功率 LED 的特性

本文全面概述了功率 LED 特性（光學(xué)和電氣）。在介紹人眼的顏色感知并解釋功率 LED 數(shù)據(jù)表中常用的顏色表示背后的基本概念之后，介紹了光源重要的特性和參數(shù)。

了解人眼的顏色感知

人眼內(nèi)部有兩種參與視覺(jué)的感光細(xì)胞：視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞。視桿細(xì)胞用于非常低的光水平（夜視）并提供一種灰度圖像，而視錐細(xì)胞用于看到顏色。

光被人眼后部的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞吸收

圖 1. 光被人眼后部的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞吸收1。

視網(wǎng)膜錐體有三種類(lèi)型：紅色、綠色和藍(lán)色。每個(gè)視錐細(xì)胞的靈敏度主要針對(duì)紅色、綠色或藍(lán)色波長(zhǎng)。

1931 年，國(guó)際照明委員會(huì) (CIE) 創(chuàng)建了CIE 1931 XYZ 色彩空間，該空間根據(jù)人類(lèi)視覺(jué)中感知的顏色定義了顏色表示。經(jīng)過(guò)對(duì)人類(lèi)觀察者進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)后，CIE 定義了三種顏色匹配函數(shù)來(lái)描述 CIE 標(biāo)準(zhǔn)觀察者感知的色響應(yīng)。

CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察員的配色功能

圖 2. CIE 標(biāo)準(zhǔn)觀察者的顏色匹配功能2．圖片由 Acdx 提供 （CC BY-SA 4.0）

對(duì)于入射光譜功率分布 P(λ)，顏色感知由三個(gè)三刺激值 XYZ 的組合定義，計(jì)算如下：

X = ∫ ∞ 0 P ( λ ) ˉ x ( λ ) d λ?=∫0∞?(?)?ˉ(?)??

Y = ∫ ∞ 0 P ( λ ) ˉ y ( λ ) d λ?=∫0∞?(?)?ˉ(?)??

Z = ∫ ∞ 0 P ( λ ) ˉ z ( λ ) d λ

由于顏色由三個(gè)值定義，因此可見(jiàn)顏色的完整圖是三維圖形。CIE采用了一種簡(jiǎn)化顏色表示的方法。他們將顏色的概念分為兩部分：亮度和色度。為了解釋這兩個(gè)定義的含義，我們可以考慮白色（明亮的顏色）和灰色（被認(rèn)為是白色的不太明亮的版本）。白色和灰色的色度相同，但亮度不同。

CIE考慮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，人眼感知的顏色亮度主要來(lái)自Y分量。他們利用人類(lèi)顏色感知的這種特殊性來(lái)采用替代顏色表示，其中 Y 分量被視為顏色亮度的度量。然后，色度由從歸一化三刺激值 X、Y、Z 導(dǎo)出的兩個(gè)參數(shù) x 和 y 指定：

x = X X + Y + Z?=??+?+?

y = Y X + Y + Z?=??+?+?

z = Z X + Y + Z= 1 ? x ? y

因此，x 和 y 的每個(gè)組合定義了可以在二維圖形上表示的顏色，而 Y 定義了其亮度。CIE 1931 (x,y) 色度圖是人眼可感知的 (x,y) 顏色空間中的顏色圖。

CIE 1931 (x,y) 色度圖3

圖 3 – CIE 1931 (x,y) 色度圖3。

在 CIE 1931 (x,y) 色度圖中，單色位于周邊，而白色位于中心。顏色飽和度朝圖的中心逐漸降低。

光源的特性和性能

由于顏色感知本質(zhì)上是顏色空間的加法函數(shù)，因此具有相同表觀顏色（相同 XYZ 三刺激值，無(wú)論產(chǎn)生它們的光的光譜分布如何）的兩個(gè)光源可以由不同的波長(zhǎng)組成。

這個(gè)概念往往不為L(zhǎng)ED用戶(hù)所知，但為L(zhǎng)ED制造商所熟知。例如，他們使 LED 從 RGB LED（三個(gè)不同的光發(fā)射器組合在一起）或從由藍(lán)光發(fā)射器和黃色磷光體反射器構(gòu)建的 LED 獲得相同的白光。

