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[摘要]本文旨在探讨目前白光LED灯具的技术风险基础上，讨论解决高显色性高光效白光LED的技术方法。根据理论计算和显色性分析，得到获得高显色性高光效的最理想办法是RGB法的结论。
[关键词]白光LED高显色性高光效RGB法
中图分类号：TB858.1 文献标识码：TB 文章编号：1009―914X（2013）28―0501―02
I.前言
照明的白光一定要有可用的显色指数和舒适的色温。天然光和白炽光都是自然界赋予的，是人类制造的人工光源追求的目标，它们分别代表了高色温（5000K以上）和低色温（3000K以下）的显色指数接近100的理想光源。到目前为止，人工光源中除了白炽灯（低色温）和氙灯（高色温）以外几乎没有这样好的显色性的光源。同时，绿色和低碳要求我们使用光效越来越高的光源，满足减少耗能的目的。新的产品必须有高的发光效率。
因此，光源的发光效率、显色指数和色温是衡量光源性能的重要指针。照明产品已经从早起的白炽灯、卤钨灯发展到现在的半导体光源和无极灯，而应用在照明领域的LED光源，应同时具备高光效和高显色性。
II.白光LED的显色指数和色温问题
用于照明的白光要有高光效、高显色指数并符合照明环境或照明作业对象。美国能源部（DOE）对用于室内照明的LED灯具的显色指数已经从原来的70（2007年8月）提高到≥80（2009年12月）。在国内的照明设计标准中，也规定办公室和宾馆饭店中的显色指数应在80以上。因此，显色指数≥80应该作为衡量室内照明用白光LED的指标要求。
2.1白光LED的显色指数
LED室内照明产品的显色性和光谱质量与白炽灯、卤素灯相比还有差距。目前一般白光LED显色指数在70左右，暖白光LED在80左右，离白炽灯、卤素灯显色指数100还有很大的差距，在显色性方面还需要进一步提升，这是LED大规模进军室内照明领域时需要解决的问题。同时室内照明对光源的光谱质量要求高，人睛习惯于太阳所发出的连续光谱的光，白炽灯、卤素灯其光谱分布都是连续的，而目前白光LED光谱是不连续的，这也是LED照明需要考虑的。
2.2 白光LED的色温
目前获得白光LED的主要方法之一是荧光粉法（BY法），即利用蓝光LED+YAG荧光粉制成单晶粒白光LED。这种工艺很难同时实现高光效、高显色性、低色温。主要原因在于荧光粉转换效率和缺乏暖色光波段。白光LED光源频谱图显示，芯片产生峰值波长为465nm蓝光，部分蓝光激发钇铝石榴石荧光粉：铈（Y3Al5O12：Ce3+）产生中心波长为570nm黄光。不同的色温白光LED光谱特性也不相同，随着色温的降低LED的蓝光分量减小黄光甚至橘黄色光粉量明显增加，这对于习惯于太阳光谱的人眼来说，HB LED的色温低一些会感到舒服一些。
III. 如何制造高显色性高光效的白光LED
3.1色温与光效
从CREE和OSRAM的产品宣传数据来看，采用荧光粉法获得的白光LED，其色温越低光源的光效就越低，光色越暖，光效就越低。前面提到，采用蓝光LED激发黄色荧光粉的形式，对于暖白光LED则添加红色荧光粉，其显色性受到了一定的局限，一般白光LED显色指数在70左右，暖白光LED在80左右。原理上讲，单蓝光芯片激发多种荧光粉后的发光效率一般都会小于激发一种荧光粉的效率。
3.2 光谱设计和光度效率转换
因为LED是单色光源，可以由RGB法或者荧光粉法两种方法产生白光，因此，对RGB法形成白光可以看出拼湊出来的一种白光光源，它的光谱可变，色温和显色性也可变，以适合各种需要。而BY法产生的白光就不会又太多的变化了。
LED的光谱设计特别重要。白色LED光源的极限光效A=ωo*ωe。其中ωo为光源光功率的理论效率，由光谱在线个谱线的光功率折算为光通量计算来的，如按照人眼光谱光视效能最高的电功率1W的555nm黄绿光相当于光功率是683lm，即光电转换效率是683lm/w。ωe为光源发光机理算出的电功率转换为光功率的理论效率。
不同光谱的光谱线有不同的光功率，不同的组合就有不同的光功率的理论效率。典型的白色光源可设计成图1中的三种光谱构成：
1）可见光区域内等能量分布；
2）以555nm为最大值的三角形分布；
3）与人眼光谱光视效率曲线相同技术可得表1的结果。
图1
表1
