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1、色度学的基本知识在LED上的应用,上海市照明学会 章海骢,一.概述 LED辐射的特性,决定了它的单色性 Eg=eV=h, =1240/Eg Eg:跃迁能级间的能量差, V:跃迁能级间的电位差, e:电子电荷, h:普朗克常数, :辐射波长的频率 不同掺杂的p-n结, E不同,产生不同颜 色的辐射.,常用各个颜色LED的峰值波长,LED光谱图,白光的产生 1)用红(R),绿(G),兰(B)三色混合.(加色法),RGB混色在色品图上的表现,2)用蓝光LED+黄色荧光粉YAG（BY法） 在480nm处有低谷,荧光粉的进步,显色指数90的光谱:,变色灯中的减色法,白光透过三种颜色的滤 色片后变成黑色.
2、,二.LED常用的色度指标 1.色温和相关色温 发光体发出颜色与 黑体(基准照明体)发 出相同时,黑体的温度 称为发光体的颜色温度简称色温.,相关色温CCT,日光光谱,色品图中的等色温轨迹,1960的u,v色空间图中黑体轨迹线等间隔划 分后得到各个色温点; 在各个色温点上做垂直线得到等色温线(相 关色温CCT) 1 Mird=106/Tc,自然界的色温,光源中常用的色温分档(GB50034-2004): 注意:各国的分档略有差别.,2.显色指数Ra 对LED要特别关注特殊显色指数中的R9.,Ra的得来,八块板的孟塞尔坐标和名称,八块板的光谱反射率曲线,Ra的计算 1)分别计算8块色板(i)在标
3、准光源r和被计算光源 k照明下的色差E: Ei=(ur,i-uk,i)2+(vr,i-vk,i)2+(wr,i-wk,i)21/2 =ui2+ vi2 + wi21/2 计算对某个样品的显色指数Ri: Ri=100-4.6 Ei 式中,4.6是对标准荧光灯Ra=50时的调整系数. 对1-8个样品的一般显色指数Ra: Ra= Ri/8.,不同CRI的显色情况：,关于特殊显色指数R i数值的感性说明: 1)Ei的单位是NBS色差单位, 1个NBS单位即 Ei=1,那么1个NBS单位代表什么呢?, 相当于最优实验条下人眼能感知恰可察觉的5倍, 0.2个NBS色差单位是刚好能察觉. 2)Ri的数值1(
4、1%)相当于0.22个NBS色差单位. Ri 相差5就是1个NBS单位. Ri的数值差1是可以识别的. 1个NBS单位相当于色度坐标0.0015-0.0025的 x,y的色度变化.,用BY法得到照明LED缺乏红光,R9呈负值, 往往达到-2530的水平,影响显色指数达80. 请看DOE规定的LED灯泡数据:,R9为负值的说明,这样的评价方法对RGB得到白光中的问题: 1.RGB得到白光的光谱:缺了某些光谱成分; 2.CRI中的色板是淡色; 3.CRI较小,但目视显色效果尚可.,CQS(颜色质量系统) 为了弥补CRI方法中的问题,将样板颜色变成连 续的偏饱和的变化.由偏饱和的红到紫的构成几 乎连
5、续的变化. 1.增加1块,共15块的结果评价,每块的份量减轻, 一个样片显色不好,在总的评价中的影响变小; 2.一个样片的颜色不是面面俱到(不象淡色);,CQS和CRI的样板的不同,1,1,3.色坐标 颜色的定量表述离不开眼睛，眼睛才能 看到万物！ 与光感受的眼球上的分布 眼睛内有锥状和杆状两种视觉细胞。,两种不同视觉细胞的光谱光视效率 明视觉:555nm; 暗视觉:507nm.,眼睛内锥状视觉细胞的特点之一。 锥状细胞中有视红质视绿质和视蓝质。 看到物体颜色。 锥状细胞对颜色的分辨就是色度学的基础。 物体的颜色 应由观察的器官- 眼睛定义的, 不是天生的, 可能是多种多样的。,颜色的辨别定量
6、肯定与视觉细胞的分布有关。 先后有2和10的实验数据。原因见图。,将颜色用数字表达出来，目的： 计算测量配色比较等。 将颜色用数字表示的基础是： 1)颜色中有三个颜色：RGB是不能从其它 颜色中混合出来的,称三种基色； 2)任何其它颜色C都可以用红(R)绿(G)蓝 (B)三原色相加混合出来。 C=R+G+B,三个原色和它们的光谱 曾经将三个原色选650nm,530nm,460nm(1929) 和630nm,542nm,460nm(1931)真实的光.但在匹配 某些颜色时和计算中出现了负值。,为此必须选择实际不存在的另外三个原色。 实线:1931(2); 虚线:1964(10).,使新的三原色在
7、色度图上符合以下要求： 1）包含整个光谱轨迹，且为正值； 2）光谱轨迹在540nm-700nm在色度图中 是直线,两种颜色混合可以得到两色之间的 各种颜色。 3)规定的视场1931年是2,1964年是10. 2内都是锥状细胞,中心视觉,无杆状细 胞; 10内更接近实际,有部分边缘的锥状细 胞.,颜色量度的形象比喻,三刺激值X,Y,Z的计算 X= ()x Y=()y Z=()z ():与被研究对象的光谱分布,如光源是相对光 谱能量分布,反/透射材料是光谱反/透射分布. ()=()S()-Y是物体的透光率; ()=()S()-Y是物体的反光率; ()=()S()-Y是物体的亮度因数.,3)色坐标x
