 4 000 K full spectrum W light source

2.3 RGB光源的峰值波長及半峰寬

相對(duì)光譜能量分布曲線上，兩個(gè)半極大值強(qiáng)度處對(duì)應(yīng)的波長差標(biāo)志著光譜純度，LED的發(fā)光光譜的半峰寬一般分布在30～100 nm[10]。在LED光源所發(fā)出的光中，某一波長的光功率比附近波長的光功率大，即所發(fā)出的光在某一波長處具有光功率極大值，這一波長就稱為LED光源的峰值波長。一般LED光源三通道中藍(lán)色峰值波長范圍為440～475 nm，綠色峰值波長范圍為492～577 nm，紅色峰值波長范圍為625～740 nm。實(shí)驗(yàn)中選用的藍(lán)色、綠色、紅色三通道峰值波長和半峰寬分別為455/25 nm、525/35 nm、625/35 nm，如圖4所示。LED光譜能量分布對(duì)色域產(chǎn)生影響，本文選用的LED光源三原色半峰寬較窄，因此擁有很高的色彩純度與飽和度，可以表現(xiàn)出更廣的顏色范圍。

圖4 實(shí)驗(yàn)采用的RGB光源三通道光譜能量分布Fig.4 The spectrum of the experiment the three-channel RGB light source

2.4 色域表現(xiàn)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

圖5 CIE 1931-XYZ系統(tǒng)中RGBW光源色域圖Fig.5 Color gamut diagram of RGBW light source in CIE 1931-XYZ system

3 RGBW光源的照明應(yīng)用

3.1 R、G、B、W效率計(jì)算

引入光譜輻射發(fā)光效率(LER)分別計(jì)算R、G、B、W 四通道的效率，LER值完全由光源的光譜功率分布函數(shù)(SPD)決定，計(jì)算公式如下：

(8)

其中，P(λ)是光源光譜功率分布函數(shù)，V(λ)是光視覺靈敏度曲線，在555 nm處達(dá)到最大值(圖6)，校正系數(shù)Km=683 lm/W。依據(jù)光譜分別計(jì)算了R、G、B、W光源的理論光效見表1，實(shí)際LED光效受到芯片本身量子效率影響，光效相比較于理論光效要低很多。

圖6 光視覺靈敏度曲線歸一化光譜V(λ)Fig.6 The normalized spectra of photopic vision sensitivity V(λ)

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

3.2 顯色性貢獻(xiàn)

一般顯色指數(shù)Ra是通過將CIE-1974顏色測試樣本(編號(hào)1～8)的八個(gè)特殊顯色指數(shù)Ri進(jìn)行算術(shù)平均得到，由光源光譜決定，其中ΔEi是在參考光源下和待測光源下各試驗(yàn)色的色差，其計(jì)算如下：

Ri=100-4.6ΔEi

(9)

(10)

目前Ra在照明行業(yè)中廣泛應(yīng)用，是國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范中用于評(píng)價(jià)光源顏色的重要指標(biāo)[12]。通過光譜儀測量得到的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，RGBW LED測試光源的Ra值為97以上，具有較好的顯色性，說明利用RGBW LED光源進(jìn)行照明可以讓被照物體顏色更豐富。同時(shí)在色域中各光色合成部分也會(huì)具有較好的顯色性，大部分范圍能夠達(dá)到90以上的顯色指數(shù)。

3.3 空間照明中模擬EML指標(biāo)結(jié)果

等效褪黑激素照度值(EML)按ipRGCs對(duì)光的響應(yīng)進(jìn)行加權(quán)，轉(zhuǎn)換光源的光譜刺激，以此定量描述光線對(duì)人的生物效應(yīng)，為健康的晝夜節(jié)律提供支持[13]。EML數(shù)值高的光源會(huì)抑制褪黑素的分泌，從而提高人們的工作效率，所以在辦公場所應(yīng)采用EML數(shù)值高的光源；EML數(shù)值低的光源會(huì)促進(jìn)褪黑素分泌，提升人們的睡眠質(zhì)量，進(jìn)而改善人體機(jī)能。EML的計(jì)算如下：

(11)

其中，λ是波長數(shù)，Km是明視覺最大光譜光視效能常數(shù)，V(λ)明視覺最大光譜光視效能函數(shù)，Ee,λ(λ)是單位面積光譜功率密度分布實(shí)測數(shù)值，Nz(λ)是視黑素光譜光效能函數(shù)。通過計(jì)算得出RGBW LED的EML指數(shù)為212，符合WELL Building標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的日間光源EML大于200的指標(biāo)。

3.4 LED光源特性分析比較

本文對(duì)雙色溫LED、RGBW LED兩種光源進(jìn)行特性分析，見表2，結(jié)果表明在EML數(shù)值、顯色性、光效方面，RGBW LED性能更優(yōu)。從R、G、B三通道光源中任意選取兩種與W光源進(jìn)行組合，形成RGW、GBW和RBW三通道LED，利用MATLAB R2019a軟件對(duì)三通道光源的理論光效和EML進(jìn)行等高線計(jì)算，建立了CIE 1931色度與性能特性的關(guān)系，如圖7和圖8所示，可以直觀地評(píng)估具有色度信息的特定作用光譜的性能[14]。其中LER的取值范圍是83～503 lm/W，EML的取值范圍是10～1043，等高線幾乎呈直線，各光度性能指標(biāo)均呈單調(diào)遞增趨勢。

表2 兩種光源性能分析Table 2 Performance analysis of two light sources

圖7 RGBW LED理論光效等高線Fig.7 RGBW LED theoretical light efficiency contour line

圖8 RGBW LED黑視素照度值等高線Fig.8 RGBW LED melanopsin illuminance value contour line

4 結(jié)論

綜上所述，本文提出新型全光譜RGBW LED光源，通過對(duì)光源相關(guān)特性進(jìn)行分析，R、G、B、W 四通道的理論光譜效率分別為216.2 lm/W、516.7 lm/W、49.9 lm/W和204.8 lm/W；測試光源的一般顯色指數(shù)Ra值是97以上，使用此光源進(jìn)行照明可以提供良好的顯色品質(zhì)；測試光源黑視素照度值為212，符合WELL Building標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的日間光源EML大于200的指標(biāo)。與常用LED光源相比，全光譜RGBW LED光源顯色性良好，立體色域更大，并且在相同的功耗下亮度更高，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。