設(shè)計(jì)多芯片和熒光粉白光LED的注意事項(xiàng)分析

在本文中，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）專家通過(guò)模擬各種白光LED模型的顯色性能和發(fā)光效率來(lái)分析這些模型。這些結(jié)果為設(shè)計(jì)多芯片和熒光粉白光LED提供了一些指導(dǎo)。

一般照明光源最重要的特征之一是顯色性。顏色渲染是光源的屬性，它告訴對(duì)象顏色在給定照明下的外觀是多么自然。如果顯色性差，則光源對(duì)普通照明無(wú)用。 1992年美國(guó)能源政策法案規(guī)定了美國(guó)銷售的幾種常見(jiàn)燈具產(chǎn)品的發(fā)光效率（流明/瓦）和顯色指數(shù)（CRI）的最低要求。這是開(kāi)發(fā)用于普通照明的白光LED的一個(gè)重要方面。

LED的白光通過(guò)多色LED的混合或通過(guò)藍(lán)光或UV LED發(fā)射激發(fā)的磷光體的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此它們具有更大的亮度光譜設(shè)計(jì)的自由度高于傳統(tǒng)光源。關(guān)于如何設(shè)計(jì)白光LED的光譜以獲得良好的顯色性能的問(wèn)題，例如，RGB白光LED是否能夠滿足需要或者是否需要四色混合，或者是否需要更寬的連續(xù)光譜。為了評(píng)估光源的顯色性能，國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）推薦的CRI， 2 可以廣泛使用，但已知有缺陷， 特別是當(dāng)用于具有窄帶光譜的光源時(shí)。據(jù)報(bào)道，RGB白光LED的視覺(jué)評(píng)估與CRI之間的相關(guān)性較差。CIE技術(shù)委員會(huì)1-62正在研究白光LED的顯色問(wèn)題，并制定了未來(lái)的計(jì)劃。新指標(biāo)。

固態(tài)照明的主要驅(qū)動(dòng)力是在國(guó)家或全球范圍內(nèi)節(jié)省大量能源的潛力。因此，在考慮用于普通照明的光源光譜時(shí)，另一個(gè)需要考慮的重要方面是發(fā)光功效（流明每瓦）。術(shù)語(yǔ)發(fā)光效率通常用于從輸入電功率（瓦特）到輸出光通量（流明）的轉(zhuǎn)換效率。光源的發(fā)光效率由兩個(gè)因素決定：從電功率到光功率的轉(zhuǎn)換效率（稱為輻射效率或外部量子效率 7 ）和從光功率（瓦特）到發(fā)光的轉(zhuǎn)換因子通量（流明）。后者稱為輻射發(fā)光效率（LER）。由于LER和顯色性僅由光源的光譜決定，因此白光LED光譜應(yīng)針對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。難點(diǎn)在于顏色渲染和LER通常需要權(quán)衡?；贑RI，通過(guò)分布在整個(gè)可見(jiàn)區(qū)域的寬帶光譜最好地實(shí)現(xiàn)顯色性，而在555nm的單色輻射下發(fā)光效率最高。在許多現(xiàn)有燈具中，這種折衷是顯而易見(jiàn)的。通過(guò)研究CRI，一些人被認(rèn)為白光LED光譜應(yīng)該模仿太陽(yáng)光譜或黑體。雖然這樣的光譜會(huì)產(chǎn)生高CRI值，但它們會(huì)因低LER而受到顯著影響。創(chuàng)建用作照明源的LED的挑戰(zhàn)是提供盡可能高的能量效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的顯色性。為此，準(zhǔn)確的顯色度量是重要的。如果度量標(biāo)準(zhǔn)不正確，則會(huì)浪費(fèi)能源。

為了分析白光LED的可能性能以及CRI的問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)模擬程序。與傳統(tǒng)燈相比，對(duì)多芯片型和熒光體型的各種白色LED光譜進(jìn)行建模和分析。給出了仿真結(jié)果，討論了CRI的問(wèn)題和必要的改進(jìn)。

顯色指數(shù)

