摘 要:在介绍LED光谱特性及色品坐标的基础上,针对三基色白光LED光色不稳定问题,分析了温度对不同材料、不同颜色组成白光的三基色LED光谱特性及色度坐标的影响。利用混色方程,验证了通过对三基色组成LED光通量比例的控制可以使三基色白光的颜色满足约束条件,达到颜色稳定的目的。

关键词:相对光谱能量分布;色品坐标;三基色白光LED;色差

1 引言

发光二极管(LED)是一种新型的固态光源,随着技术的不断进步,尤其是大功率LED的研发,使其不仅用于景观照明、交通信号灯、电视背光源等,更是有望进入占全球电力消耗15%～20%的普通照明领域。然而要作为一种普通光源进入照明市场,产品的照明质量、商业可行性及经济价值等都是要慎重考虑的因素。因此作为衡量照明质量的光源颜色的要求成为大功率白光LED必须满足的条件之一。照明应用上大多采用基于荧光粉的白光LED(PC2LED),尽管三基色混合白光LED的光效、显色性等更具有明显的优势,但其随着环境、调光等条件的改变颜色漂移却更加明显[1]。因此三基色白光LED要在普通照明领域得到广泛应用,颜色的稳定性是关键。本文在分析影响三基色白光LED颜色变化因素的基础上,研究了温度对白色LED光源光谱特性及色度坐标的影响及保持颜色稳定性的方法。

2 LED光谱特性及色品坐标的表示

  LED的光谱功率分布表示辐射功率随波长的变化函数,它确定了LED发光的颜色、光通量及显色指数,通常用相对功率分布S(λ)表示。因此,已知光源的相对光谱能量分布,可以确定光源的颜色特性。

大量实验数据表明,LED的光谱功率分布可以用高斯分布函数(1)描述:

P(λ)=P1δ2πexp-12λ-λpδ2δ=λ2pΔE2hc2ln2(1)  

ΔE=118KT为理想半高宽度(实际值会由于材料的不同产生一定的差异),P为光输出功率(W),λp为峰值波长(nm),h为普朗克常数(616261×10-30JΠs),c为真空中的光速(3×10-8mΠs),k为玻耳兹曼常数(113807×10-23JΠK)[2]。

混色实验结果表明,任何一种颜色都可由三基色按一定的比例匹配而成。为了避免在匹配颜色时三色系数出现负值的情况,国际照明协会(CIE)制定了CIE19312XYZ标准色度系统,利用三个假想色(X)、(Y)、(Z)进行配色实验得到配色方程(2)[3]:

C(C)≡X(X)+Y(Y)+Z(Z)(2)

(C)和(X)、(Y)、(Z)分别表示被配色和三假想色的单位,而C和X、Y、Z则表示被配色和三假想色的数量。X、Y、Z称为三刺激值,其中X、Y、Z全为正值,Y表示亮度,X、Z只与色度有关。

如果C=1,则可以把方程(2)写成方程(3):(C)≡XX+Y+Z(X)+YX+Y+Z(Y)+ZX+Y+Z(Z)(3)

式(3)表明一个单位的颜色(C)的色度只决定于三假想色的刺激值在X+Y+Z总量中的相对比例,此比值被称作色度坐标,是表征光源发光颜色的重要参量,用x、y、z表示:

x=XX+Y+Z

y=YX+Y+Z

z=ZX+Y+Z(4)

 因此三刺激值可以用色度坐标及亮度表示出来:

X=xyY,Y=Y,Z=zyY(5)

  由于x+y+z=1,因此通常用(x,y)表示色度坐标,这样每一种颜色就对应色度坐标上的一个确定的点,且色温同样也可以在色品坐标上表示出来[3]。

3 白光LED颜色稳定的影响因素及稳定的方法

三基色白光LED可以由InGaN材料的蓝光、绿光LED与AlGaInP材料的红光LED混合产生。随温度的变化光谱相关参数会发生变化,如峰值波长会向长波方向移动、半高宽度增大及峰值能量减小等。这是由于载流子能量分布、禁带宽度、电子迁移率等参量随温度发生变化,引致LED光谱特征发生了改变[4]。对于三基色白光LED光源,不同颜色的LED光学性质对温度的依赖有所不同,致使白光LED的光谱改变(如图1[5]),这样会导致白光LED的色度坐标漂移,色温也发生改变。

