楊 華，楊宇銘，李 燕，鄭懷文，伊?xí)匝?，王軍喜，李晉閩

(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體照明研發(fā)中心，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京第三代半導(dǎo)體材料與應(yīng)用工程技術(shù)研發(fā)中心，半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

引言

隨著通用照明逐步完成LED器件的替代，照明也逐步向進(jìn)一步發(fā)揮半導(dǎo)體器件可控優(yōu)勢(shì)的功能性照明乃至超越照明快速發(fā)展[1,2]。其中面向健康照明、光環(huán)境控制的應(yīng)用一般都要用到多光譜器件，而LED的多光譜應(yīng)用必須解決發(fā)射光譜的可控性。特別是LED器件正在進(jìn)一步向大電流、高亮度、高密度的方向發(fā)展，對(duì)于器件和器件模組光譜的可控性研究已經(jīng)開(kāi)始逐漸引起人們的重視[3-5]。采用多光譜混合的方法制備可調(diào)光譜的照明光源是健康照明中的主要技術(shù)路線之一，但現(xiàn)有技術(shù)方案無(wú)論是采用單色芯片還是熒光材料都面臨光參數(shù)分類的范圍，以及光源顏色與驅(qū)動(dòng)其工作的電學(xué)參數(shù)之間存在非線性關(guān)聯(lián)關(guān)系等問(wèn)題[6,7]。早期的紅綠藍(lán)三基色技術(shù)路線一直沒(méi)有成為照明市場(chǎng)的主流，一方面是由于成本和發(fā)光效率問(wèn)題，另一方面也是由于在色度學(xué)控制方面存在需要解決的問(wèn)題，這也導(dǎo)致相關(guān)的技術(shù)積累仍然難以支持該技術(shù)路線的廣泛使用。

作為解決上述問(wèn)題的初步工作，本文針對(duì)6種單色光LED進(jìn)行了仿真混光實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合單色光LED的特性分析以及色度學(xué)理論，對(duì)與照明用多光譜LED的組合方式進(jìn)行了研究，給出了用于照明的多光譜LED組合的原則和方案。

1 元器件特性

本文使用的6種LED采用實(shí)際LED的光譜，其歸一化的光譜分布函數(shù)如圖1所示，峰值波長(zhǎng)分別為454 nm、480 nm、507 nm、528 nm、590 nm、631 nm，半高寬度分別為18 nm、30 nm、28 nm、36 nm、16 nm、18 nm。在額定電流下的色坐標(biāo)(x,y)分別為(0.1482,0.03199)、(0.1043,0.1799)、(0.0924,0.6424)、(0.2197,0.7194)、(0.5614,0.4374)、(0.6942,0.3062)。

圖1 6種LED的歸一化發(fā)射光譜

2 光譜組合的仿真分析

考慮不同光譜的LED進(jìn)行組合所得到的光譜，如圖2所示，采用全局搜索方法確定了典型色溫為2 700 K和5 500 K的兩種光譜組合，并對(duì)這些參數(shù)組合附近的波長(zhǎng)差異導(dǎo)致的色度學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

圖2 6種單色LED組合而成的5 500 K和2 700 K典型白光光譜

考慮相關(guān)色溫5 500 K附近各單色LED峰值波長(zhǎng)的變化對(duì)相關(guān)色溫的影響情況如圖3所示(其中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)漂移的納米數(shù))：其中630 nm附近的紅色發(fā)生峰值波長(zhǎng)的漂移對(duì)于色溫的影響最大，在漂移2 nm左右即可導(dǎo)致色溫100 K左右的變化，而且其影響是隨著峰值波長(zhǎng)的增加，色溫迅速降低，其他波長(zhǎng)的峰值波長(zhǎng)增加一般會(huì)引起色溫的升高；綠色528 nm和橙色590 nm的單色LED的峰值波長(zhǎng)漂移產(chǎn)生的影響略小，寶藍(lán)色480 nm的影響進(jìn)一步減小，而藍(lán)綠色507 nm的影響更小；而藍(lán)色454 nm的峰值波長(zhǎng)漂移在兩個(gè)方向有不同的效果，其峰值波長(zhǎng)減小會(huì)導(dǎo)致色溫略有降低，而峰值波長(zhǎng)增加會(huì)導(dǎo)致色溫先升高后降低，其相關(guān)色溫的最大值在455 nm附近。