8、,y,z的计算 色品图与X,Y,Z的关系 x= X/(X+Y+Z) y=Y/(X+Y+Z) z=Z/(X+Y+Z) 不同的色品图有 不同的Y,表示 不同的亮度因数.,1931年2视场的色品图,色品图上的黑体轨迹,1931色品图的不足-不均匀色空间 与一个颜色有相同色差值的轨迹是椭圆; 不同颜色,相同 色差,在图中反映的 距离不同,得到一个 个大小不同的椭圆;,4.色温 色温从1960年的均匀色空间(u,v,)得到： u=4X/(X+15Y+3Z) v=6Y/(X+15Y+3Z) 等色温线是垂线,引用Planks线,Mired(麦勒德)得到色温的位置: Mired =(1/色温)106. 在Pl
9、anks轨迹线(C2=1.4380 10-2mk)上等间隔划 分Mired;所有的等色温线都垂直于Planks轨迹线.,在x,y的色品图中,这些等色温线交于一点, 就有下页计算色温的方法:,从等色温线间得到某个坐标点的相关色温: 1968年的新国际实用温标 是C2= 10-2mk 实际色温T： T=(1.4388/1.4380) Tuv。,5。1976的u,v均匀色空间 为了使色差相同点形成圆形,不同颜色的色差有 相同的表现,进行坐标变换后,就可以得到-均匀 色空间.其中DOE推荐 的是CIE的1976uv均 匀色空间, u,v和X,Y 间的坐标变换: u=4X/(X+15Y+3Z) v=9Y
10、/(X+15Y+3Z),色差0.007在CIE76年均匀色空间u,v图中 的表示,是一个圆.,6。SDCM-色匹配的标准偏差 定义：与注定颜色点有相同色差的颜色点的 集合，在CIE1931色品图中是椭圆。 这些椭圆大小由 MacAdam 用色匹配标准偏 差记录。 3SDCM的色偏差刚可看 出,对灯来说, 5-10 SDCM 往往可以接受。 右图是3000K的7级椭圆。,3000K时的 SDCM与uv. 因为1-2是很难 感知的,SDCM 为7就是 非常容易感知的. DOE规定了到寿命时的色偏差在u,v是 0.007.,也有如下表示的色差范围 在x,y图上: 垂直方向用 u和v的间距, 水平方向
11、用 T表示的矩形. 有1级,2级等等 的矩形.,彩色LED在色品图上的位置 非单色光谱所以不在最外边上,色品图的作用之一-BY法(配荧光粉): 1)荧光粉向红移动,产生白光的BY法说明,配出不同色温的白光LED,Y4156 Y4750,得到高显色性LED白光的又一途径:,这是OSRAM的“Brillant Mix”合成白光的办 法.关键的红光OSRAM已有光电转换效率 61%: 1mm2芯片电流40mA波长609nm时的光 效201lm/W,350mA时是168lm/W.光电转换 效率0.5.,三。LED的色特性 1.为什么要重视LED的色- 光色的变化远大于传统光源!！ 新的时候变化（结温）
12、 -结温增高后的光谱变化(蓝移); -自身的色不均匀,色不均匀性造成的照明效果的低劣,光衰问题 温度促使光通的变化 热冷比的曲线 荧光粉涂布方式 的不同,光衰后老化的变化 DOE规定光衰后期的色坐标变化图,2.LED的光谱 BY法的白色LED光谱, RGB三基色混色白光的光谱 采用RGB单色LED得到。 这种RGB分开的光谱看颜色还行,但算Ra就 很差,这就是要更改计算Ra方法的原由. 办法就是另立一套考虑该因素后的标准色板.,3。白光的规定和白光中色坐标的划分,LED色坐标在1964年均匀色坐标中的表示,根据DOE规定的色度范围看CALIPER检测 A灯的色度的结果,请看一次CARLIPER
13、检测中MR16灯的色偏 差,什么是光色算好的?适合人眼. 光源光色的色坐标在普朗克黑体轨迹线上. 此段是呈白色的光源, 上下偏差有一个范围, 范围内的也属白色光源.,白色偏差图,有8档u,v,ANSI规定的色温和偏差(7级MacAdam椭圆决定),BIN的划分 深色的是ANSI的要求,Rebel的白色binning的划分,有一个例子,也有改进的案例,CALiPER试验中不少灯色温的偏离,颜色偏离得到高的光效,与荧光灯的色差表示比较 GB/T17262-2002单端荧光灯性能要求 荧光灯的色品坐标范围,用McAdam椭圆表示色容差范围 椭圆公式中的系数:,不同标准色温的椭圆参数:a,b,.(1S
14、DCM),举例:2700K(白炽灯色),3000K(暖白色),ANSI与GB/T比较,4。色差和色变化的规定 LED一颗中的颜色变化 DOE规定,新的产品,u和v的变化0.004; 产品在寿终时,u和v的变化0.007., u, v为0.004和0.007化为x,y的数值和意义 得x=0.0156, y=0.0161. 在6500K处, u, v为0.004时, x=0.0110, y=0.0117. u, v为0.004和0.007化为x,y的数值和意义 结论: x, y 的值 u, v的值； 高色温处的要求更高； 相当于5-6个NBS色差,容易察觉。,5。BY法白光LED显色性的问题 480nm的凹谷使N0.5，6两块板的显色受 到影响。,6.物体的色再现 与物体表面的光谱反射率和光源光谱有光 光,不一定显色差的光表现不好. 看5500K色温的LED表现 差于阳光 极差,绿色也差 优于阳光 结论:不是说CRI差一点的都不可用,需要发 现它的使用对象.,7.人的喜爱色温 1941 Kruithof图,了解最新技术内容: 第10版 IESNALighting Handbook. www.iesna.org,谢 谢!,