光电转换效率ωe由光源的发光机理决定，对LED光源来说：RGB和荧光粉法得到白光LED的光电转换效率由英国科学家代表团组织在2006年发表的一个LED技术报告中给出，图2是RGB法得到的白光的最高转换效率。最高光电转换效率ωe是66%。图3是BY法得到的白光的最高转换效率。最高光电转换效率ωe是56%。
图2RGB法得到的白光的最高转换效率
图3是BY法得到的白光的最高转换效率。
将上述两个内容结合起来就可以得到RGB法和荧光粉法得到的白光LED的最高光效，然后在实际应用中还得考虑一下事实：上面三种假想的光谱分布实际上有现实意义的就是显色指数在80以上的室内照明要用到的三角形光谱。等能量分布的很难制造出来，况且它的发光效率不高，V（分布的显色指数太低，只有三角形分布才有有可能制造出来。
三角形光谱的ωo为324lm/W。有可能做到接近它的水平（因为不可能光谱是一模一样的）也许只有300lm/W左右。即ωo=300lm/W。这样一来，LED最高光效的数值：
RGB法：300*66%=198lm/W
BY法：300*56%=168lm/W
至于在显色指数要求不高的室外，如以V分布为光谱分布的追求目标，在最高Wo为511lm/W的基础上打一折扣，认为可达到450lm/W的话，用BY法得到的最高光效是：450*56%=252lm/W。不过，这种颜色的光发青黄色，很难看，也不能被人们接受。因此在看LED的光效时一定要关心它的显色指数。只讲光效，没有显色指数是没有实用意义的。
根据以上理论计算和显色性分析，获得高显色性高光效的最理想办法是RGB法。
IV.结论
虽然目前BY法仍是白光LED的主流工艺，但是根据以上分析，我们发现BY法较难同时兼顾高光效和高显色性要求，并且采用该方法实现的高显色性白光LED存在光色上的问题。因此，综合以上的讨论分析，获得高显色性高光效的最理想办法是采用RGB法制造白光LED。
参考文献
[1] 《半导体照明发光材料及应用》，肖志国，化学工业出版社，2008年3月第一版。
[2] 《看灯珠识灯具》，谢本超，照明电器，2012年第05期。
[3] 《提升COB LED光效的封装工艺解决方案》，郑小平，高工LED（技术应用），2012年12月刊。
[4] 《2012年商用LED荧光粉的技术发展走势》，夏天，高工LED（技术应用），2012年11月刊。
[5] 《LED灯具色温智能控制器应用方案》，梁明，高工LED（技术应用），2012年11月刊。
[关键词]白光LED高显色性高光效RGB法
中图分类号：TB858.1 文献标识码：TB 文章编号：1009―914X（2013）28―0501―02
I.前言
照明的白光一定要有可用的显色指数和舒适的色温。天然光和白炽光都是自然界赋予的，是人类制造的人工光源追求的目标，它们分别代表了高色温（5000K以上）和低色温（3000K以下）的显色指数接近100的理想光源。到目前为止，人工光源中除了白炽灯（低色温）和氙灯（高色温）以外几乎没有这样好的显色性的光源。同时，绿色和低碳要求我们使用光效越来越高的光源，满足减少耗能的目的。新的产品必须有高的发光效率。
因此，光源的发光效率、显色指数和色温是衡量光源性能的重要指针。照明产品已经从早起的白炽灯、卤钨灯发展到现在的半导体光源和无极灯，而应用在照明领域的LED光源，应同时具备高光效和高显色性。
II.白光LED的显色指数和色温问题
用于照明的白光要有高光效、高显色指数并符合照明环境或照明作业对象。美国能源部（DOE）对用于室内照明的LED灯具的显色指数已经从原来的70（2007年8月）提高到≥80（2009年12月）。在国内的照明设计标准中，也规定办公室和宾馆饭店中的显色指数应在80以上。因此，显色指数≥80应该作为衡量室内照明用白光LED的指标要求。
2.1白光LED的显色指数
LED室内照明产品的显色性和光谱质量与白炽灯、卤素灯相比还有差距。目前一般白光LED显色指数在70左右，暖白光LED在80左右，离白炽灯、卤素灯显色指数100还有很大的差距，在显色性方面还需要进一步提升，这是LED大规模进军室内照明领域时需要解决的问题。同时室内照明对光源的光谱质量要求高，人睛习惯于太阳所发出的连续光谱的光，白炽灯、卤素灯其光谱分布都是连续的，而目前白光LED光谱是不连续的，这也是LED照明需要考虑的。
2.2 白光LED的色温
