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如何在CIE色度空間來(lái)設(shè)計(jì)更好的發(fā)光二極管

大多數(shù)燈光師帶LED工作明白是怎么委員會(huì)國(guó)際歌DE L’Eclairage(CIE)1931 X，Y色彩空間(或CIE色度空間上)被用作基礎(chǔ)表征白光LED。從純色或白色LED的輸出可以在顏色(色調(diào))和飽和度(純度)方面用x被定義并在圖上y坐標(biāo)。

然而，很少有工程師明白為什么CIE色度空間上運(yùn)作良好，為L(zhǎng)ED的分析工具。部分原因是自然光作為基準(zhǔn)LED輸出。這是因?yàn)樘?yáng)被認(rèn)為是完美的照明器(到我們的眼睛已經(jīng)變得完全演進(jìn))是黑體輻射發(fā)射在廣泛帶寬的光。照明技術(shù)，有關(guān)與波長(zhǎng)移熒光體純色LED中是唯一的是一個(gè)接近理想的人工光源，因?yàn)樗鼈兡軌蚪咏啬M太陽(yáng)的光譜功率分布(SPD)，同時(shí)限制能量發(fā)射到可見(jiàn)光譜。

從黑體輻射器的輸出可以被繪制在CIE顏色空間，可作為L(zhǎng)ED的顏色相關(guān)溫度(CCT)的基準(zhǔn)的軌跡的形式。 CCT是表征LED的一個(gè)重要參數(shù)，使得制造商能夠提供一系列的白光器件，以滿(mǎn)足多種應(yīng)用。

本文著眼于CIE色度空間上的起源 - 夢(mèng)想了很久以前的LED都是實(shí)用的主流照明的想法 - 并說(shuō)明如何使用它來(lái)幫助現(xiàn)代LED的發(fā)展和表征。

大自然的黑體輻射

在人類(lèi)發(fā)現(xiàn)人造光照射的唯一來(lái)源是太陽(yáng)。數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化已造成眼睛都運(yùn)行在陽(yáng)光下優(yōu)化和人類(lèi)的自然光等舒適和安全聯(lián)系起來(lái)。

太陽(yáng)是(約)黑體輻射體發(fā)光熱過(guò)程的結(jié)果。光被定義為電磁輻射肉眼可見(jiàn)的。在陽(yáng)光下，這種電磁輻射的主要來(lái)源是從原子被融合的熱能在恒星的芯激勵(lì)。

這種激發(fā)是高度無(wú)規(guī)的，但在宏觀尺度上，從黑體光發(fā)射可使用普朗克定律準(zhǔn)確建模。該法描述了黑色機(jī)身的熱平衡，在一定的溫度下所發(fā)出的電磁輻射。在給定波長(zhǎng)(包括那些在不可見(jiàn)光譜例如紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn))為不同溫度的黑體改變發(fā)射的能量;例如，在較低溫度下更長(zhǎng)(更紅)波長(zhǎng)支配和黑色的機(jī)身將發(fā)出暗紅色。溫暖的黑色體從明亮的黃色，以藍(lán)白色發(fā)出在較短(更藍(lán))波長(zhǎng)更多的精力和范圍的顏色，因?yàn)樗麄冏兊酶鼰帷?/p>

黑體的SPD的曲線(xiàn)示出的濃度，作為波長(zhǎng)的函數(shù)，一個(gè)輻射或光度量的如從光源輻射能量或輻射通量。在太陽(yáng)表面的溫度約為5250 K和它發(fā)出的特征黃白色的中溫星峰值排放(也許并不奇怪考慮如何在Sun已經(jīng)影響了眼睛的進(jìn)化)中的可見(jiàn)部分譜。圖1示出了各種黑色機(jī)構(gòu)的SPD - 包括Sun的模擬發(fā)射在5000的K - 覆蓋在電磁波譜的可見(jiàn)部分。

黑體輻射光譜功率分布的圖像

圖1：黑體輻射在選定的溫度光譜能量分布。

(需要注意的是大氣，這尤其是散射藍(lán)光，改變了太陽(yáng)的顏色在地球表面，當(dāng)太陽(yáng)開(kāi)銷(xiāo)通過(guò)更少的氣氛它的光線(xiàn)傳播，會(huì)出現(xiàn)更多的“自然”(即黃白色)，而在晚上，例如，光行進(jìn)通過(guò)的大氣的較厚層，因此會(huì)出現(xiàn)更紅的藍(lán)色波長(zhǎng)的光被散射到更大的程度。)

CIE色度空間

CIE色度空間上來(lái)源于一系列的實(shí)驗(yàn)由威廉大衛(wèi)·懷特和約翰協(xié)會(huì)在20世紀(jì)20年代末完成的。下圖提供了第一個(gè)確定的量化物理純色之間在可見(jiàn)電磁頻譜和生理感知顏色的人文色彩的視覺(jué)聯(lián)系。

