设计多芯片和荧光粉白光LED的注意事项分析

在本文中，美国国家标准与技术研究院（NIST）专家通过模拟各种白光LED模型的显色性能和发光效率来分析这些模型。这些结果为设计多芯片和荧光粉白光LED提供了一些指导。

一般照明光源最重要的特征之一是显色性。颜色渲染是光源的属性，它告诉对象颜色在给定照明下的外观是多么自然。如果显色性差，则光源对普通照明无用。 1992年美国能源政策法案规定了美国销售的几种常见灯具产品的发光效率（流明/瓦）和显色指数（CRI）的最低要求。这是开发用于普通照明的白光LED的一个重要方面。

LED的白光通过多色LED的混合或通过蓝光或UV LED发射激发的磷光体的组合来实现，因此它们具有更大的亮度光谱设计的自由度高于传统光源。关于如何设计白光LED的光谱以获得良好的显色性能的问题，例如，RGB白光LED是否能够满足需要或者是否需要四色混合，或者是否需要更宽的连续光谱。为了评估光源的显色性能，国际照明委员会（CIE）推荐的CRI， 2 可以广泛使用，但已知有缺陷， 特别是当用于具有窄带光谱的光源时。据报道，RGB白光LED的视觉评估与CRI之间的相关性较差。CIE技术委员会1-62正在研究白光LED的显色问题，并制定了未来的计划。新指标。

固态照明的主要驱动力是在国家或全球范围内节省大量能源的潜力。因此，在考虑用于普通照明的光源光谱时，另一个需要考虑的重要方面是发光功效（流明每瓦）。术语发光效率通常用于从输入电功率（瓦特）到输出光通量（流明）的转换效率。光源的发光效率由两个因素决定：从电功率到光功率的转换效率（称为辐射效率或外部量子效率 7 ）和从光功率（瓦特）到发光的转换因子通量（流明）。后者称为辐射发光效率（LER）。由于LER和显色性仅由光源的光谱决定，因此白光LED光谱应针对这两个方面进行优化。难点在于颜色渲染和LER通常需要权衡。基于CRI，通过分布在整个可见区域的宽带光谱最好地实现显色性，而在555nm的单色辐射下发光效率最高。在许多现有灯具中，这种折衷是显而易见的。通过研究CRI，一些人被认为白光LED光谱应该模仿太阳光谱或黑体。虽然这样的光谱会产生高CRI值，但它们会因低LER而受到显着影响。创建用作照明源的LED的挑战是提供尽可能高的能量效率，同时实现最佳的显色性。为此，准确的显色度量是重要的。如果度量标准不正确，则会浪费能源。

为了分析白光LED的可能性能以及CRI的问题，我们开发了一个模拟程序。与传统灯相比，对多芯片型和荧光体型的各种白色LED光谱进行建模和分析。给出了仿真结果，讨论了CRI的问题和必要的改进。

显色指数

CRI是目前唯一国际认可的显色评估指标。其计算的程序首先是计算14个选定的Munsell样品的颜色差异-Ei（在1964年W * U * V *均匀颜色空间 - 现已过时），当被参考光源照射时和给定照射时光源。前八个样本是中饱和色，后六个是高度饱和的颜色（红色，黄色，绿色和蓝色），肤色和叶绿色。参考光源是用于测试源的普朗克辐射，其具有相关色温（CCT）《5000K或日光相位†，用于具有CCT¥5000K的测试源。该过程结合了von Kries色度适应变换。每种颜色样本的特殊颜色渲染指数Ri通过以下方式获得：

†不同相关色温下的日光光谱之一。该公式可在参考文献8中找到。

这可以评估每种特定颜色的颜色渲染。 Ri的最大值（零色差）是100，如果色差非常大，则值可以是负的。一般显色指数Ra作为前八个颜色样本的平均值给出：

完美显色性（零色差）的得分为100.注意“CRI”是通常用于表示Ra，但CRI实际上由15个数字组成：Ra和Ri（i = 1到14）。

辐射的发光效率

光源的能量效率被评估为其发光效率ηv，其是源发射的光通量（流明）与输入电功率（瓦特）之比。它取决于两个因素：

其中ηe是光源的辐射效率（输出辐射通量与输入电功率之比;“外部量子效率”通常与其相同使用（K）是辐射的发光效率（光通量与辐射通量之比，本文中缩写为LER），由光源的光谱分布S（λ）决定。

