LED照明中色温因素的研究

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摘要：LED技术的日益普及和提高，目前LED正逐渐向大功率、高光强的趋势发展。但在追求LED照明高光强的同时，由于主流LED灯具色温(集中在5600-6500K)过高，偏离了大众对民用照明的视觉感受，给人过于刺眼的问题也随之影响了LED照明的普及和发展。而LED混色照明中色温也是相当关键的因素之一。
本文探讨了LED照明中色温因素对照明效果、显色指数及对人视觉能力的影响、实现LED照明色温可调节的方法及色温在LED检测中的影响;并尝试利用在LED照明光学系统中加入降色温光学薄膜的方法，对影响LED照明效果、显色指数、视觉感受及光强检测的色温因素进行探讨。此外也探讨了在照明、影视及摄影等众多LED照明应用领域中达到理想光色方法中色温的影响因素。
关键词：LED照明，色温，升降色温光学薄膜，显色指数，自然白光。
随着白光LED技术的迅速发展，LED照明正逐步进入了各个应用领域，尤其是LED发光效率超越白炽灯及荧光灯后，LED照明正逐步以其显著的节能优势拓展到占全球电力消耗2成的普通照明领域。目前，全球LED的市场超过100亿美元，并以年均增长率超过20%发展起来一个新型的“绿色照明”工业[1]。
目前，在LED照明中，白光LED的发光效率、配光设计、光衰等问题都已得到了很好地改善。但在LED显色指数、色温及对人视觉能力的影响方面，由于目前以InGaNa蓝色LED芯片为基础光源激发稀土石榴石黄色荧光粉的混色方法所限，在作为普通照明光源的白光LED的光谱、色品坐标、相关色温及显色指数等均很难符合现行的CIE及我国的相关标准[2]。
从LED发光光谱上来分析，由于此种混色方案中，蓝光光谱过高而红光光谱的偏少(见图1)[3]，使得此类白光LED色温只能是5000K以上的高色温光源，低显色性的。日前主流白光LED色温主要集中在5600-6500K。
而现有主流普通民用灯具(如白炽灯及道路用高压钠床)则是低色温，色温主要集中在2700-3200K。而由于生理因素及心理习惯因素使然，人们已习惯于现有主流照明灯具低色温下的舒适感及可视度。对于白光LED普遍认为过于刺眼，这其实就是由于白光LED的色温范围恰好相当于太阳自然白光的色温范围(5500-6800)内。

图1.白光LED发光光谱与白炽灯发光光谱
对红、绿、蓝三基色LED组合发射的白光，调节红、绿、蓝的工作电流可以使显色性得到一定的提高，甚至能使显色指数达到90。但是这种方法电流的调节复杂，成本较大;且不同的基色光衰程度不同，从而导致一致性较差。
所以，作为民用照明用的LED光源一般采用荧光粉转换型白光LED(此类白光LED显色指数一般为80左右)。但此类白光LED光源的光色特性受到工作电流和温度的影响又比较明显。表1所示为不同工作温度下LED光源的参数变化[4]，由此可见随着白光LED灯具温度升高，不仅发光效率有所下降，其色温也明显升高了。当温度大于50℃时，色温偏高，显色指数随之下降。主要由于温度升高，蓝光波峰红移，荧光粉波峰变平坦而劣化。

表1.温度对LED灯参数的影响
因此，与白炽灯和高压钠灯等常用灯具相比，荧光粉白光LED在色温与显色指数方面的劣势难以通过工况方面的方法解决，目前研究人员也试图通过掺杂红色荧光体等方法研发低色温高显色性的白光LED，但由于此类白光LED中激发蓝光的减少、红光与近红外光部分增多对散热的影响、LED封装技术及成本因素的限制，此类白光LED的发光强度必然会有所下降。如表2所示[5]。

表2.白光LED色温因素对光效的影响（OSRAM公司产品的技术资料）
为了降低白光LED的色温，提高其显色性与视觉效果，除了在其芯片、发光材料与封装结构方面进行改进，也可以尝试在LED照明光学系统中加入降色温光学薄膜的方法达到降低LED灯具的色温。