CRI是目前唯一國(guó)際認(rèn)可的顯色評(píng)估指標(biāo)。其計(jì)算的程序首先是計(jì)算14個(gè)選定的Munsell樣品的顏色差異-Ei（在1964年W * U * V *均勻顏色空間 - 現(xiàn)已過(guò)時(shí)），當(dāng)被參考光源照射時(shí)和給定照射時(shí)光源。前八個(gè)樣本是中飽和色，后六個(gè)是高度飽和的顏色（紅色，黃色，綠色和藍(lán)色），膚色和葉綠色。參考光源是用于測(cè)試源的普朗克輻射，其具有相關(guān)色溫（CCT）《5000K或日光相位?，用于具有CCT￥5000K的測(cè)試源。該過(guò)程結(jié)合了von Kries色度適應(yīng)變換。每種顏色樣本的特殊顏色渲染指數(shù)Ri通過(guò)以下方式獲得：

?不同相關(guān)色溫下的日光光譜之一。該公式可在參考文獻(xiàn)8中找到。

這可以評(píng)估每種特定顏色的顏色渲染。 Ri的最大值（零色差）是100，如果色差非常大，則值可以是負(fù)的。一般顯色指數(shù)Ra作為前八個(gè)顏色樣本的平均值給出：

完美顯色性（零色差）的得分為100.注意“CRI”是通常用于表示Ra，但CRI實(shí)際上由15個(gè)數(shù)字組成：Ra和Ri（i = 1到14）。

輻射的發(fā)光效率

光源的能量效率被評(píng)估為其發(fā)光效率ηv，其是源發(fā)射的光通量（流明）與輸入電功率（瓦特）之比。它取決于兩個(gè)因素：

其中ηe是光源的輻射效率（輸出輻射通量與輸入電功率之比;“外部量子效率”通常與其相同使用（K）是輻射的發(fā)光效率（光通量與輻射通量之比，本文中縮寫為L(zhǎng)ER），由光源的光譜分布S（λ）決定。

圖1：464 nm的LED模型SLED（λ）與典型的真實(shí)藍(lán)色LED的SPD相比

這里Km是最大LER，其值為683 lm/W（對(duì)于555nm處的單色輻射），在坎德拉的國(guó)際定義中定義。雖然LED行業(yè)使用了各種其他術(shù)語(yǔ)，但這里介紹的術(shù)語(yǔ)是國(guó)際上正式推薦的術(shù)語(yǔ)。 7

白光LED模擬程序

已開(kāi)發(fā)出用于多芯片LED和熒光粉的數(shù)學(xué)模型型LED用于分析白光LED的眾多光譜設(shè)計(jì)。為了模擬多芯片LED，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了以下LED光譜的數(shù)學(xué)模型。模型LED的光譜功率分布（SPD），SLED（λ），峰值波長(zhǎng)λ0和半光譜寬度Δλ0.5，由下式給出：

其中g(shù)（λ，λ0，Δλ0.5）= exp { - ［（λ-λ0）/Δλ0.5］ 2 }。波長(zhǎng)的單位是納米。圖1顯示了此LED模型與典型實(shí)際藍(lán)色LED光譜的SPD（在NIST測(cè)量，相對(duì)擴(kuò)展不確定度（k = 2）小于5％，具體取決于波長(zhǎng)）的示例。所描述的LED模型，可以創(chuàng)建具有峰值波長(zhǎng)和光譜寬度的各種組合的三芯片（RGB）白色LED和四芯片白色LED的光譜。對(duì)于這些白色LED光譜，模擬程序計(jì)算一般CRI，Ra和特殊CRI，R1至R14，以及CIELAB顏色空間 8 和LER K中的色差E * ab。此外，基于普朗克輻射在有限的光譜范圍內(nèi)開(kāi)發(fā)了寬帶磷光體型白光LED模型，并進(jìn)行了一些修改。熒光LED模型的細(xì)節(jié)將在本文后面的“磷光體型白光LED”中介紹。