图1：464 nm的LED模型SLED（λ）与典型的真实蓝色LED的SPD相比

这里Km是最大LER，其值为683 lm/W（对于555nm处的单色辐射），在坎德拉的国际定义中定义。虽然LED行业使用了各种其他术语，但这里介绍的术语是国际上正式推荐的术语。 7

白光LED模拟程序

已开发出用于多芯片LED和荧光粉的数学模型型LED用于分析白光LED的众多光谱设计。为了模拟多芯片LED，已经开发了以下LED光谱的数学模型。模型LED的光谱功率分布（SPD），SLED（λ），峰值波长λ0和半光谱宽度Δλ0.5，由下式给出：

其中g（λ，λ0，Δλ0.5）= exp { - ［（λ-λ0）/Δλ0.5］ 2 }。波长的单位是纳米。图1显示了此LED模型与典型实际蓝色LED光谱的SPD（在NIST测量，相对扩展不确定度（k = 2）小于5％，具体取决于波长）的示例。所描述的LED模型，可以创建具有峰值波长和光谱宽度的各种组合的三芯片（RGB）白色LED和四芯片白色LED的光谱。对于这些白色LED光谱，模拟程序计算一般CRI，Ra和特殊CRI，R1至R14，以及CIELAB颜色空间 8 和LER K中的色差E * ab。此外，基于普朗克辐射在有限的光谱范围内开发了宽带磷光体型白光LED模型，并进行了一些修改。荧光LED模型的细节将在本文后面的“磷光体型白光LED”中介绍。

对于三芯片和四芯片LED模型，该程序执行每个LED的自动颜色混合以带来其色度坐标确切地说在给定CCT的普朗克轨迹上。这允许使用迭代方法来优化LED光谱，以使特定颜色的Ra或平均Ri最大化或在给定条件下使K最大化。图2显示了RGB白光LED模型的这种优化示例。通过在给定条件下改变三个LED的峰值波长，使指数Ra或K最大化。使用蓝色，绿色和红色LED的光谱宽度λ0.5= 20，30和20nm，这是目前可用的LED的典型。图2（a）显示了在变化的CCT下获得的最大Ra（也绘制了LER的值），这表明RGB白光LED可以达到Ra 90并且还表明Ra不是非常依赖于CCT 。还观察到，对于更高的CCT，LER降低。这是因为蓝色LED的较大功率对于较高CCT是必需的，而蓝色分量（450nm）与绿色或红色相比具有非常低的流明贡献。图2（b）显示了在变化的Ra下获得的最大LER，这表明RGB白光LED可以产生具有相当Ra值（》 80）的K400 lm/W.数据还证明了Ra和K之间的权衡，尽管斜率不是很大。请注意，此处显示的最大Ra和K值可能不是每个条件下的最高值，因为迭代方法仅产生局部最大值。此外，这些结果仅是程序可以执行的操作的示例，并非旨在建议优化源光谱以获得最大Ra。在单独使用Ra判断白色LED的显色性方面存在一些严重问题，如后面部分所述。可以针对各种其他参数进行优化，例如其他样品组的Ri的平均值，或给定的一组颜色样品的最低平均值ΔE* ab。在实际开发中优化LER时，还应考虑可用LED的辐射效率。例如，图2中所示的白色LED模型目前是不现实的，因为具有540到555 nm峰值的LED的辐射效率（以及因此发光效率）非常低。

