摘 要:在介紹LED光譜特性及色品坐標(biāo)的基礎(chǔ)上,針對三基色白光LED光色不穩(wěn)定問題,分析了溫度對不同材料、不同顏色組成白光的三基色LED光譜特性及色度坐標(biāo)的影響。利用混色方程,驗(yàn)證了通過對三基色組成LED光通量比例的控制可以使三基色白光的顏色滿足約束條件,達(dá)到顏色穩(wěn)定的目的。
關(guān)鍵詞:相對光譜能量分布;色品坐標(biāo);三基色白光LED;色差
1 引言
發(fā)光二極管(LED)是一種新型的固態(tài)光源,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,尤其是大功率LED的研發(fā),使其不僅用于景觀照明、交通信號燈、電視背光源等,更是有望進(jìn)入占全球電力消耗15%～20%的普通照明領(lǐng)域。然而要作為一種普通光源進(jìn)入照明市場,產(chǎn)品的照明質(zhì)量、商業(yè)可行性及經(jīng)濟(jì)價(jià)值等都是要慎重考慮的因素。因此作為衡量照明質(zhì)量的光源顏色的要求成為大功率白光LED必須滿足的條件之一。照明應(yīng)用上大多采用基于熒光粉的白光LED(PC2LED),盡管三基色混合白光LED的光效、顯色性等更具有明顯的優(yōu)勢,但其隨著環(huán)境、調(diào)光等條件的改變顏色漂移卻更加明顯[1]。因此三基色白光LED要在普通照明領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,顏色的穩(wěn)定性是關(guān)鍵。本文在分析影響三基色白光LED顏色變化因素的基礎(chǔ)上,研究了溫度對白色LED光源光譜特性及色度坐標(biāo)的影響及保持顏色穩(wěn)定性的方法。
2 LED光譜特性及色品坐標(biāo)的表示
LED的光譜功率分布表示輻射功率隨波長的變化函數(shù),它確定了LED發(fā)光的顏色、光通量及顯色指數(shù),通常用相對功率分布S(λ)表示。因此,已知光源的相對光譜能量分布,可以確定光源的顏色特性。
大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,LED的光譜功率分布可以用高斯分布函數(shù)(1)描述:
P(λ)=P1δ2πexp-12λ-λpδ2δ=λ2pΔE2hc2ln2(1)
ΔE=118KT為理想半高寬度(實(shí)際值會由于材料的不同產(chǎn)生一定的差異),P為光輸出功率(W),λp為峰值波長(nm),h為普朗克常數(shù)(616261×10-30JΠs),c為真空中的光速(3×10-8mΠs),k為玻耳茲曼常數(shù)(113807×10-23JΠK)[2]。
混色實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,任何一種顏色都可由三基色按一定的比例匹配而成。為了避免在匹配顏色時(shí)三色系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值的情況,國際照明協(xié)會(CIE)制定了CIE19312XYZ標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng),利用三個(gè)假想色(X)、(Y)、(Z)進(jìn)行配色實(shí)驗(yàn)得到配色方程(2)[3]:
C(C)≡X(X)+Y(Y)+Z(Z)(2)
(C)和(X)、(Y)、(Z)分別表示被配色和三假想色的單位,而C和X、Y、Z則表示被配色和三假想色的數(shù)量。X、Y、Z稱為三刺激值,其中X、Y、Z全為正值,Y表示亮度,X、Z只與色度有關(guān)。
如果C=1,則可以把方程(2)寫成方程(3):(C)≡XX+Y+Z(X)+YX+Y+Z(Y)+ZX+Y+Z(Z)(3)
式(3)表明一個(gè)單位的顏色(C)的色度只決定于三假想色的刺激值在X+Y+Z總量中的相對比例,此比值被稱作色度坐標(biāo),是表征光源發(fā)光顏色的重要參量,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標(biāo)及亮度表示出來:
X=xyY,Y=Y,Z=zyY(5)
由于x+y+z=1,因此通常用(x,y)表示色度坐標(biāo),這樣每一種顏色就對應(yīng)色度坐標(biāo)上的一個(gè)確定的點(diǎn),且色溫同樣也可以在色品坐標(biāo)上表示出來[3]。
3 白光LED顏色穩(wěn)定的影響因素及穩(wěn)定的方法