對(duì)于三芯片和四芯片LED模型，該程序執(zhí)行每個(gè)LED的自動(dòng)顏色混合以帶來(lái)其色度坐標(biāo)確切地說(shuō)在給定CCT的普朗克軌跡上。這允許使用迭代方法來(lái)優(yōu)化LED光譜，以使特定顏色的Ra或平均Ri最大化或在給定條件下使K最大化。圖2顯示了RGB白光LED模型的這種優(yōu)化示例。通過(guò)在給定條件下改變?nèi)齻€(gè)LED的峰值波長(zhǎng)，使指數(shù)Ra或K最大化。使用藍(lán)色，綠色和紅色LED的光譜寬度λ0.5= 20，30和20nm，這是目前可用的LED的典型。圖2（a）顯示了在變化的CCT下獲得的最大Ra（也繪制了LER的值），這表明RGB白光LED可以達(dá)到Ra 90并且還表明Ra不是非常依賴于CCT 。還觀察到，對(duì)于更高的CCT，LER降低。這是因?yàn)樗{(lán)色LED的較大功率對(duì)于較高CCT是必需的，而藍(lán)色分量（450nm）與綠色或紅色相比具有非常低的流明貢獻(xiàn)。圖2（b）顯示了在變化的Ra下獲得的最大LER，這表明RGB白光LED可以產(chǎn)生具有相當(dāng)Ra值（》 80）的K400 lm/W.數(shù)據(jù)還證明了Ra和K之間的權(quán)衡，盡管斜率不是很大。請(qǐng)注意，此處顯示的最大Ra和K值可能不是每個(gè)條件下的最高值，因?yàn)榈椒▋H產(chǎn)生局部最大值。此外，這些結(jié)果僅是程序可以執(zhí)行的操作的示例，并非旨在建議優(yōu)化源光譜以獲得最大Ra。在單獨(dú)使用Ra判斷白色LED的顯色性方面存在一些嚴(yán)重問(wèn)題，如后面部分所述?？梢葬槍?duì)各種其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，例如其他樣品組的Ri的平均值，或給定的一組顏色樣品的最低平均值ΔE* ab。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中優(yōu)化LER時(shí)，還應(yīng)考慮可用LED的輻射效率。例如，圖2中所示的白色LED模型目前是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)榫哂?40到555 nm峰值的LED的輻射效率（以及因此發(fā)光效率）非常低。

圖2：RGB白光LED光譜優(yōu)化示例。 LED的峰值波長(zhǎng)為452至472nm（藍(lán)色），543至553nm（綠色）和598至620nm（紅色）。除綠色（30nm）外，Δλ0.5= 20nm。 （a）在不同的CCT獲得的最大Ra。 （b）在變化的Ra時(shí)獲得的最大LER，K（lm/W）SymbolDescriptionCCT（K）DuvRaR9R（9-12）LER（lm/W）CW FLCool白色熒光燈429001616-8913341DL FLDaylight熒光燈64800.00577-3913290TRI-PTriphosphor熒光燈33800.001821747347MH金鹵燈42800.00764-12019296MER高壓汞燈37500.00043 -101-29341HPS高壓鈉燈20700.00120-214-433803-LED-13芯片LED型號(hào)（457/540/605）33000.00080-90274093-LED-23芯片LED型號(hào)（474/545/616）33000.0008089883593-LED -33芯片LED型號(hào)（465/546/614）40000.0008965643704-LED-14芯片LED型號(hào)（461/527/586/637）33000.0009796873614-LED-24芯片LED型號(hào)（447/512/573/627）33000.000919999347 PHOS-1Phosphor型號(hào)，暖白色（400至700nm）30130.000999799253PHOS-2Phosphor型號(hào)，暖白色（450至650nm）30070.011862667370PHOS-3PHOS-2，在560nm30000.000814761341PHOS-4PHOS-2處具有寬度下降的綠色30000.000884675345P- LED YAGPhosphor LED（YAG熒光粉）68100.004812461294P-LED WWPhosphor LED（暖白色）28800.008927280294NEODIncand。釹玻璃燈27575-0.005771560-Illum。一個(gè)visIllum。 A（僅在400至700nm）28560.0009998100248D65 visD65（僅在400至700nm）65000.00310098100248表1：分析的光源和LED模型的總結(jié)結(jié)果。