图2：RGB白光LED光谱优化示例。 LED的峰值波长为452至472nm（蓝色），543至553nm（绿色）和598至620nm（红色）。除绿色（30nm）外，Δλ0.5= 20nm。 （a）在不同的CCT获得的最大Ra。 （b）在变化的Ra时获得的最大LER，K（lm/W）SymbolDescriptionCCT（K）DuvRaR9R（9-12）LER（lm/W）CW FLCool白色荧光灯429001616-8913341DL FLDaylight荧光灯64800.00577-3913290TRI-PTriphosphor荧光灯33800.001821747347MH金卤灯42800.00764-12019296MER高压汞灯37500.00043 -101-29341HPS高压钠灯20700.00120-214-433803-LED-13芯片LED型号（457/540/605）33000.00080-90274093-LED-23芯片LED型号（474/545/616）33000.0008089883593-LED -33芯片LED型号（465/546/614）40000.0008965643704-LED-14芯片LED型号（461/527/586/637）33000.0009796873614-LED-24芯片LED型号（447/512/573/627）33000.000919999347 PHOS-1Phosphor型号，暖白色（400至700nm）30130.000999799253PHOS-2Phosphor型号，暖白色（450至650nm）30070.011862667370PHOS-3PHOS-2，在560nm30000.000814761341PHOS-4PHOS-2处具有宽度下降的绿色30000.000884675345P- LED YAGPhosphor LED（YAG荧光粉）68100.004812461294P-LED WWPhosphor LED（暖白色）28800.008927280294NEODIncand。钕玻璃灯27575-0.005771560-Illum。一个visIllum。 A（仅在400至700nm）28560.0009998100248D65 visD65（仅在400至700nm）65000.00310098100248表1：分析的光源和LED模型的总结结果。

模拟程序还提供了14种颜色样品的实际颜色CIE 13.3在计算机显示器上的参考光源和测试光源下，提供了每个样品的色差的视觉印象。通过从XYZ转换到显示RGB空间并应用伽马校正来实现颜色显示。 9 通过校准所使用的计算机显示器的每种原色，可以呈现准确的颜色（在屏幕色域内）在显示器上，有可能将其用于未来的视觉实验。

为了比较白色LED与常见现有灯的显色性，仿真程序还提供了几种不同的SPD数据。类型的荧光灯，高强度放电（HID）灯和一些真正的白色LED。程序中样品的光谱反射率数据可以在任一方向上以10纳米的步长移动，以检查结果对样品颜色的微小变化的灵敏度。

结果

表1总结了本研究中分析的光源和LED模型的计算结果显示了CCT（单位：K）;一般的CRI，Ra;强烈红色的特殊CRI，R9; LER;这些光源的LER和Ra也绘制在图3中。指数R9包含在表中，因为红绿对比度对于显色非常重要， 10，11 和红色往往是有问题的。缺少红色成分会缩小可重现的色域，使得照明场景看起来很暗淡。这是许多现有放电灯的问题。指数R（9-12）是四种饱和色（红色，黄色，绿色和蓝色）的特殊显色指数R9至R12的平均值。本文介绍的Duv是CIE 1960紫外色度图中源的色度坐标到普朗克轨迹的距离，极性加上（普朗克轨迹上方）或负（普朗克轨迹下方）。‡重要的是因为普通照明不接受绿色或粉红色的白光，所以照明的色度坐标非常接近普朗克轨迹，并且荧光灯的Duv通常被控制为小于±0.005。对于多芯片LED型号，除绿色LED（30 nm）外，所有LED均使用光谱宽度Δλ0.5= 20nm。

图3：传统光源和LED模型的LER和一般CRI Ra分析。

常规光源

表1中的前六个光源是常用的常规放电灯，包括荧光灯和HID灯。这些灯的数据仅为样品，不代表灯的类型。在这些灯中，三基色灯具有最高的CRI，Ra = 82。应当注意，大多数这些灯的R9值非常差，但是由于CRI公式中使用的W * U * V *颜色空间的不均匀性，R9值被夸大（2倍或更多倍）。例如，基于CIELAB颜色空间，R9 = 17（TRI-P）将对应于≈60。因此，这些灯的R（9-12）值也不好。尽管R9很重要，但它并没有引起太多关注，因为R9不包括在Ra的计算中，也可能因为增加更深的红色成分会降低LER，从而降低灯的流明输出。这是CRI的一个问题。色彩渲染的指标很重要，因为它驱动制造商设计光谱以最大化指数Ra。

