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    LED照明中色溫因素的研究

    來源:www.wuhanhonglida.com 發布時間:2019-07-31 返回

         本文探討了LED照明中色溫因素對照明效果、顯色指數及對人視覺能力的影響、實現LED照明色溫可調節的方法及色溫在LED檢測中的影響;并嘗試利用在LED照明光學系統中加入降色溫光學薄膜的方法,對影響LED照明效果、顯色指數、視覺感受及光強檢測的色溫因素進行探討。此外也探討了在照明、影視及攝影等眾多LED照明應用領域中達到理想光色方法中色溫的影響因素。

         關鍵詞:LED照明,色溫,升降色溫光學薄膜,顯色指數,自然白光。

         隨著白光LED技術的迅速發展,LED照明正逐步進入了各個應用領域,尤其是LED發光效率超越白熾燈及熒光燈后,LED照明正逐步以其顯著的節能優勢拓展到占全球電力消耗2成的普通照明領域。目前,全球LED的市場超過100億美元,并以年均增長率超過20%發展起來一個新型的“綠色照明”工業[1]。

         目前,在LED照明中,白光LED的發光效率、配光設計、光衰等問題都已得到了很好地改善。但在LED顯色指數、色溫及對人視覺能力的影響方面,由于目前以InGaNa藍色LED芯片為基礎光源激發稀土石榴石黃色熒光粉的混色方法所限,在作為普通照明光源的白光LED的光譜、色品坐標、相關色溫及顯色指數等均很難符合現行的CIE及我國的相關標準[2]。

         從LED發光光譜上來分析,由于此種混色方案中,藍光光譜過高而紅光光譜的偏少(見圖1)[3],使得此類白光LED色溫只能是5000K以上的高色溫光源,低顯色性的。日前主流白光LED色溫主要集中在5600-6500K。

         而現有主流普通民用燈具(如白熾燈及道路用高壓鈉床)則是低色溫,色溫主要集中在2700-3200K。而由于生理因素及心理習慣因素使然,人們已習慣于現有主流照明燈具低色溫下的舒適感及可視度。對于白光LED普遍認為過于刺眼,這其實就是由于白光LED的色溫范圍恰好相當于太陽自然白光的色溫范圍(5500-6800)內。


         對紅、綠、藍三基色LED組合發射的白光,調節紅、綠、藍的工作電流可以使顯色性得到一定的提高,甚至能使顯色指數達到90。但是這種方法電流的調節復雜,成本較大;且不同的基色光衰程度不同,從而導致一致性較差。

         所以,作為民用照明用的LED光源一般采用熒光粉轉換型白光LED(此類白光LED顯色指數一般為80左右)。但此類白光LED光源的光色特性受到工作電流和溫度的影響又比較明顯。表1所示為不同工作溫度下LED光源的參數變化[4],由此可見隨著白光LED燈具溫度升高,不僅發光效率有所下降,其色溫也明顯升高了。當溫度大于50℃時,色溫偏高,顯色指數隨之下降。主要由于溫度升高,藍光波峰紅移,熒光粉波峰變平坦而劣化。


         因此,與白熾燈和高壓鈉燈等常用燈具相比,熒光粉白光LED在色溫與顯色指數方面的劣勢難以通過工況方面的方法解決,目前研究人員也試圖通過摻雜紅色熒光體等方法研發低色溫高顯色性的白光LED,但由于此類白光LED中激發藍光的減少、紅光與近紅外光部分增多對散熱的影響、LED封裝技術及成本因素的限制,此類白光LED的發光強度必然會有所下降。如表2所示[5]。


         為了降低白光LED的色溫,提高其顯色性與視覺效果,除了在其芯片、發光材料與封裝結構方面進行改進,也可以嘗試在LED照明光學系統中加入降色溫光學薄膜的方法達到降低LED燈具的色溫。


         圖2給出了常用降色溫濾光片的光譜曲線。降色溫光學薄膜是在LED燈具前鍍制多層的光學干涉薄膜,通過調整薄膜的厚度與折射率的排列,針對白光LED發光曲線,抑制高色溫波段光的通過,以達到使透過光線色溫降低的目的。與之原理類似的還有升色溫濾光片。升、降色溫濾光片廣泛應用于攝影、影視等領域,調節色溫,補償色彩,以適應不同光線、環境下的需要。

         降色溫濾光片在LED照明光學系統中的嘗試應用有顯著的效果,目前已經有研究人員針對超高亮度白色LED開發了一系列降色溫光學薄膜,可根據應用需求將原色溫為5500K的白色LED降為色溫4500K~2800K等。

    降色溫濾光片可以應用在多種場合的LED照明中:

         在城市道路照明中應用LED燈具與現有主流照明比較,其中主要的分歧點正是色溫因素的爭論。LED路燈支持者認為,高色溫白光用于道路照明有中間視覺效應,可視性好,感覺比低色溫黃光更明亮;反對者則認為,低色溫黃光透霧性好,感覺溫暖,比“刺眼”的高色溫白光更受市民歡迎[5]。

         目前,綜合發光效率與降低色溫的考慮,LED城市道路照明中主流色溫區間在5500-6500K之間,若再降低色溫,則LED發光效率必然難以達到使用要求或要增加成本了。故此對于高效率,高色溫的LED路燈,在其照明系統內應用降色溫濾光片,可以達到效率降低較小而色溫大幅降低的效果。同時,針對不同人群、環境對于照明光源色溫的不同要求,可以采用不同的降色溫光學薄膜,而不用對LED進行大的改造,很大地提高了LED照明的適用范圍。

         在攝影、影視等對色彩、色溫要求較高的場所,LED照明的應用受到更大的限制。中華人民共和國行業標準《電視演播室燈光系統設計規范》(條文說明)的第二條[6]中規定:

    “演播室演區光的色溫,國外有兩種標準:3050±150K;3000±150K,經過在國內實驗,當色溫為2850K時,白平衡被破壞,電視圖像色調欠佳。故本規范確定演區光的色溫為3050±150K。”

         而對彩色電影膠片而言,有燈光型膠片和目光型膠片兩種。用鹵鎢燈照明時用燈光型膠片,在日光下拍片時用日光型膠片。在彩色電視中,攝像機只允許在大約3000K的色溫下才能得到良好的色再現。這些都對照明光源提出了嚴格的色溫要求,而前文所述的降色溫濾光片則可以較好地以低成本解決白光LED在這些場所應用的問題。

    結論:

         白光LED的色溫和顯色性是其應用推廣的一大劣勢。紅、綠、藍三基色LED組合發射的白光顯色性較好但調節復雜且一致性較差,常用的熒光粉轉換白光LED在這方面的劣勢也難以通過工況方面的方法解決,摻雜紅色熒光體等方法制作的白光LED的發光強度則有所下降。為了降低白光LED的色溫,提高其顯色性與視覺效果,可以嘗試在LED照明光學系統中加入降色溫濾光片的方法。

         降色溫濾光片在LED照明光學系統中的嘗試應用有顯著的效果,可根據應用需求將原色溫為5200K的白光LED降為色溫4500K~2800K等。降溫濾光片在LED城市照明、攝影、影視等領域能很好地解決白光LED色溫過高的問題,推進其在此類場所中的應用。

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