模擬程序還提供了14種顏色樣品的實(shí)際顏色CIE 13.3在計(jì)算機(jī)顯示器上的參考光源和測(cè)試光源下，提供了每個(gè)樣品的色差的視覺(jué)印象。通過(guò)從XYZ轉(zhuǎn)換到顯示RGB空間并應(yīng)用伽馬校正來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色顯示。 9 通過(guò)校準(zhǔn)所使用的計(jì)算機(jī)顯示器的每種原色，可以呈現(xiàn)準(zhǔn)確的顏色（在屏幕色域內(nèi)）在顯示器上，有可能將其用于未來(lái)的視覺(jué)實(shí)驗(yàn)。

為了比較白色LED與常見(jiàn)現(xiàn)有燈的顯色性，仿真程序還提供了幾種不同的SPD數(shù)據(jù)。類型的熒光燈，高強(qiáng)度放電（HID）燈和一些真正的白色LED。程序中樣品的光譜反射率數(shù)據(jù)可以在任一方向上以10納米的步長(zhǎng)移動(dòng)，以檢查結(jié)果對(duì)樣品顏色的微小變化的靈敏度。

結(jié)果

表1總結(jié)了本研究中分析的光源和LED模型的計(jì)算結(jié)果顯示了CCT（單位：K）;一般的CRI，Ra;強(qiáng)烈紅色的特殊CRI，R9; LER;這些光源的LER和Ra也繪制在圖3中。指數(shù)R9包含在表中，因?yàn)榧t綠對(duì)比度對(duì)于顯色非常重要， 10，11 和紅色往往是有問(wèn)題的。缺少紅色成分會(huì)縮小可重現(xiàn)的色域，使得照明場(chǎng)景看起來(lái)很暗淡。這是許多現(xiàn)有放電燈的問(wèn)題。指數(shù)R（9-12）是四種飽和色（紅色，黃色，綠色和藍(lán)色）的特殊顯色指數(shù)R9至R12的平均值。本文介紹的Duv是CIE 1960紫外色度圖中源的色度坐標(biāo)到普朗克軌跡的距離，極性加上（普朗克軌跡上方）或負(fù)（普朗克軌跡下方）。?重要的是因?yàn)槠胀ㄕ彰鞑唤邮芫G色或粉紅色的白光，所以照明的色度坐標(biāo)非常接近普朗克軌跡，并且熒光燈的Duv通常被控制為小于±0.005。對(duì)于多芯片LED型號(hào)，除綠色LED（30 nm）外，所有LED均使用光譜寬度Δλ0.5= 20nm。

圖3：傳統(tǒng)光源和LED模型的LER和一般CRI Ra分析。

常規(guī)光源

表1中的前六個(gè)光源是常用的常規(guī)放電燈，包括熒光燈和HID燈。這些燈的數(shù)據(jù)僅為樣品，不代表燈的類型。在這些燈中，三基色燈具有最高的CRI，Ra = 82。應(yīng)當(dāng)注意，大多數(shù)這些燈的R9值非常差，但是由于CRI公式中使用的W * U * V *顏色空間的不均勻性，R9值被夸大（2倍或更多倍）。例如，基于CIELAB顏色空間，R9 = 17（TRI-P）將對(duì)應(yīng)于≈60。因此，這些燈的R（9-12）值也不好。盡管R9很重要，但它并沒(méi)有引起太多關(guān)注，因?yàn)镽9不包括在Ra的計(jì)算中，也可能因?yàn)樵黾痈畹募t色成分會(huì)降低LER，從而降低燈的流明輸出。這是CRI的一個(gè)問(wèn)題。色彩渲染的指標(biāo)很重要，因?yàn)樗?qū)動(dòng)制造商設(shè)計(jì)光譜以最大化指數(shù)Ra。