眼睛不檢測(cè)所有顏色一視同仁。例如，在視網(wǎng)膜上的彩傳感錐體最敏感的綠光。這些特殊的細(xì)胞的敏感度尾部脫迅速朝藍(lán)(和紅色)的光譜的一部分。錐體’在472毫微米靈敏度為藍(lán)色光，例如，僅10%的那對(duì)555nm處的綠色。

什么特別新穎關(guān)于CIE顏色空間是，它使用了一組的配色函數(shù)是一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”的人類(lèi)觀察者的色響應(yīng)的數(shù)值的說(shuō)明。的配色函數(shù)相關(guān)聯(lián)物理產(chǎn)生的光的光譜具有特定的三色值 - 因而考慮到眼睛的光感受器的變化的靈敏度。

CIE色度空間允許色度顏色使用兩個(gè)導(dǎo)出的參數(shù)，x和y被繪制的(顏色的質(zhì)量，獨(dú)立發(fā)光的指示)。不x和y中的顏色空間的所有值對(duì)應(yīng)于可見(jiàn)的顏色。而是，所有的可見(jiàn)顏色被包含由“光譜軌跡”和所定義的包絡(luò)線(xiàn)內(nèi)“紫色線(xiàn)。”該光譜軌跡是一條曲線(xiàn)，繪出的x，y的值的顏色包括在整個(gè)可見(jiàn)光譜的單一波長(zhǎng)。上的軌跡的編號(hào)對(duì)應(yīng)的顏色的波長(zhǎng)。紫線(xiàn) - 直線(xiàn)軌跡由紅色和藍(lán)色的混合的 - 構(gòu)成了CIE色度空間的下邊界(圖2)。

CIE色度空間圖像

圖2：CIE顏色空間表示普朗克軌跡的位置。

一種彩色的色調(diào)是由它的頻譜上基本顏色(例如，紅色，橙色，黃色，綠色，藍(lán)色，或紫色)來(lái)確定。包括一個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)顏色的飽和度總是比光相同的色調(diào)，但具有更寬的光譜帶寬更大。越大光譜帶寬(降低飽和度)進(jìn)一步在x，y色度坐標(biāo)移動(dòng)從光譜軌跡。在該圖的顏色的中心區(qū)域是去飽和和表現(xiàn)出柔和的色調(diào)。移動(dòng)足夠遠(yuǎn)到圖中的中心和顏色成為白色和白色。白色通常被描述為一個(gè)不存在的顏色和由許多波長(zhǎng)。的最近點(diǎn)到在CIE顏色空間“純”白的是，相當(dāng)于將SPD在可見(jiàn)光譜的每個(gè)波長(zhǎng)表現(xiàn)出相等的能量的點(diǎn)。這點(diǎn)有時(shí)標(biāo)記為“E”上的CIE色空間，但是最小的感興趣LED制造商的，因?yàn)檫@種技術(shù)不容易本身借給相等能量的光源的制造。

即通常包括在CIE顏色空間的另一關(guān)鍵特征是普朗克(或黑體)位點(diǎn)。這些是各種溫度下的黑體的色度坐標(biāo)從1000 K(深紅色)至10,000 K和上面的曲線(xiàn)(藍(lán)白色)，參見(jiàn)圖2的上方。

表征LED燈

之前，他們被認(rèn)為用于照明應(yīng)用，LED燈開(kāi)始流行的應(yīng)用，如指標(biāo)和標(biāo)志。紅，綠，藍(lán)設(shè)備繼續(xù)在他們的數(shù)十億美元，以制造和LED制造商加入了其他​​照明設(shè)備制造商使用CIE色度空間上，以自己的產(chǎn)品特點(diǎn)。

色調(diào)和飽和度(由LED的主波長(zhǎng)確定的)可以使用圖表明確定義。 LED的色調(diào)被定義為光譜軌跡通過(guò)從等于能量在點(diǎn)(E)的線(xiàn)通過(guò)在x，LED的y坐標(biāo)相交的波長(zhǎng)。飽和是由LED的x的位置來(lái)確定，Y沿著這條線(xiàn)的坐標(biāo)。如果x，y坐標(biāo)是一致E中的純度為0。的LED待著朝向光譜軌跡純度增大的線(xiàn)的坐標(biāo)，達(dá)到1在軌跡(圖3)。

色調(diào)和飽和度的LED圖像

圖3：CIE顏色空間可以用來(lái)明確定義的LED和其它光源的色調(diào)和飽和度。 (劍橋大學(xué)出版社提供)[1]

這么多的純顏色的LED，在這里我們關(guān)心的是用于照明應(yīng)用的白色設(shè)備。 CIE顏色空間可以被用于指示范圍(或“域”)的顏色的組合紅，綠，藍(lán)(RGB)LED可產(chǎn)生。的光的仔細(xì)混合是產(chǎn)生“白”發(fā)光二極管的一種方式?？赡躼和RGB組合的y坐標(biāo)的范圍將落入一個(gè)三角形，其頂點(diǎn)是在x內(nèi)，三源的y坐標(biāo)(參照技術(shù)專(zhuān)區(qū)文章“第三種方法為白​​光LED”)。