三芯片白光LED

表1和图3中的第二组（3-LED-1到4 -LED-2）是一组多芯片白光LED型号。 3-LED-1是一款三芯片LED型号，针对Ra = 80和3300K时的最高LER进行了优化，具有非常高的LER（K = 409lm/W）。 3-LED-2针对相同Ra（= 80）和相同CCT的最高R（9-12）（= 88）进行了优化，K = 359 lm/W.这些三芯片LED型号的光谱和特殊CRI，R1至R14如图2和3所示。两种型号具有相同的Ra值80，但是3-LED-1表现出非常差的红色（R9 = -90，呈现棕色）和R（9-12）仅为27，而3- LED-2展示了所有四种饱和色彩以及中等饱和色彩的良好渲染。这是具有相同Ra的源可以表现出非常不同的显色性能（可能具有饱和色的严重问题）的情况

图4：两个三芯片LED型号的SPD，均在3300 K时Ra = 80.

图5：两个三芯片白色的特殊CRI LED模型如图4所示。

图6：当波长为3时，三片白光LED模型的Ra和R（9-12）变化样本光谱反射率数据被移位。

‡符号Δuv通常用于此距离，但没有任何符号（没有关于偏差方向的信息）。

这表明Ra对于判断三芯片白光LED的显色性是不可靠的，也可能对于只有几个窄峰的传统光源也是如此。那么，R（9-12）是一个很好的指标吗？由于饱和色在光谱反射率曲线中具有急剧变化，因此R（9-12）可能会导致一些不规则结果，其中SPD在光谱分布曲线中的峰之间具有大的谷。作为简单测试，所有样品光谱反射率数据偏移-20至+ 20nm的量，以检查结果对样品颜色的微小变化的敏感性。图6显示了由移位引起的Ra和R（9-12）的变化。正如所料，发现R（9-12）对样品的波长漂移非常敏感，而Ra相当稳定。这意味着，即使R（9-12）良好，也可能无法准确地呈现其他一些饱和色（橙色，紫色等）的色彩渲染（色调会发生偏移）。 3-LED-3针对最高CRI（Ra = 89），K = 370 lm/W，4000 K进行了优化。该型号还具有R（9-12）对样品色移的强烈灵敏度。虽然R（9-12）是一个重要的数字，但应该意识到结果不适用于所有饱和色。除了这个问题外，3-LED-2和3-LED-3似乎具有相当好的显色性能，应该进一步研究。

图4和图8显示了SPD和两个四芯片LED型号的特殊CRI值R1至R14。 4-LED-1针对3300 K的最高Ra（= 97）进行了优化，R（9-12）= 87，K = 361lm/W.所有样品的ΔE* ab小于3.1，除了R12（蓝色），即11.9。 4-LED-2型号针对3300 K时的最高R（9-12）（= 99）进行了优化，Ra = 91且K = 347lm/W.所有样品的ΔE* ab小于2.4。使用这两种型号，所有样品颜色都能很好地呈现。

图9显示了波长变换测试的结果。 R（9-12）的灵敏度远低于三芯片LED模型（图6），并且被认为不重要。

磷光型白光LED

图10（a）显示了使用荧光粉的市售暖白光LED之一的SPD，表1和图3中表示为P-LED-WW。光谱设计用于模拟普朗克辐射。在这个例子之后，使用普朗克辐射制作荧光型白光LED的简单模型，使用一半高斯函数在光谱的两端平滑地切断。普朗克辐射的温度，截止波长（上升或下降的半点）和半高斯函数的宽度都可以改变。然后，从准普朗克函数中减去给定宽度和高度的另一个高斯函数，以在曲线中产生谷。谷的中心波长，深度和宽度可以变化。图7：两个四芯白光LED型号4-LED-1和4-LED-2的SPD。