三芯片白光LED

表1和圖3中的第二組（3-LED-1到4 -LED-2）是一組多芯片白光LED型號(hào)。 3-LED-1是一款三芯片LED型號(hào)，針對(duì)Ra = 80和3300K時(shí)的最高LER進(jìn)行了優(yōu)化，具有非常高的LER（K = 409lm/W）。 3-LED-2針對(duì)相同Ra（= 80）和相同CCT的最高R（9-12）（= 88）進(jìn)行了優(yōu)化，K = 359 lm/W.這些三芯片LED型號(hào)的光譜和特殊CRI，R1至R14如圖2和3所示。兩種型號(hào)具有相同的Ra值80，但是3-LED-1表現(xiàn)出非常差的紅色（R9 = -90，呈現(xiàn)棕色）和R（9-12）僅為27，而3- LED-2展示了所有四種飽和色彩以及中等飽和色彩的良好渲染。這是具有相同Ra的源可以表現(xiàn)出非常不同的顯色性能（可能具有飽和色的嚴(yán)重問(wèn)題）的情況

圖4：兩個(gè)三芯片LED型號(hào)的SPD，均在3300 K時(shí)Ra = 80.

圖5：兩個(gè)三芯片白色的特殊CRI LED模型如圖4所示。

圖6：當(dāng)波長(zhǎng)為3時(shí)，三片白光LED模型的Ra和R（9-12）變化樣本光譜反射率數(shù)據(jù)被移位。

?符號(hào)Δuv通常用于此距離，但沒(méi)有任何符號(hào)（沒(méi)有關(guān)于偏差方向的信息）。

這表明Ra對(duì)于判斷三芯片白光LED的顯色性是不可靠的，也可能對(duì)于只有幾個(gè)窄峰的傳統(tǒng)光源也是如此。那么，R（9-12）是一個(gè)很好的指標(biāo)嗎？由于飽和色在光譜反射率曲線中具有急劇變化，因此R（9-12）可能會(huì)導(dǎo)致一些不規(guī)則結(jié)果，其中SPD在光譜分布曲線中的峰之間具有大的谷。作為簡(jiǎn)單測(cè)試，所有樣品光譜反射率數(shù)據(jù)偏移-20至+ 20nm的量，以檢查結(jié)果對(duì)樣品顏色的微小變化的敏感性。圖6顯示了由移位引起的Ra和R（9-12）的變化。正如所料，發(fā)現(xiàn)R（9-12）對(duì)樣品的波長(zhǎng)漂移非常敏感，而Ra相當(dāng)穩(wěn)定。這意味著，即使R（9-12）良好，也可能無(wú)法準(zhǔn)確地呈現(xiàn)其他一些飽和色（橙色，紫色等）的色彩渲染（色調(diào)會(huì)發(fā)生偏移）。 3-LED-3針對(duì)最高CRI（Ra = 89），K = 370 lm/W，4000 K進(jìn)行了優(yōu)化。該型號(hào)還具有R（9-12）對(duì)樣品色移的強(qiáng)烈靈敏度。雖然R（9-12）是一個(gè)重要的數(shù)字，但應(yīng)該意識(shí)到結(jié)果不適用于所有飽和色。除了這個(gè)問(wèn)題外，3-LED-2和3-LED-3似乎具有相當(dāng)好的顯色性能，應(yīng)該進(jìn)一步研究。

圖4和圖8顯示了SPD和兩個(gè)四芯片LED型號(hào)的特殊CRI值R1至R14。 4-LED-1針對(duì)3300 K的最高Ra（= 97）進(jìn)行了優(yōu)化，R（9-12）= 87，K = 361lm/W.所有樣品的ΔE* ab小于3.1，除了R12（藍(lán)色），即11.9。 4-LED-2型號(hào)針對(duì)3300 K時(shí)的最高R（9-12）（= 99）進(jìn)行了優(yōu)化，Ra = 91且K = 347lm/W.所有樣品的ΔE* ab小于2.4。使用這兩種型號(hào)，所有樣品顏色都能很好地呈現(xiàn)。