目前获得白光LED的主要方法之一是荧光粉法（BY法），即利用蓝光LED+YAG荧光粉制成单晶粒白光LED。这种工艺很难同时实现高光效、高显色性、低色温。主要原因在于荧光粉转换效率和缺乏暖色光波段。白光LED光源频谱图显示，芯片产生峰值波长为465nm蓝光，部分蓝光激发钇铝石榴石荧光粉：铈（Y3Al5O12：Ce3+）产生中心波长为570nm黄光。不同的色温白光LED光谱特性也不相同，随着色温的降低LED的蓝光分量减小黄光甚至橘黄色光粉量明显增加，这对于习惯于太阳光谱的人眼来说，HB LED的色温低一些会感到舒服一些。
III. 如何制造高显色性高光效的白光LED
3.1色温与光效
从CREE和OSRAM的产品宣传数据来看，采用荧光粉法获得的白光LED，其色温越低光源的光效就越低，光色越暖，光效就越低。前面提到，采用蓝光LED激发黄色荧光粉的形式，对于暖白光LED则添加红色荧光粉，其显色性受到了一定的局限，一般白光LED显色指数在70左右，暖白光LED在80左右。原理上讲，单蓝光芯片激发多种荧光粉后的发光效率一般都会小于激发一种荧光粉的效率。
3.2 光谱设计和光度效率转换
因为LED是单色光源，可以由RGB法或者荧光粉法两种方法产生白光，因此，对RGB法形成白光可以看出拼湊出来的一种白光光源，它的光谱可变，色温和显色性也可变，以适合各种需要。而BY法产生的白光就不会又太多的变化了。
LED的光谱设计特别重要。白色LED光源的极限光效A=ωo*ωe。其中ωo为光源光功率的理论效率，由光谱在线个谱线的光功率折算为光通量计算来的，如按照人眼光谱光视效能最高的电功率1W的555nm黄绿光相当于光功率是683lm，即光电转换效率是683lm/w。ωe为光源发光机理算出的电功率转换为光功率的理论效率。
不同光谱的光谱线有不同的光功率，不同的组合就有不同的光功率的理论效率。典型的白色光源可设计成图1中的三种光谱构成：
1）可见光区域内等能量分布；
2）以555nm为最大值的三角形分布；
3）与人眼光谱光视效率曲线相同技术可得表1的结果。
图1
表1
光电转换效率ωe由光源的发光机理决定，对LED光源来说：RGB和荧光粉法得到白光LED的光电转换效率由英国科学家代表团组织在2006年发表的一个LED技术报告中给出，图2是RGB法得到的白光的最高转换效率。最高光电转换效率ωe是66%。图3是BY法得到的白光的最高转换效率。最高光电转换效率ωe是56%。
图2RGB法得到的白光的最高转换效率
图3是BY法得到的白光的最高转换效率。
将上述两个内容结合起来就可以得到RGB法和荧光粉法得到的白光LED的最高光效，然后在实际应用中还得考虑一下事实：上面三种假想的光谱分布实际上有现实意义的就是显色指数在80以上的室内照明要用到的三角形光谱。等能量分布的很难制造出来，况且它的发光效率不高，V（分布的显色指数太低，只有三角形分布才有有可能制造出来。
三角形光谱的ωo为324lm/W。有可能做到接近它的水平（因为不可能光谱是一模一样的）也许只有300lm/W左右。即ωo=300lm/W。这样一来，LED最高光效的数值：
RGB法：300*66%=198lm/W
BY法：300*56%=168lm/W
至于在显色指数要求不高的室外，如以V分布为光谱分布的追求目标，在最高Wo为511lm/W的基础上打一折扣，认为可达到450lm/W的话，用BY法得到的最高光效是：450*56%=252lm/W。不过，这种颜色的光发青黄色，很难看，也不能被人们接受。因此在看LED的光效时一定要关心它的显色指数。只讲光效，没有显色指数是没有实用意义的。
根据以上理论计算和显色性分析，获得高显色性高光效的最理想办法是RGB法。
IV.结论
虽然目前BY法仍是白光LED的主流工艺，但是根据以上分析，我们发现BY法较难同时兼顾高光效和高显色性要求，并且采用该方法实现的高显色性白光LED存在光色上的问题。因此，综合以上的讨论分析，获得高显色性高光效的最理想办法是采用RGB法制造白光LED。
参考文献
[1] 《半导体照明发光材料及应用》，肖志国，化学工业出版社，2008年3月第一版。
[2] 《看灯珠识灯具》，谢本超，照明电器，2012年第05期。
[3] 《提升COB LED光效的封装工艺解决方案》，郑小平，高工LED（技术应用），2012年12月刊。
[4] 《2012年商用LED荧光粉的技术发展走势》，夏天，高工LED（技术应用），2012年11月刊。
[5] 《LED灯具色温智能控制器应用方案》，梁明，高工LED（技术应用），2012年11月刊。