图8：图7所示的四芯白光LED模型的特殊CRI。

图9：Ra和R的变化（9-12）当样本光谱反射率数据的波长发生偏移时，四芯片LED模型的变化图10（b）显示了尽可能接近地模拟普朗克辐射以获得良好显色性的结果，在这种情况下，截止波长设定为400和700nm（表1中表示为PHOS-1）。如表1所示，该光源的显色性非常好，Ra = 99。然而，LER为253 lm/W，仅为优质三芯白光LED（370 lm/W，3-LED-3）的68％。如果使用这种白色LED，将浪费大量能量。为了改善这一点，可以考虑切断光谱的两端，这对光输出的贡献非常小。图10（c）是这样的例子，其中截止波长设定在450和650nm（表1中的PHOS-2）。该光谱产生Ra = 86和K = 370lm/W，这与良好的三芯片LED相当。但是，应该注意Duv。它是+0.011，表示灯光相当黄，可能不适合室内照明。为降低Duv值，应减少光谱的绿色（或黄绿色）部分。图10（d）所示的SPD是一种解决方案，其中在560nm处形成窄谷（表1中的PHOS-3）。 Duv值减小到零，Ra = 81且K = 341lm/W.从这种情况来看，通过改变谷值参数来优化光谱以获得最高的Ra值。结果如图10（e）所示。这使得Ra = 88，R（9-12）= 75，并且K = 345lm/W，同时保持Duv = 0.000。该源的显色性可能足以用于办公室和家庭照明。图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，相当偏黄，并且K = 294lm/W，这可以进一步改善。

图10：（a）市售暖白光LED模型和（b至e）荧光粉的10个SPD型LED模型。

当白光LED光谱设计为模拟日光光谱时，应考虑相同的注意事项。例如，在400至700nm区域切出的D65光谱（表1中的D65-vis）产生的LER仅为248lm/W，远低于良好的三芯片和四芯片LED模型（350至400流明/瓦）。一些小组提出了通过SPD曲线与400至700nm区域的普朗克辐射或日光光谱（相同CCT）的接近程度来判断显色性能的建议。不推荐这样做，因为它会促使制造商设计具有低发光效率的白光LED。此外，如上所述，例如，四芯片LED可以具有与全光谱宽带光源一样好的显色性，需要进一步研究。

如所指出的，CRI不能很好地处理源与普朗克轨迹的色度坐标的偏差。例如，修改三芯片LED模型的RGB比率3-LED-2（3300K，Ra = 80，Duv = 0.000），使得色度坐标在黄色方向上偏离（Duv = +0.015），保持相同的CCT。这种灯很黄，不适合室内照明。但是，Ra值增加到85而不是减少。这是与颜色恒定性以及如何处理色彩适应有关的问题。

图11：带有钕玻璃的白炽灯的SPD。

CCT和颜色偏好

有些制造商是考虑到用白色LED实现太阳光谱或日光光谱的目标，因为这些是人眼已经适应的最自然的光，并且因为LED技术使其成为可能。但是，应该考虑两点。首先是能源方面。如果制造出模拟400至700 nm区域的Illuminant D65或D50的全光谱白光LED，其LER将仅为约250 lm/W，如前一节所述。其次，“自然日光”意味着光源的CCT至少为6500 K（D65）或5000 K（D50）。例如，荧光灯的CCT是为了目标市场（不同国家）的人们的偏好而设计的。对于美国的家庭来说，暖白色（2800 K到3000 K）占主导地位;美国家庭不接受6500 K白光。但是，在日本，例如，5000 K占主导地位。其他一些国家更喜欢更高的CCT，高达7500 K.办公室的偏好不同。例如，4200 K在美国很常见。因此，“自然日光”并未描述所有市场和应用。

市场接受的另一个方面是颜色偏好。例如，带有钕玻璃的白炽灯已经上市多年，并且最近越来越受欢迎。这种灯的光谱如图11所示。黄色区域有强烈的吸收。显色特性如表1所示（参见NEOD）。它显示Ra = 77和R9 = 15，相当差，但是这些灯被宣传为比普通白炽灯更绚丽的色彩，并且实际上是许多人的首选。在图12中解释了这种类型灯的普及的原因，图12示出了在钕 - 玻璃灯和参考源（普朗克）照射下的CIELAB颜色空间中的14个样品的颜色图。观察到与参考源相比，灯增加了红色和绿色样品的色度。这些偏差折扣了CRI的值;然而，红绿对比度增强，色域面积增加。这为照明场景提供了更多的色彩。众所周知，人们更喜欢略微增强的被照物体的色度。另一项研究11表明，视觉清晰度与四种饱和色（红色，绿色，黄色，蓝色）产生的色域面积密切相关。 ）。如果视觉清晰度增加，这不仅仅是一个偏好问题。