圖9顯示了波長(zhǎng)變換測(cè)試的結(jié)果。 R（9-12）的靈敏度遠(yuǎn)低于三芯片LED模型（圖6），并且被認(rèn)為不重要。

磷光型白光LED

圖10（a）顯示了使用熒光粉的市售暖白光LED之一的SPD，表1和圖3中表示為P-LED-WW。光譜設(shè)計(jì)用于模擬普朗克輻射。在這個(gè)例子之后，使用普朗克輻射制作熒光型白光LED的簡(jiǎn)單模型，使用一半高斯函數(shù)在光譜的兩端平滑地切斷。普朗克輻射的溫度，截止波長(zhǎng)（上升或下降的半點(diǎn)）和半高斯函數(shù)的寬度都可以改變。然后，從準(zhǔn)普朗克函數(shù)中減去給定寬度和高度的另一個(gè)高斯函數(shù)，以在曲線中產(chǎn)生谷。谷的中心波長(zhǎng)，深度和寬度可以變化。圖7：兩個(gè)四芯白光LED型號(hào)4-LED-1和4-LED-2的SPD。

圖8：圖7所示的四芯白光LED模型的特殊CRI。

圖9：Ra和R的變化（9-12）當(dāng)樣本光譜反射率數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)發(fā)生偏移時(shí)，四芯片LED模型的變化圖10（b）顯示了盡可能接近地模擬普朗克輻射以獲得良好顯色性的結(jié)果，在這種情況下，截止波長(zhǎng)設(shè)定為400和700nm（表1中表示為PHOS-1）。如表1所示，該光源的顯色性非常好，Ra = 99。然而，LER為253 lm/W，僅為優(yōu)質(zhì)三芯白光LED（370 lm/W，3-LED-3）的68％。如果使用這種白色LED，將浪費(fèi)大量能量。為了改善這一點(diǎn)，可以考慮切斷光譜的兩端，這對(duì)光輸出的貢獻(xiàn)非常小。圖10（c）是這樣的例子，其中截止波長(zhǎng)設(shè)定在450和650nm（表1中的PHOS-2）。該光譜產(chǎn)生Ra = 86和K = 370lm/W，這與良好的三芯片LED相當(dāng)。但是，應(yīng)該注意Duv。它是+0.011，表示燈光相當(dāng)黃，可能不適合室內(nèi)照明。為降低Duv值，應(yīng)減少光譜的綠色（或黃綠色）部分。圖10（d）所示的SPD是一種解決方案，其中在560nm處形成窄谷（表1中的PHOS-3）。 Duv值減小到零，Ra = 81且K = 341lm/W.從這種情況來(lái)看，通過(guò)改變谷值參數(shù)來(lái)優(yōu)化光譜以獲得最高的Ra值。結(jié)果如圖10（e）所示。這使得Ra = 88，R（9-12）= 75，并且K = 345lm/W，同時(shí)保持Duv = 0.000。該源的顯色性可能足以用于辦公室和家庭照明。圖10（a）所示的市售暖白色LED的例子具有高Ra值（= 92），但是Duv = +0.008，相當(dāng)偏黃，并且K = 294lm/W，這可以進(jìn)一步改善。

圖10：（a）市售暖白光LED模型和（b至e）熒光粉的10個(gè)SPD型LED模型。

當(dāng)白光LED光譜設(shè)計(jì)為模擬日光光譜時(shí)，應(yīng)考慮相同的注意事項(xiàng)。例如，在400至700nm區(qū)域切出的D65光譜（表1中的D65-vis）產(chǎn)生的LER僅為248lm/W，遠(yuǎn)低于良好的三芯片和四芯片LED模型（350至400流明/瓦）。一些小組提出了通過(guò)SPD曲線與400至700nm區(qū)域的普朗克輻射或日光光譜（相同CCT）的接近程度來(lái)判斷顯色性能的建議。不推薦這樣做，因?yàn)樗鼤?huì)促使制造商設(shè)計(jì)具有低發(fā)光效率的白光LED。此外，如上所述，例如，四芯片LED可以具有與全光譜寬帶光源一樣好的顯色性，需要進(jìn)一步研究。

