基于高显色指数白光LED的混色研究

黄　婷，郭震宁,，林介本

(1.华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门　361021；2.福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门　361021)



基于高显色指数白光LED的混色研究

黄婷1，郭震宁1,2，林介本2

(1.华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门361021；2.福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门361021)

采用基于低色温高显色性白光LED(Light Emitting Diode)的混色方法，通过实验到理论计算研究了不同色温白光LED混色后色温TC、显色指数Ra以及蓝光危害辐射值的变化。进一步研究了不同电流下显色指数及其蓝光危害的变化情况。采用低色温(2 200 K、2 700 K、4 000 K)三种白光LED样品进行并联混色，通过控制正向电流来观察和记录显色指数变化及其调光效果，再通过MATLAB计算出所产生的蓝光危害光辐射值的变化情况。实验结果表明：选取Ra1>94,Ra2>95，Ra3>93，两两混合，可得到Ra12、13、23>95，且随电流变化，蓝光危害辐值较小的，高显色指数、且同时满足健康照明需求的优质白光。

白光LED；显色指数；蓝光危害；健康照明

引言

目前提高白光LED显色指数的方法通常有：①多芯片加荧光粉：增加红色荧光粉，激发红色荧光粉改善LED的显色指数，成本低，缺点是降低LED亮度[3]。②采用不同颜色LED组合，提高光源的显色性，成本高，电路复杂程度高[4]。

现有研究证明，435nm～440nm的蓝光对眼睛的危害效应最大[6],而LED光源中，光谱能量的峰值正好处于蓝光波段[7]。Dirk Norren等人的大鼠实验表明，蓝光危害有可能引起感光细胞的损伤[9]。

因此，研究同时满足高显色指数且低蓝光危害的LED光源是非常有意义的。本文基于不同色温白光LED的混色方法，在混色理论、显色指数理论以及蓝光辐照度理论基础上，采用不同显色指数的低色温白光LED进行混色，通过电流调节，实现较好显色性及较低蓝光危害的白光LED。

1　理论研究

1.1LED光谱数学模型

沈海平[17]等人研究了一种新型的数学模型来表示白光LED的相对光谱功率分布：

(1)

式中，S(λ)表示LED的相对光谱功率分布；λ0表示峰值波长；Δλ表示光谱半高。

刘康[16]等人用两种不同色温(Tc1和Tc2)的白光LED进行混合，将分别拟合出的两种光源的相对光谱功率分布转换成绝对光谱功率分布后进行叠加，然后将叠加后的数值归一化得出混合后光源的相对光谱功率分布P(λ)，再根据

(2)

计算得出白光的色坐标值x,y，再根据

(3)

求出混色后白光的色温T。

1.2显色指数的计算

CIE规定用完全辐射体或照明体D作为参照光源，并将其显色指数定为100。还规定了若干测试用的标准颜色样品。根据在参照光源和待测光源照明下，上述标准样品形成的色差来评定待测光源显色性的好坏。光源对某一种标准样品的显色指数称为特殊显色指数Ri[12]：

Ri=100-4.6ΔEi

(4)

式中ΔEi为在参照光源和待测光源照明下样品的色差。

光源对特定的8个标准颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra：

(5)

1.3蓝光危害的计算

国内目前主要参考IEC62471《Photo biological safety of lamps and lamp systems》和GB/T 20145—2006《灯和灯系统的光生物安全性》两个标准，其对蓝光对视网膜危害的阈值进行了规定，即[13]

(6)

式中Lλ(λ,t)为光谱幅亮度，单位W·m-2·sr-1·nm-1;B(λ)为视网膜蓝光危害加权函数;Δλ为波长带宽，单位nm;t为辐照时间，单位s。

2　实验研究

我们选择Lumileds公司的低色温2 200 K,2 700 K,4 000 K三种白光LED样品进行混合调色，研究混色后白光LED的光谱、色温、显色指数和蓝光危害，以及随电流变化所产生的调光效果和蓝光危害值的变化。再此我们选用并联调试方法保证各个灯珠的电压相同，而电流处于可调状态。在初始状态，由于灯珠的阻抗差别小于我们研究的精确度，我们认为此方法能够保证混色中流过两个灯珠的电流是相同的。在室温下，调节正向电流IF,令IF的电流从20 mA～240 mA变化，记录S12，S13，S23白光光谱、色温、显色指数及其所产生的视网膜蓝光辐射危害值的变化规律。

选取显色指数为Ra1>94,Ra2>95为LB1=1.1355,LB2=1.7573混合后，可实现显色指数为Ra12>95，额定电流下，色温TC12=2 480 K且蓝光危害辐值为LB12=1.3545的白光S12；选取Ra1>94,Ra3>93，额定电流下蓝光危害辐值为LB1=1.1355,LB3=4.9856混合后，可实现显色指数为Ra12>95，额定电流下，色温TC13=3 030 K且蓝光危害辐值为LB13=2.9061的白光S13；选取Ra2>95,Ra3>93，额定电流下蓝光危害辐值为LB2=1.7573,LB3=4.9856混合后，可实现显色指数为Ra23>95，额定电流下，色温TC23=3 400 K且蓝光危害辐值为LB23=3.8075的白光S23。