本CRI仅评估从参考源到测试源的颜色偏移。无论是降低还是增加色度，所有方向的色移均被计算在内;因此结果仅适用于色彩保真度。对于整体显色性，降低的色度比增加的色度或色调偏移更差，因此应以某种方式考虑色差的方向。

图12：在钕玻璃灯和参考源（普朗克）照射下CIELAB空间中14个样品的颜色。

图13：三个SPD具有峰值波长455，547和623 nm的芯片白色LED模型。

这种产生增强色度的光源光谱可以通过三芯片白光LED实现。一个例子如图13所示。这是一个3-LED模型，峰值波长分别为455，547和623 nm，光谱半宽分别为20，30和20 nm，分别为蓝色，绿色和红色，产生CCT = 3300K，Ra = 73，R（9-12）= 50，K = 363lm/W. 14个样品的CIELAB a *，b *坐标绘制在图14中。该光源的色彩保真度不好，但色域明显增大。从偏好的角度来看，这可能是一个有趣的白光光谱。图14：CIELAB空间中14个样品的颜色，由三片LED模型照射，如图所示13和参考源（普朗克）。

讨论CRI

在这里报告的分析中，证明了如Ra是这样的指数，如果它是准确的，将是设计白光LED光谱的有用工具。然而，如已经示出的，单独的Ra不是用于显色的可靠度量，尤其是对于白色LED。还需要检查诸如R9和R（9-12）的饱和色的附加指数。在本研究中已经确定或证明的CRI（特别是Ra）的几个问题总结如下。

由于Ra仅由中等饱和度的颜色决定，因此饱和色的显色性（ R9至R12），特别是R9，即使Ra相当好也可能非常差。应该以某种方式考虑饱和色。

三芯片LED的结果往往对颜色样本的微小变化敏感，特别是对于饱和色。尽管R9到R12的值对于给定的样本集合是好的，但是其他饱和颜色的渲染可能很差。

CRI没有很好地解释普朗克轨迹上的色度坐标的偏移。 。例如，指数Ra几乎不随光源色度从Duv = 0变化到Duv = +0.015而变化。这是与处理色彩适应性和颜色恒定性有关的问题。

CRI不考虑色移的方向。色度的降低具有负面影响，并且增加具有相当积极的影响（增加视觉清晰度）。应该以某种方式考虑颜色偏移的方向。

W * U * V *空间（过时）中的颜色差异图表示与CIELAB空间相比的显着不均匀性。特别是在红色区域，失真是显着的。

2000 K（非常偏红）黑体光谱或20，000 K（黄昏）的日光光谱得到Ra = 100，尽管颜色不能很好地呈现。这表明参考源中存在问题（参考源的CCT与测试源的CCT一致）。颜色恒常性被认为太完美了。非常低或非常高的CCT应该受到惩罚。

结论

各种白光LED模型已经通过模拟它们的显色性能和能效方面进行了分析。该结果为多芯片和荧光粉白光LED的设计提供了一些指导。结果表明，精心设计的三芯白光LED可以具有可接受的显色性（用于室内照明）以及良好的发光效率，但还需要进一步研究。具有适当设计的四芯片白光LED显示出优异的显色性和良好的发光效率。磷光型LED可以具有优异的显色性，但往往具有较低的发光效率。在设计荧光型白光LED光谱时应注意Duv的价值。最后，本研究已经确定或证实了CRI的几个问题。指数Ra对于白色LED（以及传统光源）的显色性能是不可靠的。一些问题可以通过另外检查R9到R12（特别是R9）来解决，但这不能解决根本问题。此外，对于一般用户来说，需要描述一个数字的显色性能。一个新的，改进的颜色渲染度量，解决这些问题，是一个迫切需要。