然而，當(dāng)今的大多數(shù)商業(yè)白光LED照明應(yīng)用結(jié)合了寶藍(lán)色釔鋁石榴石(YAG)熒光粉LED。大多數(shù)LED的光子被磷光體吸收，并且，通過(guò)稱(chēng)為斯托克斯移位的處理，被重新發(fā)射在光譜的黃色和紅色部分。剩余的藍(lán)色光子發(fā)射不受影響，并用黃色和紅色的光結(jié)合產(chǎn)生白光(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區(qū)的文章“更白，更亮的LED”)。

圖4顯示了歐司朗的OSLON SSL白光LED的相對(duì)光譜發(fā)射(該芯片具有106流明/瓦，在350毫安/的功效2.95 V)。需要注意的是大的峰值出現(xiàn)在藍(lán)色區(qū)域(從LED的直接貢獻(xiàn))，以進(jìn)一步駝峰由磷光體產(chǎn)生的黃色和紅色區(qū)域。

歐司朗OSLON SSL白光LED光譜功率分布的圖像

圖4：來(lái)自歐司朗OSLON SSL白光LED光譜功率分布。虛線(xiàn)鐘形曲線(xiàn)是人眼的靈敏度函數(shù)。

完美的人造光

雖然在CIE顏色空間由幾十年早商業(yè)的LED，但事實(shí)上，純色LED與波長(zhǎng)移熒光結(jié)盟是一個(gè)接近理想的人工光源，用于匹配黑體輻射體的SPD和限制能量發(fā)射到在可見(jiàn)光譜使得圖中的理想機(jī)制，開(kāi)發(fā)和檢定白光LED。

與傳統(tǒng)照明競(jìng)爭(zhēng)，LED廠(chǎng)商努力生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。顯色指數(shù)(CRI)和相關(guān)色溫度(CCT)定義了從設(shè)備質(zhì)量輕。

CRI是的光源的重現(xiàn)各種物體的顏色忠實(shí)地在與理想的或天然的光源比較的能力的定量測(cè)量。陽(yáng)光作為基準(zhǔn)，具有100的CRI(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區(qū)的文章“什么是顯色指數(shù)，它為什么如此重要?”)。當(dāng)代的LED，如Cree的的XLamp XM-L2芯片)和歐司朗的OSLON SSL家族(在700毫安/ 2.9V的153流明/瓦)具有的CRI為80〜85的范圍內(nèi)。

雖然CRI沒(méi)有在CIE色度空間定義，CCT最絕的是。 CCT被定義為“普朗克[或黑體]散熱器的感知的顏色最相似，一個(gè)給定的刺激在相同的亮度和在特定觀看條件下的溫度”。

通過(guò)稍微改變的熒光化學(xué)，制造商可以改變他們的白光LED的色溫。圖5示出了如何白色LED具有不同色溫的光譜變化。這個(gè)例子顯示了Cree公司的XLamp XM-L2系列LED。

相對(duì)光譜排放量為Cree白光LED的圖片

圖5：相對(duì)光譜排放不同色溫的Cree公司白光LED。

請(qǐng)注意，“暖”白光LED實(shí)際上有較低的相關(guān)色溫。來(lái)自這些設(shè)備的輸出中含有較多的紅色波長(zhǎng)的光，其中將移動(dòng)到普朗克軌跡的較冷端的輻射，即使人的感知決定了顏色是溫暖。 “冷”白光LED發(fā)射更藍(lán)，和輻射被歸類(lèi)為熱，盡管再次，人類(lèi)有一個(gè)替代的感知，其確定的光冷卻器。制造商生產(chǎn)白色LED，歸類(lèi)為“暖白”(2600至3700ķCCT)，“中性​​白”(3700為5000 K CCT)和“冷白”(5000〜8300 K)輸出。

這些產(chǎn)品系列適合不同的應(yīng)用。例如，消費(fèi)者更喜歡暖白色家用設(shè)備，而企業(yè)發(fā)現(xiàn)，員工在冷白光照明效率更高。

這是不可能的可靠制造完全相同的CCT的發(fā)光二極管。相反，制造商組具有相似CIE色坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成“垃圾桶”的分組是通過(guò)與這些四邊形具有相同CCT垂直套CIE色度空間小四邊形確定(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區(qū)的文章“定義的白光LED的顏色特性“)。

卓越的LED設(shè)計(jì)

消費(fèi)者愿意代替短暫的，低效率的傳統(tǒng)光源與固態(tài)照明，如果制造商能提供的產(chǎn)品發(fā)出高品質(zhì)的光。 CIE色度空間上已經(jīng)證明一個(gè)寶貴的工具LED廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)這樣的產(chǎn)品，因?yàn)樗紤]到了眼睛的不同感光度不同的顏色，并采用人工照明在普朗克軌跡的形式確定排放量的顏色的重要依據(jù)溫度升高的黑色體。

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