本实验的实验装置是杭州远方光电信息股份有限公司的LED光色电综合测试系统，结构如图1所示，数控高精度恒流电源给待测LED供电，积分球和光谱计能够快速测量待测LED的光通量和光谱分布，通过电脑处理，可以得到待测LED的色坐标，恒温夹具给LED提供稳定的基底温度。

图1　光色电综合分析系统结构示意图Fig.1　System structure diagram of light color electricity comprehensive analysis

2.1混合光谱特性

白光LED样品，其色温分别为2 200 K,2 700 K,4 000 K，从中随机抽取样品分别记为：S1,S2,S3,混合后的记为S12，S13，S23，他们的光色电参数采用杭州远方沅电信息有限公司的光电综合分析系统测试记录。测试结果如图2(a)(b)(c)所示。

图2　不同样品额定电流下的绝对光谱图Fig.2　Different Sample absolute spectrum chart under rating current

从图2中可看出，混合后光源的光谱功率曲线，是所取样品光源光谱功率曲线的线性叠加。图2(b)混合光源的光谱S13相较于所取3号样品光谱S3，出现了光谱右移，这样可以减少蓝光成分，结果表明，通过LED白光混合的方法，可以减少LED光源的蓝光部分对视网膜造成的损害。

2.2光谱特性随电流变化情况

图3(a)(b)(c)所示为混合光源随电流IF分别从20 mA～240 mA(电流调节的间隔取10 mA)的相对光谱图。

图3　混合光源随电流变化的相对光谱图Fig.3　Mixed light source relative spectrum chart of different current

2.3显色指数Ra变化情况

图4(a)(b)(c)分别是IS1,IS2,IS3=10 mA～120 mA,IS12，IS13，IS23=20 mA～240 mA，每隔10 mA取样，显色指数的变化情况。从图4中可以看出，混合光源的显色指数相比于取的样品的显色指数有了明显的提高，且随电流的变化，混合光源的显色指数，随着电流的增大不程线性减小的趋势，混合光源A，显色指数94.8≤Ra12≤96.4，混合光源B，显色指数94.8≤Ra13≤96.3，混合光源C，显色指数94.7≤Ra23≤95.9，显色指数相对稳定，且都保持在95以上。

图4　不同样品及混合光源的显色指数变化情况Fig.4　The CRI (color rendering index) changes of different samples and mlxing light source

2.4蓝光危害值LB随电流变化情况

标准IEC62471:2006规定：对于边角小于0.011弧度的小型光源，有一个基于光谱辐照度而不是基于光谱辐亮度的简单方程。眼睛的光谱辐照度EB与蓝光危害函数B(λ)加权积分:

100(J·m-2)(t≤100 s)

(7)

式中：Eλ(λ,t)——光谱幅照度，单位W·m-2·sr-1·nm-1;B(λ)——视网膜蓝光危害加权函数;Δλ——波长带宽，单位nm;t——辐照时间，单位s。

式中，Eλ(λ,t)是光谱幅照度，B(λ)为视网膜蓝光危害加权函数，标准给出。为了计算方便，选取1个LED样品光源为参考对象，忽略待测光源在测量时间内光谱的变化，则其他待测光源的相对蓝光加权幅照度为[14-15]

(8)

S(λ，t)为待测LED的光谱，S1(λ，t)为参考LED光谱，将所测得的不同电流下的不同光谱数据代入公式，可得到相应的EB随电流的变化规律。

通过测得的光谱数据，代入公式，用MATLAB编写算法程序，计算得出选取的各样品LED以及混合后光源所产生的蓝光危害幅照度。图5(a)(b)(c)为各样品光源以及混合光源蓝光危害值随电流的变化情况。

图5　不同样品及混合光源的蓝光危害变化情况Fig.5　The blue light hazard changes of different samples and mixing light source

从图中可以看出：①通过白光混合后的LED光源，所产生的蓝光危害幅照度相校于其中色温校高的样品所产生的蓝光危害幅照度有明显的降低，从色温较高的样品LED的光谱图看来，蓝色比明显高于低色温LED，因此混合后，光谱进行线性叠加，降低了蓝色比，从而降低混合光源所产生的视网膜蓝光危害。②图5(a)(b)(c)可以看出色温越高，蓝光危害幅照度越大，且随电流的增大而增大；色温越低，所产生的蓝光危害幅照度越低，且受电流影响较小；而混合光源的蓝光危害幅照度，随电流变化幅度不大。