使用 LED 產(chǎn)生相同白光的兩種方法

圖 4 – 使用 LED 產(chǎn)生相同白光的兩種方法。

白光 LED 是世界上使用的 LED 的大部分（街道照明、室內(nèi)照明、便攜式燈具等）。我們都知道，不同的應(yīng)用通常采用不同的白色色調(diào)。

對(duì)白光 LED 色調(diào)進(jìn)行分類(lèi)的一個(gè)重要參數(shù)是CCT（相關(guān)色溫）。黑體輻射器是一種理想化的物體，在加熱時(shí)會(huì)發(fā)出輻射，產(chǎn)生的光譜的一部分是可見(jiàn)光。

當(dāng)金屬被加熱到的溫度時(shí)，它們會(huì)變成紅色，然后是黃色，然后是白色。黑體線(xiàn)（或普朗克軌跡）提供了一種表征白光源的方法。

顯示普朗克軌跡和色溫的 CIE 1931 色度圖

圖 5 – 顯示普朗克軌跡和色溫的 CIE 1931 色度圖4。

每種色溫都與不同的白色色調(diào)相關(guān)。1800-3000K 的色溫稱(chēng)為暖白色（白色的黃色調(diào)）。3500-4000K 的 CCT 被稱(chēng)為中性白（接近太陽(yáng)光色調(diào)），而 4500-5500K 的 CCT 被稱(chēng)為冷白（藍(lán)色調(diào)）。

在光源的生產(chǎn)中，需要考慮的一個(gè)重要方面是發(fā)射顏色的再現(xiàn)性。生產(chǎn)的 LED 會(huì)有公差，并且每個(gè) LED 都會(huì)具有與其他 LED 不同的白色色調(diào)。

大衛(wèi)·麥克亞當(dāng)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)記錄不同用戶(hù)對(duì)顏色感知的差異。1940 年左右，他表明用戶(hù)傾向于將他們對(duì)相似顏色的感知聚集到 CIE (x,y) 顏色空間中的橢圓中。他將參考顏色周?chē)胀ㄈ搜蹮o(wú)法區(qū)分的顏色的橢圓命名為 1 步橢圓。圍繞相同參考顏色的其他同心橢圓被命名為 2 步、3 步、4 步等。

ANSI 定義了標(biāo)準(zhǔn) C78.377-2008，初它是基于 7 步麥克亞當(dāng)橢圓創(chuàng)建 CFL 燈的分級(jí)。這些箱以黑體線(xiàn)為中心，ANSI 將它們分類(lèi)為平行四邊形，其大小和方向大致包圍麥克亞當(dāng)橢圓。

ANSI C78.377-2008 標(biāo)準(zhǔn)的插圖

圖 6 – ANSI C78.377-2008 標(biāo)準(zhǔn)的插圖5

如今，從 CFL 燈過(guò)渡到 LED 燈后，基于三步麥克亞當(dāng)橢圓的分箱通常是 LED 制造商提供的分箱。

LED 領(lǐng)域的另一個(gè)基本光學(xué)參數(shù)是CRI——顯色指數(shù)。每個(gè)物體都呈現(xiàn)出特定的顏色，這是照明該物體的光源的光譜成分以及物體反射該光的方式的結(jié)果。

具有完整光譜成分（存在所有可見(jiàn)波長(zhǎng)）的光源被認(rèn)為是理想光源，因?yàn)樗试S物體呈現(xiàn)所有顏色（反射所有顏色）。該示例光源的 CRI 值為 99%。

對(duì)于某些波長(zhǎng)占主導(dǎo)地位的光源，CRI 值較低（即 70%），因?yàn)榕c理想光源產(chǎn)生的理想顏色相比，從物體反射的相關(guān)顏色會(huì)發(fā)生改變。

在常見(jiàn)的 LED 照明應(yīng)用中，CRI 70% 是常見(jiàn)的典型值，而 CRI 80% 或更高則被認(rèn)為是非常好的值。