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      新聞導航

      LED照明中色溫因素的研究

      來(lái)源:www.chinanvid.com 發(fā)布時(shí)間:2024-06-17 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(jué)能力的影響、實(shí)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(xué)系統中加入降色溫光學(xué)薄膜的方法,對影響LED照明效果、顯色指數、視覺(jué)感受及光強檢測的色溫因素進(jìn)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(lǐng)域中達到理想光色方法中色溫的影響因素。

           關(guān)鍵詞:LED照明,色溫,升降色溫光學(xué)薄膜,顯色指數,自然白光。

           隨著(zhù)白光LED技術(shù)的迅速發(fā)展,LED照明正逐步進(jìn)入了各個(gè)應用領(lǐng)域,尤其是LED發(fā)光效率超越白熾燈及熒光燈后,LED照明正逐步以其顯著(zhù)的節能優(yōu)勢拓展到占全球電力消耗2成的普通照明領(lǐng)域。目前,全球LED的市場(chǎng)超過(guò)100億美元,并以年均增長(cháng)率超過(guò)20%發(fā)展起來(lái)一個(gè)新型的“綠色照明”工業(yè)[1]。

           目前,在LED照明中,白光LED的發(fā)光效率、配光設計、光衰等問(wèn)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(jué)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(fā)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(guān)色溫及顯色指數等均很難符合現行的CIE及我國的相關(guān)標準[2]。

           從LED發(fā)光光譜上來(lái)分析,由于此種混色方案中,藍光光譜過(guò)高而紅光光譜的偏少(見(jiàn)圖1)[3],使得此類(lèi)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(guò)于刺眼,這其實(shí)就是由于白光LED的色溫范圍恰好相當于太陽(yáng)自然白光的色溫范圍(5500-6800)內。


           對紅、綠、藍三基色LED組合發(fā)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(lèi)白光LED顯色指數一般為80左右)。但此類(lèi)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(jiàn)隨著(zhù)白光LED燈具溫度升高,不僅發(fā)光效率有所下降,其色溫也明顯升高了。當溫度大于50℃時(shí),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(guò)工況方面的方法解決,目前研究人員也試圖通過(guò)摻雜紅色熒光體等方法研發(fā)低色溫高顯色性的白光LED,但由于此類(lèi)白光LED中激發(fā)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(shù)及成本因素的限制,此類(lèi)白光LED的發(fā)光強度必然會(huì )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(jué)效果,除了在其芯片、發(fā)光材料與封裝結構方面進(jìn)行改進(jìn),也可以嘗試在LED照明光學(xué)系統中加入降色溫光學(xué)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(xiàn)。降色溫光學(xué)薄膜是在LED燈具前鍍制多層的光學(xué)干涉薄膜,通過(guò)調整薄膜的厚度與折射率的排列,針對白光LED發(fā)光曲線(xiàn),抑制高色溫波段光的通過(guò),以達到使透過(guò)光線(xiàn)色溫降低的目的。與之原理類(lèi)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(lǐng)域,調節色溫,補償色彩,以適應不同光線(xiàn)、環(huán)境下的需要。

           降色溫濾光片在LED照明光學(xué)系統中的嘗試應用有顯著(zhù)的效果,目前已經(jīng)有研究人員針對超高亮度白色LED開(kāi)發(fā)了一系列降色溫光學(xué)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(chǎng)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(diǎn)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(jué)效應,可視性好,感覺(jué)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(jué)溫暖,比“刺眼”的高色溫白光更受市民歡迎[5]。

           目前,綜合發(fā)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(fā)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(shí),針對不同人群、環(huán)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(xué)薄膜,而不用對LED進(jìn)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(chǎng)所,LED照明的應用受到更大的限制。中華人民共和國行業(yè)標準《電視演播室燈光系統設計規范》(條文說(shuō)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(jīng)過(guò)在國內實(shí)驗,當色溫為2850K時(shí),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(shí)用燈光型膠片,在日光下拍片時(shí)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(chǎng)所應用的問(wèn)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(fā)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(guò)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(fā)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(jué)效果,可以嘗試在LED照明光學(xué)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(xué)系統中的嘗試應用有顯著(zhù)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(lǐng)域能很好地解決白光LED色溫過(guò)高的問(wèn)題,推進(jìn)其在此類(lèi)場(chǎng)所中的應用。