3　结论

通过不同色温白光LED混合后色温、显色指数以及蓝光危害辐射值的变化。测试不同电流下显色指数及其蓝光危害的变化情况。采用低色温(2 200 K、2 700 K、4 000 K)三种白光LED样品进行混合，得出混合光源的显色指数相比于取的样品的显色指数有了明显的提高，且随电流的变化，混合光源的显色指数呈相对稳定状态。测出相应的光谱数据，再通过MATLAB计算出所产生的蓝光危害光辐射值的变化情况。选取，两两混合，可得到且蓝光危害幅照度较小，显色指数、且同时满足健康照明需求的优质白光。

[1] 龙兴明, 周静. 基于加性混光的色彩可调LED照明设计[J]. 半导体光电, 2007, 28(1):43-46.

[2] 江磊, 倪凯凯, 刘木清. 采用蓝光激发黄色荧光粉生成白光技术的LED光效和显色指数研究[J]. 照明工程学报, 2014, 25(6):16-19.

[3] 孙平如, 周亮, 徐欣荣. 色温可调整的高显色LED灯及其制造方法:中国, CN101482235[P]. 2009.

[4] 李成驰, 范广涵, 郭光华,等. 光谱拟合反演法制备高显色指数白光LED的研究[J]. 半导体光电, 2015, 36(5):713-717.

[5] 邸元国, 郑利红. 白光LED照明色温调节方法的研究[J]. 照明工程学报, 2015，26(2):60-62.

[6] 刘娜, 张楠, 文冰亭,等. 单色LED蓝色光照对健康人体昼夜节律的影响[J]. 中国组织工程研究与临床康复, 2009, 13(30):5923-5926.

[7] 柴颖斌. LED光生物健康照明的研究[D]. 上海：复旦大学, 2012.

[8] ZAK P N,OSTROVSDY M A.Potential danger of light emmitting diode illumination to the eye,in children and teenagers. Light & Engineering,2012;20(3):1-5.

[9] NORREN D V, SCHELLEKENS P. Blue light hazard in rat[J]. Vision Research, 1990, 30(10):1517-1520.

[10] 陈慧挺, 蔡喆, 吴晓晨,等. 大功率LED路灯的光生物安全测试与分析[J]. 照明工程学报, 2011,22(6):88-90.

[11] DONG M, SUN Y, QIU J, et al. Healthy lighting design with low retinal blue light hazard[C]//Solid State Lighting(ChinaSSL), 2013 10th China International Forum on. IEEE, 2013.

[12] 胡威捷. 现代颜色技术原理及应用[M].北京：北京理工大学出版社, 2007.

[13] 国家质检总局、国家标委会.GB/T 20145—2006灯和灯系统的光生物安全性，2006.

[14] RAO Feng, ZHU Xifang, XU Ancheng, et al. Effect of Retina Illuminance, Circadian Rhythm and Blue Light Hazard of LED Backlight Display on the Human of Different Ages[J]. 光子学报, 2015, 44(4):417003-0417003.

[15] 饶丰, 杨武. 大功率LED蓝光危害随点灯条件的变化[J]. 科学技术与工程, 2013, 13(23):6806-6809.

[16] 刘康, 郭震宁, 林介本,等. 高亮度白光LED混色理论及其实验研究[J]. 照明工程学报, 2012, 23(1):51-57.

[17] 沈海平, 冯华君, 潘建根,等. LED光谱数学模型及其应用[C].北京：中国照明学会，2005.

Health Lighting Research Based on Mixing White LEDs of High Color Rendering Index

HUANG Ting1,GUO Zhenning1,2,LIN Jjieben2

(1.Institute of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen361021,China;2.FujianProvincialKeyLaboratoryofLightPropagationandtransformation,Xiamen361021,China)

The color temperature(TC),color rendering index(Ra) and blue light hazard(LB) were analyzed by experiments and theories after mixing low color temperature and high color index white LEDs with different color temperatures.We have further researched the change of blue light hazard(LB) under the condition of different current.We adopt the method of mixing three different low color temperature(2 200 K,2 700 K,4 000 K) white LEDs,in the same time,we observed and recorded the change of the color rendering index and the lighting effect.Than we could calculate the changes of blue light hazard(LB) through writing a MATLAB program.The results of experiment and simulation show that,we can obtain the high quality white LEDs of high color Rendering Index(Ra12、13、23>95) and low-blue light hazard.It also can meet the demand of healthy lighting.

white LEDs;color rendering index;blue light hazard;healthy lighting

福建省科技计划引导性重点项目(2016H0022)；光传输与变换福建省重点实验室开放基金；泉州市科技计划(2015TZ31)；华侨大学研究生科研创新能力培育计划(1400401014)资助项目

郭震宁，E-mail: znguo@hqu.edu.cn

O432.3

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.019