如所指出的，CRI不能很好地處理源與普朗克軌跡的色度坐標(biāo)的偏差。例如，修改三芯片LED模型的RGB比率3-LED-2（3300K，Ra = 80，Duv = 0.000），使得色度坐標(biāo)在黃色方向上偏離（Duv = +0.015），保持相同的CCT。這種燈很黃，不適合室內(nèi)照明。但是，Ra值增加到85而不是減少。這是與顏色恒定性以及如何處理色彩適應(yīng)有關(guān)的問(wèn)題。

圖11：帶有釹玻璃的白熾燈的SPD。

CCT和顏色偏好

有些制造商是考慮到用白色LED實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光譜或日光光譜的目標(biāo)，因?yàn)檫@些是人眼已經(jīng)適應(yīng)的最自然的光，并且因?yàn)長(zhǎng)ED技術(shù)使其成為可能。但是，應(yīng)該考慮兩點(diǎn)。首先是能源方面。如果制造出模擬400至700 nm區(qū)域的Illuminant D65或D50的全光譜白光LED，其LER將僅為約250 lm/W，如前一節(jié)所述。其次，“自然日光”意味著光源的CCT至少為6500 K（D65）或5000 K（D50）。例如，熒光燈的CCT是為了目標(biāo)市場(chǎng)（不同國(guó)家）的人們的偏好而設(shè)計(jì)的。對(duì)于美國(guó)的家庭來(lái)說(shuō)，暖白色（2800 K到3000 K）占主導(dǎo)地位;美國(guó)家庭不接受6500 K白光。但是，在日本，例如，5000 K占主導(dǎo)地位。其他一些國(guó)家更喜歡更高的CCT，高達(dá)7500 K.辦公室的偏好不同。例如，4200 K在美國(guó)很常見(jiàn)。因此，“自然日光”并未描述所有市場(chǎng)和應(yīng)用。

市場(chǎng)接受的另一個(gè)方面是顏色偏好。例如，帶有釹玻璃的白熾燈已經(jīng)上市多年，并且最近越來(lái)越受歡迎。這種燈的光譜如圖11所示。黃色區(qū)域有強(qiáng)烈的吸收。顯色特性如表1所示（參見(jiàn)NEOD）。它顯示Ra = 77和R9 = 15，相當(dāng)差，但是這些燈被宣傳為比普通白熾燈更絢麗的色彩，并且實(shí)際上是許多人的首選。在圖12中解釋了這種類型燈的普及的原因，圖12示出了在釹 - 玻璃燈和參考源（普朗克）照射下的CIELAB顏色空間中的14個(gè)樣品的顏色圖。觀察到與參考源相比，燈增加了紅色和綠色樣品的色度。這些偏差折扣了CRI的值;然而，紅綠對(duì)比度增強(qiáng)，色域面積增加。這為照明場(chǎng)景提供了更多的色彩。眾所周知，人們更喜歡略微增強(qiáng)的被照物體的色度。另一項(xiàng)研究11表明，視覺(jué)清晰度與四種飽和色（紅色，綠色，黃色，藍(lán)色）產(chǎn)生的色域面積密切相關(guān)。 ）。如果視覺(jué)清晰度增加，這不僅僅是一個(gè)偏好問(wèn)題。

本CRI僅評(píng)估從參考源到測(cè)試源的顏色偏移。無(wú)論是降低還是增加色度，所有方向的色移均被計(jì)算在內(nèi);因此結(jié)果僅適用于色彩保真度。對(duì)于整體顯色性，降低的色度比增加的色度或色調(diào)偏移更差，因此應(yīng)以某種方式考慮色差的方向。

圖12：在釹玻璃燈和參考源（普朗克）照射下CIELAB空間中14個(gè)樣品的顏色。

圖13：三個(gè)SPD具有峰值波長(zhǎng)455，547和623 nm的芯片白色LED模型。

這種產(chǎn)生增強(qiáng)色度的光源光譜可以通過(guò)三芯片白光LED實(shí)現(xiàn)。一個(gè)例子如圖13所示。這是一個(gè)3-LED模型，峰值波長(zhǎng)分別為455，547和623 nm，光譜半寬分別為20，30和20 nm，分別為藍(lán)色，綠色和紅色，產(chǎn)生CCT = 3300K，Ra = 73，R（9-12）= 50，K = 363lm/W. 14個(gè)樣品的CIELAB a *，b *坐標(biāo)繪制在圖14中。該光源的色彩保真度不好，但色域明顯增大。從偏好的角度來(lái)看，這可能是一個(gè)有趣的白光光譜。圖14：CIELAB空間中14個(gè)樣品的顏色，由三片LED模型照射，如圖所示13和參考源（普朗克）。