圖3 5 500 K附近相關(guān)色溫與6種基本LED峰值波長(zhǎng)漂移的關(guān)系

進(jìn)一步考慮相關(guān)色溫2 700 K附近各單色LED峰值波長(zhǎng)的變化對(duì)相關(guān)色溫的影響情況如圖4所示(其中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)漂移的納米數(shù))：與5 500 K的情況相似，630 nm附近的紅色發(fā)生峰值波長(zhǎng)的漂移對(duì)于色溫的影響較大，在漂移4 nm左右即可導(dǎo)致色溫100 K左右的變化，其影響同樣是隨著峰值波長(zhǎng)的增加而導(dǎo)致色溫降低；但是這里對(duì)色溫影響最大的是橙色590 nm的單色LED的峰值波長(zhǎng)漂移，其波長(zhǎng)漂移2 nm左右即可導(dǎo)致色溫100 K左右的變化，但是其影響是隨著峰值波長(zhǎng)的增加而導(dǎo)致色溫升高；其他單色LED的波長(zhǎng)漂移對(duì)色溫的影響相對(duì)較小，藍(lán)色454 nm、寶藍(lán)480 nm和藍(lán)綠507 nm的單色LED隨著峰值波長(zhǎng)增加會(huì)導(dǎo)致色溫略有降低；而綠色528 nm的峰值波長(zhǎng)漂移在兩個(gè)方向有不同的效果，其峰值波長(zhǎng)減小會(huì)導(dǎo)致色溫略有降低，而峰值波長(zhǎng)增加會(huì)導(dǎo)致色溫先升高后降低，其相關(guān)色溫的最大值在530 nm附近。

圖4 2 700 K附近相關(guān)色溫與6種基本LED峰值波長(zhǎng)漂移的關(guān)系

由圖3和圖4可見(jiàn)，多波長(zhǎng)組合的白光LED的色溫和各單色LED的工作波長(zhǎng)穩(wěn)定性或分bin準(zhǔn)確度有著較大關(guān)系，而且是紅色和橙色的對(duì)色溫的影響較大，低色溫的器件需要控制紅色和橙色的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和一致性，高色溫的器件還需要對(duì)綠色和寶藍(lán)色器件進(jìn)行控制，這些對(duì)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和器件工藝技術(shù)提出了極高的要求，因此在LED器件的波長(zhǎng)穩(wěn)定性、一致性以及光譜分布特性等方面得到較大的進(jìn)步之前，多光譜組合的技術(shù)方案用于常規(guī)的通用照明存在一定困難。

下面繼續(xù)考慮相關(guān)色溫5 500 K附近各單色LED峰值波長(zhǎng)的變化對(duì)顯色指數(shù)的影響，具體情況如圖5所示(其中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)漂移的納米數(shù))：與相關(guān)色溫的影響不同，橙色590 nm的峰值波長(zhǎng)漂移對(duì)于顯色指數(shù)的影響最大，在漂移2 nm左右即可導(dǎo)致顯色指數(shù)的變化大于2，而且其影響是隨著峰值波長(zhǎng)的增加而導(dǎo)致顯色指數(shù)迅速升高；相對(duì)的除藍(lán)色454 nm與橙色590 nm的峰值波長(zhǎng)增加引起顯色指數(shù)提高，其他波長(zhǎng)的峰值波長(zhǎng)增加一般會(huì)引起顯色指數(shù)的降低；其中紅色630 nm峰值波長(zhǎng)的增加導(dǎo)致顯色指數(shù)的降低不是線性的而是存在一個(gè)最小值。

圖5 5 500 K附近顯色指數(shù)與6種基本LED峰值波長(zhǎng)漂移的關(guān)系

進(jìn)一步考慮相關(guān)色溫2 700 K附近各單色LED峰值波長(zhǎng)的變化對(duì)顯色指數(shù)的影響，具體情況如圖6所示(其中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)漂移的納米數(shù))：與5 500 K的情況類似，橙色590 nm的峰值波長(zhǎng)漂移對(duì)于顯色指數(shù)的影響最大，仍然是漂移2 nm左右即可導(dǎo)致顯色指數(shù)的變化大于2，而且其影響是隨著峰值波長(zhǎng)的增加而導(dǎo)致顯色指數(shù)迅速升高；類似的除藍(lán)色454 nm與寶藍(lán)480 nm的峰值波長(zhǎng)增加引起顯色指數(shù)提高，其他3種波長(zhǎng)的峰值波長(zhǎng)增加一般會(huì)引起顯色指數(shù)的降低；其中紅色630 nm峰值波長(zhǎng)的增加導(dǎo)致顯色指數(shù)的降低不是線性的而且在向多波長(zhǎng)漂移方向存在一個(gè)最小值。

