LED的色度学的基本知识1

1、色度学的基本知识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/EgEg: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的峰值波长材料颜色峰值波长(nm)功率效率(%)GaAs:Si红外红外 95012.0AlGaAs(铝镓砷铝镓砷)红红6503.0Ga0.6As0.4P(磷化镓砷磷化镓砷)红红6600.6Ga0.35As0.65P (磷化镓砷磷化镓砷)橙橙6320.6Ga0.15As0.85P (磷化镓

2、砷磷化镓砷)黄黄5900.1GaP:N(稼磷氮稼磷氮)绿绿5700.3SiC(碳化硅碳化硅)蓝蓝4700.02GaN(氮化镓氮化镓)蓝蓝4650.01LED光谱图白光的产生白光的产生 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.色温和相关色温色温和相关色温 发光体发出颜色与黑体黑体(基准照明体基准照明体)发出相同时,黑体黑体的温度称为发光体的颜色温度简称色温色温.相关色温相关色温C

3、CT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.分组 色表 CCT(K)适用场所举例I暖暖5300热加工热加工 高照度场所高照度场所2.显色指数显色指数Ra 对对LED要特别关注特殊显色指数中的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E: Ei=(ur,i-uk,i)2+(vr,i-vk,i)2+(wr,i-wk,

4、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.关于特殊显色指数关于特殊显色指数R i数值的感性说明数值的感性说明: 1)Ei的单位是NBS色差单位, 1个NBS单位即Ei=1,那么那么1个个NBS单位代表什么呢单位代表什么呢?,相当于最优实验条下人眼能感知恰可察觉的5倍, 0.2个个NBS色差单位是刚好能察觉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

5、值差的数值差1是可以识别的是可以识别的.1个个NBS单位相当于色度坐标单位相当于色度坐标0.0015-0.0025的的x,y的色度变化的色度变化.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续的变化.1.增加1块,共15块的结果评价,每块的份量减

6、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 眼睛内有锥状锥状和杆状杆状两种视觉细胞。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。锥状细胞对颜色的分辨就是色度学的基础。 物体的颜色物体的颜色应由观察的器官应由观察的器官-眼睛定义的眼睛定义的,不是天生的不是天生的,可能是多种多样的。可能是多种多样的。颜色的辨别 定量

7、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：颜色中有三个颜色：RGB是不能从其它是不能从其它颜色中混合出来的颜色中混合出来的,称三种基色；称三种基色； 2)任何其它颜色任何其它颜色C都可以用红都可以用红(R) 绿绿(G) 蓝蓝(B)三原色相加混合出来。三原色相加混合出来。 C=R+G+B三个原色和它们的光谱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

8、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际不存在的另外三个原色。 实线实线:1931(2); 虚线虚线: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,

9、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)色坐标色坐标x,y,z的计算的计算 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+

10、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 10-2mk)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

11、换后,就可以得到-均匀均匀色空间色空间.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/(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定义：与注定颜色点有相同色差的颜色点的集合，在集合，在CIE1931色品图中是椭圆。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

12、与uv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LEDY4156Y4750三。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。 这种这种RGB分开的光谱看颜

13、色还行分开的光谱看颜色还行,但算但算Ra就就很差很差,这就是要更改计算这就是要更改计算Ra方法的原由方法的原由. 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

14、)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,.(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。色差和色变化的规定 LED一颗中的颜色变化DOE规定规定,新的产品新的产品,u和和v的变化的变化0.004;产品在寿终时产品在寿终时,u和和v的变化的变化0.007. u, v为为0.004和和0.007化为化为x,y的数值的数值和意义和意义得x=0.0156, y=0.0161. 在6500K处, u, v为0.004时, x=0.0110, y=0.0117. u, v为为0.004和和0.007化为化为x,y的数值的数值和和意义意义 结论: x, y 的值 u, v的值； 高色温处的要