三基色白光LED可以由InGaN材料的藍(lán)光、綠光LED與AlGaInP材料的紅光LED混合產(chǎn)生。隨溫度的變化光譜相關(guān)參數(shù)會發(fā)生變化,如峰值波長會向長波方向移動(dòng)、半高寬度增大及峰值能量減小等。這是由于載流子能量分布、禁帶寬度、電子遷移率等參量隨溫度發(fā)生變化,引致LED光譜特征發(fā)生了改變[4]。對于三基色白光LED光源,不同顏色的LED光學(xué)性質(zhì)對溫度的依賴有所不同,致使白光LED的光譜改變(如圖1[5]),這樣會導(dǎo)致白光LED的色度坐標(biāo)漂移,色溫也發(fā)生改變。
盡管不同設(shè)備對光源色差的要求有所不同,但如果超出人眼能夠容忍的色差范圍,照明對人的生理、心理都會產(chǎn)生負(fù)面影響。由于光源的顏色特性取決于在發(fā)出的光線中不同波長上的相對能量比例,而與光譜密度的絕對值無關(guān),絕對值的大小只反映光的強(qiáng)弱,不會引起光源顏色的變化。因此顏色穩(wěn)定性問題成為在光通量總量不變的情況下如何調(diào)節(jié)三基色LED光通的比例,使在色度坐標(biāo)里原顏色與現(xiàn)顏色之間的距離在規(guī)定范圍之內(nèi)[1],即轉(zhuǎn)化CIE1960均勻色度坐標(biāo)系中滿足條件(6):
Δuv=(u-u0)2+(v-v0)2≤01003(6) (u,v)為實(shí)際光源的色度坐標(biāo),(u0,v0)為要求光源的色度坐標(biāo),01003取的是熒光燈的色差范圍要求。
設(shè)所要配出的白光的色坐標(biāo)為W(xw,yw),使用的三原色R、G、B色坐標(biāo)分別為R(xr,yr),G(xg,yg),B(xb,yb),根據(jù)格林斯曼混色定律[3]:
X=X1+X2+X3Y=Y1+Y2+Y3Z=Z1+Z2+Z3(7)
將(3)、(4)、(5)式分別代入(7)式可得混合顏色W(xw,yw)的表達(dá)式(8):
xwyw1yw1=xryrxgygxbyb1yr1yg1yb111×LrLgLb(8)
其中,三基色坐標(biāo)系數(shù)矩陣xrxgxbyrygybzrzgzb是溫度T的函數(shù),是比例計(jì)算所需的關(guān)鍵函數(shù)。根據(jù)LED生產(chǎn)商的資料中所列單個(gè)LED的峰值波長、半高寬度,并由(7)式計(jì)算出初始三基色光輻射能量的比例,對LED的光譜利用高斯分布(1)進(jìn)行理論模擬,可以求出任意波長LED的色品坐標(biāo)。大量實(shí)驗(yàn)資料表明,RGB發(fā)光二極管的峰值波長、半高寬度與溫度是線性函數(shù)的關(guān)系,光輻射能量與溫度是指數(shù)函數(shù)的關(guān)系[2],根據(jù)確定的溫度系數(shù)得到三基色白光LED的光譜參數(shù)與溫度的關(guān)系,進(jìn)而求出色度坐標(biāo)系數(shù)矩陣關(guān)于溫度T的函數(shù)。由(7)式求出固定亮度檔次不同溫度下所需要白光三基色的配比,并根據(jù)溫度的漂移隨時(shí)調(diào)節(jié)配比,使白光色度坐標(biāo)滿足(6)式的要求。如表1所示,溫度變化引起LED光譜參數(shù)的變化,在不同溫度下做了三基色配比及白光色度坐標(biāo)變化的比較。其中,L是調(diào)節(jié)后的光通量的比值,L′是調(diào)節(jié)前的光通量的比值。參數(shù)表達(dá)式如(9)式[2],溫度系數(shù)見表2:
λpT=λp25+k1
ΔTΔλT=Δλ25+k2
ΔTLT=L25×exp-ΔTTc(9)
由分析可知,改變RGB三種顏色LED的比例,可以得到固定亮度檔次色度坐標(biāo)上符合要求的白光,在此基礎(chǔ)上采用溫度前饋加光通量反饋控制方法[6],便可減小溫度對三基色白光LED顏色穩(wěn)定的影響。
4 結(jié)論
實(shí)際應(yīng)用中影響三基色白光LED光色的因素還有很多:①LED制造商一般只提供芯片的光強(qiáng)和波長,這些參數(shù)不能準(zhǔn)確完整地描述芯片的顏色特性, 在進(jìn)行配比計(jì)算時(shí),必須對樣品進(jìn)行測試和篩選才能在快速實(shí)時(shí)控制中得到滿意的色彩一致性。②如何對顏色的一致性進(jìn)行直接、有效的評價(jià),國際上沒有統(tǒng)一的色差規(guī)定,對此CIE、ANSI等機(jī)構(gòu)都在積極推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。③改進(jìn)LED芯片的生產(chǎn)工藝,減小同一規(guī)格芯片之間光強(qiáng)、峰值波長等參數(shù)的差異。④散熱問題的合理解決。
隨著白光LED技術(shù)不斷完善、光效的提高、價(jià)格的降低,作為一種典型的綠色光源,顏色穩(wěn)定的三基色白光LED在實(shí)際中應(yīng)用的前景是十分看好的。