圖7 5 500 K附近色坐標(biāo)(x,y)與6種基本LED峰值波長(zhǎng)漂移的關(guān)系

圖6 2 700 K附近顯色指數(shù)與6種基本LED峰值波長(zhǎng)漂移的關(guān)系

類似上面的分析，由圖5和圖6可見(jiàn)多波長(zhǎng)組合的白光LED的顯色指數(shù)和單色LED的工作波長(zhǎng)穩(wěn)定性或分bin準(zhǔn)確度有著較大關(guān)系，而且是綠色、紅色和橙色的影響較大，顯色指數(shù)會(huì)隨長(zhǎng)波長(zhǎng)器件的峰值波長(zhǎng)變化而產(chǎn)生較大的變化，這為在一定條件約束下通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)的選擇來(lái)獲得更高的顯色指數(shù)提供了線索。

下面再考察波長(zhǎng)漂移導(dǎo)致的色坐標(biāo)移動(dòng)情況。如圖7所示，在5 500 K附近，藍(lán)光454 nm的波長(zhǎng)漂移會(huì)導(dǎo)致色坐標(biāo)的回旋移動(dòng)，而480 nm、507 nm、530 nm和631 nm的波長(zhǎng)變大會(huì)導(dǎo)致色坐標(biāo)x和y同向減小，590 nm的波長(zhǎng)變大會(huì)導(dǎo)致色坐標(biāo)x減小而有增加，x坐標(biāo)的最大變化量0.016出現(xiàn)在紅光631 nm的波長(zhǎng)變化中，y坐標(biāo)的最大變化量0.015出現(xiàn)在寶藍(lán)色480 nm的波長(zhǎng)變化中。

圖8 2 700 K附近色坐標(biāo)(x,y)與6種基本LED峰值波長(zhǎng)漂移的關(guān)系

如圖8所示，在2700 K附近，藍(lán)光454 nm的波長(zhǎng)漂移會(huì)導(dǎo)致色坐標(biāo)的回旋移動(dòng)，而寶藍(lán)480 nm、藍(lán)綠507 nm和綠色530 nm的波長(zhǎng)變大會(huì)導(dǎo)致色坐標(biāo)x和y同向減小，橙色590 nm和紅色631 nm的波長(zhǎng)變大會(huì)導(dǎo)致色坐標(biāo)x減小而有增加。x坐標(biāo)的最大變化量0.016出現(xiàn)在橙色590 nm和紅色631 nm的波長(zhǎng)變化中，y坐標(biāo)的最大變化量0.017出現(xiàn)在橙色590 nm的波長(zhǎng)變化中。

3 結(jié)論

我們采用6種單色LED使用光譜組合的方式構(gòu)建了典型色溫5 500 K和2 700 K的白光器件，并對(duì)組成白光的單色LED的光譜穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)研究了多種單色LED峰值波長(zhǎng)的漂移對(duì)色溫、顯色指數(shù)和色坐標(biāo)的影響情況。兩種色溫下分別是紅色630 nm和橙色590 nm附近的峰值波長(zhǎng)漂移對(duì)于色溫的影響最大，在漂移2 nm左右即可導(dǎo)致色溫100 K左右的變化；而橙色590 nm的峰值波長(zhǎng)漂移對(duì)于顯色指數(shù)的影響最大，在漂移2 nm左右即可導(dǎo)致顯色指數(shù)的變化大于2；在5 500 K附近x坐標(biāo)的最大變化量0.016出現(xiàn)在紅光631 nm的波長(zhǎng)變化中，y坐標(biāo)的最大變化量0.015出現(xiàn)在寶藍(lán)色480 nm的波長(zhǎng)變化中，在2 700 K附近，x坐標(biāo)的最大變化量0.016出現(xiàn)在橙色590 nm和紅色631 nm的波長(zhǎng)變化中，y坐標(biāo)的最大變化量0.017出現(xiàn)在橙色590 nm的波長(zhǎng)變化中。這一實(shí)驗(yàn)思路為控制多光譜組合光源的色度參數(shù)變化提供了重要的參考。

我們認(rèn)為，多波長(zhǎng)組合的白光LED的色溫和各單色LED的工作波長(zhǎng)穩(wěn)定性或分bin準(zhǔn)確度有著較大關(guān)系，其中紅色和橙色的對(duì)色溫的影響較大，低色溫白光器件需要控制紅色和橙色的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和一致性，高色溫白光器件還需要對(duì)綠色和寶藍(lán)色器件進(jìn)行控制，這些對(duì)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和器件工藝技術(shù)提出了新的要求，因此下一步針對(duì)動(dòng)態(tài)照明、功能照明的光生物、光健康研究需要高度關(guān)注LED器件的光譜分布特性、波長(zhǎng)穩(wěn)定性和一致性等方面。