尽管不同设备对光源色差的要求有所不同,但如果超出人眼能够容忍的色差范围,照明对人的生理、心理都会产生负面影响。由于光源的颜色特性取决于在发出的光线中不同波长上的相对能量比例,而与光谱密度的绝对值无关,绝对值的大小只反映光的强弱,不会引起光源颜色的变化。因此颜色稳定性问题成为在光通量总量不变的情况下如何调节三基色LED光通的比例,使在色度坐标里原颜色与现颜色之间的距离在规定范围之内[1],即转化CIE1960均匀色度坐标系中满足条件(6):

Δuv=(u-u0)2+(v-v0)2≤01003(6)  (u,v)为实际光源的色度坐标,(u0,v0)为要求光源的色度坐标,01003取的是荧光灯的色差范围要求。

设所要配出的白光的色坐标为W(xw,yw),使用的三原色R、G、B色坐标分别为R(xr,yr),G(xg,yg),B(xb,yb),根据格林斯曼混色定律[3]:

X=X1+X2+X3Y=Y1+Y2+Y3Z=Z1+Z2+Z3(7)

 将(3)、(4)、(5)式分别代入(7)式可得混合颜色W(xw,yw)的表达式(8):

xwyw1yw1=xryrxgygxbyb1yr1yg1yb111×LrLgLb(8)

其中,三基色坐标系数矩阵xrxgxbyrygybzrzgzb是温度T的函数,是比例计算所需的关键函数。根据LED生产商的资料中所列单个LED的峰值波长、半高宽度,并由(7)式计算出初始三基色光辐射能量的比例,对LED的光谱利用高斯分布(1)进行理论模拟,可以求出任意波长LED的色品坐标。大量实验资料表明,RGB发光二极管的峰值波长、半高宽度与温度是线性函数的关系,光辐射能量与温度是指数函数的关系[2],根据确定的温度系数得到三基色白光LED的光谱参数与温度的关系,进而求出色度坐标系数矩阵关于温度T的函数。由(7)式求出固定亮度档次不同温度下所需要白光三基色的配比,并根据温度的漂移随时调节配比,使白光色度坐标满足(6)式的要求。如表1所示,温度变化引起LED光谱参数的变化,在不同温度下做了三基色配比及白光色度坐标变化的比较。其中,L是调节后的光通量的比值,L′是调节前的光通量的比值。参数表达式如(9)式[2],温度系数见表2:

λpT=λp25+k1

ΔTΔλT=Δλ25+k2

ΔTLT=L25×exp-ΔTTc(9)

由分析可知,改变RGB三种颜色LED的比例,可以得到固定亮度档次色度坐标上符合要求的白光,在此基础上采用温度前馈加光通量反馈控制方法[6],便可减小温度对三基色白光LED颜色稳定的影响。

4 结论

实际应用中影响三基色白光LED光色的因素还有很多:①LED制造商一般只提供芯片的光强和波长,这些参数不能准确完整地描述芯片的颜色特性, 在进行配比计算时,必须对样品进行测试和筛选才能在快速实时控制中得到满意的色彩一致性。②如何对颜色的一致性进行直接、有效的评价,国际上没有统一的色差规定,对此CIE、ANSI等机构都在积极推进标准的统一。③改进LED芯片的生产工艺,减小同一规格芯片之间光强、峰值波长等参数的差异。④散热问题的合理解决。

随着白光LED技术不断完善、光效的提高、价格的降低,作为一种典型的绿色光源,颜色稳定的三基色白光LED在实际中应用的前景是十分看好的。