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LED的色度学的基本知识1精讲_图文

时间:2018-10-10

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=e?ΔV=hν, λ=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, ν:辐射波长λ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
材料
GaAs:Si AlGaAs(铝镓砷) Ga0.6As0.4P(磷化镓砷) Ga0.35As0.65P (磷化镓砷) Ga0.15As0.85P (磷化镓砷) GaP:N(稼磷氮) SiC(碳化硅) GaN(氮化镓)

颜色
红外 红 红 橙 黄 绿 蓝 蓝

峰值波 长(nm)

功率效率 (%)

950 650 660 632 590 570 470 465

12.0 3.0 0.6 0.6 0.1 0.3 0.02 0.01

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.

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

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):
分组 色表 CCT(K) 适用场所举例 I <3300 暖 客房?卧室?病房?酒吧?餐厅 II 中间 3300-5300 办公?教室?阅览室?诊室?机 加工?仪表装配 III 冷 >5300 热加工?高照度场所

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

Ra的计算 1)分别计算8块色板(i)在标准光源r和被计算光源 k照明下的色差ΔE: ΔEi=[(u’r,i-u’k,i)2+(v’r,i-v’k,i)2+(w’r,i-w’k,i)2]1/2 =[Δu’i2+ Δv’i2 + Δw’i2]1/2 计算对某个样品的显色指数Ri: Ri=100-4.6 ΔEi 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=Σ Ri/8.

关于特殊显色指数R i数值的感性说明: 1)ΔEi的单位是NBS色差单位, 1个NBS单位即 ΔEi=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(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-25—30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);

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=Σ φ(λ)?x?Δλ Y=Σφ(λ)?y?Δλ Z=Σφ(λ)?z?Δλ φ(λ):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. φ(λ)=τ(λ)?S(λ)----Y是物体的透光率; φ(λ)=ρ(λ)?S(λ)----Y是物体的反光率; φ(λ)=β(λ)?S(λ)----Y是物体的亮度因数.

3)色坐标x,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Planks轨迹线(C2=1.4380 ×10-2m?k)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= ×10-2m?k 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1976u’v’均 匀色空间, u’,v’和X,Y 间的坐标变换: u’=4X/(X+15Y+3Z) v’=9Y/(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Δuv

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

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) ---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Δu,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

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,θ.(1SDCM)

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.

Δ u’, Δ v’为0.004和0.007化为x,y的数值和意义

得Δx=0.0156, Δ y=0.0161. 在6500K处, Δ u’, Δ v’为0.004时, Δx=0.0110, Δ y=0.0117. Δ u’, Δ v’为0.004和0.007化为x,y的数值和

意义

结论:① Δx,Δ y 的值> Δ u’,Δ v’的值; ②高色温处的要求更高; ③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

谢 谢!!


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