图2.降色温滤光片的光谱曲线
图2给出了常用降色温滤光片的光谱曲线。降色温光学薄膜是在LED灯具前镀制多层的光学干涉薄膜，通过调整薄膜的厚度与折射率的排列，针对白光LED发光曲线，抑制高色温波段光的通过，以达到使透过光线色温降低的目的。与之原理类似的还有升色温滤光片。升、降色温滤光片广泛应用于摄影、影视等领域，调节色温，补偿色彩，以适应不同光线、环境下的需要。
降色温滤光片在LED照明光学系统中的尝试应用有显著的效果，目前已经有研究人员针对超高亮度白色LED开发了一系列降色温光学薄膜，可根据应用需求将原色温为5500K的白色LED降为色温4500K~2800K等。
降色温滤光片可以应用在多种场合的LED照明中：
在城市道路照明中应用LED灯具与现有主流照明比较，其中主要的分歧点正是色温因素的争论。LED路灯支持者认为，高色温白光用于道路照明有中间视觉效应，可视性好，感觉比低色温黄光更明亮;反对者则认为，低色温黄光透雾性好，感觉温暖，比“刺眼”的高色温白光更受市民欢迎[5]。
目前，综合发光效率与降低色温的考虑，LED城市道路照明中主流色温区间在5500-6500K之间，若再降低色温，则LED发光效率必然难以达到使用要求或要增加成本了。故此对于高效率，高色温的LED路灯，在其照明系统内应用降色温滤光片，可以达到效率降低较小而色温大幅降低的效果。同时，针对不同人群、环境对于照明光源色温的不同要求，可以采用不同的降色温光学薄膜，而不用对LED进行大的改造，很大地提高了LED照明的适用范围。
在摄影、影视等对色彩、色温要求较高的场所，LED照明的应用受到更大的限制。中华人民共和国行业标准《电视演播室灯光系统设计规范》(条文说明)的第二条[6]中规定：
“演播室演区光的色温，国外有两种标准：3050±150K;3000±150K，经过在国内实验，当色温为2850K时，白平衡被破坏，电视图像色调欠佳。故本规范确定演区光的色温为3050±150K。”
而对彩色电影胶片而言，有灯光型胶片和目光型胶片两种。用卤钨灯照明时用灯光型胶片，在日光下拍片时用日光型胶片。在彩色电视中，摄像机只允许在大约3000K的色温下才能得到良好的色再现。这些都对照明光源提出了严格的色温要求，而前文所述的降色温滤光片则可以较好地以低成本解决白光LED在这些场所应用的问题。
结论：
白光LED的色温和显色性是其应用推广的一大劣势。红、绿、蓝三基色LED组合发射的白光显色性较好但调节复杂且一致性较差，常用的荧光粉转换白光LED在这方面的劣势也难以通过工况方面的方法解决，掺杂红色荧光体等方法制作的白光LED的发光强度则有所下降。为了降低白光LED的色温，提高其显色性与视觉效果，可以尝试在LED照明光学系统中加入降色温滤光片的方法。
降色温滤光片在LED照明光学系统中的尝试应用有显著的效果，可根据应用需求将原色温为5200K的白光LED降为色温4500K~2800K等。降温滤光片在LED城市照明、摄影、影视等领域能很好地解决白光LED色温过高的问题，推进其在此类场所中的应用。
参考文献：
[1]吕天文.中国LED市场分析与展望.电源技术应用，2010，13(1)：1~12.
[2]陶玖祥，李洪波.LED光源之安全认证.中国照明电器，2007，3：22~26.
[3]ZhangLouying，ZhangLi.ResearchonMechanismofHighPowerLEDLuminousAttenuation.SemiconductorTechnology，34(15)：474~477.
[4]金尚忠，张树生.白光照明LED灯温度特性的研究.光源与照明，2004，4：6~8.
[5]吴春海.发光二极管(LED)路灯色温的思考与选择.光源与照明，2010，1：33~34，46.
[6]中华人民共和国行业标准.GYJ45-1992电视演播室灯光系统设计规范(条文说明)：58~59.