討論CRI

在這里報(bào)告的分析中，證明了如Ra是這樣的指數(shù)，如果它是準(zhǔn)確的，將是設(shè)計(jì)白光LED光譜的有用工具。然而，如已經(jīng)示出的，單獨(dú)的Ra不是用于顯色的可靠度量，尤其是對(duì)于白色LED。還需要檢查諸如R9和R（9-12）的飽和色的附加指數(shù)。在本研究中已經(jīng)確定或證明的CRI（特別是Ra）的幾個(gè)問(wèn)題總結(jié)如下。

由于Ra僅由中等飽和度的顏色決定，因此飽和色的顯色性（ R9至R12），特別是R9，即使Ra相當(dāng)好也可能非常差。應(yīng)該以某種方式考慮飽和色。

三芯片LED的結(jié)果往往對(duì)顏色樣本的微小變化敏感，特別是對(duì)于飽和色。盡管R9到R12的值對(duì)于給定的樣本集合是好的，但是其他飽和顏色的渲染可能很差。

CRI沒(méi)有很好地解釋普朗克軌跡上的色度坐標(biāo)的偏移。 。例如，指數(shù)Ra幾乎不隨光源色度從Duv = 0變化到Duv = +0.015而變化。這是與處理色彩適應(yīng)性和顏色恒定性有關(guān)的問(wèn)題。

CRI不考慮色移的方向。色度的降低具有負(fù)面影響，并且增加具有相當(dāng)積極的影響（增加視覺(jué)清晰度）。應(yīng)該以某種方式考慮顏色偏移的方向。

W * U * V *空間（過(guò)時(shí)）中的顏色差異圖表示與CIELAB空間相比的顯著不均勻性。特別是在紅色區(qū)域，失真是顯著的。

2000 K（非常偏紅）黑體光譜或20，000 K（黃昏）的日光光譜得到Ra = 100，盡管顏色不能很好地呈現(xiàn)。這表明參考源中存在問(wèn)題（參考源的CCT與測(cè)試源的CCT一致）。顏色恒常性被認(rèn)為太完美了。非常低或非常高的CCT應(yīng)該受到懲罰。

結(jié)論

各種白光LED模型已經(jīng)通過(guò)模擬它們的顯色性能和能效方面進(jìn)行了分析。該結(jié)果為多芯片和熒光粉白光LED的設(shè)計(jì)提供了一些指導(dǎo)。結(jié)果表明，精心設(shè)計(jì)的三芯白光LED可以具有可接受的顯色性（用于室內(nèi)照明）以及良好的發(fā)光效率，但還需要進(jìn)一步研究。具有適當(dāng)設(shè)計(jì)的四芯片白光LED顯示出優(yōu)異的顯色性和良好的發(fā)光效率。磷光型LED可以具有優(yōu)異的顯色性，但往往具有較低的發(fā)光效率。在設(shè)計(jì)熒光型白光LED光譜時(shí)應(yīng)注意Duv的價(jià)值。最后，本研究已經(jīng)確定或證實(shí)了CRI的幾個(gè)問(wèn)題。指數(shù)Ra對(duì)于白色LED（以及傳統(tǒng)光源）的顯色性能是不可靠的。一些問(wèn)題可以通過(guò)另外檢查R9到R12（特別是R9）來(lái)解決，但這不能解決根本問(wèn)題。此外，對(duì)于一般用戶來(lái)說(shuō)，需要描述一個(gè)數(shù)字的顯色性能。一個(gè)新的，改進(jìn)的顏色渲染度量，解決這些問(wèn)題，是一個(gè)迫切需要。